第2章钢结构材料1

1、大纲要求大纲要求: : 1.了解钢结构的两种破坏形式； 2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标；3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能（一）单向拉伸时的性能（一）单向拉伸时的性能 1.1.条件：条件：标准试件（标准试件（GB22863GB22863），常温（），常温（2020） 下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.1%0.3%0.3%。 标准试件

2、：标准试件：l lo o/d=5/d=5、1010；l lo o- -标距；标距； d -d - -直径直径2.1钢结构所用钢材的主要机械性能钢结构所用钢材的主要机械性能L od d2.阶段划分A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：曲线可以分为五个阶段： (1) (1)弹性阶段弹性阶段(OB(OB段段) )uOAEBCDAEy（2 2）弹塑性阶段（）弹塑性阶段（BC)BC) 该段很短该段很短, ,表现出钢材的非弹性性质表现出钢材的非弹性性质; ; B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限( (屈服点屈服点) )（3 3）塑性阶段（）塑性阶段（CD)CD) 该段该段

3、基本基本 保持不变（水保持不变（水 平平), ), 急剧急剧 增大增大, ,称为屈称为屈 服台阶或流服台阶或流 幅段幅段, ,变形模变形模 量量 E = 0E = 0uOAEBCDAEy（4 4）强化阶段）强化阶段(DE(DE段段) )极限抗拉强度极限抗拉强度f fu u（5 5）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF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uOAEBCDAEyB.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。形小，破坏突然。 设计时取相当于设计时取相当

4、于 残余变形为残余变形为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点作为屈服点条条 件屈服点件屈服点3.3.应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化1)1)钢材在屈服点以前按钢材在屈服点以前按理想的弹性体工作，理想的弹性体工作，屈服点以后按理想的屈服点以后按理想的塑性体工作。塑性体工作。2)2)超过超过 f fy y到屈服台阶终到屈服台阶终止的变形约为止的变形约为2.5%-2.5%-3%3%，足以满足考虑结，足以满足考虑结构的塑性变形发展的构的塑性变形发展的要求。要求。 （1 1）钢材可以简化为）钢材可以简化为理想弹塑性体理想弹塑性体2.5%-3%fy 00.15% （2 2）钢材在

5、静载作用下：）钢材在静载作用下： 强度计算以强度计算以f fy y为依据为依据;f;fu u为结构的安全储备。为结构的安全储备。（3 3）断裂时变形约为弹性变形的）断裂时变形约为弹性变形的200200倍，在破坏前倍，在破坏前 产生明显可见的塑性产生明显可见的塑性 变形，变形， 可及时补救，可及时补救， 故几乎不可能发生。故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyf fu u-f-fy y4.4.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 （1 1）屈服点屈服点f fy y-应力应变曲线开始产生塑性流动时应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的对应的应力，它是衡量

6、钢材的承载能力承载能力和确定钢材和确定钢材强度设计值强度设计值的重要指标。的重要指标。（2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u-应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。力，它是钢材最大的抗拉强度。LodNNNLdN（3 3）伸长率）伸长率)12(%10000 lll )22(%100010 AAA （4 4）断面收缩率）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当当l l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，当表示，当l l0 0/d=10/d=10时，用时，用1010表示。表示。A0A1同单向拉伸时的性能，

7、屈服点也相差不多。同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。（二）受压时的性能 采用短试件采用短试件l l0 0/d=3, /d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。屈服点同单向拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能231079)32(3mmNGffyvy 抗剪强度可由折算应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：二、冷弯性能二、冷弯性能 衡量钢材塑衡量钢材塑性性能和质性性能和质量优劣的综量优劣的综合指标。合指标。add+2.1a三、冲击韧性三、冲击韧性 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时力作用下抗脆性破

8、坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。(a)(a)梅氏梅氏U U型缺口型缺口 (b)(b)夏比夏比V V型缺口型缺口 由试件断裂吸收的能量由试件断裂吸收的能量CvCv来衡钢材的冲击韧性，来衡钢材的冲击韧性， 单位：单位：J J。CvCv受温度的影响受温度的影响冲击韧性试验装置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f fy y；2 2、伸长率、伸长率；3 3、抗拉强度、抗拉强度f fu u；4 4、冷弯试验；、冷弯试验；5 5、冲击韧性、冲击韧性CvCv ( (包括常温冲击韧性、包括常温冲击韧性、 0 0度时冲击韧性

9、度时冲击韧性 负温冲击韧性）。负温冲击韧性）。小 节2.2 钢材的破坏形式一、塑性破坏一、塑性破坏 破坏前有明显的破坏前有明显的塑性变形塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。以采取补救措施。 二、脆性破坏二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，有的变形能力小，破坏破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。无机会补救。 一、化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中FeFe占占99%99%，其他杂质元素占其他杂质元素占1%1%； 普通低合金钢中合金

10、元素普通低合金钢中合金元素5%5%。 1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，钢材强度的主要来源，随其含量增加，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在一般控制在0.22%0.22%以下，以下， 在在0.20.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。 2.3 2.3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2.2.硫（硫（S S）：有害元素，热脆性。不得超过有害元素，热脆性。不得超过0.05%0.05%。 3.3.磷（磷（P P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降

11、低。不得超过高，可焊性降低。不得超过0.045%0.045%。 4.4.锰（锰（MnMn）：合金元素。弱脱氧剂。与合金元素。弱脱氧剂。与S S形成形成MnSMnS，熔，熔点点16001600，可以消除一部分，可以消除一部分S S的有害作用的有害作用。 5.5.硅（硅（SiSi）：合金元素。强脱氧剂。合金元素。强脱氧剂。 6.6.钒（钒（V V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳合金元素。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。化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。7.7.氧（氧（O O）：有害杂质，与有害杂质，与S相似。相似。8.8.氮（氮（N N）：有

12、害杂质，与有害杂质，与P相似。相似。9.9.铜（铜（CuCu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。影响。二冶金缺陷二冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；非金属夹杂；气孔；气孔；裂纹等。裂纹等。三、钢材的硬化三、钢材的硬化 冷作硬化冷作硬化当荷载超过材料比例极限卸载后，出现当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称现象，也称“应变硬化应变硬化”。 时效硬化时效硬化随时间的增长，碳和

13、氮的化合物从晶体随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使中析出，使材料硬化的现象材料硬化的现象。 应变时效硬化应变时效硬化钢材产生了一定数量的塑性变形后，钢材产生了一定数量的塑性变形后，铁素体中固溶的铁素体中固溶的C C、N N更容易析出，从而使更容易析出，从而使冷作硬化冷作硬化的的钢材又发生钢材又发生时效硬化。时效硬化。四、温度影响 1 1正温范围正温范围 200200以内对以内对钢材性能无大钢材性能无大影响，该范围影响，该范围内随温度升高内随温度升高总的趋势是强总的趋势是强度、弹性模量度、弹性模量降低，塑性增降低，塑性增大。大。8006004002000N/mm2Efufy200400

14、600温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响20406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C) 250250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加增加兰脆现象兰脆现象，该温度区段称为，该温度区段称为“兰脆区兰脆区”。 260260320320产生产生徐变徐变现象。现象。 600600左右弹性模量趋于零左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全，承载能力几乎完全丧失。丧失。 当温度低于常当温度低于常温时，钢材的脆性温时，钢材的脆性倾向随温度降低而倾向随温度降低而增加，增加，材料强度略材料强度略有提高，但其塑

15、性有提高，但其塑性和韧性降低，该现和韧性降低，该现象称为象称为低温冷脆低温冷脆。2 2负温范围负温范围脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲击断裂功冲击断裂功C Cv vT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线五、应力集中五、应力集中1.1.应力集中的概念应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，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，缺陷处有高峰应应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力力应力集中应力集中。2.应力集中的影响3.3.减小应力集中现象的措施减小应力集中

16、现象的措施 1:2.5 由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。求，可以不考虑应力集中的影响。六、反复荷载作用（疲劳问题）六、反复荷载作用（疲劳问题）七、板厚、直径的影响七、板厚、直径的影响）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；八、复杂应力作用下钢材的屈服条件八、复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。oxzyyzyxxyxzzyzxZXY单元体

17、受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量（应力分量）112233单元体受主应力单元体受主应力 )52()()()(21213232221 yredf ) 42 ()(3)(222222 yzxyzxyxzzyyxzyxredf 1.1.以应力分量表示以应力分量表示2.2.以主应力表示以主应力表示fyred 材料处于弹性状态材料处于弹性状态fyred 材料处于塑性状态材料处于塑性状态讨论：讨论：（1 1）三向受压时）三向受压时( (静水压力静水压力) ) 不破坏不破坏; ;（2 2）三向受拉时）三向受拉时 一定破坏一定破坏; ; 由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发 生脆性破坏。生脆性破坏。 能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形式上的式上的不破坏不破坏与与实际的脆性破坏实际的脆性破坏是不矛盾的，是不矛盾的， 只是实只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力1-1xy