钢结构的材料

1、第第2 2章章 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第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求（1 1） 较高的强度较高的强度（2 2） 足够的变形能力足够的变形能力良好塑性和韧性良好塑性和韧

2、性（3 3） 良好的加工性能良好的加工性能适应冷、热加工，可焊性好适应冷、热加工，可焊性好（4 4） 对环境的良好适应性对环境的良好适应性耐腐蚀、耐火、耐疲劳耐腐蚀、耐火、耐疲劳 钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选择原则。择原

3、则。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 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 Structure2.2 2.2 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冶炼冶炼、浇注浇注、轧制轧制和和（热处理）（热处理）四道工序。四道工序。电炉钢电炉钢是利用

4、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

5、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2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material 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

6、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2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的

7、材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material 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

8、，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） 2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Struc

9、ture2.2 2.2 钢材的生产钢材的生产第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.3 2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能p 钢材的破坏形式钢材的破坏形式p 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能p 钢材的其它性能钢材的其它性能p 在复杂应力作用下钢材的性能在复杂应力作用下钢材的性能2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.3.1 2.3.1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 （1

10、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。 2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure （2 2）钢材的应力）钢材的应力- -应变关系应变关系 A

11、. 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( (OE段段) )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）AEAE段段：应力和应变呈非：应力和应变呈非线性，线性， 但整个但整个OEOE段卸段卸载后变形消失载后变形消失, , e e=0=0E E点对应的应力：点对应的应力：s se （弹性极限弹性极限）2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能00.150.12.5ffffAECF22/

12、%BDuyep第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure(b)(b)弹塑性阶段：弹塑性阶段：ECEC段段 与与不呈比例，除弹性不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形，变形外还有塑性变形，fyfy称称为屈服强度，又叫屈服点为屈服强度，又叫屈服点（yield pointyield point，材料力学，材料力学中用中用s s表示）。表示）。00.150.12.5ffffAECF22/%BDuyep第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure（c）屈服阶段屈服

13、阶段（CF)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。 屈服点屈服点fy（屈服强度）（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：应力- -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。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。2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能00.150.12.5

14、ffffAECF22/%BDuyep第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure（d d）强化阶段）强化阶段(FB(FB段段) )钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加缓慢增缓慢增大大, ,但但增加较快，最终应力达到最高点增加较快，最终应力达到最高点B B抗拉强度（极限强抗拉强度（极限强度）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（e e）颈缩阶段）颈缩阶段(BD(BD段段) )截面出现了横向收缩，截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩截面面积开始

15、显著缩小，塑性变形迅速增小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，大，应力不断降低，变形却延续发展，直变形却延续发展，直至至D D点试件断裂。点试件断裂。 2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能00.150.12.5ffffAECF22/%BDuyep第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material 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0.20.2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=f

16、0.20.2%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。 2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure(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fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈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

17、承载能力和确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。（定钢材强度设计值的重要指标。（作为作为钢结构设计钢结构设计可以达到的最可以达到的最大应力）大应力） 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，它是钢材破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。坏前所能承受的最大应力。（强度的安全储备）（强度的安全储备） 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变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形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用。塑性好坏可用断面收缩率断

18、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。 2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structurea) 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d0 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

19、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。2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structureb) ) 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。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

20、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。A0A12.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure(4) (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

21、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- -塑性材料塑性材料 2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.3.2 2.3.2 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冷弯性能是判别钢材塑性变

22、形能力和冶金质量的综合指标。能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：当试件弯曲至：当试件弯曲至180180时，时，试件表面和侧面，无裂纹、断裂试件表面和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合或分层，即认为试件冷弯性能合格。格。 2.3 2.3 钢材的其它性能钢材的其它性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.2.冲击韧性冲击韧性韧性韧性 反映钢材抵抗

23、冲击荷载、动力荷载的反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。衡量韧性指标用量。衡量韧性指标用冲击韧性冲击韧性值表示，也叫值表示，也叫冲击功，用符号冲击功，用符号A Akvkv表示，单位为表示，单位为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，截面面101010mm10mm2 2，中间一小槽。在摆锤式冲，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。摆锤消耗的功。 冲击韧性试验冲击韧性试验冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢

24、材标准冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即中将试验分为四档，即+20, 0+20, 0，-20-20和和- -4040时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。2.3 2.3 钢材的其它性能钢材的其它性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure3.3.可焊性可焊性金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。头的特性。包括两个方面包括两个方面：一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感

25、性；：一是金属在经受焊接加工时对缺陷的敏感性； 二是焊接接头在一定的使用条件下可靠运行的能力二是焊接接头在一定的使用条件下可靠运行的能力。 影响钢材可焊性的因素影响钢材可焊性的因素 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在。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

26、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( (如如Q235.Q345)Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。，可不采取措施直接施焊。 15ui5or6nECNVMCMCC（2.4.1）第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure4. 钢材沿厚度方向的性能钢材沿厚度方向的性能： 由较厚钢板组成的焊接承重结构，在焊接过程中或者在厚度方向受拉作由较厚钢板组成的焊接承重结构，在焊接过程

27、中或者在厚度方向受拉作用时，常常会产生与厚度方向垂直（称为用时，常常会产生与厚度方向垂直（称为Z方向）的裂纹，出现层状撕裂。方向）的裂纹，出现层状撕裂。为了避免这种情况发生，采用为了避免这种情况发生，采用“厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板”是必要的。是必要的。 现行国家标准现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板（GB/T5313）把它分为）把它分为Z15、Z25、Z35三个级别，这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率，三个级别钢板的三个级别，这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率，三个级别钢板的含硫量分别不大于含硫量分别不大于0.01%，0.007%和和0.005%；单个试件的断面收缩率分别

28、；单个试件的断面收缩率分别不小于不小于10%，15%和和25%，同时三个试件断面收缩率的平均值也分别不小于，同时三个试件断面收缩率的平均值也分别不小于15%。25%和和35%。 第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标1、屈服点、屈服点 fy2、抗拉强度、抗拉强度 fu3、伸长率、伸长率 4、断面收缩率断面收缩率 5、冷弯性能、冷弯性能6、冲击韧性、冲击韧性 Akv 7 、可焊性、可焊性小小 结结2.3 2.3 钢材的其它性能钢材的其它性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 C

29、hapter 2 Material of Steel Structure2.3.3 2.3.3 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

30、小（一般都小也小（一般都小于屈服点），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。2.2 2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢材在单轴反复应力作用下的工作性能钢材在单轴反复应力作用下的工作性能 2.3.5钢材在单轴反复应力作用下的工作特性，可用应力钢材在单轴反复应力作用下的工作特性，可用应力- -应变试验曲线表示。应变试验曲线表示。 当构件反复应力当构件反复应力 ，即材料

31、处于弹性阶段时，在，即材料处于弹性阶段时，在反复应力作用下钢材反复应力作用下钢材的材性无变化，也不存在残余变形。的材性无变化，也不存在残余变形。 yfs当钢材的反复应力当钢材的反复应力 ，即材料处于弹塑性阶段时，重复应力和反复应力，即材料处于弹塑性阶段时，重复应力和反复应力引起塑性变形的增长。引起塑性变形的增长。 yfs第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢材在多次重复的循环应变作用下滞回环丰满而稳定钢材在多次重复的循环应变作用下滞回环丰满而稳定 。这是钢材这是钢材一种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供

32、了保障。一种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供了保障。 第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.3.6 2.3.6 在复杂应力作用下钢材的工作性能在复杂应力作用下钢材的工作性能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。osxszsyyzyxxy

33、xzzyzxZXY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第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure空间应力状态的广义胡克定律空间应力状态的广义胡克定律-)(1)(1)(1213313223211EEE当空间应力状态以主应力表示时，广义胡克定律为：当空间应力状态以主应力表示时，广义胡克定律为：式中，式中，e1，e2，e3分别为沿主应力分别为沿主应力s1，s2，s3方向的线应变方向的线应变。第第2 2章章

34、 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure一般一般空间应力状态下的广义胡克定律空间应力状态下的广义胡克定律为：为：-)(1)(1)(1yxzzxzyyzyxxEEEsssesssessseGGGzxzxyzyzxyxy第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material 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材在单向应力时的屈服点相

35、比较来判断。2222223zxyzxyxzzyyxzyxzsssssssssss-（2.3.1）用主应力用主应力 、 、 表示时，有表示时，有: :1s2s3s)(133221232221ssssssssss-Sz（2.3.2）)()()(21213232221sssssss-zS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。yzsfsyzsfs2.3 2.3 钢材的其它性能钢材的其它性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不

36、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： 2223xyyxyxzssssss-（2.3.3）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：223sszs（2.3.4）纯剪时纯剪时=0 =0 则有：则有：yzsfs332（2.3.5）yyff58. 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2.3 2.3 钢材的其它性能钢材的其它性能第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 M

37、aterial of Steel Structure 是指在连续反复荷载作用下，钢材或钢构件的应力低于极限强度，甚至低是指在连续反复荷载作用下，钢材或钢构件的应力低于极限强度，甚至低于屈服强度而发生的破坏。于屈服强度而发生的破坏。 疲劳破坏疲劳破坏 疲劳破坏过程疲劳破坏过程 截面上的微小缺陷截面上的微小缺陷开始形成裂纹开始形成裂纹 裂纹缓慢扩展裂纹缓慢扩展 Type C裂纹达到临界尺寸裂纹达到临界尺寸而迅速断裂而迅速断裂 疲劳破坏2.5第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure应力比：应力比： 1. 基本概念基本概念：m

38、axminss其中，其中， 为绝对值最小的应力，为绝对值最小的应力， 为绝对值最大的应力，拉应力取正值，为绝对值最大的应力，拉应力取正值，压应力取负值。压应力取负值。 minsmaxs第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure1. 基本概念基本概念：应力幅：应力幅： 应力幅应力幅 ；表示应力变化的幅度，总为正值。；表示应力变化的幅度，总为正值。s应力循环中的最大拉应力，取正值；应力循环中的最大拉应力，取正值； maxs应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值。应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值

39、，压应力取负值。 minsminmaxsss-（2-9）焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关，而与应力比焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关，而与应力比 、名义应力、名义应力 、 及及钢材的静力强度钢材的静力强度 的关系不是非常密切。的关系不是非常密切。 maxsminsyf注：注：应力幅计算式（应力幅计算式（2-92-9）中的）中的 、 ，与应力比，与应力比 中的中的 、 的的意义是不相同的。意义是不相同的。 maxsminsmaxsminsmaxminss第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure1. 基本概念基本概念：

40、疲劳寿命和疲劳强度：疲劳寿命和疲劳强度： 材料或构件发生疲劳破坏时，应力幅的大小和应力循环次数材料或构件发生疲劳破坏时，应力幅的大小和应力循环次数N有关。较小有关。较小的的N达到疲劳破坏所必须的达到疲劳破坏所必须的 相对大些，这时的应力幅相对大些，这时的应力幅 称为对应循环次数称为对应循环次数N的的疲劳强度疲劳强度。同样，对应。同样，对应 的应力循环次数的应力循环次数N称为材料或构件的称为材料或构件的疲劳寿命疲劳寿命。 sss疲劳强度极限：疲劳强度极限： 当应力幅当应力幅 小到一定程度时，无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏，小到一定程度时，无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏，这个应力幅这个

41、应力幅 称为疲劳强度极限，简称疲劳极限称为疲劳强度极限，简称疲劳极限。ss第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2. 钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏：影响钢材疲劳强度的因素：影响钢材疲劳强度的因素：反复荷载引起的应力种类（如拉应力、压应力、剪应反复荷载引起的应力种类（如拉应力、压应力、剪应力、复杂应力等）力、复杂应力等） 外部因素外部因素 应力循环的形式和次数应力循环的形式和次数 钢材内部残余应力的大小钢材内部残余应力的大小 内部因素内部因素 钢材内部应力集中的程度钢材内部应力集中的程度 第第2 2章章 钢结构的材料钢

42、结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure3. 钢结构的疲劳破坏及影响因素钢结构的疲劳破坏及影响因素：钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点：钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点：光滑区（图中光滑区（图中1区）：区）： 微观裂纹在连续反复作用应力下逐步微观裂纹在连续反复作用应力下逐步扩展，裂纹两侧的材料时而相互挤压时而扩展，裂纹两侧的材料时而相互挤压时而分离，形成光滑区；分离，形成光滑区； 粗糙区（图中粗糙区（图中2区）：区）： 裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱，直至裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱，直至

43、截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件会突然断裂。表面呈颗粒状的粗糙区截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件会突然断裂。表面呈颗粒状的粗糙区就是由撕裂作用而形成的就是由撕裂作用而形成的 。第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure3. 钢结构的疲劳破坏及影响因素钢结构的疲劳破坏及影响因素：影响钢构件和结构疲劳强度的因素：影响钢构件和结构疲劳强度的因素：构件形状变化构件形状变化 （截面形状突变、截面削弱，（截面形状突变、截面削弱，构件表面凹凸不平等构件表面凹凸不平等）构件内部存在的残余应力构件内部存在的残余应力 应力集中：应力集中

44、：程度越严重，钢构件越容易发生疲劳破坏，疲劳强度就越低。程度越严重，钢构件越容易发生疲劳破坏，疲劳强度就越低。 钢构件产生钢构件产生应力集中应力集中的主要原因的主要原因 ：构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低 第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure4. 钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：容许应力幅的计算：容许应力幅的计算：s1NC（2-10）N 应力循环次数（预期使用寿命）；应力循环次数（预期使用寿命）； C、 参数，确定构件和连接分类后按表参数，确

45、定构件和连接分类后按表2-2取值取值 参数参数C、值值 表表2-2构件和构件和连接类别连接类别12345678C19401012 86110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101244333333第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure4. 钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件，如吊车梁、桥梁等以及它们对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件，如吊车梁、桥梁等以及它们的连接，当实际应力循环次数的连接，当实际应力循环次数n

46、5104次时，才需要进行疲劳计算。次时，才需要进行疲劳计算。 钢构件和连接形式的分类：钢构件和连接形式的分类： 常见的钢结构构件和连接形式，按常见的钢结构构件和连接形式，按应力集中应力集中程度的大小，由低至高分为程度的大小，由低至高分为8个类别。第个类别。第1类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，应力集中类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，应力集中程度最弱。第程度最弱。第8类则为应力集中程度最严重的角焊缝。第类则为应力集中程度最严重的角焊缝。第2至第至第7类是有不同类是有不同程度应力集中的主体金属。（见附表程度应力集中的主体金属。（见附表9-1）第第2 2章章 钢结构的材料钢结构

47、的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure4. 钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：常幅疲劳的验算：常幅疲劳的验算： 永久荷载产生的应力值为不变值，不产生应力幅。应力幅只由重复作用的可永久荷载产生的应力值为不变值，不产生应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳计算时，取重复作用的变荷载产生，所以疲劳计算时，取重复作用的可变荷载标准值可变荷载标准值来计算应力幅。来计算应力幅。 ss （2-11） 式中，式中， 对焊接部位为应力幅：对焊接部位为应力幅： ，对非焊接部位为，对非焊接部位为 计算应力幅：计算应力幅： ，应力以拉为正，压为负；，应力以拉为正

48、，压为负； sminmaxsss-minmax7 . 0sss-s常幅度疲劳的容许应力幅；先由附表常幅度疲劳的容许应力幅；先由附表9-1确定构件和连接的确定构件和连接的 类别，再由表类别，再由表2-2查取参数查取参数C、 ；见式（；见式（2-10）。）。 一般应选取受拉区应力集中较严重处进行疲劳强度验算。一般应选取受拉区应力集中较严重处进行疲劳强度验算。第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure4. 钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：变幅疲劳的验算：变幅疲劳的验算：sse （2-12） 式中，式中， 变幅疲劳的等效应力幅

49、，按下式确定变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定:es(1)已知设计应力谱已知设计应力谱: :对变幅疲劳，若能预测结构使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频对变幅疲劳，若能预测结构使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式计算：次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式计算： ss1iiieNn（2-13） 第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure4. 钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：变幅疲劳的验算：变幅疲劳的验算：(2

50、)重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳计算重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳计算 :规范规定按照简化的常幅疲劳进行计算：规范规定按照简化的常幅疲劳进行计算： 6102ssf（2-15） 式中，式中，f 欠载效应的等效系数，见表欠载效应的等效系数，见表2-3； 循环次数循环次数n为为2106次的容许应力幅，见表次的容许应力幅，见表2-4；也可按式；也可按式 （2-10）计算。）计算。6102s第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.5. 2.5. 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响u

51、化学成份的影响化学成份的影响u 冶金缺陷的影响冶金缺陷的影响u 钢材硬化的影响钢材硬化的影响u 应力集中的影响应力集中的影响 u 温度的影响温度的影响u 荷载类型的影响荷载类型的影响2.4 2.4 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.5.1 2.5.1 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，从而影响钢材的力学性能。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。纯铁纯铁FeFe碳碳C C变脆（强度变脆（强度，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀

52、性塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性）其它主要元素其它主要元素硫硫S S热脆热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性磷（磷（P P）强度、抗锈蚀能力强度、抗锈蚀能力塑性、韧性、冷弯性能、可焊性塑性、韧性、冷弯性能、可焊性，冷脆，低温工作性能差。冷脆，低温工作性能差。氧氧O O 影响同硫影响同硫氮（氮（N N）影响同磷）影响同磷硅硅SiSi 适量适量强度强度，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大锰锰MnMn强度强度消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著钒钒(V)(V)、钛、钛(Ti)(Ti)、铌

53、、铌(Nb) (Nb) 等等适量适量强度、韧性强度、韧性、塑性良好塑性良好钢钢有有益益元元素素有有害害元元素素2.4 2.4 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure铁（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，此外还有碳（有碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、锰（）、锰（MnMn）等有益元素，及硫（）等有益元素，及硫（S S）、）、磷（磷（P P）、氧（）、氧（O O）、氮（）、氮（N N）等有害元素，这些总含量不大

54、，）等有害元素，这些总含量不大，约约1%1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有，但对钢材力学性能却有很大影响。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。 2.4 2.4 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响1.1. 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.

55、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，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。 第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel StructureFe3CFe钢钢铁素体铁素体 亚共析钢亚共析钢过共析钢过共析钢亚共晶白口铸铁亚共晶白口铸铁过共晶白口铸铁过共晶白口铸铁共晶白口铸铁共晶白口铸铁共析钢共析钢白白 口口

56、铸铸 铁铁二次渗碳体二次渗碳体工工业业纯纯铁铁珠光体珠光体莱氏体莱氏体一次渗碳体一次渗碳体Fe3C钢钢 铁铁分分 类类组织组组织组成物相成物相对量对量%相组成相组成物相对物相对量量%含碳量含碳量%0 0.02180.772.114.36.6910010000三次渗碳体三次渗碳体l.随随C C含量增加含量增加, ,逐渐降低。逐渐降低。铸铸造造焊缝组织焊缝组织模锻模锻切削加工的基本形式切削加工的基本形式车车刨刨钻钻铣铣磨磨第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure1.1. 碳（碳（C C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增

57、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，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

58、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。 2.4 2.4 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material 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

59、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）：有益元素。在普通碳

60、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。2.4 2.4 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2.5