南京钢结构课件

1、钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure1 1、钢结构对材料的要求、钢结构对材料的要求（1 1） 较高的抗拉强度较高的抗拉强度f fu u和屈服点和屈服点f fy y（2 2） 塑性、冲击韧性好塑性、冲击韧性好（3 3） 冷加工性能好冷加工性能好（4 4） 可焊性好可焊性好（5 5） 耐久性好耐久性好第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设

2、计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2 2、钢材的生产、钢材的生产钢材的生产大致分为钢材的生产大致分为炼铁炼铁、炼钢炼钢和和轧制轧制三道工序。三道工序。电炉钢电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。） 炼钢炉有三种形式：炼钢炉有三种形式：转炉转炉、平炉平炉和和电炉电炉。转炉钢转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温

3、下使铁液变为钢液氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）平炉钢平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。） （1 1）炼）炼 钢钢第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Materi

4、al of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用用连续铸造法连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭铸锭工艺和设备。工艺和设备。 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。低钢材的力学性能。 按照钢液在炼钢炉

5、中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为可分为沸腾钢沸腾钢、半镇静钢半镇静钢、镇静钢镇静钢和和特殊镇静钢特殊镇静钢。 （2 2） 浇浇 注注（3 3）脱）脱 氧氧第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure在在锰和硅锰和硅脱氧后，再用脱氧后，再用铝铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。 沸沸 腾腾 钢钢采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的采用的脱氧

6、剂为脱氧能力较弱的锰锰，因此脱氧不完全，且浇，因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。气体，钢的质量较差。镇镇 静静 钢钢采用采用锰加硅锰加硅做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，但成本高。但成本高。 半半 镇镇 静静

7、 钢钢特殊镇静钢特殊镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（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 ） 热处理热处理 指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火

8、和回火）正火、淬火和回火） 热加工热加工 指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在压温度控制在1150-1300 1150-1300 ） 冷加工冷加工 指在常温下对钢材进行加工。（指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象冷作硬化现象） 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structu

9、re3 3、钢材的主要性能、钢材的主要性能3.1 3.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式特特 征征断断 口口后后 果果 塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）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。常为杯形，呈纤常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。维状，色泽发暗。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。 脆性破坏脆性破坏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），

10、没于屈服点），没有任何预兆。有任何预兆。平直和呈有光泽平直和呈有光泽的晶粒。的晶粒。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。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.2 3.2 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）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

11、等缺陷。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温2020左右。左右。 L od d 标准试件标准试件第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure （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

12、个阶段： ( (a) )弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )usesOAsesEBCDAEys 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）第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Desi

13、gn Principles of Steel Structure（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，

14、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。usesOAsesEBCDAEys第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（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)

15、 )usesOAsesEBCDAEys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第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel StructureB.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.

16、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”sefy=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，破坏突然。小，破坏突然。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.3 3.3 单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时

17、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对应的应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力和确定钢材强度设计值的重要指标。承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（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力，它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。是钢材破坏前所能承受的最大应力。（3 3）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）

18、而不立即断裂的性质。塑性好坏可的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用用断面收缩率断面收缩率 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。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（4 4）伸长率伸长率试件试件断裂前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。LodNNNLdN%100001-llll0 原标距长原标距长l1 拉断后标距长度拉断后标距长度d

19、0 试件直径试件直径试件有两种标距：试件有两种标距：l0/ d0=5 和和 l0/ d0=10 相应的伸长率用相应的伸长率用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。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（5 5）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

20、百分比。缩小值与原断面面积比值的百分比。 %100110-AAA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第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Pri

21、nciples of Steel Structure3.4 3.4 应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化曲线简化的依据：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）已足够用来考虑结构或构件的已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。塑性变形的发展。2.5% fy 00.15% 简化的应力应变曲线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

22、材料 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.5 3.5 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。 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

23、弯曲至180180时，检察试件时，检察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。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.2.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

24、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W Wkvkv或或C Cv v表示，单表示，单位为位为J J。 冲击韧性试验冲击韧性试验 一般采用试件长一般采用试件长55mm55mm，截面，截面101010mm10mm2 2，中间一小，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。功。 冲击韧性试验冲击韧性试验第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构

25、设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure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，- -2020和和

26、-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。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.3.可焊性可焊性 好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接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 钢材的

27、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%范围内的碳素钢，可焊性最好（如范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235BQ235B）。对于高强度低合金钢中，低合）。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，我国行业标准金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002JGJ81-2002建筑钢结构建筑钢结构焊接技术规程焊接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( (

28、如如Q345)Q345)，可不采取措施直接施焊。，可不采取措施直接施焊。 15ui5or6nECNVMCMCC（2.3）第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标1 1、抗拉强度、抗拉强度 fu2 2、屈服点、屈服点 fy3 3、伸长率、伸长率5 5、冷弯性能、冷弯性能( (冷弯冷弯1801800 0) )6 6、冲击韧性、冲击韧性( (常温或低常温或低温下的温下的Akv) 小小 节节第

29、二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.6 3.6 在复杂应力作用下钢材的屈服条件在复杂应力作用下钢材的屈服条件第四能量强度理论第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时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单位体积中积聚的能量来表达推导推导 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，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。钢材即由弹性转入塑性。o

30、sxszsyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力状态下的分量状态下的分量s1s1s2s2s3s3单元体受单元体受主应力主应力钢材单元体上的复杂应力状态钢材单元体上的复杂应力状态第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。可以用折算应力和钢

31、材在单向应力时的屈服点相比较来判断。2222223zxyzxyxzzyyxzyxeqssssssssss-用主应力用主应力 、 、 表示时，有表示时，有: :1s2s3syeqf-)(133221232221ssssssssss)()()(21213232221sssssss-eq或或当当时钢材处于弹性阶段，时钢材处于弹性阶段，时钢材处于塑性阶段。时钢材处于塑性阶段。yeqfsyeqfs第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Struct

32、ure 当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态时三向应力状态可以简化为平面应力状态： yxyyxyxeqf-2223sssss一般梁中只存在正应力一般梁中只存在正应力和剪应力和剪应力，则上式可写为：，则上式可写为：yeqf223ss纯剪时纯剪时=0=0 则有：则有：yeqfs332yyff58. 031 即钢材的剪切屈服点是拉伸屈即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点服点f fy y的的0.58 0.58 倍倍第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of St

33、eel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure不同受力状态对钢材材性的影响不同受力状态对钢材材性的影响（a a）单向拉伸单向拉伸（b b）双向拉伸双向拉伸（c c）双向异号应力双向异号应力分析结果：分析结果： （1 1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。提高，但是塑性下降。 双向应力作用下对双向应力作用下对钢材材性的影响钢材材性的影响0yfbyfcyf(a)(b)(c)（3 3）主应力异号时，易屈服，破

34、坏呈）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。塑性，差别越大越明显。 （2 2）主应力同号时，不易屈服，塑性）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。下降，越接近越明显。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4. 4. 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响4.1 4.1 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

35、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 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、

36、铬(Cr)(Cr)等。等。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure碳（碳（C C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，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。 碳素钢按碳含量区分，小于碳素钢按碳含量区分，小于0.250.25的为低碳钢，介于的为低碳钢，介于0.250.25和和0.60.6之间的为中碳钢，大于之间的为中碳钢，

37、大于0.60.6的为高碳钢。的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%0.22%以下，当其含量以下，当其含量在在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）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。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。

38、 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.4.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，：

39、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

40、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。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.2 4.2 冶金缺陷的影响冶金缺陷的影响 1.1.偏析偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊是硫、磷偏析，其后果是偏析区

41、钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。性变坏。3.3.裂纹裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。 2.2.非金属夹杂非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。氧化物，他们使钢材性能变脆。4.4.气泡气泡 浇铸时由浇铸时由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO气体不能充分逸气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.5.分层分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter

42、 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.3 4.3 钢材的硬化钢材的硬化冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。时效硬化时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和

43、韧性下降的现象物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象 。 在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。化的发展。 应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。化现象。 在高温作用下会快速发展在高温作用下会快速发展（人工时效）（人工时效） 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material

44、of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化时效硬化及冷作硬化b) 应变时效硬化应变时效硬化第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.4 4.4 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

45、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。 应力集中现象应力集中现象第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对

46、-曲线关系的影响曲线关系的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。的脆性倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.5 4.5 荷载类型的影响荷载类型的影响荷载可

47、分为静力和动力两大类荷载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。影响要比常温下大得多。 因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，

48、会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.6 4.6 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

49、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)/(2mmNs(%)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，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

50、敏感。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为脆性转变温度脆性转变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。（

51、2 2）钢材由塑性破坏转变为）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完成的，此温度区间称为内完成的，此温度区间称为钢材的钢材的脆性转变温度区脆性转变温度区。（3 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（4 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破

52、坏，选用钢材时应使其工作温度大于在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T T1 1, ,接近接近T T0 0。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.7 4.7 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

53、的钢材的化学成分化学成分、组织构造组织构造和和缺陷缺陷等等(1(1）合理的选用钢材）合理的选用钢材; ; (2(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度低于结构的工作温度; ;(3) (3) 尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性; ;(4(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。连续的传递应力，从而减小构件的

54、应力集中。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 计计第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure正正 确确 制制 造造(1) (1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。(2) (2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲

55、孔后再扩钻的为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。方法，以及对剪切边进行刨边。(3) (3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。理方法消除主要构件中的焊接残余应力。(4) (4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范的要求进行。规范的要求进行。 第二章第二章

56、 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure合合 理理 使使 用用(1) (1) 不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。(2) (2) 原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。(3) (3) 不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。(4) (4) 避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤

57、。避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。(5) (5) 平时对结构应注意检察和维护。平时对结构应注意检察和维护。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure5. 5. 钢材的疲劳钢材的疲劳5.1 5.1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征定义定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。

58、但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。破坏过程破坏过程：裂纹的形成裂纹的形成-裂纹的扩展裂纹的扩展-最后的迅速断裂而破坏最后的迅速断裂而破坏破坏特点破坏特点：（1 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。于脆性破坏。（3 3）疲劳对缺陷十分敏感。）疲劳对缺陷十分敏感。 （2 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年平直，呈有光泽的晶粒状

59、或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。轮状花纹。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure引起疲劳破坏交变荷载的两种类型引起疲劳破坏交变荷载的两种类型 常幅交变荷载常幅交变荷载-常幅应力常幅应力-常幅疲劳常幅疲劳变幅交变荷载变幅交变荷载-变幅应力变幅应力-变幅疲劳变幅疲劳 应力比（应力比（ ） 循环应力中绝对值最小的峰值应力循环应力中绝对值最小的峰值应力s sminmin与绝对值最大的峰值应力与绝对值最大的

60、峰值应力s smaxmax之比。之比。 = = s sminmin / /s smaxmax( (拉应力取正号而压应力取负号拉应力取正号而压应力取负号) ) 应力幅（应力幅（DsDs） DsDs= =s smaxmax- -s sminmin，此处，此处s smaxmax为最大拉应力，取正值，为最大拉应力，取正值，s sminmin为最小拉应为最小拉应力或压应力。（力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）拉应力取正号而压应力取负号） 应力循环次数（应力循环次数（n n，疲劳寿命），疲劳寿命） 结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。第二章第二章 钢结构的材