【教学课件】第2章钢结构材料.ppt

钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计第第2章章 钢结构材料钢结构材料第第第第2 2章章章章 钢结构材料钢结构材料钢结构材料钢结构材料2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳2-6 建筑用钢的种类、规格和选用建筑用钢的种类、规格和选用钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备2）有足够的变形能力）有足够的变形能力塑性塑性-破坏前有预兆，能内力重分布破坏前有预兆，能内力重分布韧性韧性-在动载下破坏能吸收较大能量在动载下破坏能吸收较大能量4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载 5）易生产、价格便宜）易生产、价格便宜3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性钢结构设计规范（钢结构设计规范（GB50017-2002)推荐的普通碳素推荐的普通碳素结构钢结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及及Q420符符合要求合要求钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.2.1 钢材的冶炼钢材的冶炼一一.炼铁炼铁二二.炼钢炼钢碳素钢碳素钢 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢炼成的钢质量好。电炉炼钢炼成的钢质量好。耗电量大，成本高。耗电量大，成本高。转炉炼钢是利用高压空气或氧气转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧氧 气气 顶顶 吹吹 转转 炉炉 冶冶 炼炼 的的 钢钢 中中 有有 害害 元元 素素 和和 杂杂 质质 少少，生生 产产 周周 期短，效率高、质量好、成本低。期短，效率高、质量好、成本低。钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计平炉平炉炼钢炼钢，平炉的原料广泛，容平炉的原料广泛，容积积大，大，产产量高，冶量高，冶炼炼工工艺简单艺简单，化学成分易于控制，化学成分易于控制，炼炼出的出的钢质钢质量量优优良。良。平炉平炉钢钢周期周期长长，效率低成本高，效率低成本高钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三.钢材的浇注和脱氧钢材的浇注和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 4类类。沸沸腾腾钢钢采采用用脱脱氧氧能能力力较较弱弱锰锰作作脱脱氧氧剂剂，脱脱氧氧不不完完全全。钢钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。镇镇静静钢钢采采用用锰锰加加硅硅作作脱脱氧氧剂剂，脱脱氧氧较较完完全全，硅硅在在还还原原氧氧化化铁铁过过程程中中还还会会产产生生热热量量，使使钢钢液液冷冷却却缓缓慢慢，使使气气体体充充分分逸逸出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。半镇静钢半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。的脱氧程度介于上述二者之间。特特殊殊镇镇静静钢钢是是在在锰锰硅硅脱脱氧氧后后，再再用用铝铝补补充充脱脱氧氧，脱脱氧氧程程度高于镇静钢。度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计以以“Q”代表屈服点代表屈服点屈服点数值共分屈服点数值共分195、215、235、255和和275(MPa)5种种质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由由A、B、C、D符号表示符号表示脱氧方法以脱氧方法以F表示沸腾钢，表示沸腾钢，b表示半镇静钢，表示半镇静钢，Z表示镇静钢，表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。表示特殊镇静钢。Z和和TZ在钢的牌号中予以省略在钢的牌号中予以省略C级只能是级只能是Z，D级只能是级只能是TZ。例如：例如：Q235AF表示屈服点为表示屈服点为235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为，表示屈服点为215MPa的的B级镇静钢级镇静钢 Q215Bb 表示屈服点为表示屈服点为215MPa的的B级半镇静钢级半镇静钢钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一.钢材的组织构造钢材的组织构造 碳素结构钢碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度是在纯铁中加适量的碳来提高强度 铁素体铁素体 强度、硬度较低，而塑性、韧性良好强度、硬度较低，而塑性、韧性良好 渗碳体渗碳体 铁碳化合物铁碳化合物 熔点高，硬度大，几乎没有塑性熔点高，硬度大，几乎没有塑性 与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中，与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性 低合金结构钢低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素是在低碳钢中加入少量的合金元素 合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使 强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低2.2.2 钢材的组织构造和缺陷钢材的组织构造和缺陷钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二.钢材的铸造缺陷钢材的铸造缺陷 冶金缺陷冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等热加工、冷加工和热处理热加工、冷加工和热处理三种。三种。将将钢钢坯坯加加热热至至塑塑性性状状态态，依依靠靠外外力力改改变变其其形形状状,产产生生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工 在常温下对钢材进行加工称为冷加工在常温下对钢材进行加工称为冷加工 通通过过加加热热、保保温温、冷冷却却的的操操作作方方法法，使使钢钢的的组组织织结结构发生变化，称为热处理构发生变化，称为热处理2.2.3 钢材的加工钢材的加工钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一.热加工热加工 开轧和锻压温度控制在开轧和锻压温度控制在11501300 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于优于厚板厚板和厚壁型钢和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组钢材强度按板厚分组钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢中的硫化物和氧化物等非钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄金属夹杂，经轧制之后被压成薄片片 会出现分层现象。使钢板沿会出现分层现象。使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化厚度方向受拉的性能恶化钢钢材沿材沿轧轧制方向（制方向（纵纵向）向）的性能的性能优优于垂直于垂直轧轧制方向（横制方向（横向）的性能，使各向异性增大向）的性能，使各向异性增大。钢钢板部件板部件应应沿其横向切取沿其横向切取试试件件进进行拉伸和冷弯行拉伸和冷弯试验试验。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二.冷加工冷加工冷冷轧轧卷板和冷卷板和冷轧钢轧钢板板冷弯薄壁型冷弯薄壁型钢钢和和压压型型钢钢板板高高强强钢丝钢丝钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三.热处热处理理包括退火、正火、淬火和回火包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善退火和正火改善组织组织以提高以提高钢钢的机械性能的机械性能 其其操操作作方方法法为为：在在炉炉中中钢钢材材加加热热保保温温一一段段时时间间后后，随随炉炉温温冷冷却却至至500以以下下，再再放放至至空空气气中中冷冷却却的的工工艺艺称称为为完完全全退退火火 若若保保温温后后从从炉炉中中取取出出在在空空气气中中冷冷却却的的工工艺艺称称为为正正火火。正正火的冷却速度比退火快，火的冷却速度比退火快，强强度和硬度有所提高度和硬度有所提高 低低温温退退火火，主主要要用用来来消消除除铸铸件件、热热轧轧件件、锻锻件件、焊焊接接件件和冷加工件中的残余和冷加工件中的残余应应力力钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计淬淬火火工工艺艺是是将将钢钢件件加加热热到到900以以上上，保保温温后后快快速速在在水中或油中冷却水中或油中冷却增加了增加了钢钢材材强强度和硬度，使塑性和度和硬度，使塑性和韧韧性降低性降低回回火火工工艺艺将将淬淬火火后后的的钢钢材材加加热热到到某某一一温温度度进进行行保保温温，而后在空气中冷却而后在空气中冷却消消除除残残余余应应力力，调调整整强强度度和和硬硬度度，减减少少脆脆性性，增增加加塑性和塑性和韧韧性，形成性，形成较稳较稳定的定的组织组织。通通常常称称淬淬火火加加高高温温回回火火的的工工艺艺为为调调质质处处理理。强强度度较较高高的的钢钢材材，如如Q420中中的的C、D、E级级钢钢和和高高强强度度螺螺栓栓的的钢钢材都要材都要经过调质处经过调质处理。理。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材有两种完全不同的破坏形式：钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏塑性破坏脆性破坏脆性破坏塑塑性性破破坏坏的的主主要要特特征征是是，破破坏坏前前具具有有较较大大的的塑塑性性变变形形，常常在在钢钢材材表表面面出出现现明明显显的的相相互互垂垂直直交交错错的的锈锈迹迹剥剥落落线线。破破坏坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆脆性性破破坏坏的的主主要要特特征征是是，破破坏坏前前塑塑性性变变形形很很小小，或或根根本本没没有有塑塑性性变变形形，而而突突然然迅迅速速断断裂裂。破破坏坏后后的的断断口口平平直直，呈呈有有光泽的晶粒状或有人字纹。光泽的晶粒状或有人字纹。2.3.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得给给出出相相应应钢钢材材的的单单调调拉拉伸伸应应力力应应变变曲曲线线。由由试试验验曲曲线线看看出出，在在比比例例极极限限p以以前前钢钢材材的的工工作作是是弹弹性性的的；比比例例极极限限以以后后，进进入入了了弹弹塑塑性性阶阶段段；达达到到了了屈屈服服点点fy后后，塑塑性性平平台台；出出现强化阶段，产生颈缩而破坏。现强化阶段，产生颈缩而破坏。2.3.2 钢材在单向一次拉伸下工作性能钢材在单向一次拉伸下工作性能钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一一一.四个工作阶段：四个工作阶段：四个工作阶段：四个工作阶段：1）弹性阶段：）弹性阶段：2）弹塑性阶段：）弹塑性阶段：应力由应力由 0 比例极限比例极限fp应力由应力由 fp 屈服点屈服点 fy3）塑性阶段：）塑性阶段：应力保持应力保持 fy 不变，应变由不变，应变由(0.10.2)%(23)%;4）强化阶段：）强化阶段：应力由应力由 fy 抗拉强度抗拉强度 fu设计以钢材的屈服点设计以钢材的屈服点 f y 作为静力强度承载力极限作为静力强度承载力极限钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计f y如果没有残余应力，比例如果没有残余应力，比例极限与屈服应力合为一点，弹塑极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消失，为简化计算，将应性阶段消失，为简化计算，将应力应变关系简化为如图力应变关系简化为如图二二二二.理想弹塑性体理想弹塑性体理想弹塑性体理想弹塑性体理想理想理想理想弹弹塑性体塑性体塑性体塑性体应力应变关系应力应变关系1强度强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏是钢材破坏前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能，前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能，uy值的大小，作为钢材强度储备的参数值的大小，作为钢材强度储备的参数三三三三.钢材的机械性能钢材的机械性能钢材的机械性能钢材的机械性能钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率和断面收和断面收缩率缩率。2 2塑性塑性塑性塑性原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般以以l0d0=5为标准试件。伸长率为标准试件。伸长率5：式中：式中：l0试件原标距长度；试件原标距长度；d0试件标距长度内的直径；试件标距长度内的直径；l1 试件拉断后标距间的长度。试件拉断后标距间的长度。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计断面的颈缩率：断面的颈缩率：式中：式中：A0试件标准断面的面积试件标准断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积试件拉断后颈缩区的断面积钢钢材材单单调调拉拉伸伸应应力力应应变变曲曲线线提提供供了了三三个个重重要要的的力力学学性性能指标：抗拉强度能指标：抗拉强度fu、伸长率伸长率和屈服点和屈服点fy。抗抗拉拉强强度度fu是是钢钢材材一一项项重重要要强强度度指指标标，反反映映钢钢材材受受拉拉时时能承受的极限应力能承受的极限应力伸伸长长率率是是衡衡量量钢钢材材断断裂裂前前所所具具有有的的塑塑性性变变形形能能力力的的指指标，其相应伸长率分别用标，其相应伸长率分别用5或或10表示表示屈服点屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值是钢结构设计中应力允许达到的最大限值钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一一一.冷弯性能冷弯性能冷弯性能冷弯性能 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 试试验验时时，根根据据钢钢材材的的牌牌号号和和不不同同的的板板厚厚，按按国国家家相相关关标标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180180 以试件表面和侧面不出现以试件表面和侧面不出现裂纹和分层裂纹和分层为合格为合格 冷冷弯弯试试验验不不仅仅能能检检验验材材料料承承受受规规定定的的弯弯曲曲变变形形能能力力大大小小，还能显示其内部的冶金缺陷还能显示其内部的冶金缺陷 判断判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标2.3.3 钢材的其它性能钢材的其它性能钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计冷弯性能试验方法冷弯性能试验方法具有一定弯心直径具有一定弯心直径d的冲头的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲对标准试件中部施加荷载使之弯曲不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能冷弯性能试验冷弯性能试验钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二.冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性 单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏 冲冲击击韧韧性性是是评评定定带带有有缺缺口口钢钢材材冲冲击击荷荷载载作作用用下下抵抵抗抗脆脆性破坏能力的指标，性破坏能力的指标，通常用带有夏比通常用带有夏比V V型缺口的标准试件型缺口的标准试件 冲击韧性值随温度的降低而降低冲击韧性值随温度的降低而降低 相当温度下的冲击韧性指标：相当温度下的冲击韧性指标：在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温度和所用钢材牌号，提出度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标相当温度下的冲击韧性指标要求要求 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用荷裁作用我国以前曾采用过梅氏试件我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口形缺口)作冲击韧性作冲击韧性试验。试验。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量中积聚的能量来衡量形状改变比能理论：形状改变比能理论：三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时，钢材由弹性转入塑性状态钢材由弹性转入塑性状态钢材在复杂应力状态下的屈服条件钢材在复杂应力状态下的屈服条件时时，为为塑性状塑性状态态；时时，为弹为弹性状性状态态 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应力状态时容易发生塑性破坏。力状态时容易发生塑性破坏。正应力与剪应力表示：正应力与剪应力表示：钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计fy单轴拉伸单轴拉伸双轴异号受力双轴异号受力双轴同号受力双轴同号受力当当1、2、3为同号应为同号应力且数值接近时，力且数值接近时，即使它们各自都远大即使它们各自都远大于于fy，折算应力，折算应力zs仍小于仍小于fy说明钢材很难进入塑说明钢材很难进入塑性状态性状态破坏表现为脆性破坏表现为脆性 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在实腹梁的腹板中：在实腹梁的腹板中：当纯剪时：当纯剪时：钢材的抗剪设计强度为：钢材的抗剪设计强度为：平面应力状态下平面应力状态下钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 碳碳 含碳量低，钢的强度不高但塑含碳量低，钢的强度不高但塑性大伸长率和冲击韧性高，钢性大伸长率和冲击韧性高，钢质柔软，易于冷加工、切削和焊质柔软，易于冷加工、切削和焊接接含碳量较高，钢的强度高，但塑含碳量较高，钢的强度高，但塑性小，硬度大，性脆，不易加工性小，硬度大，性脆，不易加工2.4.1 化学成分的影响化学成分的影响钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计锰锰元素元素(Mn)是一种弱脱氧剂是一种弱脱氧剂锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，不显著降低塑性和冲击韧性。不显著降低塑性和冲击韧性。普通碳素钢中，锰含量在普通碳素钢中，锰含量在0.30.8，低合金钢中，在，低合金钢中，在1.21.6之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和可焊性。可焊性。硅硅元素元素(Si)是一种较强的脱氧剂。是一种较强的脱氧剂。适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击性能、可焊性能无明显不良影响。性能、可焊性能无明显不良影响。在碳素钢中含量不超过在碳素钢中含量不超过0.3，低合金钢中限制在，低合金钢中限制在0.6以以内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钒钒元素元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢的构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢的高温硬度提高，高温硬度提高，15MnV钢是在钢是在16Mn钢基础上加入适量的钒钢基础上加入适量的钒(0.040.12)熔炼成强度较高低合金钢。熔炼成强度较高低合金钢。硫硫元素元素(S)是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS)散散布在纯铁体层间中，当温度在布在纯铁体层间中，当温度在8001200时熔化而使钢材出时熔化而使钢材出现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 氧氧、氮氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性 磷磷元素元素(P)也是一种有害元素。也是一种有害元素。磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。在低温下，钢材易产生低温脆断在低温下，钢材易产生低温脆断,称为冷脆现象。称为冷脆现象。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢钢材的材的焊焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响接性能受含碳量和合金元素含量的影响 含碳量超含碳量超过时过时，焊缝焊缝及及热热影响区容易影响区容易变变脆脆 一一般般Q235A的的含含碳碳量量较较高高，因因此此这这一一牌牌号号通通常常不不能能用用于于焊焊接接构构件件。而而Q235B、C、D的的含含碳碳量量控控制制在在上上述述的的适适宜宜范范围围之内，适合之内，适合焊焊接使用接使用 在在高高强强度度低低合合金金钢钢中中，低低合合金金元元素素大大多多对对可可焊焊性性有有不不利利影影响响，建建筑筑钢钢结结构构焊焊接接技技术术规规程程使使用用碳碳当当量量来来衡衡量量低低合合金金钢钢的可的可焊焊性，其的性，其的计计算公式如下：算公式如下：钢材的焊接性能钢材的焊接性能钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 其中其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、分别为分别为碳、锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。等条件有关。当当CE在在0.380.45范范围围内内时时，钢钢材材呈呈现现淬淬硬硬倾倾向向，施施焊焊时时需需要要控控制制焊焊接接工工艺艺、采采用用预预热热措措施施并并使使热热影影响响区区缓缓慢慢冷却，以免冷却，以免发发生淬硬开裂；生淬硬开裂；当当CE大大于于0.45时时，钢钢材材的的淬淬硬硬倾倾向向更更加加明明显显，需需严严格格控制控制焊焊接工接工艺艺和和预热预热温度才能温度才能获获得合格的得合格的焊缝焊缝。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 钢材的硬化有三种情况：钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化 在在高高温温时时溶溶于于铁铁中中的的少少量量氮氮和和碳碳，随随着着时时间间的的增增长长逐逐渐渐由由固固溶溶体体中中析析出出，生生成成氮氮化化物物和和碳碳化化物物，散散存存在在铁铁素素体体晶晶粒粒的的滑滑动动界界面面上上，对对晶晶粒粒的的塑塑性性滑滑移移起起到到遏遏制制作作用用，从从而而使使钢钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化时效硬化 在在冷冷加加工工使使钢钢材材产产生生较较大大的的塑塑性性变变形形的的情情况况下下，卸卸荷荷后后再再重重新新加加载载，钢钢材材的的屈屈服服点点提提高高，塑塑性性和和韧韧性性降降低低的的现现象象称称为为冷作硬化冷作硬化钢材的硬化钢材的硬化钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 应力应力应变曲线将沿图应变曲线将沿图中中EDHK进行，屈服点由进行，屈服点由D点点提高到提高到H点点塑性区和应变硬化区的范围塑性区和应变硬化区的范围缩小。这也是一个对钢结构缩小。这也是一个对钢结构的不利因素。的不利因素。时效过程长时效过程长在塑性变形后对钢材加热到在塑性变形后对钢材加热到200300 C，使时效在几小，使时效在几小时内完成，称为人工时效。时内完成，称为人工时效。重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性，以保证钢材长期具有较好的韧性。以保证钢材长期具有较好的韧性。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计当截面有裂纹当截面有裂纹(内部的或表面的内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚度或宽度突然改变时度或宽度突然改变时构件中应力分布变得不均匀。构件中应力分布变得不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象曲折、密集、出现高峰应力的现象称为称为应力集中应力集中。当数值相等三向拉应力时，直当数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。到材料断裂也不屈服。三向拉应力状态容易脆性破坏三向拉应力状态容易脆性破坏2.4.4 应力集中的影响应力集中的影响钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 应力集中现象可能由内应力产生：应力集中现象可能由内应力产生：在在浇浇注注、轧轧制制和和焊焊接接加加工工过过程程中中，不不同同部部位位钢钢材材冷冷却却速速度度不同产生。不同产生。焊接残余应力：焊接残余应力：在在焊焊缝缝附附近近残残余余拉拉应应力力常常达达到到屈屈服服点点，在在焊焊缝缝交交叉叉处处经经常常出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。当当外外力力引引起起的的应应力力与与内内应应力力处处于于不不利利组组合合时时，会会引引发发脆脆性性破坏。破坏。因因此此，在在进进行行钢钢结结构构设设计计时时，应应尽尽量量使使构构件件和和连连接接节节点点的的形状和构造合理，防止截面的突然改变。形状和构造合理，防止截面的突然改变。钢结构焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接残余应力。钢结构焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接残余应力。钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 荷载可分为静力的和动力的两大类。荷载可分为静力的和动力的两大类。快速加载快速加载 动力荷载中的冲击荷载动力荷载中的冲击荷载 连续交变荷载，循环荷载连续交变荷载，循环荷载 吊车梁吊车梁 地震地震2.4.5 荷载类型的影响荷载类型的影响一一一一.加载速度的影响加载速度的影响加载速度的影响加载速度的影响 在在冲冲击击荷荷载载作作用用下下，加加载载速速度度很很高高，由由于于钢钢材材的的塑塑性性滑滑移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向 试试验验研研究究表表明明，在在室室温温环环境境下下，虽虽然然钢钢材材的的屈屈服服点点和和抗抗拉拉强强度度随随应应变变速速率率增增加加而而提提高高，塑塑性性变变形形能能力力却却没没有有下下降降，反反而而提高提高钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二.循环荷载的影响循环荷载的影响循环荷载的影响循环荷载的影响 钢钢材材在在连连续续交交变变荷荷载载作作用用下下，会会逐逐渐渐累累积积损损伤伤、产产生生裂裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳这种现象称为疲劳 疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类 当当钢钢材材承承受受拉拉力力至至产产生生塑塑性性变变形形，卸卸载载后后，再再使使其其受受拉拉，其其受受拉拉的的屈屈服服强强度度将将提提高高至至卸卸载载点点（冷冷作作硬硬化化现现象象）；而而当当卸卸载载后后使使其其受受压压，其其受受压压的的屈屈服服强强度度将将低低于于一一次次受受压压时时所所获获得得的的值值。这这种种经经预预拉拉后后抗抗拉拉强强度度提提高高，抗抗压压强强度度降降低低的的现现象象称为包辛格效应称为包辛格效应钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计在在150以内，以内，钢钢材的材的强强度、度、弹弹性模量和塑性均与常温相性模量和塑性均与常温相近。近。在在250左右，抗拉左右，抗拉强强度有局部性提高，伸度有局部性提高，伸长长率和断面收率和断面收缩缩率均降至最低，出率均降至最低，出现蓝现蓝脆脆现现象（象（钢钢材表面氧化膜呈材表面氧化膜呈蓝蓝色）。色）。显显然然钢钢材的材的热热加工加工应应避开避开这这一温度区段。一温度区段。在在300以后，以后，强强度和度和弹弹性模量均开始性模量均开始显显著下降，塑性著下降，塑性显显著上升。著上升。达到达到600时时，强强度几乎度几乎为为零，塑性急零，塑性急剧剧上升，上升，钢钢材材处处于于热热塑性状塑性状态态。2.4.6 温度的影响温度的影响 钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当温度低于常温当温度低于常温时时，随着温度的降低，随着温度的降低，钢钢材的材的强强度提高，度提高，而塑性和而塑性和韧韧性降低，逐性降低，逐渐变渐变脆，称脆，称为钢为钢材的材的低温冷脆低温冷脆。在直接承受在直接承受动动力作用的力作用的钢结钢结构构设计设计中，中，为为了防止脆性破了防止脆性破坏，冲坏，冲击试验击试验并并进进行行统计统计分析才能得到。分析才能得到。我国有关我国有关标标准准对对不同牌号和等不同牌号和等级级的的钢钢材，材，规规定了在不同定了在不同温度下的冲温度下的冲击韧击韧性指性指标标 对对Q235钢钢，除，除A级级不要求外，其它各不要求外，其它各级钢级钢均取均取CV=27J 对对低合金高低合金高强强度度钢钢，除，除A级级不要求外，不要求外，E级钢级钢采用采用CV=27J钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计影响因素：影响因素：钢钢材的化学成分、材的化学成分、组织组织构造和缺陷等；构造构造和缺陷等；构造缺陷和缺陷和焊焊接加工引起的接加工引起的应应力集中、低温影响、力集中、低温影响、动动荷作用、冷荷作用、冷作硬化和作硬化和应变时应变时效硬化等。效硬化等。防止脆性破坏的防止脆性破坏的发发生：生：(1)合理合理设计设计。(2)正确制造。正确制造。(3)合理使用。合理使用。2.4.7 防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳2.5.1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征1.1.疲疲疲疲劳劳劳劳的概念的概念的概念的概念 钢钢材料在循材料在循环环荷荷载载作用下，当循作用下，当循环环数达到某一定数达到某一定值时值时，钢钢材材发发生破坏的生破坏的现现象叫做象叫做钢钢材的疲材的疲劳劳；疲；疲劳劳属于脆性破坏。属于脆性破坏。内部缺陷内部缺陷-应应力集中力集中-产产生微裂生微裂纹纹-微裂微裂纹纹在循在循环环荷荷载载下下扩扩展展-截面削弱截面削弱-宏宏观观裂裂纹纹失失稳扩稳扩展展-断裂断裂引起疲引起疲劳劳破坏的交破坏的交变变荷荷载载有两种有两种类类型型常幅交常幅交变变荷荷载载 常幅疲常幅疲劳劳 变变幅交幅交变变荷荷载载 变变幅疲幅疲劳劳转动转动的机械零件的机械零件 常幅疲常幅疲劳劳破坏，破坏，吊吊车桥车桥、钢桥钢桥 变变幅疲幅疲劳劳破坏。破坏。2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计1)低周疲劳低周疲劳 高周疲劳高周疲劳2)特征特征 a 突然性突然性 b 疲疲劳劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：裂裂纹纹源、裂源、裂纹扩纹扩展区和断裂区。展区和断裂区。扩扩展区表面展区表面较较光滑，光滑，可可见见放射和年放射和年轮轮状花状花纹纹，是疲，是疲劳劳断裂的主要断口特征。断裂的主要断口特征。c 疲疲劳对劳对缺陷敏感。缺陷敏感。缺口缺口 裂裂纹纹 组织组织缺陷缺陷2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计tt平均应力：平均应力：应力比：应力比：应力辐：应力辐：循环应力和变幅应力循环应力和变幅应力2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2 2 影响疲劳的主要因素：影响疲劳的主要因素：影响疲劳的主要因素：影响疲劳的主要因素：1）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应应力。力。2）应应力水平力水平3）应应力力辐辐4）应应力比力比 对弹对弹性材料，性材料，这这一因一因素影响不象素影响不象对弹对弹塑性材料塑性材料那那样样大。大。时时，称常幅循，称常幅循环环2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计2.5.2 常幅疲劳常幅疲劳一一.非非焊焊接接结结构的疲构的疲劳劳疲疲劳劳强强度度 与主体金属与主体金属 连连接接类类型有关型有关 与循与循环应环应力的力的应应力比力比 循循环环次数次数n有关。有关。n2106次，次，TJ17-74曾根据曾根据试验试验得到的得到的简简化疲化疲劳劳曲曲线线，验验算以拉算以拉应应力力为为主的疲主的疲劳计劳计算公式如下：算公式如下：2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计验验算部位最大拉算部位最大拉应应力；力；以拉以拉应应力力为为主的疲主的疲劳劳容容许许强强度；度；=0时时的疲的疲劳劳容容许许强强度，度，试验试验定；定；构造形式有关的系数，构造形式有关的系数，试验试验定。定。以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计二二二二.焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳 焊焊接接结结构疲构疲劳劳寿命主要的因素寿命主要的因素 构件和构件和连连接的构造接的构造类类型型和和应应力幅，而与力幅，而与应应力比无关力比无关 焊接残余应力的影响焊接残余应力的影响fyfymaxmin=max-minfy-t+-(a)(b)(c)焊缝附近的真是循环应力焊缝附近的真是循环应力2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计 当当名名义义循循环环应应力力为为拉拉时时，焊焊缝缝附附近近的的残残余余拉拉应应力力已已达达屈屈服服点点不不再再增增加加，实实际际拉拉应应力力保保持持fy不不变变；当当名名义义循循环环应应力减小到最小力减小到最小时时，焊缝焊缝附近的附近的实际应实际应力将降至力将降至 显显然，然，焊缝焊缝附近的真附近的真实应实应力比力比为为 只只要要应应力力幅幅为为常常数数，不不管管循循环环荷荷载载下下的的名名义义应应力力比比为为何何值值，焊焊缝缝附附近近的的真真实实应应力力比比也也为为常常数数。焊焊缝缝部部位位的的疲疲劳劳寿命主要与寿命主要与 有关。有关。2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计nn11lglgnlgnLglgC1(a)(b)2s应力幅与循环寿命的关系应力幅与循环寿命的关系2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计可求得容可求得容许应许应力幅的表达式力幅的表达式C、均均为为不同构件和不同构件和连连接接类别类别的的试验试验参数。参数。循环次数循环次数n应应力力幅幅1234疲劳极限疲劳极限新新规规范范给给出的疲出的疲劳劳曲曲线线(n)图图2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计三三三三.常幅疲劳验算常幅疲劳验算常幅疲劳验算常幅疲劳验算1.对对不同的构件和不同的构件和连连接接类类型型 归纳归纳划分划分为为8类类 2.对对于非于非焊焊接接结结构，构，使用螺栓使用螺栓连连接和构件，残余拉接和构件，残余拉应应力很小，疲力很小，疲劳劳寿命不寿命不仅仅与与应应力幅力幅有关，也与名有关，也与名义应义应力比力比有关有关 3.折算折算应应力幅力幅采用荷采用荷载载的的标标准准值值容容许应许应力力设计设计法法内力内力计计算中不乘算中不乘动动力系数力系数 试验试验包括包括动动力作用力作用 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的疲劳钢结构基本原理及设计钢结构基本原理及设计一一一一.变幅疲劳的一般计算方法变幅疲劳的一般计算方法变幅疲劳的一般计算方法变