钢材的破坏形式.ppt

,第二章,钢结构的材料,2.3 钢材的破坏形式,两种性质完全不同的破坏形式： 塑性破坏（延性破坏) 脆性破坏（脆性断裂),脆性破坏,破坏前无明显变形，平均应力亦小(可能小于屈服点fy)，没有任何预兆，是突然发生的，危险性大，应尽量避免。 破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。 断裂从应力集中处发生。,塑性破坏,塑性破坏的特征是构件应力超过屈服点(fy)，并达到抗拉极限强度(fu)后，构件产生明显的变形并断裂； 塑性破坏的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。 塑性破坏在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。,理想弹塑性材料能否发生脆性破坏？,2.4 影响钢材性能的一般因素,化学成分的影响 钢材生产过程的影响 硬化的影响 温度的影响 应力集中的影响 板厚、直径的影响 残余应力 应力状态 反复荷载作用（疲劳问题） (下一节),化学成分的影响,基本元素 铁,约占99% 其他元素 有益元素 碳、硅、锰、钒 1.5% 有害元素 硫、磷、氧、氮 1.0%,碳,在普通碳素钢中，碳是除铁以外最主要的元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。 碳的含量提高，钢材的屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性、特别是低温冲击韧性下降。同时，钢材的可焊性、耐腐蚀性能、疲劳强度和冷弯性能也明显下降。因此结构用钢的含碳量不宜太高，一般不超过0.22，在焊接结构中则应低于0.2。,硅,硅是强脱氧剂，用以制成质量较高的镇静钢。 适量的硅可以使钢材强度大为提高，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无明显不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.100.3，硅含量过大(达1左右)，则会降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。,锰,锰是弱脱氧剂。适量的锰含量可以有效地提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能，并能改善钢材的冷脆倾向，而又不显著降低钢材的塑性和冲击韧性。 锰在普通碳素钢中的含量约为0.30.8。锰有强化纯铁体和珠光体的双重作用，是一种十分有效的合金成分，但含量过高将使钢材变得脆而硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。因此，锰是我国低合金钢的主要合金元素，含量一般为1.21.6,钒,钒可提高钢材的强度，细化晶粒，提高淬硬性，但有时有硬化作用。它是添加合金成分，能提高钢材强度和抗锈蚀性能，而不显著降低塑性。,硫,有害元素。硫与铁的化合物为硫化铁，散布在纯铁体晶粒间层中，使钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等大大降低。高温(8001200 )时，硫化铁即熔化而使钢材变脆和发生裂缝，这种现象称为钢材的“热脆”。硫的含量过大不利于进行钢材焊接和热加工。因此，钢材中应严格控制含硫量，一般不超过0.05，在焊接结构中不超过0.045。,磷,有害元素。磷和纯铁体结成不稳定的固熔体，有增大纯铁体晶粒的害处。磷的存在使钢材的强度和抗锈性提高，但将严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能等，特别是在低温时能使钢材变得很脆(冷脆)，不利于钢材冷加工。因此，磷的含量也应严格控制，一般不超过0.050，在焊接结构中不超过 0.045。,氧和氮,有害元素。它们容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧和氮能使钢材变得极脆。氧的作用与硫类似，使钢材发生热脆，一般要求含氧量小于0.05。氮和磷作用类似，使钢材发生冷脆，一般应小于0.008。,钢材生产过程的影响,钢材生产过程介绍（动画） 结构用钢需经过冶炼、浇铸、轧制和矫正等工序才能成材，多道工序对钢材的材性都有一定影响。 冶金缺陷：偏析、非金属夹杂、裂纹、分层。,冶炼,冶炼方法主要有平炉炼钢法和转炉炼钢法； 冶炼过程主要是控制钢材的化学成分，从而达到控制钢材性能的目的。,浇铸,浇铸就是把钢水转变为钢坯的过程。 浇铸时要对钢水进行脱氧，根据脱氧程度的不同，钢可分为: 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢。 特殊镇静钢,沸腾钢,沸腾钢是用锰作为脱氧剂，由于锰的脱氧能力较差，不能充分脱氧。钢液中还含有较多的氧化铁，浇铸时氧化铁和碳相互作用，形成一氧化碳气体逸出，使钢液剧烈沸腾，称为沸腾钢。 沸腾钢的塑性、韧性和可焊性较差，容易发生时效和变脆，轧成的钢板和型钢中常有夹层和偏析现象。但沸腾钢生产周期短，消耗脱氧剂少，轧钢时切头很小，成品率高，所以成本较低，在土木建筑工程中仍大量地采用沸腾钢。,镇静钢是用硅作为主要脱氧剂，硅的脱氧能力很强，它是锰脱氧能力的5倍。没有沸腾现象，浇铸时钢锭模内液面平静，称为镇静钢。它的晶粒较细，使组织致密，气泡少，偏析度小。 镇静钢成品率低，成本较高。 镇静钢的屈服点高于沸腾钢，镇静钢与沸腾钢相比，还具有冲击韧性较高，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性较好，时效敏感性较小等优点。,特殊镇静钢,特殊镇静钢是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中有害氧化物，并把氮化合成非常细小的氮化铝或氮化钛，能明显改善各种力学性能，提高钢材的可焊性。,轧制,轧制是将钢锭热轧成钢板和型钢，改善了钢材的内部组织和力学性能。 轧制的钢材愈小(愈薄)，其强度愈高，塑性和冲击韧性愈好。 轧制钢材，由于其内部非金属夹杂物被压成薄片，在较厚的钢板中会出现分层(夹层)现象。 钢材经热轧后，由于不均匀冷却会产生残余应力，一般在冷却较慢处产生拉应力，冷却早的地方产生压应力。 残余应力是内部自相平衡的应力。,硬化的形式,时效硬化 冷作硬化 应变时效 不管哪一种硬化，都会提高钢材的强度，降低钢材的塑性和韧性，对钢材的使用不利，钢结构不利用硬化提高强度，相反对特殊和重要的结构还需消除硬化的影响。,时效硬化,随时间的推移，钢材的性能发生变化的现象称时效。 时效使钢材强度(屈服点和抗拉强度)提高，塑性降低，特别是冲击韧性大大降低，钢材变脆。发生时效的过程可以从几天到几十年。,时效的原因：纯铁体中碳和氮的固熔物质，从纯铁体中析出，形成自由的碳化物和氮化物微粒，散布在晶粒的滑移面上，起着阻碍滑移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形。,冷作硬化,钢结构制造时，在冷(常温)加工过程中引起的钢材硬化现象，通常称为冷作（应变）硬化。 冷作硬化会改变钢材力学性能，即强度提高，但是降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加出现脆性破坏的可能性，对钢结构是有害的。,钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。,应变时效,应变时效是应变硬化和时效硬化的复合作用,温度升高时对钢材的影响,在200 以内性能没有很大变化； 430540 之间则强度急剧下降； 到600 时强度很低不能承担荷载； 250 附近有兰脆现象 约260320 时有徐变现象,温度升高时对钢材的影响,兰脆现象指温度在250 左右的区间内，fu和fy升高，塑性降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。 徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。 结合200 以内材性无大变化的性能看，结构表面所受辐射温度应不超过这一温度。设计时以规定150 为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。,温度降低时对钢材的影响,在负温范围fu与fy都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。 中间部分曲线较陡，破坏时需要的能量随温度而急剧变化，这部分对应的温度用T1，及T2表示，Tl与T2之间称作温度转变区。材料由塑性破坏转到脆性破坏是在这一区间内完成的。曲线最陡点所对应的温度T0该种钢材的转变温度。,低能部分,应力集中,应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,构件形状与应力