钢结构第二章钢结构的材料ppt课件

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1、本章重点本章重点1.钢材的主要性能及影响要钢材的主要性能及影响要素素2.规范中引荐运用的钢号及规范中引荐运用的钢号及钢材的选用原那么钢材的选用原那么3.常用的型钢型式、规格及常用的型钢型式、规格及用途用途u第一节第一节 钢构造对所用资料的要求钢构造对所用资料的要求u第二节第二节 钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能u第三节第三节 影响钢材性能的主要要素影响钢材性能的主要要素u第四节第四节 钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载和快速加载的效应和快速加载的效应u第五节第五节 钢材的类别及钢材的选择钢材的类别及钢材的选择u第六节第六节 国外钢材种类和钢号简介国外钢

2、材种类和钢号简介 l 国民经济各部门几乎都需求钢材，但由于各自用途的不同，国民经济各部门几乎都需求钢材，但由于各自用途的不同，所需钢材性能各异。如有的机器零件需求钢材有较高的强所需钢材性能各异。如有的机器零件需求钢材有较高的强度、耐磨性和中等的韧性；有的石油化工设备需求钢材具度、耐磨性和中等的韧性；有的石油化工设备需求钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具，需求钢材有很高的有耐高温性能；机械加工的切削工具，需求钢材有很高的强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，符合钢构造性能要求的钢材只需碳素钢及合有三百多种，符合钢构造性

3、能要求的钢材只需碳素钢及合金钢中的少数几种。金钢中的少数几种。l 用作钢构造的钢材必需具有以下性能：用作钢构造的钢材必需具有以下性能：1.较高的强度。即抗拉强度较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点和屈服点fy高。用高。用到到fy作为强度承载力极限形状的标志，作为强度承载力极限形状的标志，fy高可减轻高可减轻构造自重。构造自重。fy/fu太小浪费，太大平安贮藏小。通太小浪费，太大平安贮藏小。通常在常在0.60.7。2.足够的变形才干。即塑性、韧性、耐久性好足够的变形才干。即塑性、韧性、耐久性好.可可防止脆性破坏防止脆性破坏,抗动力荷载好抗动力荷载好,耐疲劳耐疲劳.3.良好的加工性能。冷、热加工和可

4、焊性好。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。4.耐腐性好。耐腐性好。5.价钱廉价。价钱廉价。6有时还要求钢材具有顺应低温、高温等环境有时还要求钢材具有顺应低温、高温等环境的才干。的才干。7.引荐运用：碳引荐运用：碳素构造钢中的素构造钢中的Q235钢、低合金构造钢中的钢、低合金构造钢中的Q345钢、钢、Q390钢、钢、Q420钢。钢。8.随着研讨的深化，必将有一些满足要求的其它随着研讨的深化，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供运用。假设选用钢构造设计规范还种类钢材可供运用。假设选用钢构造设计规范还未引荐的钢材时，需有可靠的根据，以确保钢构未引荐的钢材时，需有可靠的根据，以确保钢构造的质量。造

5、的质量。9.公用钢构造用材见相关规范。公用钢构造用材见相关规范。钢材的机械性能力学性能通常是指钢厂消费供应的钢材钢材的机械性能力学性能通常是指钢厂消费供应的钢材在规范条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种在规范条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，实验采用的试件的制造和机械性能。它们由相应实验得到，实验采用的试件的制造和实验方法都必需按照各相关国家规范规定进展。实验方法都必需按照各相关国家规范规定进展。一、单向拉伸时的性能强度、塑性一、单向拉伸时的性能强度、塑性 二、冷弯性能二、冷弯性能 三、冲击韧性三、冲击韧性 四、可焊性四、可焊性 五、钢材受压

6、和受剪时的性能五、钢材受压和受剪时的性能 六、其他机械性能六、其他机械性能 七、钢材性能的鉴定七、钢材性能的鉴定 强度强度强度表达了资料的承载才干，主要目的有屈服点强度表达了资料的承载才干，主要目的有屈服点fy 和抗拉强度和抗拉强度fu，经过静力拉伸实验得到。，经过静力拉伸实验得到。屈服点屈服点 为设计时钢材可到达的最大应力。为设计时钢材可到达的最大应力。抗拉强度抗拉强度 fu是钢材破坏前可以接受的最大应力。是钢材破坏前可以接受的最大应力。钢材到达钢材到达 fu 时，已产生很大塑性变形而失去运用时，已产生很大塑性变形而失去运用性能，但性能，但fu 高那么可以添加构造的平安保证，故高那么可以添加

7、构造的平安保证，故fu/fy 的值可看作钢材强度贮藏系数。的值可看作钢材强度贮藏系数。塑性塑性钢材的塑性为当应力超越屈服点后，能产生显著的钢材的塑性为当应力超越屈服点后，能产生显著的剩余变形塑性变形而不立刻断裂的性质。塑性剩余变形塑性变形而不立刻断裂的性质。塑性好坏可用伸长率好坏可用伸长率 和断面收缩率和断面收缩率表示。经过静表示。经过静力拉伸实验得到。力拉伸实验得到。钢材的应力钢材的应力应变应变曲线曲线 如下图如下图 1弹性阶段弹性阶段 与与呈线性关系呈线性关系2弹塑性阶段弹塑性阶段 与与呈非线性关系呈非线性关系3塑性阶段塑性阶段,也称屈服阶段也称屈服阶段 取取fy作为强度极限作为强度极限承

8、载力的标志承载力的标志 4强化阶段强化阶段 fu为钢材的抗拉强度为钢材的抗拉强度,为资料的强为资料的强度贮藏度贮藏5颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段6可把钢材视为理想弹塑性体可把钢材视为理想弹塑性体伸长率伸长率 根据试件原标距长度根据试件原标距长度 l0与试件中与试件中间部分的直径间部分的直径d0 的比值为的比值为10或或5而分为而分为10或或5，为试件拉断时原标距间长度伸，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。长值与原标距比值的百分率。式中式中：l1 为试件拉断后标距间长度。为试件拉断后标距间长度。fy、fu和和是承重钢构造对钢材要求所必需是承重钢构造对钢材要求所必需的三项根本机械性能

9、目的。的三项根本机械性能目的。断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积减少值与原断面面积比值的百分率。面积减少值与原断面面积比值的百分率。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；构造或构件在受力时尤其接受动力荷载时构造或构件在受力时尤其接受动力荷载时资料塑性好坏往往决议了构造能否平安可靠，资料塑性好坏往往决议了构造能否平安可靠，因此钢材塑性目的比强度目的更为重要。因此钢材塑性目的比强度目的更为重要。l 冷弯性能是指钢材在冷加工常温下加工产生塑性变形时，冷弯性能是指钢材在冷加工

10、常温下加工产生塑性变形时，对产生裂痕的抵抗才干。冷弯性能用实验方法来检验钢材接对产生裂痕的抵抗才干。冷弯性能用实验方法来检验钢材接受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面能否有裂纹、裂断和分层。里面和侧面能否有裂纹、裂断和分层。l 试件弯成试件弯成180的角度，假设试件外外表不出现裂纹和分层，的角度，假设试件外外表不出现裂纹和分层，即为合格。即为合格。l 综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。l 重要构造中需求有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保重要构造中需求有良好的冷热加工性能时，应

11、有冷弯合格保证。证。l 钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的才钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的才干，也是表示钢材抵抗冲击荷载的才干，它是强度与塑性的干，也是表示钢材抵抗冲击荷载的才干，它是强度与塑性的综合表现。综合表现。l 目的：采用有目的：采用有V形缺口的规范试件，在要求形缺口的规范试件，在要求温度时在冲击实验机上用击断试样所需的冲温度时在冲击实验机上用击断试样所需的冲击功击功Akw表示表示,单位为单位为J。l l 式中：式中：l ak冲击韧性值；冲击韧性值；l Ak冲击功；冲击功；l An试件缺口处的净截面积。试件缺口处的净截面积。l 冲击韧性与温度有关，当

12、温度低于某一负温值时，冲击韧冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在冰冷地域建造的直接接受动力荷性值将急剧降低。因此在冰冷地域建造的直接接受动力荷载的钢构造，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材载的钢构造，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有的类别，使其具有-20 或或-40的冲击韧性保证，应的冲击韧性保证，应Akw27J。l 钢材的可焊性是指在一定工艺和构造条件下，钢钢材的可焊性是指在一定工艺和构造条件下，钢材经过焊接可以获得良好的焊接接头的性能。材经过焊接可以获得良好的焊接接头的性能。l 可焊性分为施工上的可焊性和运用性能上的可焊可焊性分

13、为施工上的可焊性和运用性能上的可焊性。性。l 施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，运用性施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，运用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能能否低于母材。能否低于母材。l 钢材在单向受压短试件时，受力性能根本上钢材在单向受压短试件时，受力性能根本上与单向受拉一样。与单向受拉一样。l 受剪的情况也类似，但屈服点受剪的情况也类似，但屈服点y及抗剪强度及抗剪强度u均均于于fy和和fu；剪变模量；剪变模量G也低于弹性模量也低于弹性模量E。耐久性耐久性耐久性需求思索的有：耐腐蚀性、耐久性需求思索的有：耐腐蚀性、“时效景象、时效景象

14、、疲劳景象等。疲劳景象等。时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改动。改动。疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点fy 发生的破坏。发生的破坏。Z向伸缩率向伸缩率当钢材较厚时，或接受沿厚度方向的拉力时，要当钢材较厚时，或接受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。向的分层、撕裂。l 由前可知，反映钢材质量的主要力学目的有：屈服强度、由前可知，反映钢材质量的主要力学目的有：屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的

15、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据(CB502052001)的规定，的规定，对进入钢构造工程实施现场的主要资料需进展进场验收，对进入钢构造工程实施现场的主要资料需进展进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的种类、规格、性能能否符合现行国家规范和设确认钢材的种类、规格、性能能否符合现行国家规范和设计要求。计要求。l 对属于以下情况之一的钢材，应进展抽样复验，其复验结对属于以下情况之一的钢材，应进展抽样复

16、验，其复验结果应符合现行国家产品规范和要求。果应符合现行国家产品规范和要求。1国外进口钢材；国外进口钢材；2钢材混批；钢材混批；3板厚等于或大于板厚等于或大于40mm，且设计有，且设计有Z向性能要求的厚板；向性能要求的厚板；4建筑构造平安等级为一级，大跨度钢构造中主要受力构件建筑构造平安等级为一级，大跨度钢构造中主要受力构件所采用的钢材；所采用的钢材；5设计有复验要求的钢材；设计有复验要求的钢材；6对质量有疑义的钢材。对质量有疑义的钢材。复检时各项实验都应按有关的国家规范复检时各项实验都应按有关的国家规范 (GBn28)，(CBn29)和和 (GBn32)的规定进展。的规定进展。n 一、化学成

17、分的影响一、化学成分的影响n 二、钢材消费过程的影响二、钢材消费过程的影响n 三、温度的影响三、温度的影响n 四、冷加工硬化和时效硬化四、冷加工硬化和时效硬化n 五、复杂应力形状的影响五、复杂应力形状的影响n 六、应力集中的影响六、应力集中的影响l 钢的根本元素为铁钢的根本元素为铁Fe，普通碳素钢中占，普通碳素钢中占99%，此外，此外还有碳还有碳C、硅、硅Si、锰、锰Mn等杂质元素，及硫等杂质元素，及硫S、磷、磷P、氧、氧O、氮、氮N等有害元素，这些等有害元素，这些总含量约总含量约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。l C：除铁以外最主要的元素。碳含量添加，使钢

18、材强度提：除铁以外最主要的元素。碳含量添加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，添加低温脆断的危险性。普通建筑用钢要求含碳量在添加低温脆断的危险性。普通建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接构造中应限制在以下，焊接构造中应限制在0.20%以下。以下。Si：作为脱氧剂参与普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度，：作为脱氧剂参与普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。而对塑性、

19、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。普通镇静钢的含硅量为普通镇静钢的含硅量为0.10%0.30%，含量过高达，含量过高达1%，会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。应控制会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。应控制0.10.3%Mn：适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热：适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含量约为量约为0.3%0.8%。含量过高达。含

20、量过高达1.0%1.5%以上使钢以上使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。S：有害元素。含量：有害元素。含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊塑性、韧性、性能冷弯、可焊性性；高温时使钢材变脆热脆景象。普通建筑用钢含硫量要；高温时使钢材变脆热脆景象。普通建筑用钢含硫量要求不超越求不超越0.055%，在焊接构造中应不超越，在焊接构造中应不超越0.050%。P：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆景象，冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生

21、冷脆景象，含量需严厉控制，普通不超越含量需严厉控制，普通不超越0.050%，焊接构造中不超越，焊接构造中不超越0.045%。O：有害元素。引起热脆。普通要求含量小于：有害元素。引起热脆。普通要求含量小于0.05%。N：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，添加时效倾向和冷脆性。普通要求含量小于冷弯性能，添加时效倾向和冷脆性。普通要求含量小于0.008%。为改善钢材力学性能，可适量添加锰、硅含量，还可掺入为改善钢材力学性能，可适量添加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合一定数量的铬、镍、铜、钒

22、、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。钢构造常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通金钢。钢构造常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。低合金钢。1.冶炼炉种的影响冶炼炉种的影响构造用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平构造用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。转炉炼钢法。平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能目的较接近，平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能目的较接近，而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐渐淘

23、汰。炼钢法已逐渐淘汰。2.钢的脱氧钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中参与脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方桶中参与脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为：沸腾钢法不同，把钢分为：沸腾钢F、半镇静、半镇静钢钢b、镇静钢、镇静钢Z和特殊镇静钢和特殊镇静钢TZ。沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，构成钢液的沸腾。沸腾钢的从钢液中逸出，构成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和时效、韧性、可焊性

24、较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、本钱较低；半镇静钢脱变脆，但产量较高、本钱较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，本钱较高。本钱较高。3.钢材的轧制和热处置钢材的轧制和热处置将钢锭加热至将钢锭加热至12001300，经过轧钢机，经过轧钢机将其轧成所需外形和尺寸的钢材，称为热将其轧成所需外形和尺寸的钢材，称为热轧型钢。轧钢机的压力作用可使钢锭中的轧型钢。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的紧缩比钢坯

25、与轧成钢材厚度之比愈的紧缩比钢坯与轧成钢材厚度之比愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。大时，其强度和冲击韧性也愈高。1.正温度范围内正温度范围内0以上以上t300时：钢材的强度和时：钢材的强度和E开场显著下降，而开场显著下降，而显著增大显著增大t400时：钢材的强度和时：钢材的强度和E都急剧降低都急剧降低t600时：其承载才干几乎丧失时：其承载才干几乎丧失2.负温度范围内负温度范围内0以下以下随着温度降低，塑性和韧性降低，资料变脆，称随着温度降低，塑性和韧性降低，资料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度弯点所对应的温度t0称为

26、脆性转变温度。称为脆性转变温度。1.应变硬化应变硬化：钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种景提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种景象称为冷加工硬化。象称为冷加工硬化。冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。敲等。2.时效硬化：时效硬化：钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种景象称为时效硬化。不同

27、种类钢材的时效硬化过程可这种景象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。从几小时到数十年。3.人工时效人工时效：使钢材产生：使钢材产生10%的塑性变形，再加的塑性变形，再加热到热到200300，然后冷却到室温进展实验。这，然后冷却到室温进展实验。这样可使时效在几小时内完成。样可使时效在几小时内完成。4.设计要求：设计要求：钢构造设计普通不利用冷加工硬化钢构造设计普通不利用冷加工硬化呵斥的强度提高，而且对直接接受动力荷载的钢呵斥的强度提高，而且对直接接受动力荷载的钢构造还应设法消除冷加工硬化的影响，如将部分构造还应设法消除冷加工硬化的影响，如将部分硬化部分用刨边或扩钻予以消除

28、。硬化部分用刨边或扩钻予以消除。钢材在单向应力作用下，当应力到达屈服点钢材在单向应力作用下，当应力到达屈服点 fy时，钢材屈时，钢材屈服而进入塑性形状。当钢材处于复杂应力作用下平面应力服而进入塑性形状。当钢材处于复杂应力作用下平面应力或立体应力，按能量强度实际第四强度实际，以折算或立体应力，按能量强度实际第四强度实际，以折算应力应力cr能否大于能否大于 fy来判别钢材能否由弹性形状转变为塑性来判别钢材能否由弹性形状转变为塑性形状。形状。假设假设 为弹性形状；为弹性形状；假设假设 为塑性形状；为塑性形状；纯剪情况下纯剪情况下，即即 时为弹性形状。时为弹性形状。钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局

29、钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局 部顶峰应力，其他部位应力较低，称为应部顶峰应力，其他部位应力较低，称为应力力 集中。在应力顶峰区域存在着同号的双向集中。在应力顶峰区域存在着同号的双向或或 三向应力。这种同号的双向或三向应力场三向应力。这种同号的双向或三向应力场有有 使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变变 脆的倾向亦愈严重。脆的倾向亦愈严重。在负温下或动力荷载在负温下或动力荷载作作 用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根 源，设计中应设法防止或减小应力集中，源，设计中应设法防止或减小应力集中，并并 选用质量优良的钢材。

30、选用质量优良的钢材。n一、钢材的延性破坏和非延性破坏一、钢材的延性破坏和非延性破坏n二、循环荷载效应二、循环荷载效应n三、快速加载效应三、快速加载效应 1.延性破坏塑性破坏：延性破坏塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。变形大，变形继续时间长，易及时发现也称为延性破坏。变形大，变形继续时间长，易及时发现和补救。和补救。特点：断口呈纤维状，色泽灰暗。特点：断口呈纤维状，色泽灰暗。2.非延性破坏脆性破坏：非延性破坏脆性破坏：钢材在变形很小的情况下忽然发生断裂破坏称为脆性破钢材在变形很小的情况下忽然发生断裂破

31、坏称为脆性破坏。变形很小且忽然发生，不易发现和采取补救措施，因坏。变形很小且忽然发生，不易发现和采取补救措施，因此危险性很大。此危险性很大。特点：断口平直，呈有光泽的晶粒状。特点：断口平直，呈有光泽的晶粒状。一、钢材疲劳的根本概念一、钢材疲劳的根本概念二、疲劳计算二、疲劳计算三、疲劳计算应留意问题三、疲劳计算应留意问题l 钢材的疲劳或疲劳破坏钢材的疲劳或疲劳破坏:钢材在反复荷载作用下，在应力钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时忽然断裂，称为钢材低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时忽然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。的疲劳或疲劳破坏。l 钢构造中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，

32、导致应力集中。钢构造中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中景在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中景象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n疲劳寿命疲劳寿命时，裂纹扩展使得净截面承载力缺乏以接受外力作用时，时，裂纹扩展使得净截面承载力缺乏以接受外力作用时，构件忽然断裂，发生疲劳破坏。构件忽然断裂，发生疲劳破坏。l 疲劳破坏普通阅历裂纹构成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断疲劳破坏普通阅历裂纹构成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。裂三个阶段。l 反复荷载作用产生的应力反复一周叫做一个循环。反复荷载

33、作用产生的应力反复一周叫做一个循环。=max-min称为应力幅，表示应力变化的幅度。称为应力幅，表示应力变化的幅度。l 实验阐明，焊接构造发生疲劳破坏并不是名义最大应力实验阐明，焊接构造发生疲劳破坏并不是名义最大应力max作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。非焊接构造的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还用的结果。非焊接构造的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与其他要素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折与其他要素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅，以反映其实践任务情况。算应力幅，以反映其实践任务情况。l 疲劳计算的

34、公式是以实验为根据的，分为疲劳计算的公式是以实验为根据的，分为常幅疲劳计算和变幅疲劳计算疲劳两种情况进展计算。常幅疲劳计算和变幅疲劳计算疲劳两种情况进展计算。C、参数，根据中的构件和衔接类别按表采用。参数，根据中的构件和衔接类别按表采用。对焊接部位对焊接部位=max-min；对非焊接部位；对非焊接部位=max-0.7min。由上式可见，允许应力幅与钢材的强度无关，这阐明不同由上式可见，允许应力幅与钢材的强度无关，这阐明不同钢材具有一样的抗疲劳性能。钢材具有一样的抗疲劳性能。1ncl 可近似地按照线性疲劳累积损伤原那么，将随机变化的应力可近似地按照线性疲劳累积损伤原那么，将随机变化的应力幅折算为

35、等效应力幅幅折算为等效应力幅e，按下式进展疲劳计算：，按下式进展疲劳计算：l 吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内各种吊年内各种吊车梁的应力循环总次数车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时等效于满荷载时n=2x10次次)，相应，相应的欠载效应的等效系数的欠载效应的等效系数f值如表值如表23所示，重级任务制吊车所示，重级任务制吊车梁的疲劳验算公式为梁的疲劳验算公式为 1.直接接受动力荷载的钢构造构件和衔接，当应力循环次直接接受动力荷载的钢构造构件和衔接，当应力循环次数数n10时，应进展疲劳计算。时，应进展疲劳计算。2.疲劳计算采用的是允许应力幅法，

36、计算公式是以实验为疲劳计算采用的是允许应力幅法，计算公式是以实验为根据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用规范根据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用规范值且不乘动力系数，应力幅按弹性任务计算。值且不乘动力系数，应力幅按弹性任务计算。3.在完全压应力不出现拉应力循环中，由于压应力不在完全压应力不出现拉应力循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进展疲劳计会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进展疲劳计算。算。l 快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高，而钢厂在做钢快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高，而钢厂在做钢材拉伸实验时往往加荷比较快，致使所得材拉伸实验时往

37、往加荷比较快，致使所得fy、fu偏高。快偏高。快速加荷的不利效应在于影响能量吸收的才干，图速加荷的不利效应在于影响能量吸收的才干，图2-15给出给出三条不同加荷速率下的断裂能量三条不同加荷速率下的断裂能量-温度关系曲线。从图可以温度关系曲线。从图可以看出，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向挪动。看出，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向挪动。有些构造的钢材在任务温度下冲击韧性值很低，但依然坚有些构造的钢材在任务温度下冲击韧性值很低，但依然坚持完好，就可以由加荷速率很慢来阐明。对于同一冲击韧持完好，就可以由加荷速率很慢来阐明。对于同一冲击韧性的资料，当设计接受动力荷载时，允许最低的运用

38、温度性的资料，当设计接受动力荷载时，允许最低的运用温度要比接受静力荷载高的多。要比接受静力荷载高的多。l 按应变速率按应变速率=d/dt把加荷速率分为三级，即把加荷速率分为三级，即l 缓慢加荷缓慢加荷 =10-5s-1l 中速加荷中速加荷 =10-3s-1l 动力加荷动力加荷 =10s-1 n一、钢材的种类一、钢材的种类n二、钢材的命名规那么二、钢材的命名规那么n三、钢材的选择三、钢材的选择n四、常用型钢的规格四、常用型钢的规格n五、我国目前建筑钢材存在的主要问题五、我国目前建筑钢材存在的主要问题 l 钢构造中采用的钢材，仅有普通碳素构造钢和普通低合金钢构造中采用的钢材，仅有普通碳素构造钢和普

39、通低合金钢中的几种。钢中的几种。l 普通碳素钢普通碳素钢 l 甲或甲或A类：按力学性能供应，保证强度、塑性，硫、磷类：按力学性能供应，保证强度、塑性，硫、磷含量符合一样钢号乙类钢的规定。含量符合一样钢号乙类钢的规定。l 乙或乙或B类：按化学成分供应。类：按化学成分供应。l 特或特或C类：同时按力学性能和化学性能供应。类：同时按力学性能和化学性能供应。l 构造用钢主要为甲类；乙类无力学性能的保证，不能构造用钢主要为甲类；乙类无力学性能的保证，不能用；特类钢价钱较高，应少用。用；特类钢价钱较高，应少用。l 普通碳素钢有普通碳素钢有17共七个钢号。钢号越高，其含碳量越共七个钢号。钢号越高，其含碳量越

40、高，强度越高，塑性越低。其中高，强度越高，塑性越低。其中3号钢在构造中广泛运用。号钢在构造中广泛运用。l 普通低合金钢普通低合金钢 l 在普通碳素钢中添加少量合金元素，以提高其强度、在普通碳素钢中添加少量合金元素，以提高其强度、耐腐蚀性、冲击韧性等。耐腐蚀性、冲击韧性等。普通碳素钢命名规那么普通碳素钢命名规那么 XN，X ：表示类别，甲、乙、特或：表示类别，甲、乙、特或A、B、C；：表示炉种，平炉省略，顶吹氧气转炉用：表示炉种，平炉省略，顶吹氧气转炉用“顶或符号顶或符号“Y表示；表示；N ：表示钢号，用数字：表示钢号，用数字1，2，.7，表示；，表示；()：表示浇铸方法，沸腾钢用：表示浇铸方法

41、，沸腾钢用“沸或沸或“F表示，镇静钢省略符号，半镇静钢用表示，镇静钢省略符号，半镇静钢用“半或半或“b表示。表示。如：如：“乙顶乙顶3沸，或用符号表示为沸，或用符号表示为“B Y 3 F，其意义为：乙类顶吹氧气转炉，其意义为：乙类顶吹氧气转炉3号沸腾钢。号沸腾钢。普通低合金钢命名规那么普通低合金钢命名规那么 16 锰，或用符号表示为锰，或用符号表示为16 Mn，其意义为：，其意义为：16 表示含碳量表示含碳量0.16%，Mn表示合金元素为表示合金元素为Mn，锰，锰的平均含量少于的平均含量少于1.5%。工程中钢材的标号用屈服强度来表示。工程中钢材的标号用屈服强度来表示。“QXXX ，例如，例如Q

42、235 AF、Q235 Bb、Q345 EZ。其中其中 Q：屈服强度的第一个拼音字母。：屈服强度的第一个拼音字母。XXX：屈服强度值，单位为：屈服强度值，单位为N/mm2，构，构造用钢常有造用钢常有235、345、390。：质量等级，有：质量等级，有A、B、C、D、E五等。其中五等。其中A无冲无冲击功规定；击功规定；B有有20C时的冲击功要求；时的冲击功要求；C有有0C时的冲击时的冲击功要求；功要求；D有有20C时的时的 冲击功要求；冲击功要求；E 有有40C时的时的冲击功要求，低合金钢才有冲击功要求，低合金钢才有E等。等。：脱氧方法，可分为：脱氧方法，可分为F、b、Z和和TZ，F表示沸腾钢，

43、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，其表示特殊镇静钢，其中中Z和和TZ可不写。可不写。高强度螺栓用钢材的抗拉强度及屈强比表示。如高强螺高强度螺栓用钢材的抗拉强度及屈强比表示。如高强螺栓栓10.9级表示抗拉强度为级表示抗拉强度为1000N/mm2，屈服强度与抗拉，屈服强度与抗拉强度的比值为强度的比值为0.9。1.碳素构造钢碳素构造钢 屈服点的字母、屈服强度数值、质量等级符号、屈服点的字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。脱氧方法符号四个部分按顺序组成。2.低合金构造钢低合金构造钢 方法与碳素构造钢类似方法与碳素构造钢

44、类似,但质量等级分为但质量等级分为A、B、C、D、E五级。五级。3.公用构造钢公用构造钢 表示表示:相应钢号后再加上专业用途代号压力容器、桥梁、船相应钢号后再加上专业用途代号压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和和g来表示。来表示。耐候钢耐候钢 在钢材冶炼时参与少量的合金元素如在钢材冶炼时参与少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。气腐蚀钢。衔接用钢衔接用钢 钢构造衔接中的铆钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，钢构造衔接中的铆钉、高强度螺栓

45、、焊条用钢丝等，也采用满足各自衔接件要求的专门用钢。也采用满足各自衔接件要求的专门用钢。l 钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证工程，是钢构造设计的首要环节。械性能和化学成分保证工程，是钢构造设计的首要环节。l 选材的根本原那么是既保证平安可靠，又经济合理。钢材选材的根本原那么是既保证平安可靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价钱也愈高。因此应根据构造的不同的质量等级愈高，其价钱也愈高。因此应根据构造的不同特点，来选择适宜的钢材。特点，来选择适宜的钢材。l 选用钢材时需求思索的构造特点是：选用钢材时需求思索的

46、构造特点是：l 构造的类型及重要性构造的类型及重要性 l 荷载的性质荷载的性质 l 衔接方法衔接方法 l 构造的任务温度构造的任务温度 l 构件的受力性质构件的受力性质 1.热轧钢板图热轧钢板图2-19 标注符号：标注符号：(钢板截面代号钢板截面代号)宽度厚度长度宽度厚度长度 2.热轧型钢热轧型钢角钢：角钢：角钢代号边宽厚度等边角钢或长边宽角钢代号边宽厚度等边角钢或长边宽短边宽厚度不等边角钢短边宽厚度不等边角钢槽钢：槽钢：和和Q槽钢符号和截面高度表示槽钢符号和截面高度表示工字钢：工字钢：工字钢符号和截面高度表示工字钢符号和截面高度表示H型钢：型钢：宽翼缘宽翼缘H型钢、窄翼缘型钢、窄翼缘H型钢和

47、型钢和H型钢桩型钢桩钢管：钢管：外径壁厚外径壁厚 3.薄壁型钢图薄壁型钢图2-20 薄壁型钢通常是用薄壁型钢通常是用1.56mm厚的薄钢板冷加工而成，其截厚的薄钢板冷加工而成，其截面方式和尺寸可按工程要求合理设计。面方式和尺寸可按工程要求合理设计。1厚板可焊性差厚板可焊性差2高强度低合金构造钢在冷弯薄壁型钢中的运用高强度低合金构造钢在冷弯薄壁型钢中的运用尚未处理好，不能满足轻型房屋钢构造的需求。主尚未处理好，不能满足轻型房屋钢构造的需求。主要应处理其冲压性差的问题。要应处理其冲压性差的问题。3我国现只能消费镀锌钢板，不能消费抗腐蚀性我国现只能消费镀锌钢板，不能消费抗腐蚀性能更好的镀铝锌钢板，需

48、引进消费线或专利来处理。能更好的镀铝锌钢板，需引进消费线或专利来处理。4型材种类规格还不能满足建筑需求。要开发消型材种类规格还不能满足建筑需求。要开发消费薄壁热轧费薄壁热轧H型钢等。型钢等。5建筑用高强度低合金构造钢种类太少建筑用高强度低合金构造钢种类太少,运用比重运用比重较低。消费耐火钢。较低。消费耐火钢。l 各国的钢号根本上是以强度等级来划分，表示方各国的钢号根本上是以强度等级来划分，表示方式为：式为：l 字首符号字首符号l 钢材的强度值钢材的强度值l 钢材质量等级钢材质量等级 美国采用美国采用A(Alloy)；日本采用日本采用SS普通构造用轧制钢材，第一个普通构造用轧制钢材，第一个S为为

49、Steel的第一个字母、的第一个字母、SM焊接构造用轧制钢焊接构造用轧制钢材、材、SMA焊接构造用耐候性轧制钢材等；焊接构造用耐候性轧制钢材等；德国采用德国采用St德文钢德文钢Stahl；意大利采用意大利采用Fe；法国采用法国采用A、E等；等；独联体各国采用独联体各国采用C俄文钢的第一个字母；俄文钢的第一个字母；英国无字首符号。英国无字首符号。单位普通为单位普通为N/mm2，但美国为，但美国为Ksi千磅英寸千磅英寸2。强度值有的采用。强度值有的采用fu，有的采用，有的采用fy。ISO国际国际规范、欧共体各国、日本等采用规范、欧共体各国、日本等采用fu，美国、独联，美国、独联体各国等采用体各国等

50、采用fy。分为分为A、B、C、D、E等。等。各国钢材规范不同，各国钢材规范不同，很难明确地找出与我国钢材种类之间的相应关系，很难明确地找出与我国钢材种类之间的相应关系，正确做法是检查它们提供的质保书正确做法是检查它们提供的质保书(化学成分和机化学成分和机械性能械性能)，以确定该钢种与我国哪个钢种是可替代，以确定该钢种与我国哪个钢种是可替代的。以强度为根据的各国钢材与我国钢材相应关的。以强度为根据的各国钢材与我国钢材相应关系列于下表系列于下表。中中 国国美美 国国日日 本本英英 国国法法 国国德德 国国俄罗斯俄罗斯235A36SS400SM400SMA400 40E24St37C235Q345A

51、572-50SM490YA SM490YBSM520 50D E36St44 C345Q390A572-60SM57050FA50St50C390 Q420 A572-65A60 St60 C4401.为什么能把钢材简化为理想的弹塑性资料？为什么能把钢材简化为理想的弹塑性资料？2.塑性和韧性的定义，两者有何区别，冷弯性能塑性和韧性的定义，两者有何区别，冷弯性能和冷作硬化对构造设计的意义是什么？和冷作硬化对构造设计的意义是什么？3.为什么接受动力荷载的重要构造要经过刨边、为什么接受动力荷载的重要构造要经过刨边、扩孔等方法去除其冷加工的边缘部分？扩孔等方法去除其冷加工的边缘部分？u1答：从钢材拉伸

52、时的应力应变曲线可以看答：从钢材拉伸时的应力应变曲线可以看到，钢材有较明显的弹性、屈服阶段，但当应力到，钢材有较明显的弹性、屈服阶段，但当应力达屈服点后，钢材应变可达达屈服点后，钢材应变可达23，这样大的，这样大的变形，虽然没有破坏，但构造或构件已不适于再变形，虽然没有破坏，但构造或构件已不适于再继续接受荷载，所以忽略弹塑性阶段，而将钢材继续接受荷载，所以忽略弹塑性阶段，而将钢材简化为理想的弹塑性资料。简化为理想的弹塑性资料。u2答：塑性是指当应力超越屈服点后，能产生显答：塑性是指当应力超越屈服点后，能产生显著的剩余变形而不立刻断裂的性质；韧性是指塑著的剩余变形而不立刻断裂的性质；韧性是指塑性

53、变形和断裂过程中吸收能量的才干。韧性同塑性变形和断裂过程中吸收能量的才干。韧性同塑性有关，但不完全一样，是强度和塑性的综合表性有关，但不完全一样，是强度和塑性的综合表现。冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形时，现。冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形时，对发生裂痕的抵抗才干，可检验钢材的冷加工工对发生裂痕的抵抗才干，可检验钢材的冷加工工艺和检查钢材的内部缺陷。钢材冷加工过程中引艺和检查钢材的内部缺陷。钢材冷加工过程中引起的钢材硬化称为冷作硬化，冷作硬化能够使资起的钢材硬化称为冷作硬化，冷作硬化能够使资料变脆。料变脆。u3答：钢构造冷加工时会引起钢材的部分冷作答：钢构造冷加工时会引起钢材的部分冷作硬化，从而使资料强度提高，塑性、韧性下降，硬化，从而使资料强度提高，塑性、韧性下降，使钢材变脆。因此，对接受动力荷载的重要构造使钢材变脆。因此，对接受动力荷载的重要构造要经过刨边、扩孔等方法去除其冷加工的边缘部要经过刨边、扩孔等方法去除其冷加工的边缘部分，从而防止脆性破坏。分，从而防止脆性破坏。P45习题：2.1、2.2、2.4、2.9、2.10、2.13