钢结构设计原理：第二章 钢结构的材料

1、钢结构的材料第二章Materials of Steel Structure 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。 1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy； 2.较好的塑性、韧性； 3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。2.1 钢结构对材料的要求一、塑性破坏 破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏 坏前没

2、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，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。2.2 钢材的破坏形式一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能（一）单向拉伸试验标准材性试验 1、【条件】标准试件（GB22863），常温（20） 下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。 标准试件：lo/d=5、10；lo-标距； d -直径2.3 钢材的主要性能d2、【阶段划分】 第一类、有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：OBCDAE（2）弹塑性阶段（BC) 该段很短，表现出钢材的非弹性性质; B屈服上限; C屈服下限(屈服点)（3）塑性阶段（CD) 该段基本保持不变（水平), 急剧

3、增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量 E = 0. (1)弹性阶段(OB)OA段材料处于纯弹性，即:AB段有一定的塑性变形, 但整个OB段卸载时，=0；E=206103N/mm2（4）强化阶段(DE段)极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段(EF段)随荷载的增加缓慢增大,但增加较快 第二类、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，塑性变形小，破坏突然。 设计时取相当于 残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点条件屈服点。fy=f0.23、【应力应变曲线的简化】1) fy与fb相差很小；2) 超过 fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。 第一

4、、钢材可以简化为理想弹塑性体2.5%-3%fy 0 0.15% 第二、钢材在静载作用下： 强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。第三、断裂时变形约为弹性变形的200倍,在破坏前产生明显可见的塑性变形,可及时补救,故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyfu-fy4、【单向拉伸时钢材的机械性能指标】 （1）屈服点fy (yield strength) 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu (tensile strength) 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。（3）伸长率(elongati

5、on) 它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。（4）断面收缩率当l0/d=5时,用5表示,当l0/d=10时,用10表示。A0A15%为脆性材料5%为塑性材料 应力s应变e曲线 弹性模量 屈服强度(yield strength) fy 抗拉强度(tensile strength) fu 伸长率(elongation) d【E为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为破坏标志，fu/fy为强度储备，伸长率表示塑性变形能力。】参 数小结 塑性材料 脆性材料 强度指标 比例极限屈服点强度极限冷作硬化名义屈服点小结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l0/d=3, 屈服点同单向

6、拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到：二、冷弯(cold bending)性能 衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。add+2.1a冷弯试验冷弯角a、加工性能，塑性变性能力，材质均匀性，a=180合格。三、冲击(impact toughness)韧性 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性(brittle fracture)破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。(a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口冲击韧性试验装置 由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性。 单位：J。Cv受温度的影响钢材的机械性能指标1、屈服

7、点fy；2、伸长率；3、抗拉强度fu；4、冷弯试验；5、冲击韧性Cv(包括常温冲击韧性、0时冲击韧性 负温冲击韧性）。小 节记住啦 一、化学成分(chemical compositions) 普通碳素钢(carbon steel)中Fe占99%,其他杂质元素占1%； 普通低合金钢(low-alloy steel)中合金元素5%。 1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，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。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。 2.4 各种因素对钢材性能的影响 2.硫（S）:有害元素,热脆性.不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，

8、冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：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。7.氧（O）：有害杂质，与S相似。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性,提高强度， 对可焊性有影响。二冶金缺陷常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；气孔；裂纹等。结论：化学成分影响强度、延性、可加工性(machinability)、耐久性(durab

9、ility) ；三、钢材的硬化 冷作硬化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）提高的现象，也称“应变硬化”。 时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易 析出。即冷作硬化的同时可以加速时效 硬化，因此也称“人工时效”。图 冷作硬化与时效现象四、温度影响 1正温范围 200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。8006004002000N/mm2Efufy200400600图 温度对钢材机械性能的影响20406080%22021020019018

10、0170160Ex103T(0C) 250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。 当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。2负温范围脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0C冲击断裂功CvT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线五、应力集中1.应力集中的概念(stress concentration)局部先屈服 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,缺陷处有高峰应力应力集中。2.应力

11、集中的影响图 应力集中对应力应变的影响3.减小应力集中现象的措施 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。六、反复荷载作用（疲劳问题）七、板厚、直径的影响动载脆性破坏； 反复荷载疲劳(fatigue)脆断；八、焊接残余应力(residual stress)图 热轧钢材截面残余应力典型分布示例a）工字钢 b）H型钢 c）角钢 d）钢板说明：残余应力降低实际承载力。 表面不均匀冷却，形成自平衡初始应力，热轧残余应力。）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；2.5 复杂应力作用下钢材的屈服

12、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。oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力1. 以应力分量表示复杂应力作用下钢材的屈服条件：2.以主应力表示复杂应力作用下钢材的屈服条件：材料处于弹性状态材料处于塑性状态补充说明：钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点 fy时，钢材屈服而进入塑性状态。当钢材处于复杂应力作用下（平面应力或立体应力），按能量强度理论（第四强度理论），以折算应力red是否大于fy来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。 （1）三向受压时(静水压力) 不破坏;（2）三向受拉时 一定破坏; 由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要

13、发生脆性破坏。 能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的， 只是实际的脆 性破坏不再符合能量理论的基本假定。讨论图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点应力：1-1A【案例1】对于薄板,厚度方向的应力很小,为平面受力状态。PPMM11AXVY【案例2】一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：2-2AVM22AYXq 3-3APMVP33YXM【案例3】 3-3 截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。一、概念1、循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A2.6 钢材的疲劳（1）应力循环 （2）应力循

14、环特征应力比-构件截面应力随时间的变化。（3）应力幅 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量常幅循环：为变量变幅循环：+-t(b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环2.钢材的疲劳 在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。3.疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷微观裂纹宏观裂纹。4.疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。5.影响钢材疲劳的主要因素（1）构件和连接的分类 规范将构件和连接的种类分为 8类，第1类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高

15、；第8类为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。（2）应力幅（）和应力循环特征（应力比） 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力max和应力比无关。A. 对于焊接结构：焊缝附近主体金属的应力由：实际应力循环均形成在拉应力范围B. 对于非焊接结构和轧制钢材 在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图(max和min关系曲线)。 当=0和=-1时的疲劳强度分别为0 和-1，连接BC并延长至A、D。非焊接结构的疲劳图DA 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应

16、（构造类型的应力集中情况）有关。ABCD直线方程为：DA非焊接结构的疲劳图（3）应力循环次数N（疲劳寿命）应力循环次数N40mm) 强度低， 应提出Z向性能要求；低温条件应特别考虑。（二）钢材选择建议1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。 2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服 强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有 含碳量的合格保证。 3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当

17、结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证； 对于Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。 当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证； 对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。 4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于 16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。 6、当焊

18、接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。 7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15、Z25、Z35，分别对应其允许值。8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172的规定。 热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。（一）热轧钢板(plate)（表示方法 宽厚度长度 ）分为:厚板（厚度4.5-60mm) 薄板（厚度0.35-4mm)扁钢：厚度4-

19、60mm， 宽度20-200mm。三、钢材的规格(二）热轧型钢1.工字钢2.槽钢工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)3.角钢 肢宽度肢厚度 等肢角钢长肢宽度短肢宽度肢厚度 不等肢角钢4.H型钢分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HNbht1t2表示方法： H高度宽度腹板厚度翼缘厚度如： Hhbt1t25.钢管tD表示方法：外径壁厚分为无缝管和焊接管（三）冷弯薄壁型钢 (cold-formed section)冷弯薄壁型钢L型钢、C型钢、Z型钢、 S型钢、压型板等。壁厚1.55mm压型钢板壁厚0.41.5mm思考题单项选择9.钢材在复杂应力作用下是否进入屈