《金属结构设计》第一章金属结构材料和性能

《金属结构设计》第一章金属结构材料和性能第一页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.1钢材的性能

§1.1.1钢材在单向均匀拉力作用下的性能

§1.1.2钢材在复杂应力状态下的性能

§1.1.3钢材的塑性

§1.1.4钢材的韧性

§1.1.5钢材的可焊性

§1.1.6钢材的冷弯性能

§1.1.7钢材的耐久性

§1.1.8钢材的破坏形式第二页，共50页。1.金属结构材料和性能钢材在单向均匀拉力作用下的性能常用静力拉伸试验曲线，即应力－应变曲线表示。

§1.1.1钢材在单向均匀拉力作用下的性能低碳钢受拉时的应力－应变曲线从图上可看出，整个拉伸过程，钢材经历了如下四个阶段：(1)弹性阶段（OE段）(2)屈服阶段（ECF段）(3)强化阶段（FB段）(4)紧缩阶段（BD段）第三页，共50页。1.金属结构材料和性能在曲线OE段，钢材处于弹性阶段，即荷载增加时变形也增加，荷载降低到零则变形也降低到零。(1)弹性阶段（OE段）OA段：荷载与伸长成比例（应力与应变成比例），完全符合虎克定律，fp为比例极限。AE段：荷载与伸长不成成比例，fe为弹性极限。低碳钢受拉时的应力－应变曲线第四页，共50页。1.金属结构材料和性能当荷载超过Ne()后变形与荷载不成正比，变形增加很快，曲线呈锯齿形波动，甚至荷载不增加时，变形继续发展，这就是钢材的屈服。⑵屈服阶段（ECF段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线屈服阶段曲线上下波动，波动曲线的下限，称为屈服极限或屈服点，用fyE-F点的应变幅度称为流幅，流幅越大钢材的塑性越好。第五页，共50页。1.金属结构材料和性能屈服阶段后钢材的晶粒重新排列，使之能抵抗更大的荷载，曲线略有上升，达到顶点B，这个阶段称为强化阶段。(3)强化阶段（FB段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线对应于B点的荷载Nu是试件所能能承受的最大荷载，叫极限荷载，相应的应力fu称为抗拉强度或极限强度或强度极限。第六页，共50页。1.金属结构材料和性能

(4)紧缩阶段（BD段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线当荷载达到极限值时，在试件材料质量较差处的截面出现局部横向收缩，截面面积开始明显缩小，塑性变形迅速增大，这种现象叫颈缩现象。钢材颈缩后，荷载不断减少，变形却继续发展，直到D点试件断裂。第七页，共50页。1.金属结构材料和性能由钢材受拉时的应力－应变曲线得出的结论

①由于比例极限fp、弹性极限fe

和屈服极限fy很接近，在计算金属结构时可以认为刚材在屈服极限之前是弹性体。当应力达到屈服极限后，结构将产生很大的、使用上不允许的残余变形，因此，设计时取屈服极限为钢材可达到的最大应力。②钢材在屈服极限之前接近理想的弹性体，屈服极限之后的流幅现象又接近理想的塑性体，因此可认为钢材最符合理想的弹性－塑性材料。③强度极限fu是材料抗拉的最大承载力，但材料破坏时塑性变形太大，故强度极限不能作为计算依据，只能作为强度储备。第八页，共50页。1.金属结构材料和性能对于接近理想弹塑性体的钢材，采用米塞斯准则较好，该准则认为：材料的形状改变比能达到某一极限值时，材料开始屈服。即所谓第四强度理论。§1.1.2钢材在复杂应力状态下的性能钢材在复杂应力状态下的屈服条件：弹性状态

塑性状态

即剪应力达到屈服极限的0.58倍时，钢材进入塑性状态，所以钢材的抗剪强度设计值fv取为0.58f。第九页，共50页。1.金属结构材料和性能①在同号平面主应力作用下，钢材极限强度和弹性工作范围有所提高，塑性下降。在异号平面主应力作用下，情况正好相反。②在三向主应力作用下，情况同上。前者如裂纹尖端处应力集中，后者如受局部挤压区域。钢材在复杂应力作用下的性能发生的变化

第十页，共50页。1.金属结构材料和性能

§1.1.3钢材的塑性当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率和断面收缩率表示。通过静力拉伸试验得到。l1为试件拉断后标距间长度。l0为试件拉断前标距间长度。

伸长率断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。断面收缩率A0——试件原来的断面面积；

A1——试件拉断后颈缩区的断面面积结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。第十一页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.1.4钢材的韧性钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。钢材的韧性指标用冲击韧性ak表示。式中——试验机刻度盘上直接读出的冲击功（单位N·ｍ或J）。——试件缺口处的净截面面积（单位cｍ2）。新标准GB700－88（碳素结构钢）和GB1591－88（低合金结构钢）规定，冲击试验用夏比V型缺口试件。冲击韧性指标直接用冲击功（J）表示，即第十二页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.1.5钢材的可焊性可焊性：

钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。施工上的可焊性：指在一定的焊接工艺条件下焊缝金属和焊缝影响区对产生裂纹的敏感性。

使用性能上的可焊性：

是指焊接接头和焊缝的冲击韧性及近焊区的塑性等力学性能指标不低于母材。

可焊性试验得出的结果只有参考意义,因试验条件与实际情况总有一定距离。钢材中含C量增加，将恶化可焊性，故焊接结构所用钢材的含C量不超过0.20％。第十三页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.1.6钢材的冷弯性能指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。

冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，通过检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层，判断试件冷弯性能是否合格，并显示其缺陷的程度。第十四页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.1.7钢材的耐久性影响钢材使用寿命的因素是多方面的，主要是腐蚀、时效和疲劳的影响。钢材易被腐蚀，对此主要依靠油漆和加强定期维护措施来解决。钢材的“时效”现象，即钢材的力学性能随着时间的增长而改变的现象。这就要根据结构的使用要求和条件，必要时可测定快速应变失效的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用。钢结构在长期连续的重复荷载或交变荷载的作用下，可能当应力低于屈服点fy

便发生的破坏。

所以对某些结构要计算其疲劳强度。第十五页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.1.8钢材的破坏形式两种破坏形式：塑性破坏和脆性破坏两种。塑性破坏：因很大的塑性变形而断裂。特点：破坏前有明显的塑性变形，应力很大，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：脆性断裂。破坏前无预兆，应力较低，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。影响脆性的因素：化学成分冶金缺陷（偏析、非金属夹杂、裂纹、起层）温度（热脆、低温冷脆）冷作硬化时效硬化应力集中同号三向主应力状态第十六页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.2影响钢材性能的主要因素

§1.2.1化学成分的影响

§1.2.2冶金和轧制过程的影响

§1.2.3时效的影响

§1.2.4温度的影响

§1.2.5冷作硬化的影响

§1.2.6应力集中的影响

§1.2.7残余应力的影响

第十七页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.2.1化学成分的影响钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。第十八页，共50页。1.金属结构材料和性能碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）杂质元素的影响碳：除铁以外最主要的元素。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。C钢材强度塑性韧性（特别是低温冲击韧性）恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。第十九页，共50页。1.金属结构材料和性能碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）杂质元素的影响硅：作为脱氧剂加入普通碳素钢。一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%。适量Si塑性冲击韧性冷弯性能可焊性无显著的不良影响。Si过高(达1%)塑性冲击韧性抗锈性可焊性第二十页，共50页。1.金属结构材料和性能碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）杂质元素的影响锰：是一种弱脱氧剂。素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。适量Mn有效提高钢材强度；消除硫、氧对钢材的热脆影响；改善钢材热加工性能和钢材的冷脆倾向；不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。Si过高(达1.0%～1.5%以上)脆性硬度抗锈性可焊性第二十一页，共50页。1.金属结构材料和性能硫（S）、磷（P）有害元素的影响硫：极为有害元素。硫与铁的化合物为硫化铁（FeS），散布在纯铁体晶粒的间层中。含硫量增加时会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。高温（800～1200℃）时，例如在焊、铆及热加工时，硫化铁即溶化而使钢材变脆（热脆）和发生裂缝。应严格控制钢材中的含硫量，一般应不超过0.055％，在焊接结构中则应不超过0.050％。磷：极为有害元素。引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量要求不超0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。第二十二页，共50页。1.金属结构材料和性能氧：有害元素。引起热脆。一般要求含量小于0.05%。氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。氧（O）、氮（N）有害元素的影响为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。金属结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。第二十三页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.2.2冶金和轧制过程的影响按炉种分：对于结构用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法和碱性侧吹转炉炼钢法。平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近。(而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。)按脱氧程度分为：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。第二十四页，共50页。1.金属结构材料和性能时效：随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氮化物微粒，

约束纯铁体发展塑性变形。§1.2.3时效的影响时效将提高钢材的强度，降低塑性，特别是冲击韧性大大降低（变脆）。故是不利因素之一。时效的过程从几天到几十年。

交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，容易引起时效。杂质多、晶粒粗而不均匀的钢材对时效最敏感。

钢材的时效现象第二十五页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.2.4温度的影响以上所讨论的，都是钢材在常温时的工作性能。当温度升高时，开始是强度和弹性模量基本不变，塑性的变化也不大。但在250℃左右时，钢材的抗拉强度提高而塑性和冲击韧性下降，这种现象叫做蓝脆现象(表面氧化膜呈现蓝色)。应避免钢材在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度超过300℃以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600℃时强度几乎等于零。

温度对钢材力学性能的影响第二十六页，共50页。1.金属结构材料和性能钢材温度从常温下降时的情况当钢材的温度从常温下降时，钢材的强度略有提高而塑性和冲击韧性有所降低(变脆)。特别是当温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属于脆性破坏。这种现象称为低温冷脆现象，钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度(或叫冷脆临界温度)。

冲击韧性和温度关系示意图第二十七页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.2.5冷作硬化的影响在重复荷载作用下，钢材比例极限有所提高的现象称为硬化。金属结构在冷（常温）加工过程中引起的钢材硬化现象称为冷作硬化。在加载σ>fy后卸载再加载，此时强度（比例极限、屈服极限）提高、塑性和冲击韧性降低。这增加了出现脆性破坏的危险性，对金属结构是有害的。在冷（常温）加工时易产生冷作硬化，因此在剪切钢板边缘和冲孔等引起冷作硬化的部分去掉3～5mm，去掉冷作硬化的部分。第二十八页，共50页。1.金属结构材料和性能

金结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。§1.2.6应力集中的影响第二十九页，共50页。1.金属结构材料和性能应力流示图第三十页，共50页。1.金属结构材料和性能残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀的应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力的作用无关。残余应力的存在可能使钢材发生脆性破坏。§1.2.7残余应力的影响第三十一页，共50页。1.金属结构材料和性能

钢材的疲劳：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。

§1.3钢材的疲劳§1.3.1钢材疲劳破坏的特征

§1.3.2钢材的疲劳强度

§1.3.3金属结构疲劳计算

第三十二页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.3.1钢材疲劳破坏的特征

⑴疲劳破坏的特点

⑵疲劳破坏的原因第三十三页，共50页。1.金属结构材料和性能⑴疲劳破坏的特点①荷载多次反复作用在构件上；②破坏是突然发生的，破坏发生前无明显的塑性变性；③破坏发生时，应力低于抗拉强度（强度极限），甚至低于屈服极限；④疲劳破坏的断口上，通常呈现两个区域，一个光滑区域，一个是粗粒状区域。其表面有较清楚的疲劳纹理。

第三十四页，共50页。1.金属结构材料和性能由此可见，钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀和应力分布不均匀所引起的。应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化等，从而大大降低了钢材的疲劳强度。

⑵疲劳破坏的原因局部缺陷产生应力集中(循环载荷的反复作用)出现塑性变形,并硬化而逐渐形成一些微观裂纹细微裂纹随着循环次数的增加而不断扩展逐渐发成为钢材内部宏观裂纹截面减弱，应力集中现象急速加剧，最后晶体内的结合力终于抵抗不住高峰应力，钢材突然断裂第三十五页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.3.2钢材的疲劳强度应力种类应力循环形式应力循环次数应力集中残余应力钢材的疲劳强度与有关第三十六页，共50页。1.金属结构材料和性能几个概念循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载；

应力幅（△σ）—在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一周为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅。△σ=σmax

-

σmin

。

应力循环次数（n）——结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。

常幅循环荷载——所有应力循环中，应力幅保持常量。

变幅循环荷载——在应力循环过程中，应力幅是变量。第三十七页，共50页。1.金属结构材料和性能常幅应力循环形式第三十八页，共50页。1.金属结构材料和性能§1.3.3金属结构疲劳计算本节所述疲劳计算只适用于常温下、无强烈腐蚀环境中金属结构的高周低应变疲劳计算(应力循环次数n≥105)。计算范围只限于直接承受重复作用动力荷载的金属结构构件及其连接。对构件表面温度大于150℃、海水腐蚀环境、低周高应变等特殊条件下的疲劳，应参照其它有关规定进行计算。疲劳计算采用标准荷载按容许应力幅进行。容许应力幅与构件和连接形式以及应力循环次数有关，在应力循环中不出现拉应力的部位不必验算疲劳强度。疲劳计算分常幅疲劳计算和变幅疲劳计算两种情况。第三十九页，共50页。1.金属结构材料和性能⑴常幅疲劳计算所有应力循环中的应力幅保持常量时称为常幅应力循环，其引起的疲劳称为常幅疲劳。

对常幅疲劳，按下式进行疲劳计算：式中：─对焊接部位为应力幅，对非焊接部位为折算应幅；─计算部位每次应力循环中的最大拉应力(取正值)；─计算部位每次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）；─常幅疲劳的容许应力幅。

第四十页，共50页。1.金属结构材料和性能容许应力幅[Δσ]来源焊接钢构件和连接的疲劳试验研究表明，在常幅循环应力作用下，引起试件疲劳破坏的应力幅△σ＝σmax－σmin与其致损循环次数n的关系曲线，当采用对数坐标时，是一条斜率为－1/β的直线。直线方程式为：整理得化简，得常幅疲劳的容许应力幅计算公式为：

第四十一页，共50页。1.金属结构材料和性能⑵变幅疲劳计算对变幅疲劳，按线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算成等效常应力幅，然后按常幅疲劳的公式进行计算，即按下式计算：

式中：──变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定：

──以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；──预期寿命内应力幅水平达到的应力循环次数；──系数，按表查取；──常幅疲劳容许应力幅。第四十二页，共50页。§1.4钢材的种类、标号、规格及选用1.金属结构材料和性能§1.4.1钢材的种类和标号

§1.4.2钢材选用的原则

§1.4.3钢材的规格

第四十三页，共50页。§1.4.1钢材的种类和标号1.金属结构材料和性能

钢材的品种繁多，性能各异，金属结构中常用只是：碳素结构钢和低合金结构钢中的几种。

国家标准：（GB700－88）《碳素结构钢》（GB/T1591－94）《低合金结构钢》“QXXX—└┘·[]”，例如Q235-A·F、Q235-B·b、Q345-E·ZQ：屈服强度的第一个拼音字母。

XXX：屈服强度值，单位为N/mm2，结构用钢常有235、345、390。└┘：质量等级，有A、B、C、D四个等级（低合金结构钢有A、B、C、D、E五个等级）。其中：A无冲击功规定；B

20C时的冲击功＝27J（纵向）；C0C时的冲击功＝27J（纵向）；D－20C时的冲击功＝27J（纵向）。

[]：脱氧方法，可分为F、b、Z和TZ，F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，其中Z和TZ可不写。第四十四页，共50页。新旧规范低合金钢材牌照对照表1.金属结构材料和性能GB/T1591-94GB1591-88Q2950.9MnV,0.9MnNb,0.9Mn2,12Mn等Q34512MnV,14MnNb,16Mn,16MnRe等Q39015MnV,15MnTi,16MnNb等Q42015MnVN,14MnTiRe等第四十五页，共50页。§1.4.2钢材选用的原则1.金属结构材料和性能钢材选用的原则是:既能使结构安全可靠地满足使用上的要求，又要尽最大可能节约材料，降低造价。选用钢材时需要考虑下列因素：

⑴结构的重要性⑵荷载的性质⑶连接方法⑷结构的工作条件（温度，腐蚀等）⑸钢材厚度如重级工作制吊车梁：Q23