钢结构基础第二章答案（钢材力学性能测试方法,钢结构焊接技术要点）

钢结构基础的第二章主要介绍了钢材力学性能测试方法和钢结构焊接技术要点。在钢材力学性能测试方法中，包括了拉伸试验、弯曲试验、冲击试验和硬度试验等几种常见的测试方式，这些测试可以全面地评估钢材的性能，如强度、韧性和硬度等。也介绍了一些常用的测试设备和仪器，如万能材料试验机、电子万能试验机以及硬度计等，这些设备可以帮助我们更准确地测量和分析钢材的性能。，，在钢结构焊接技术要点方面，主要包括了焊接前的准备工作、焊接过程中的操作技巧和焊接后的检查与修复。焊接前的准备工作包括选择合适的焊接材料、制定合理的焊接工艺参数以及准备必要的焊接工具和设备等；焊接过程中的操作技巧则包括控制好焊接速度、保护好焊缝区域、避免产生气孔和裂纹等；焊接后的检查与修复则包括对焊缝的质量进行检查和对焊接缺陷进行修复等。

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一、钢材的主要性能相关答案

（一）力学性能

• 屈服点
  • 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性。在应力 - 应变关系中，应变在达到屈服点之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力 - 应变间成曲线关系。屈服点的意义在于它可作为结构计算中材料强度标准或材料抗力标准。同时，达到屈服点后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，所以在弹性计算时以屈服点作为强度的标准。此外，屈服点可用于形成理想弹塑性体的模型，为钢结构计算理论提供基础（屈服点之前钢材近于理想弹性体，之后塑性应变范围很大而应力保持不增长，接近理想塑性体），钢结构设计规范对塑性设计的规定就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。
• 抗拉强度
  • 在屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点，此最高点对应的应力即为抗拉强度。
• 伸长率
  • 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用δ5和δ10表示。伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力，在结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标（屈服点、抗拉强度和伸长率）的要求。
• 冷弯性能
  • 根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。在重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。
• 冲击韧性
  • 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性，吸收较多能量才断裂的钢材是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力 - 应变曲线下的面积。塑性好的钢材应力 - 应变曲线下的面积大，所以韧性值大。同时，冲击韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。
• 可焊性
  • 可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹的）焊缝的性能。碳含量在0.12% - 0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。

（二）破坏形式

• 塑性破坏
  • 钢材在达到屈服点后会有较大的塑性变形，在破坏前有明显的征兆，例如构件的变形会逐渐增大等。
• 脆性破坏
  • 脆性破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形。如疲劳破坏就属于脆性断裂，在常幅交变荷载或变幅交变荷载作用下，微观裂缝不断扩展直至断裂，这种破坏在截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度，并且塑形变形很小，是一种无明显变形的突然破坏，危险性较大。

二、影响钢材性能的因素相关答案

（一）化学成分的影响

• 碳（C）
  • 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素。随着含碳量的增加，钢材强度提高，但塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。
• 锰（Mn）
  • 锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量（碳素结构钢中的含量为0.3% - 0.8%，在低合金钢中一般为1.0% - 1.7%）可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。
• 硅（Si）
  • 硅是一种强脱氧剂，适量的硅（在镇静钢中0.12% - 0.3%，低合金钢0.2% - 0.55%）可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。
• 硫（S）
  • 硫是有害元素，以硫化铁夹杂于钢中，在800 - 1000度时会融化使钢变脆（热脆），在热加工或焊接时产生裂，降低冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能、焊接性能，硫化物还会引起厚板分层现象。不同钢材牌号和质量等级对硫含量有要求，如一般为0.05%，质量要求高的为0.025%，抗层状撕裂厚钢板要求S≤0.01%。
• 磷（P）
  • 磷能提高强度、抗锈蚀能力，但会导致低温冷脆，降低塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能，故要控制其含量。钢材牌号和质量等级不同，磷含量要求也不同，一般为0.045%，质量要求高的为0.025%，当制造含磷合金钢钢时为0.12% - 0.13%。
• 铝（Al）
  • 铝是强脱氧剂，能细化晶粒，提高强度和低温韧性。在低温冲击韧性要求保证的钢材中铝含量为0.015%。
• 铬（Cr）、镍（Ni）
  • 铬、镍能提高强度（常见于Q390以上钢材），但要限制含量以免影响其它性能，并且它们与铜等元素可在金属表面形成保护层，提高抗锈蚀性且保持良好焊接性。
• 氧（O）、氮（N）
  • 氧和硫一样是有害元素，会引起热脆；氮和磷类似，会降低塑性和韧性等性能，不过氮可以生产合金钢，提高强度和耐腐蚀性，含量一般为0.01% - 0.02%。
• 氢（H）
  • 氢是有害元素，会产生氢脆。破裂面产生氢白点，碳、硫、磷含量少，敏感性低；强度越高，对氢脆越敏感。

（二）其他因素的影响

• 焊接性能
  • 钢材的焊接性能受含碳量和其它合金含量影响，含碳量在0.12% - 0.2%时，焊接性能最好，超过时，焊缝及热影响区变脆。例如Q235A不宜焊接，当含碳量达到0.45%时，淬硬倾向更明显，需要严格控制焊接工艺和预热。此外，焊接性能还和母材厚度、焊接方法、工艺及结构形式有关，对于重要结构需要进行可焊性试验来制定焊接制度和工艺。
• 硬化（时效硬化、冷作硬化等）
  • 时效硬化（老化）是氮化物和碳化物对晶粒塑性滑移起抑制作用，从而增加强度、降低塑性和韧性；冷作硬化（应变硬化）包括应变时效硬化、人工应变时效硬化等情况。
• 应力集中
  • 实际结构不可避免存在孔洞、槽口、截面突变及缺陷，当截面完整性遭到破坏，如有裂纹、空洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀，在缺陷或洁面变化处附近，会出现应力线曲折密集，出现高峰应力的现象即应力集中。
• 荷载类型
  • 荷载分静力（永久和可变）和动力（冲击荷载，吊车荷载和地震作用）两大类。不同类型的荷载对钢材性能有影响，例如动力荷载下钢材的响应与静力荷载下有所不同，还

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