PPT钢结构基本原理及设计之钢结构材料

第2章钢钢结结构构材材料料§2-1概述述§2-2钢材材的的生生产产§2-3钢材材的的主主要要性性能能第2章钢钢结结构构材材料料§2-4各种种因因素素对对钢钢材材性性能能的的影影响响§2-5钢材材的的疲疲劳劳§2-6建筑筑用用钢钢的的种种类类、、规规格格和和选选用用1）有有较较高高的的强强度度，，屈屈强强比比满满足足要要求求，，保保证证安安全全储储备备2）有足够的变变形能力塑性----破坏前有预兆兆，能内力重重分布韧性----在动载下破坏坏能吸收较大大能量§2-1概述4）适应低温、、有害介质侵侵蚀及承受疲疲劳荷载5）易生产、价价格便宜3）有良好的加加工性能，适适应冷热加工工，有良好的的可焊性《钢结构设计规规范》（GB50017-2002)推荐的普通碳碳素结构钢Q235钢和低合金高高强度结构钢钢Q345、Q390及Q420符合要求§2-1概述§2-2钢材的生产2.2.1钢材的冶炼一.炼铁二.炼钢碳素钢低合金高强度度结构钢常用的炼钢炉炉有三种形式式：转炉、平平炉和电炉。。电炉炼钢炼成成的钢质量好好。耗电量大，成成本高。转炉炼钢是利利用高压空气气或氧气氧气顶吹转炉炉冶炼的钢中中有害元素和和杂质少，生生产周期短，效率高高、质量好、、成本低。钢材的生产分分为炼铁、炼炼钢和轧制§2-2钢材的生产§2-2钢材的生产§2-2钢材的生产平炉炼钢，平炉炉的的原原料料广广泛泛，，容容积积大大，，产产量量高高，，冶冶炼炼工工艺艺简简单单，，化化学学成成分分易易于于控控制制，，炼炼出出的的钢钢质质量量优优良良。。平炉炉钢钢周周期期长长，，效效率率低低成成本本高高三.钢材材的的浇浇注注和和脱脱氧氧按脱脱氧氧的的方方法法和和程程度度的的不不同同，，碳碳素素结结构构钢钢可可分分为为沸腾腾钢钢、、半半镇镇静静钢钢、、镇镇静静钢钢和和特特殊殊镇镇静静钢钢4类。沸腾腾钢钢采用用脱脱氧氧能能力力较较弱弱锰作脱脱氧氧剂剂，，脱脱氧氧不不完完全全。。钢钢中中留留有有较较多多氧氧化化铁铁夹夹杂杂和和气气孔孔。。质质量量较较差差。。镇静静钢钢采用用锰加加硅硅作脱脱氧氧剂剂，，脱脱氧氧较较完完全全，，硅硅在在还还原原氧氧化化铁铁过过程程中中还还会会产产生生热热量量，，使使钢钢液液冷冷却却缓缓慢慢，，使使气气体体充充分分逸逸出出，，浇浇注注时时不不出出现现沸沸腾腾现现象象。。质质量量好好，，成成本本高高。。半镇镇静静钢钢的脱脱氧氧程程度度介介于于上上述述二二者者之之间间。。特殊殊镇镇静静钢钢是在在锰锰硅硅脱脱氧氧后后，，再用用铝铝补补充充脱脱氧氧，脱脱氧氧程程度度高高于于镇镇静静钢钢。。低合合金金高高强强度度结结构构钢钢一一般般都都是是镇镇静静钢钢。。§2-2钢材材的的生生产产以““Q””代表表屈屈服服点点屈服服点点数数值值共共分分195、215、235、255和275(MPa)5种质量量等等级级按按有有害害成成分分硫硫、、磷磷含含量量由由多多到到少少的的规规律律，，分分别别由由A、B、C、D符号号表表示示脱氧氧方方法法以以F表示示沸沸腾腾钢钢，，b表示示半半镇镇静静钢钢，，Z表示示镇镇静静钢钢，，TZ表示示特特殊殊镇镇静静钢钢。。Z和TZ在钢钢的的牌牌号号中中予予以以省省略略C级只只能能是是Z，D级只只能能是是TZ。例如如：：Q235A··F表示示屈屈服服点点为为235MPa的A级沸沸腾腾钢钢Q215B，表示示屈屈服服点点为为215MPa的B级镇镇静静钢钢Q215B··b表示示屈屈服服点点为为215MPa的B级半半镇镇静静钢钢§2-2钢材材的的生生产产一.钢材材的的组组织织构构造造碳素素结结构构钢钢是在在纯纯铁铁中中加加适适量量的的碳碳来来提提高高强强度度铁素素体体强度度、、硬硬度度较较低低，，而而塑塑性性、、韧韧性性良良好好渗碳碳体体铁碳碳化化合合物物熔点点高高，，硬硬度度大大，，几几乎乎没没有有塑塑性性与铁铁素素体体晶晶粒粒形形成成珠珠光光体体，，在在铁铁素素体体晶晶粒粒空空隙隙中中，，形成成网网状状间间层层。。珠珠光光体体强强度度很很高高，，坚坚硬硬富富有有弹弹性性低合合金金结结构构钢钢是在在低低碳碳钢钢中中加加入入少少量量的的合合金金元元素素合金金元元素素及及其其化化合合物物溶溶解解于于铁铁素素体体和和珠珠光光体体中中，，使使强度度提提高高，，塑塑性性、、韧韧性性和和焊焊接接性性能能不不降降低低2.2.2钢材材的的组组织织构构造造和和缺缺陷陷§2-2钢材材的的生生产产二.钢材材的的铸铸造造缺缺陷陷冶金金缺缺陷陷，如如偏偏析析、、非非金金属属夹夹杂杂、、气气孔孔、、缩缩孔孔和和裂裂纹纹等等热加加工工、、冷冷加加工工和和热热处处理理三种种。。将钢钢坯坯加加热热至至塑塑性性状状态态，，依依靠靠外外力力改改变变其其形形状状,产生生出出各各种种厚厚度度的的钢钢板板和和型型钢钢，，称称为为热热加加工工在常常温温下下对对钢钢材材进进行行加加工工称称为为冷冷加加工工通过过加加热热、、保保温温、、冷冷却却的的操操作作方方法法，，使使钢钢的的组组织织结结构构发发生生变变化化，，称称为为热热处处理理2.2.3钢材材的的加加工工§2-2钢材材的的生生产产一.热加加工工开轧轧和和锻锻压压温温度度控控制制在在1150～1300℃℃钢材材轧轧制制成成钢钢板板或或型型钢钢，，使使金金属属的的晶晶粒粒变变细细，，压压合合钢钢坯坯中中的的气气孔孔、、裂裂纹纹等等缺缺陷陷，，改改善善钢钢材材的的力力学学性性能能。。热轧轧薄薄板板和和壁壁厚厚较较薄薄的的热热轧轧型型钢钢，，因因辊辊轧轧次次数数较较多多，，钢钢材材的的性性能能改改善善明明显显，，其其强强度度、、塑塑性性、、韧韧性性和和焊焊接接性性能能均均优于于厚板板和和厚厚壁壁型型钢钢钢钢材材强强度度按按板板厚厚分分组组§2-2钢材材的的生生产产钢中中的的硫硫化化物物和和氧氧化化物物等等非非金金属属夹夹杂杂，，经经轧轧制制之之后后被被压压成成薄薄片片会会出出现现分分层层现现象象。。使使钢钢板板沿沿厚厚度度方方向向受受拉拉的的性性能能恶恶化化钢材材沿沿轧轧制制方方向向（（纵纵向向））的的性性能能优优于于垂垂直直轧轧制制方方向向（（横横向向））的的性性能能，，使使各各向向异异性性增增大大。钢板部件件应沿其其横向切切取试件件进行拉拉伸和冷冷弯试验验。§2-2钢材的生生产二.冷加工冷轧卷板板和冷轧轧钢板冷弯薄壁壁型钢和和压型钢钢板高强钢丝丝§2-2钢材的生生产§2-2钢材的生生产三.热处理包括退火火、正火火、淬火火和回火火退火和正正火改善善组织以以提高钢钢的机械械性能其操作方方法为：：在炉中中钢材加加热保温温一段时时间后，，随炉温温冷却至至500℃℃以下，再再放至空空气中冷冷却的工工艺称为为完全退退火若保温后后从炉中中取出在在空气中中冷却的的工艺称称为正火火。正火火的冷却却速度比比退火快快，强度度和硬度度有所提提高低温退火火，主要要用来消消除铸件件、热轧轧件、锻锻件、焊焊接件和和冷加工工件中的的残余应应力§2-2钢材的生生产淬火工艺是将将钢件加加热到900℃℃以上，保保温后快快速在水水中或油油中冷却却增加了钢钢材强度度和硬度度，使塑塑性和韧韧性降低低回火工艺将淬淬火后的的钢材加加热到某某一温度度进行保保温，而而后在空空气中冷冷却消除残余余应力，，调整强强度和硬硬度，减减少脆性性，增加加塑性和和韧性，，形成较较稳定的的组织。。通常称淬淬火加高高温回火火的工艺艺为调质质处理。。强度较较高的钢钢材，如如Q420中的C、D、E级钢和高高强度螺螺栓的钢钢材都要要经过调调质处理理。§2-2钢材的生生产钢材有两两种完全全不同的的破坏形形式：塑性破坏坏脆性破坏坏塑性破坏坏的主要要特征是是，破坏坏前具有有较大的的塑性变变形，常常在钢材材表面出出现明显显的相互互垂直交交错的锈锈迹剥落落线。破破坏后的的断口呈呈纤维状状，色泽泽发暗。。脆性破坏坏的主要要特征是是，破坏坏前塑性性变形很很小，或或根本没没有塑性性变形，，而突然然迅速断断裂。破破坏后的的断口平平直，呈呈有光泽泽的晶粒粒状或有有人字纹纹。§2-3钢材的主主要性能能2.3.1钢材的破破坏形式式§2-3钢材的主主要性能能钢材的多多项性能能指标通通过单向向拉伸试试验获得得给出相应应钢材的的单调拉拉伸应力力－应变变曲线。。由试验验曲线看看出，在在比例例极极限限σp以前前钢钢材材的的工工作作是是弹弹性性的的；；比比例例极极限限以以后后，，进进入入了了弹弹塑塑性性阶阶段段；；达达到到了了屈服服点点fy后，塑性平台台；出现强化化阶段，产生生颈缩而破坏坏。2.3.2钢材在单向一一次拉伸下工工作性能§2-3钢材的主要性性能一.四个工作阶段段：1）弹性阶段：2）弹塑性阶段：：应力由0~比例极限fp应力由fp~屈服点fy3）塑性阶段：应力保持fy不变，应变由由(0.1~0.2)%~(2~3)%;4）强化阶段：应力由fy~抗拉强度fu设计以钢材的的屈服点fy作为静力强度度承载力极限限§2-3钢材的主要性性能σεfy如果没有残余余应力，比例例极限与屈服服应力合为一一点，弹塑性性阶段消失，，为简化计算算，将应力应应变关系简化化为如图二.理想弹塑性体体理想弹塑性体应力应变关系系1．强度设计时以钢材材的屈服强度度为基础，抗抗拉强度σu是钢材破坏前前所承受最大大应力，此时时结构因塑性性变形很大而而失去使用性性能，σu／σy值的大小，作作为钢材强度度储备的参数数三.钢材的机械性性能§2-3钢材的主要性性能衡量钢材塑性性变形能力的的主要指标是是伸长率δ和断面收缩率率ψ。2．塑性原标距间长度度的伸长值与与原标距比值值的百分率。。一般以l0／d0=5为标准试件。。伸长率δ5：式中：l0——试件原标距长长度；d0——试件标距长度度内的直径；；l1——试件拉断后标标距间的长度度。§2-3钢材的主要性性能断面的颈缩率率：式中：A0——试件标准断面面的面积A1——试件拉断后颈颈缩区的断面面积钢材单调拉伸伸应力－应变变曲线提供了了三个重要的的力学性能指指标：抗拉强强度fu、伸长率δ和屈服点fy。抗拉强度fu是钢材一项重重要强度指标标，反映钢材材受拉时能承承受的极限应应力伸长率δ是衡量钢材断断裂前所具有有的塑性变形形能力的指标标，其相应伸伸长率分别用用δ5或δ10表示屈服点fy是钢结构设计计中应力允许许达到的最大大限值§2-3钢材的主要性性能一.冷弯性能钢材的冷弯性性能由冷弯试试验确定试验时，根据据钢材的牌号号和不同的板板厚，按国家家相关标准规规定的弯心直直径，在试验验机上把试件件弯曲180°以试件表面和和侧面不出现现裂纹和分层为合格冷弯试验不仅仅能检验材料料承受规定的的弯曲变形能能力大小，还还能显示其内内部的冶金缺缺陷判断钢材塑性变形形能力和冶金金质量的综合合指标2.3.3钢材的其它性性能§2-3钢材的主要性性能冷弯性能试验验方法具有一定弯心心直径d的冲头对标准试件中中部施加荷载载使之弯曲不出现裂纹或或分层，判断断钢材的冷弯弯性能冷弯性能试验验§2-3钢材的主要性性能二.冲击韧性单调拉伸试验验比较不同钢钢材在正常情情况下韧性好好坏冲击韧性是评评定带有缺口口钢材冲击荷荷载作用下抵抗脆性破坏坏能力的指标标，通常用带有夏夏比V型缺口的标准准试件冲击韧性值随随温度的降低低而降低相当温度下的的冲击韧性指指标：在寒冷地区承承受动力作用用重要承重结结构，应根据据工作温度和和所用钢材牌牌号，提出相当温度下的的冲击韧性指指标要求§2-3钢材的主要性性能钢材的冲击韧韧性是指钢材材在冲击荷裁裁作用下，断断裂过程中吸吸收机械动能能的一种能力力，是衡量钢钢材抵抗冲击击荷裁作用我国以前曾采采用过梅氏试试件(U形缺口)作冲击韧性试试验。§2-3钢材的主要性性能多轴应力下，，材料的综合合强度指标要要用变形时单单位体积中积积聚的能量来来衡量形状改改变比比能理理论：：三向应应力下下，形形状改改变比比能等等于单单向拉拉伸下下积聚聚的比比能时时，钢钢材由由弹性性转入入塑性性状态态2.3.4钢材在在复杂杂应力力状态态下的的屈服服条件件时，为为塑性性状态态；时时，为为弹性性状态态§2-3钢材的的主要要性能能对塑性性材料料，同同号应应力状状态易易发生生脆断断，钢钢材在在异号号应力力状态态时容容易发发生塑塑性破破坏。。正应力力与剪剪应力力表示示：§2-3钢材的的主要要性能能fy单轴拉伸双轴异号受力双轴同号受力εσ当σ1、σ2、σ3为同号号应力力且数数值接接近时时，即使它它们各各自都都远大大于fy，折算应应力σzs仍小于于fy说明钢钢材很很难进进入塑塑性状状态破坏表表现为为脆性性§2-3钢材的的主要要性能能在实腹腹梁的的腹板板中：：当纯剪剪时：：钢材的的抗剪剪设计计强度度为：：平面应应力状状态下下§2-3钢材的的主要要性能能碳含碳量量低，，钢的的强度度不高高．但但塑性性大．．伸长长率和和冲击击韧性性高，，钢质质柔软软，易易于冷冷加工工、切切削和和焊接接含碳量量较高高，钢钢的强强度高高，但但塑性性小，，硬度度大，，性脆脆，不不易加加工2.4.1化学成成分的的影响响§2-4各种因因素对对钢材材性能能的影影响§2-4各种因因素对对钢材材性能能的影影响锰元素(Mn)是一种种弱脱脱氧剂剂锰提高高钢材材的屈屈服强强度和和抗拉拉强度度，改改善钢钢材的的冷脆脆倾向向，降降低硫硫、氧氧对钢钢材的的热脆脆影响响，改改善钢钢材热热加工工性能能，不不显著著降低低塑性性和冲冲击韧韧性。。普通碳碳素钢钢中，，锰含含量在在0.3~0.8％，低低合金金钢中中，在在1.2~1.6％之间间，过过多会会使钢钢材变变硬变变脆．．降低低钢材材耐腐腐蚀和和可焊焊性。。硅元素(Si)是一种种较强强的脱脱氧剂剂。适量的的硅可可提高高钢材材强度度而对对其塑塑性、、冷弯弯性能能、冲冲击性性能、、可焊焊性能能无明明显不不良影影响。。在碳素素钢中中含量量不超超过0.3％，低低合金金钢中中限制制在0.6％以内内。过过高硅硅含量量降低低钢材材的塑塑性、、韧性性、抗抗锈性性和可可焊性性。§2-4各种因因素对对钢材材性能能的影影响钒元素(V)是低合合金钢钢中合合金元元素。。可以以细化化钢材材晶粒粒结构构而提提高钢钢材屈屈服强强度和和抗拉拉强度度。钒钒的化化合物物稳定定，使使钢的的高温温硬度度提高高，15MnV钢是在在16Mn钢基础础上加加入适适量的的钒(0.04~0.12％)熔炼成成强度度较高高低合合金钢钢。硫元素(S)是一种种有害害元素素。硫硫与铁铁化合合成硫硫化铁铁(FeS)散布在在纯铁铁体层层间中中，当当温度度在800～1200℃℃时熔化化而使使钢材材出现现热裂裂纹，，且易易脆断断。称称为热热脆现现象。。使钢钢材焊焊接性性能和和热加加工性性能变变坏，，降低低钢材材塑性性和冲冲击韧韧性。。§2-4各种因因素对对钢材材性能能的影影响氧、氮是有害害元素素，容容易从从铁液液中逸逸出，，故含含量甚甚少。。氧的的作用用与硫硫类似似，增增大钢钢的热热脆性性。氮的作作用同同磷类类似，，能显显著降降低钢钢材的的塑性性和冲冲击韧韧性，，冷弯弯性能能和焊焊接性性能，，特别别是增增大钢钢材的的冷脆脆性§2-4各种因因素对对钢材材性能能的影影响磷元素(P)也是一一种有有害元元素。。磷的存存在可可提高高钢材材的强强度和和抗锈锈蚀性性，但但严重重降低低钢材材的塑塑性、、冷弯弯性能能、冲冲击韧韧性和和可焊焊性。。在低温温下，，钢材材易产产生低低温脆脆断,称为冷冷脆现现象。。钢材的的焊接接性能能受含含碳量量和合合金元元素含含量的的影响响含碳量量超过过时，，焊缝缝及热热影响响区容容易变变脆一般Q235A的含碳碳量较较高，，因此此这一一牌号号通常常不能能用于于焊接接构件件。而而Q235B、C、D的含碳碳量控控制在在上述述的适适宜范范围之之内，，适合合焊接接使用用在高强强度低低合金金钢中中，低低合金金元素素大多多对可可焊性性有不不利影影响，，《建筑筑钢钢结结构构焊焊接接技技术术规规程程》使用用碳碳当当量量来来衡衡量量低低合合金金钢钢的的可可焊焊性性，，其其的的计计算算公公式式如如下下：：2.4.2钢材材的的焊焊接接性性能能§2-4各种种因因素素对对钢钢材材性性能能的的影影响响其中中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别别为为分分别别为为碳碳、、锰锰、、铬铬、、钼钼、、钒钒、、镍镍和和铜铜的的百百分分含含量量。。钢材材焊焊接接性性能能的的优优劣劣除除了了与与钢钢材材的的碳碳当当量量有有直直接接关关系系之之外外，，还还与与母母材材厚厚度度、、焊焊接接方方法法、、焊焊接接工工艺艺参参数数以以及及结结构构形形式式等等条条件件有有关关。。当CE在0.38％～～0.45％范范围围内内时时，，钢钢材材呈呈现现淬淬硬硬倾倾向向，，施施焊焊时时需需要要控控制制焊焊接接工工艺艺、、采采用用预预热热措措施施并并使使热热影影响响区区缓缓慢慢冷冷却却，，以以免免发发生生淬淬硬硬开开裂裂；；当CE大于于0.45％时时，，钢钢材材的的淬淬硬硬倾倾向向更更加加明明显显，，需需严严格格控控制制焊焊接接工工艺艺和和预预热热温温度度才才能能获获得得合合格格的的焊焊缝缝。。§2-4各种种因因素素对对钢钢材材性性能能的的影影响响钢材材的的硬硬化化有有三三种种情情况况：：时效效硬硬化化、、冷冷作作硬硬化化（（或或应应变变硬硬化化））和和应应变变时时效效硬硬化化在高高温温时时溶溶于于铁铁中中的的少少量量氮氮和和碳碳，，随随着着时时间间的的增增长长逐逐渐渐由由固固溶溶体体中中析析出出，，生生成成氮氮化化物物和和碳碳化化物物，，散散存存在在铁铁素素体体晶晶粒粒的的滑滑动动界界面面上上，，对对晶晶粒粒的的塑塑性性滑滑移移起起到到遏遏制制作作用用，，从从而而使使钢钢材材的的强强度度提提高高，，塑塑性性和和韧韧性性下下降降。。这这种种现现象象称称为为时效效硬硬化化在冷冷加加工工使使钢钢材材产产生生较较大大的的塑塑性性变变形形的的情情况况下下，，卸卸荷荷后后再再重重新新加加载载，，钢钢材材的的屈屈服服点点提提高高，，塑塑性性和和韧韧性性降降低低的的现现象象称称为为冷作作硬硬化化2.4.3钢材材的的硬硬化化§2-4各种种因因素素对对钢钢材材性性能能的的影影响响应力—应变曲线将沿沿图中EDHK进行，屈服点点由D点提高到H点塑性区和应变变硬化区的范范围缩小。这这也是一个对对钢结构的不不利因素。§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响时效过程长在塑性变形后后对钢材加热热到200～300C，使时效在几几小时内完成成，称为人工工时效。重要结构常需需进行人工时时效，然后再再测定其冲击击韧性，以保保证钢材长期期具有较好的的韧性。当截面有裂纹纹(内部的或表面面的)、孔洞、刻槽槽、凹角时以以及截面厚度度或宽度突然然改变时构件中应力分分布变得不均均匀。在缺陷陷或截面变化化处附近，应应力线曲折、、密集、出现现高峰应力的的现象称为应力集中。当数值相等三三向拉应力时时，直到材料料断裂也不屈屈服。三向拉应力状状态容易脆性性破坏2.4.4应力集中的影影响§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响应力集中现象象可能由内应应力产生：在浇注、轧制制和焊接加工工过程中，不不同部位钢材材冷却速度不不同产生。焊接残余应力力：在焊缝附近残残余拉应力常常达到屈服点点，在焊缝交交叉处经常出出现双向、甚甚至三向残余余拉应力场，，使钢材局部部变脆。当外力引起的的应力与内应应力处于不利利组合时，会会引发脆性破破坏。因此，在进行行钢结构设计计时，应尽量量使构件和连连接节点的形形状和构造合合理，防止截截面的突然改改变。钢结构焊接构构造设计和施施工时，尽量量减少焊接残残余应力。§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响荷载可分为静静力的和动力力的两大类。。快速加载动动力荷载载中的冲击荷荷载连续交变荷载载，循环荷载载吊吊车梁地地震2.4.5荷载类型的影影响一.加载速度的影影响在冲击荷载作作用下，加载载速度很高，，由于钢材的的塑性滑移在在加载瞬间跟跟不上应变速速率，反映出出屈服点提高高的倾向试验研究表明明，在室温环环境下，虽然然钢材的屈服服点和抗拉强强度随应变速速率增加而提提高，塑性变变形能力却没没有下降，反反而提高§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响二.循环荷载的影影响钢材在连续交交变荷载作用用下，会逐渐渐累积损伤、、产生裂纹及及裂纹逐渐扩扩展，直到最最后破坏，这种现象称为为疲劳疲劳可分为高高周疲劳和低低周疲劳两类类当钢材承受拉拉力至产生塑塑性变形，卸卸载后，再使使其受拉，其其受拉的屈服服强度将提高高至卸载点（（冷作硬化现现象）；而当当卸载后使其其受压，其受受压的屈服强强度将低于一一次受压时所所获得的值。。这种经预拉拉后抗拉强度度提高，抗压压强度降低的的现象称为包辛格效效应§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响在150℃以内，钢材的的强度、弹性性模量和塑性性均与常温相相近。在250℃左右，抗拉强强度有局部性性提高，伸长长率和断面收收缩率均降至至最低，出现现蓝脆现象（（钢材表面氧氧化膜呈蓝色色）。显然钢钢材的热加工工应避开这一一温度区段。。在300℃以后，强度和和弹性模量均均开始显著下下降，塑性显显著上升。达到600℃时，强度几乎乎为零，塑性性急剧上升，，钢材处于热热塑性状态。。2.4.6温度的影响§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响当温度低于常常温时，随着着温度的降低低，钢材的强强度提高，而而塑性和韧性性降低，逐渐渐变脆，称为为钢材的低温冷脆。在直接承受动动力作用的钢钢结构设计中中，为了防止止脆性破坏，，冲击试验并并进行统计分分析才能得到到。我国有关标准准对不同牌号号和等级的钢钢材，规定了了在不同温度度下的冲击韧韧性指标对Q235钢，除A级不要求外，，其它各级钢钢均取CV=27J对低合金高强强度钢，除A级不要求外，，E级钢采用CV=27J§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响影响因素：钢钢材的化学成成分、组织构构造和缺陷等等；构造缺陷陷和焊接加工工引起的应力力集中、低温温影响、动荷荷作用、冷作作硬化和应变变时效硬化等等。防止脆性破坏坏的发生：(1)合理设计。(2)正确制造。(3)合理使用。2.4.7防止脆性断裂裂的方法§2-4各种因素对钢钢材性能的影影响§2-5钢材的疲劳2.5.1疲劳破坏的特特征1.疲劳的概念钢材料在循环环荷载作用下下，当循环数数达到某一定定值时，钢材材发生破坏的的现象叫做钢钢材的疲劳；；疲劳属于脆脆性破坏。内部缺陷----应力集中----产生微裂纹----微裂纹在循环环荷载下扩展展----截面削弱----宏观裂纹失稳稳扩展----断裂引起疲劳破坏坏的交变荷载载有两种类型型常幅交变荷载载常常幅疲劳变幅交变荷载载变变幅疲劳转动的机械零零件常常幅疲疲劳破坏，吊车桥、钢桥桥变变幅疲劳破破坏。§2-5钢材的疲劳1)低周疲劳高周疲劳2)特征a突然性b疲劳破坏的断断口与一般脆脆性断口不同同，三个区域域：裂纹源、、裂纹扩展区区和断裂区。。扩展区表面面较光滑，可可见放射和年年轮状花纹，，是疲劳断裂裂的主要断口口特征。c疲劳对缺陷陷敏感。缺口裂裂纹组组织缺陷§2-5钢材的疲劳劳tt平均应力：：应力比：应力辐：循环应力和和变幅应力力§2-5钢材的疲劳劳2影响疲劳的的主要因素素：1）有无缺陷陷、缺陷的的尺寸，有有无残余应应力。2）应力水平平3）应力辐4）应力比对弹性材料料，这一因因素影响不不象对弹塑塑性材料那那样大。时，称常幅幅循环§2-5钢材的疲劳劳2.5.2常幅疲劳一.非焊接结构构的疲劳疲劳强度与与主主体金属连连接类类型有关与循环应力力的应力比比ρ循环次数n有关。n＝2×106次，TJ17-74曾根据试验验得到的简简化疲劳曲曲线，验算算以拉应力力为主的疲疲劳计算公公式如下：：§2-5钢材的疲劳劳验算部位最最大拉应力力；以拉应力为为主的疲劳劳容许强度度；=0时的疲劳容容许强度，，试验定；；构造形式有有关的系数数，试验定定。以应力为准准则的疲劳劳验算方法法不适用于于焊接结构构§2-5钢材的疲劳劳二.焊接结构的的疲劳焊接结构疲疲劳寿命主主要的因素素构件件和连接的的构造类型型和应力幅幅，而与应应力比无关关焊接残余应应力的影响σfyfyσmaxσminΔσ=σmax-σminfy-Δσt+--(a)(b)(c)焊缝附近的的真是循环环应力§2-5钢材的疲劳劳当名义循环环应力为拉拉时，焊缝缝附近的残残余拉应力力已达屈服服点不再增增加，实际际拉应力保保持fy不变；当名名义循环应应力减小到到最小时，，焊缝附近近的实际应应力将降至至显然，焊缝缝附近的真真实应力比比为只要应力幅幅为常数，，不管循环环荷载下的的名义应力力比为何值值，焊缝附附近的真实实应力比也也为常数。。焊缝部位位的疲劳寿寿命主要与与有有关关。§2-5钢材的疲劳劳Δσnn1Δσ1lgΔσlgnlgnLg[Δσ]lgCβ1(a)(b)2s应力幅与循循环寿命的的关系§2-5钢材的疲劳劳可求得容许许应力幅的的表达式C、β均为不同构构件和连接接类别的试试验参数。。循环次数n应力幅1234疲劳极限新规范给出出的疲劳曲曲线(Δσ−n)图§2-5钢材的疲劳劳三.常幅疲劳验验算1.对不同的构构件和连接接类型归纳划分为为8类2.对于非焊接接结构，使用螺栓连连接和构件件，残余拉拉应力很小小，疲劳寿寿命不仅与与应力幅Δσ有关，也与与名义应力力比ρ有关3.折算应力幅幅采用荷载的的标准值容许应力设设计法内力计算中中不乘动力力系数试试验包括括动力作用用§2-5钢材的疲劳劳一.变幅疲劳的的一般计算算方法根据线性累累积损伤准准则等效应力幅幅Δσe，计算公式为为：各应力幅Δσi对应循环次次数为ni，相对的疲劳劳寿命为Ni，线性累积损损伤准则为为：应力幅Δσi循环一次时时，将引起起1/Ni的损伤，ni次循环的损损伤为ni/Ni；其它应力幅幅水平的常常幅循环应应力也有各各自的损伤伤状况，当当这些损伤伤份额之和和等于1时，将发生生疲劳破坏坏。或2.5.3变幅疲劳§2-5钢材的疲劳劳lgΔσlgnΔσ1Δσ2Δσ3Δσen1n2n3N1N2N3Σniβ1变幅疲劳的的疲劳曲线线§2-5钢材的疲劳劳等效常幅疲疲劳应力幅幅Δσe，循环次次后：：或将上述代入入下式有得则－以应力循循环次数表表示的结构构预期寿命命；ni－应力幅水平平为Δσi的应力循环环次数。§2-5钢材的疲劳劳二.吊车梁的疲疲劳欠载效应的的等效系数数最大应力幅幅1变幅疲劳工工作环境2获得一些有有代表性的的车间的重重级工作制制中级工作制制吊车桁架架的设计应应力谱。3按2×106循环次数4最大应力幅幅Δσ1；常幅设计计应力幅Δσ§2-5钢材的疲劳劳2.5.4疲劳验算中中一些值得得注意的问问题(1)疲劳验算仍仍然采用容容许应力设设计方法，，标准荷载用容许应力力幅作为疲疲劳强度(2)规范中提出出的疲劳强强度以试验验为依据规定8种以外连接接构造，应应进行专门门的研究高温、海水水腐蚀环境境、焊后经经热处理、、低周高应应变疲劳构构件或连接接的疲劳(3)在应应力力循循环环中中不不出出现现拉拉应应力力的的部部位位不不计计算算疲疲劳劳(4)静力力强强度度对对焊焊接接构构件件和和连连接接的的疲疲劳劳强强度度无无显显著著影影响响，，故故可可以以认认为为，，疲疲劳劳容容许许应应力力幅幅与与钢钢种种无无关关§2-5钢材材的的疲疲劳劳§2-6建筑筑用用钢钢的的种种类类、、规规格格和和选选用用2.6.1建筑筑用用钢钢的的种种类类碳素素结结构构钢钢和和低低合合金金高高强强度度结结构构钢钢优质质碳碳素素结结构构钢钢在在冷冷拔拔碳碳素素钢钢丝丝和和连连接接用用紧紧固固件件中中厚厚度度方方向向性性能能钢钢板板、、焊焊接接结结构构用用耐耐候候钢钢、、铸铸钢钢一.碳素素结结构构钢钢按国国家家标标准准《碳素素结结构构钢钢》GB/T700生产产的的钢钢材材有有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275种品品牌牌，，板材材厚厚度度不不大大于于16mm屈服服点点分分别别为为195、215、235、255、275N/mm2Q235含碳碳量量在在0.22％以以下下，，强强度度适适中中，，塑塑性性、、韧韧性性均均较较好好除A级外外，，其其它它三三个个级级别别的的含含碳碳量量均均在在0.20％以以下下。§2-6建筑筑用用钢钢的的种种类类、、规规格格和和选选用用二.低合合金金高高强强度度结结构构钢钢按国国家家标标准准《低合合金金高高强强度度结结构构钢钢》GB/T1591生产产的的钢钢材材共共有有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460板材材厚厚度度不不大大于于16mm屈服点点295、345、390、420和460N/mm2。含碳量量均不不大于于0.20％，合合金元元素的的总量量低于于5％，故故称为为低合合金高高强度度钢。。Q345、Q390和Q420均按化化学成成分和和冲击击韧性性划分分为A、B、C、D、E共5个质量量等级级，A、