钢结构第二章.pptx

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1、第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 （1 1）试验条件）试验条件 （a a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的缺陷。试件的标定长度取其直径的5 5或或1010倍。倍。（b b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c c）试验温度要控制在室温）试验温度要控制在室

2、温2020左右。左右。d d标准试件2.22.2、钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定第1页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure （2 2）钢材的应力）钢材的应力-应变关系应变关系 A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材s-es-e曲线可以分为四个阶段：曲线可以分为四个阶段：(a)弹性阶段弹性阶段(OB段段)OBCDAE 单调拉伸应力单调拉伸应力-应变曲线应变曲线OAOA段段：纯弹性阶段：纯弹性阶段s s=E=Ee eA A

3、点对应的应力：点对应的应力：s sp p（比例极限）（比例极限）ABAB段段：有一定的塑性：有一定的塑性变形变形,但整个但整个OBOB段卸载时段卸载时,e e=0=0B B点对应的应力：点对应的应力：s se（弹性极限弹性极限）第2页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure（b）屈服阶段屈服阶段（BCD)塑性变形塑性变形：卸载后试件：卸载后试件不能完全恢复原来的长不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部度。不能恢复的这一部分变形称

4、为塑性变形。分变形称为塑性变形。屈服点（屈服强度）屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分屈服阶段曲线波动部分的最低值。的最低值。流幅流幅：从屈服阶段的开：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。变幅度称为流幅。特点特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。出现应力不增加而应变仍然在继续发展。OBCDAE第3页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计

5、原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure（c c）强化阶段）强化阶段(DE(DE段段)随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大,但但增加较快增加较快抗拉强度（极限强度）抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力试件所能承受的最大拉应力（d d）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段)OBCDAE截面出现了横向收截面出现了横向收缩，截面面积开始缩，截面面积开始显著缩小，塑性变显著缩小，塑性变形迅速增大，应力形迅速增大，应力不断降低，变形却不断降低，变形却延续发展，直至延续发展，直至F F点点试件断裂。试件断裂。F F第4页/共60页第二章第二章 钢

6、结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructureB.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为设计时以卸载后试件中残余应变为0.20.2所对应的应力所对应的应力 作为屈服点作为屈服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”fy=f0.20.2%fup 无屈服点钢材的应力无屈服点钢材的应力-应变曲线应变曲线没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形屈服阶段，塑性变形小，破坏突

7、然。小，破坏突然。第5页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure（3 3）单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标 屈服点屈服点f fy y应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。力和确定钢材强度设计值的重要指标。抗拉强度抗拉强度f

8、 fu u应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。破坏前所能承受的最大应力。钢材的塑性钢材的塑性当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面断面收缩率收缩率 和伸长率和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，通过静力拉伸试验得到。第6页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinc

9、iplesofSteelStructure伸长率伸长率试件试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。的永久变形与原标定长度的百比。l0 原标距长原标距长l1 拉断后标距长度拉断后标距长度d0 试件直径试件直径试试件件有有两两种种标标距距：l0/d0=5 和和 l0/d0=10 相相应应的的伸伸长长率率用用5和和10表示。伸长率表示。伸长率实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。第7页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 Desi

10、gnPrinciplesofSteelStructure断面收缩率断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。与原断面面积比值的百分比。式中：式中：A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 断面收缩率断面收缩率 越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1第8页/共60页第二章第

11、二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure（4 4）理想的弹塑性体理想的弹塑性体曲线简化的依据：曲线简化的依据：1 1）钢材在屈服点之前的性质）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。接近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅接近理想的塑性体，并且流幅的范围（的范围（e e0.150.15-2.5-2.5）已）已足够用来考虑结构或构件的塑足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。性变形的发展。2.

12、5%fy 00.15%简化的应力应变曲线钢材是符合理想中的弹性钢材是符合理想中的弹性-塑性材料塑性材料 第9页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure钢材的其它性能钢材的其它性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。力和冶金质量的综合指标。1.1.冷弯性能冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。的抵抗能力

13、。鉴别指标鉴别指标：通过冷弯冲头加压。：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至当试件弯曲至180180时，检查试件时，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。认为试件冷弯性能合格。第10页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure2.2.冲击韧性冲击韧性韧性韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸

14、收的总吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号也叫冲击功，用符号A Akvkv或或C Cv v表示，单表示，单位为位为J J。冲冲击击韧韧性性试试验验 一一般般采采用用试试件件长长55mm55mm，截截面面1010mm1010mm2 2，中中间间一一小小槽槽。在在摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行试试验验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。冲断试件后，读出摆锤消耗的功。冲击韧性试验第11页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2

15、MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure冲击试验试件的缺口形式冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏V V型，夏氏型，夏氏钥孔型和梅氏钥孔型和梅氏U U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏V V型。型。冲击试验试件的缺口形式冲击韧性还与试验的冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材温度有关。我国钢材标准中将试验分为四标准中将试验分为四档，即档，即+20,0+20,0，

16、-2020和和-40-40时的冲击时的冲击韧性。温度越低，冲韧性。温度越低，冲击韧性越低。击韧性越低。第12页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure3.3.可焊性可焊性 好好的的可可焊焊性性是是指指焊焊接接安安全全、可可靠靠、不不发发生生焊焊接接裂裂缝缝，焊焊接接接接头头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。影响钢材可焊性的因素影响钢材可焊性的因素钢材

17、的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.12%0.20%0.20%范范围内的碳素钢，可焊性最好（如围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235BQ235B）。对于高强度低合金钢中，低合金）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002JGJ81-2002建筑钢结构焊接建筑钢结构焊接技术规程技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%0.38%，钢材的可焊性好，钢材的可焊性好(如

18、如Q345)Q345)，可不采取措施直接施焊。，可不采取措施直接施焊。（2.4.1）第13页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标1 1、屈服点、屈服点 fy2 2、抗拉强度、抗拉强度 fu3 3、伸长率、伸长率 4 4、断面收缩率断面收缩率 5 5、冷弯性能、冷弯性能6 6、冲击韧性、冲击韧性 Cv 小小 节节第14页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2Mater

19、ialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure2.3.2.3.各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响化学成份的影响化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（力学性能。铁（FeFe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%99%，此外还有碳（，此外还有碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、锰（）、锰（MnMn）等有益元素，）等有益元素，及硫（及硫（S S）、磷（）、磷（P P）、氧（）、氧（O

20、 O）、氮（）、氮（N N）等有害元素，这）等有害元素，这些总含量不大，约些总含量不大，约1%1%，但对钢材力学性能却有很大影响。，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有低合金钢中有5%5%的合金元素，如铜的合金元素，如铜(Cu)(Cu)、钒、钒(V)(V)、钛、钛(Ti)(Ti)、铌、铌(Nb)(Nb)、铬、铬(Cr)(Cr)等。等。第15页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure1.1.碳碳（C C）：形形成成钢钢材材强强

21、度度的的主主要要成成分分，随随其其含含量量增增加加，强强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。碳碳素素钢钢按按碳碳含含量量区区分分，小小于于0.250.25的的为为低低碳碳钢钢，介介于于0.250.25和和0.60.6之之间间的的为为中中碳碳钢钢，大大于于0.60.6的的为为高高碳碳钢钢。钢钢结结构构用用钢钢中中，碳碳含含量量一一般般控控制制在在0.22%0.22%以以下下，当当其其含含量量在在0.20.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。2.2.硫硫（S S）：钢钢材材中中的的有有害害元元素素，具具有有热热脆脆性性（温温度度达达到到

22、800-1000800-1000时时，硫硫化化铁铁会会熔熔化化使使钢钢材材变变脆脆，从从而而引引发发热热裂裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%0.05%。3.3.氧（氧（O O）：有害杂质，与：有害杂质，与S S相似。相似。第16页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure4.4.磷（磷（P P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈

23、蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%0.045%。5.5.氮（氮（N N）：有害杂质，：有害杂质，与与P P相似相似。6.6.锰（锰（MnMn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与高钢材强度，与S S形成形成MnSMnS，熔点，熔点16001600，可以消除硫对钢材的热脆，可以消除硫对钢材的热脆影响。影响。7.7.硅（硅（SiSi）：有益

24、元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。锰共同除氧，生成镇静钢。8.8.钒（钒（V V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。9.9.铜（铜（CuCu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。第17页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPr

25、inciplesofSteelStructure(1).(1).炼铁(2).(2).炼钢常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉 和电炉。钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制、钢材的生产、钢材的生产第18页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure第19页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelSt

26、ructure平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。平炉钢周期长，效率低成本高第20页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure(3).(3).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:沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 4类。沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还

27、原氧化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。第21页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure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

28、，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第22页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构

29、的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure（4 4）加工（）加工（热加工热加工、冷加工冷加工和和热处理热处理 ）热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生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 通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，称为热处理第23页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 Des

30、ignPrinciplesofSteelStructure钢材的硬化钢材的硬化钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化第24页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设

31、计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure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,塑性区和应变硬塑性区和应变硬化区的范围缩小。这也是一化区的范围缩小。这也是一个对钢结构的不利因素。个对钢结构的不利因素。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200300C，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

32、的韧性。第25页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure应力集中的影响应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中应力集中现象。现象。

33、应力集中现象应力集中现象第26页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure第27页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure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

34、：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时，为塑性状态；时，为弹性状态 第28页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure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：第29

35、页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure当纯剪时：钢材的抗剪设计强度为：平面应力状态下在实腹梁的腹板中：第30页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure温度的影响温度的影响正温范围：正温范围：（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材以内，钢材材质变化很小，钢

36、结构可用于温度质变化很小，钢结构可用于温度不高于不高于150150的场合。的场合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内左右的区间内出现出现蓝脆现象蓝脆现象，fu 有局部性提高，有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。将丧失承载能力。温度对钢材力学性能的影响温度对钢材力学性能的影响fufyE负温范围：负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，

37、逐渐变脆，称为钢材的逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。分敏感。第31页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法外因外因 钢材在构造和加工工程中引起的钢材在构造和加工工程中引起的应力集中应力集中、低温影响低温影响、动力荷动力荷 载的作用载的作用、冷作硬化冷作硬化和和应变时效硬化应变时效硬化等等 内因内因 钢材的钢材的化学成分化学

38、成分、组织构造组织构造和和缺陷缺陷等等影响钢材出现脆性破坏的因素影响钢材出现脆性破坏的因素合合 理理 设设 计计正正 确确 制制 造造第32页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure2.4 2.4 钢材的破坏形式钢材的破坏形式突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。平直和呈有光泽平直和呈有光泽的晶粒。的晶粒。在破坏前无明显在破坏前无明显变形，平均应力变形，平均应力也小（一般都小也小（一般都小于屈服点），

39、没于屈服点），没有任何预兆。有任何预兆。脆性破坏脆性破坏（非延性破坏）（非延性破坏）在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。常为杯形，呈纤常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。维状，色泽发暗。构件应力超过屈构件应力超过屈服点，并且达到服点，并且达到抗拉极限强度后，抗拉极限强度后，构件产生明显的构件产生明显的变形并断裂。变形并断裂。塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）后后 果果断断 口口特特 征征延性和非延性破坏延性和非延性破坏第33页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2Materia

40、lofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure钢材的疲劳疲劳破坏的特征1.1.疲劳的概念疲劳的概念钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。内部缺陷-应力集中-产生微裂纹-微裂纹在循环荷载下扩展-截面削弱-宏观裂纹失稳扩展-断裂引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型常幅交变荷载常幅疲劳变幅交变荷载变幅疲劳转动的机械零件常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥变幅疲劳破坏。第34页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelSt

41、ructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure1)特征特征a突然性突然性b疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。c疲劳对缺陷敏感。疲劳对缺陷敏感。缺口缺口裂纹裂纹组织缺陷组织缺陷第35页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢

42、结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructuret应力比：应力辐：t应力比：应力辐：循环应力和变幅应力t第36页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure22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，有无残余应力。2）应力水平3）应力辐4）应力比时，称常幅循环对弹性材料，这一因素影响不象对弹塑性材料那样大。第37页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Ch

43、apter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure二二.焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳 焊接结构疲劳寿命主要的因素构件和连接的构造类型和应力幅，而与应力比无关常幅疲劳常幅疲劳一一.非焊接结构的疲劳非焊接结构的疲劳 第38页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure应力幅与循环寿命的关系nn11lglgnlgnLglgC1(a)(b)

44、2s第39页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure可求得容许应力幅的表达式C、均为不同构件和连接类别的试验参数。循环次数n应力幅1234疲劳极限新规范给出的疲劳曲线(n)图第40页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure三三.常幅疲劳验算常幅疲劳验算1.对不同的构件

45、和连接类型归纳划分为8类2.对于非焊接结构使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不仅与应力幅有关，也与名义应力比有关3.折算应力幅第41页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure一一.变幅疲劳的一般计算方法变幅疲劳的一般计算方法根据线性累积损伤准则等效应力幅e，计算公式为：各应力幅i对应循环次数为ni，变幅疲劳变幅疲劳 以应力循环次数表示的结构预期寿命；ni应力幅水平为i的应力循环次数。第42页/共60页第二章第二章 钢结构

46、的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure二二.吊车梁的疲劳吊车梁的疲劳欠载效应的等效系数最大应力幅最大应力幅 1变幅疲劳工作环境2获得一些有代表性的车间的重级工作制中级工作制吊车桁架的设计应力谱。3按2106循环次数4最大应力幅1；常幅设计应力幅第43页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure疲劳

47、破坏中一些值得注意的问题疲劳破坏中一些值得注意的问题疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用算，荷载采用标准值标准值，不考虑不考虑荷载荷载分项系数分项系数和和动力系数动力系数，应力按应力按弹性弹性工作计算工作计算规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规定的定的8 8种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度 在应力循环中不出现拉应力

48、的部位可不必疲劳验算在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算疲劳容许应力幅与钢种无关疲劳容许应力幅与钢种无关第44页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure应力幅准则应力幅准则规范依据疲劳性能由高到低的排列规范依据疲劳性能由高到低的排列,把常见的钢结构构件和把常见的钢结构构件和连接分为连接分为8个类别个类别(见表见表8-1)，分别给出了各个类别用于计算，分别给出了各个类别用于计算容许应力幅的容许应力幅的和和c的值的值(见表见表

49、8-2)。由式由式(8-3)确定的容许应力幅是建立在分类试验的基础上的，确定的容许应力幅是建立在分类试验的基础上的，应力集中、残余应力等因素均己计入，在计算应力集中、残余应力等因素均己计入，在计算时，无需再时，无需再考虑这些因素。考虑这些因素。第45页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure第46页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设

50、计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure第47页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure第48页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure钢结构设计原理钢结构设计原理 DesignPrinciplesofSteelStructure第49页/共60页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料Chapter2MaterialofStee