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1、关于钢结构的材料第一页，本课件共有96页21 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求o(1)为什么要求较高的抗拉强度为什么要求较高的抗拉强度fu和屈服点和屈服点fy：ofy是是衡衡量量结结构构承承载载能能力力的的指指标标，fy高高则则可可减减轻轻结结构构自自重重，节节约约钢钢材材和和降降低低造造价价。fu是是衡衡量量钢钢材材经经过过较较大大变变形形后后的的抗抗拉拉能能力力，它它直直接接反反映映钢钢材材内内部部组组织织的的优优劣劣，同同时时fu高高可可以增加结构的安全保障。以增加结构的安全保障。o(2)为什么要求为什么要求较高的塑性和韧性较高的塑性和韧性o塑塑性性和和韧韧性性好好，结结构构在在静静
2、载载和和动动载载作作用用下下有有足足够够的的应应变变能能力力，既既可可减减轻轻结结构构脆脆性性破破坏坏的的倾倾向向，又又能能通通过过较较大大的的塑塑性性变变形形调调整整局局部部应应力力，同同时时又又具具有有较较好好的的抵抵抗抗重重复复荷荷载作用的能力。载作用的能力。o第二页，本课件共有96页21 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求o(3)为为什什么么要要有有良良好好的的工工艺艺性性能能(包包括括冷冷加加工工、热热加加工和可焊性能工和可焊性能)？工艺性能指什么？工艺性能指什么？o良良好好的的工工艺艺性性能能不不但但要要易易于于加加工工成成各各种种形形式式的的结结构构，而而且且不不致致因因加加工
3、工而而对对结结构构的的强强度度、塑塑性性、韧韧性性等等造造成成较大的不利影响。较大的不利影响。o（4）为为什什么么要要有有较较好好的的环环境境适适应应能能力力？环环境境适适应应能能力力指什么？指什么？o根根据据结结构构的的具具体体工工作作条条件件，有有时时还还要要求求钢钢材材具具有有适适应应低低温、高温和腐蚀性环境的能力。温、高温和腐蚀性环境的能力。第三页，本课件共有96页钢结构设计规范具体规定o钢结构设计规范对钢材的基本要求是什么？钢结构设计规范对钢材的基本要求是什么？o承承重重结结构构的的钢钢材材应应具具有有抗抗拉拉强强度度、伸伸长长率率、屈屈服服点点和和碳碳、硫硫、磷磷含含量量的的合合格
4、格保保证证；焊焊接接结结构构尚尚应应具具有有冷冷弯弯试试验验的的合合格格保保证证；对对某某些些承承受受动动力力荷荷载载的的结结构构以以及及重重要要的的受受拉拉或或受受弯弯的的焊焊接接结结构构尚尚应应具具有有常常温温或或负负温温冲冲击击韧韧性性的的合格保证。合格保证。第四页，本课件共有96页22 钢材的破坏形式钢材的破坏形式o钢结构破坏型式：什么是塑性破坏和脆性破坏？什么是塑性破坏和脆性破坏？oo塑塑塑塑性性性性破破破破坏坏坏坏是是由由于于变变形形过过大大，超超过过了了材材料料或或构构件件可可能能的的应应变变能能力力而而产产生生的的，而而且且仅仅在在构构件件的的应应力力达达到到了了钢钢材材的的抗
5、抗拉拉强强度度后后才才发发生生。破破坏坏前前构构件件产产生生较较大大的的塑塑性性变变形形，断断裂裂后后的的断断口口呈呈纤纤维维状状，色色泽泽发发暗暗。在在塑塑性性破破坏坏前前，由由于于总总有有较较大大的的塑塑性性变变形形发发生生，且且变变形形持持续续的的时时间间较较长长，很很容容易易及及时时发发现现而而采采限限措措施施予予以以补补救救，不不致致引引起起严严重重后后果果。另另外外，塑塑性性变变形形后后出出现现内内力力重重分分布布，使使结结构构中中原原先先受受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。第五页，本课件共有96页22钢材的破坏形
6、式oo脆脆性性破破坏坏前前塑塑性性变变形形很很小小，甚甚至至没没有有塑塑性性变变形形，计计算算应应力力可可能能小小于于钢钢材材的的屈屈服服点点，断断裂裂从从应应力力集集中中处处开开始始。冶冶金金和和机机械械加加工工过过程程中中产产生生的的缺缺陷陷，特特别别是是缺缺口口和和裂裂纹纹，常常是是断断裂裂的的发发源源地地。破破坏坏前前没没有有任任何何预预兆兆，破破坏坏是是突突然然发发生生的的，断断口口平平直直并并呈呈有有光光泽泽的的晶晶粒粒状状。由由于于脆脆性性破破坏坏前前没没有有明明显显的的预预兆兆，无无法法及及时时觉觉察察和和采采取取补补救救措措施施，而而且且个个别别构构件件的的断断裂裂常常引引起
7、起整整个个结结构构塌塌毁毁，危危及及人人民民生生命命财财产产的的安安全全，后后果果严严重重，损损失失较较大大。在在设设计计、施施工工和和使使用用钢钢结结构构时时，要要特特别别注注意意防防止止出出现现脆脆性性破坏。破坏。第六页，本课件共有96页23钢材的主要性能o2 23 31 1 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能o2 23 32 2 冷弯性能冷弯性能o2 23 33 3 冲击韧性冲击韧性第七页，本课件共有96页231 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能o钢钢材材标标准准试试件件在在常常温温静静载载情情况况下下，单单向向均均匀匀受受拉拉试试验验时时的的荷荷载载-变变
8、形形(F-L)曲曲线线或或应应力力-应变应变曲线，如图曲线，如图2.1。o2311 强度性能强度性能o弹弹性性阶阶段段（OP段段直直线线），弹弹性性模模量量E=tan P点应力点应力fP称为比例极限称为比例极限。o非非线线性性弹弹性性阶阶段段(PE段段曲曲线线)，切切线模量线模量oEt=d/d。此此段段上上限限E点点的的应应力力fe称称为为弹弹性性极极限限。弹弹性性极极限限和和比比例例极极限限相相距距很很近近，实实际际上上很很难难区区分分在在ES段，故通常只提比例极限。段，故通常只提比例极限。o弹弹塑塑性性阶阶段段（在在ES曲曲线线）这这时时表表现现为为非非弹弹性性加加塑塑性性性性质质，即即卸
9、卸荷荷曲曲线线成成为为与与OP平平行行的的直直线线(图图2.1中中的的虚虚线线)，留留下下永永久久性性的的残残余余变变形形。此段上限此段上限S点的应力点的应力fy称为屈服点称为屈服点。第八页，本课件共有96页231 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能o2311 强度性能强度性能oS点的应力点的应力fy称为屈服点称为屈服点。o塑塑性性流流动动阶阶段段（屈屈服服台台阶阶SC段段）该该阶阶段段应应力力保保持持不不变变的的情情况况下下，应应变变继续增加。继续增加。o强强化化阶阶段段（CB段段）超超过过屈屈服服台台阶阶，材材料料出出现现应应变变硬硬化化，曲曲线线上上升升，直直至至曲曲线线最
10、最高高处处的的B点点，这这点点的的应应力力fu称为抗拉强度或极限强度称为抗拉强度或极限强度。o破破坏坏阶阶段段(BD段段)当当应应力力达达到到B点点时时，试试件件发发生生颈颈缩缩现现象象，至至D点点而而断断裂裂。当当以以屈屈服服点点的的应应力力fy作作为为强强度度限限值值时时，抗抗拉拉强强度度fu成成为为材材料料的的强度储备。强度储备。第九页，本课件共有96页231 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能o为为什什么么采采用用钢钢材材理理想想弹弹塑塑性性计计算算模模型？型？o2,计计算算模模型型：可可假假定定屈屈服服点点以以前前钢钢材材为为完完全全弹弹性性的的，屈屈服服点点以以后后则
11、则为为完完全全塑塑性性的的，这这样样就就可可把把钢钢材材视视为为理理想想的的弹弹-塑塑性性体体，其其应应力力-应应变变曲曲线线表表现现为为双双直直线，如图线，如图2.2所示。原因如下所示。原因如下：o1)对对于于没没有有缺缺陷陷和和残残余余应应力力影影响响的的试试件件，比比例例极极限限和和屈屈服服点点比比较较接接近近，且且屈屈服服 点点 前前 的的 应应 变变 很很 小小(对对 低低 碳碳 钢钢 约约 为为0.15%)。o2)通通常常当当应应力力达达到到屈屈服服点点后后，将将使使结结构构产产生生很很大大的的在在使使用用上上不不容容许许的的残残余变形余变形(此时对低碳钢此时对低碳钢=2.5%);
12、o3)距距fu因因还还有有一一定定距距离离，即即足足够够的的安安全全储储备备，在在设设计计时时屈屈服服点点为为钢钢材材可可以以达达到的最大应力到的最大应力。第十页，本课件共有96页231 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能o什么是条件屈服点o3高高强强度度钢钢没没有有明明显显的的屈屈服服点点和和屈屈服服台台阶阶。这这类类钢钢的的屈屈服服条条件件是是根根据据试试验验分分析析结结果果而而人人为为规规定定的的，故故称称为为条条件件屈屈服服点点(或或屈屈服服强强度度)。条条件件屈屈服服点点是是以以卸卸荷荷后后试试件件中中残残余余应应变变为为0.2%0.2%所所对对应应的的应应力力定定义义
13、的的(有有时用表示时用表示)，见图，见图2.32.3。第十一页，本课件共有96页231 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能o2312塑性性能塑性性能o试试件件被被拉拉断断时时的的绝绝对对变变形形值值与与试试件件原原标标距距之之比比的的百百分分数数，称称为为伸伸长长率率。当当试试件件标标距距长长度度与与试试件件直直径径d(圆圆形形试试件件)之之比比为为10时时，以以10表表示示；当当该该比比值值为为5时时，以以5表表示示。伸伸长长率率代代表表材材料料在在单单向向拉伸时的塑性应变的能力。第十二页，本课件共有96页o2313 钢材物理性能指标钢材物理性能指标o钢钢材材在在单单向向受受压
14、压(粗粗而而短短的的试试件件)时时，受受力力性性能能基基本本上上和和单单向向受受拉拉时时相相同同。受受剪剪的的情情况况也也相相似似，但但屈屈服服点点y及及抗抗剪剪强强度度u均均较较受受拉拉时时为为低低；剪剪变变模模量量G也也低低于于弹弹性性模模量量E。钢材和钢铸件的弹性模量E、剪变模量G、线性膨胀系数和质量密度见表2.1弹性模量E(N/mm2)剪变模量G(N/mm2)线膨胀系数(以每计)质量密度(kg/m3)206103791031210-67850231 受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能第十三页，本课件共有96页232 冷弯性能冷弯性能o冷弯性能试验冷弯性能试验o由冷弯试验来
15、确定由冷弯试验来确定(图图2.4)2.4)。试验试验时按照规定的弯心直径在试验机时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成上用冲头加压，使试件弯成180180，如试件外表面不出现裂，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格纹和分层，即为合格。冷弯试验。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。这些都将降低钢材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是鉴定钢材因此，冷弯性能合格是鉴定
16、钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。钢材质量的综合指标。第十四页，本课件共有96页233冲击韧性o冲击韧性试验o材材料料的的冲冲击击韧韧性性数数值值随随试试件件缺缺口口形形式式和和使使用用试试验验机机不不同同而而异异。19881988年年6 6月月2929日日国国家家标标准准局局发发布布了了新新的的国国家家标标准准碳碳素素结结构构钢钢(GB70088)(GB70088)，规规定定采采用用夏夏比比(Charpy)V(Charpy)V形形缺缺口口试试件件 图图2.5(a)2.5(a)在在夏夏比比试试验验机机上上进进行行，所所得得结结果果以以试试件件断断开
17、开所所消消耗耗的的功功C Cv v表表示示，单单位位为为J.J.，第十五页，本课件共有96页233冲击韧性o韧性和脆性韧性和脆性：o韧韧性性：钢钢材材抵抵抗抗冲冲击击荷荷载载的的能能力力，它它用用材材料料在在断断裂裂时时所所吸吸收收的的总总能能量量表表示示。韧韧性性愈愈低低，钢钢材材的脆性愈大的脆性愈大。o韧性和温度韧性和温度o温度降低，钢材韧性急剧下温度降低，钢材韧性急剧下降降，固在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温常温(20)冲击韧性指标冲击韧性指标，还要求具有负温负温(0、-20或或-40)冲击韧性指标冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。第十六页，本课件共有96页24各
18、种因素对钢材主要性能的影响241 化学成分化学成分242 冶金缺陷冶金缺陷243 钢材硬化钢材硬化244 温度影响温度影响245 应力集中应力集中246 反复荷载作用反复荷载作用第十七页，本课件共有96页241 化学成分化学成分oo碳素钢碳素钢碳素钢碳素钢=铁铁铁铁+炭炭炭炭+其它杂质元素其它杂质元素oo合金钢合金钢合金钢合金钢=铁铁+炭炭+其它杂质元素其它杂质元素其它杂质元素其它杂质元素+合金元素合金元素合金元素合金元素o化学元素含量化学元素含量：o碳碳素素钢钢：铁铁(Fe)，纯纯铁铁质质软软，在在碳碳素素结结构构钢钢中中约约占占99%；碳碳和和其其他他元元素素仅仅占占1%，但但对对钢钢材材
19、的的力力学学性性能能却却有有决决定定性性的的影影响响。杂杂质元素包括硅质元素包括硅(Si)、锰、锰(Mn)、硫、硫(S)、磷、磷(P)、氮、氮(N)、氧、氧(O)等。等。o合金钢合金钢：碳素钢中加碳素钢中加5%的合金元素的合金元素o如铜如铜(Cu)、钒、钒(V)、钛、钛(Ti)、铌、铌(Nb)、铬、铬(Cr)等等。第十八页，本课件共有96页碳对钢材性能的影响o在碳素结构钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，它在碳素结构钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳碳碳碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下含量增加，
20、钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性降，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。因此，尽管碳是。因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构中采用的使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构中采用的碳素结构钢，对含碳量要加以限制，一般不应超过碳素结构钢，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22%0.22%，在焊接结构中还应低于，在焊接结构中还应低于0.20%0.20%。第十九页，本课件共有96页硫和磷对钢
21、材性能的影响oo硫硫硫硫和和和和磷磷磷磷(其其中中特特别别是是硫硫)是是钢钢中中的的有有害害成成分分，它它们们降降低低钢钢材材的的塑塑性性、韧韧性性、可可焊焊性性和和疲疲劳劳强强度度。在在高高温温时时，硫硫使使钢钢变变脆脆，谓谓之之热热脆脆；在在低低温温时时，磷磷使使钢钢变变脆脆，谓谓之之冷冷脆脆。一一般般硫硫的的含含量量应应不不超超过过0.045%，硫硫的的含含量量不不超超过过0.045%。但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。可使用的高磷钢，其含量可达0.12%，这时应减少钢材中的含碳量，以保证一定的塑性和韧性。第二十页，本课件共有96页氧和氮对钢材性能的影响oo氧氧和和氮氮都都是是钢钢中中的
22、的有有害害杂杂质质。氧氧的的作作用用和和硫硫类类似似，使使钢钢热热脆脆；氮氮的的作作用用和和磷磷类类似似，使使钢钢冷冷脆脆。由由于于氧氧、氮氮容容易易在在熔熔炼炼过过程程中中逸逸出出，一一般般不不会会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。超过极限含量，故通常不要求作含量分析。第二十一页，本课件共有96页硅和锰对钢材性能的影响oo硅硅和和锰锰是是钢钢中中的的有有益益元元素素，它它们们都都是是炼炼钢钢的的脱脱氧氧剂剂。它它们们使使钢钢材材的的强强度度提提高高，含含量量不不过过高高时时，对对塑塑性性和和韧韧性性无无显显著著的的不不良良影影响响。在在碳碳素素结结构构钢钢中中，硅硅的的含含量量应应不不大
23、大于于0.3%，锰锰的的含含量量为为0.3%0.8%。对对于于低低合合金金高高强强度度结结构构钢钢，锰锰的的含含量量可可达达1.0%1.6%，硅硅的含量可达的含量可达0.55%。第二十二页，本课件共有96页钒钛和铜对钢材性能的影响oo钒钒和和钛钛是是钢钢中中的的合合金金元元素素，能能提提高高钢钢的的强强度度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。oo铜铜在在碳碳素素结结构构钢钢中中属属于于杂杂质质成成分分。它它可可以以显显著著地地提提高高钢钢的的抗抗腐腐蚀蚀性性能能，也也可可以以提提高高钢钢的的强度，但对可焊性有不利影响强度，但对可焊性有不利影响。第二十三页，本
24、课件共有96页化学元素对钢材性能影响的总结o见下表第二十四页，本课件共有96页242 冶金缺陷冶金缺陷o常常见见的的冶冶金金缺缺陷陷有有偏偏偏偏析析析析、非非非非金金金金属属属属夹夹夹夹杂杂杂杂、气气气气孔孔孔孔、裂裂裂裂纹纹纹纹及及及及分分分分层层层层等等。偏偏偏偏析析析析是是钢钢中中化化学学成成分分不不一一致致和和不不均均匀匀性性，特特别别是是硫硫、磷磷偏偏析析严严重重恶恶化化钢钢材材的的性性能能。非非非非金金金金属属属属夹夹夹夹杂杂杂杂是是钢钢中中含含有有硫硫化化物物与与氧氧化化物物等等杂杂质质，气气气气孔孔孔孔是是浇浇注注钢钢锭锭时时，由由氧氧化化铁铁与与碳碳作作用用所所生生成成的的一
25、一氧氧化化碳碳气气体体不不能能充充分分逸逸出出而而形形成成的的。这这些些缺缺陷陷都都将将影影响响钢钢材材的的力力学学性性能能。浇浇注注时时的的非非金金属属夹夹杂杂物物在在轧轧制制后后能能造造成成钢钢材材的的分分分分层层层层，会会严严重重降降低低钢钢材材的的冷弯性能。冷弯性能。o冶冶金金缺缺陷陷对对钢钢材材性性能能的的影影响响，不不仅仅在在结结构构构构件件受受力力工工作作时时表现出来，有时在加工制作过程中也表现出来。表现出来，有时在加工制作过程中也表现出来。第二十五页，本课件共有96页243 钢材硬化钢材硬化oo冷冷加加工工的的影影响响：冷冷拉拉、冷冷弯弯、冲冲孔孔、机机械械剪剪切切等等冷冷加加
26、工工使使钢钢材材产产生生很很大大塑塑性性变变形形，从从而而提提高高了了钢钢的的屈屈服服点点，同同时时降降低低了了钢钢的的塑塑性性和和韧韧性性，这这种种现现象象称称为为冷冷作作硬硬化化(或或应应变硬化变硬化)。o在在高高温温时时熔熔化化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从从纯纯铁铁中中析析出出，形形成成自自由由碳碳化化物物和和氮氮化化物物，对对纯纯铁铁体体的的塑塑性性变变形形起起遏遏制制作作用用，从从而而使使钢钢材材的的强强度度提提高高，塑塑性性下下降降。这这种种现现象象称称为为时时效效硬硬化化，俗俗称称老老化化。时时效效硬硬化化的的过过程程一一般般很很长
27、长，但但如如在在材材料料塑塑性性变变形形后后加加热热，可可使使时时效效硬硬化化发发展展特别迅速。这种方法谓之特别迅速。这种方法谓之人工时效人工时效。第二十六页，本课件共有96页243 钢材硬化钢材硬化o应应变变时时效效，应应变变硬硬化化(冷冷作作硬硬化化)后后又又加加时时效效硬硬化。化。o在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以清除。应将
28、局部硬化部分用刨边或扩钻予以清除。第二十七页，本课件共有96页244 温度影响温度影响o钢钢材材性性能能随随温温度度变变动动而而有有所所变变化化。总总的的趋趋势势是是：温温度度升升高高，钢钢材材强强度度降降低低，应应变变增增大大；反反之之，温温度度降降低低，钢钢材材强强度度会会略略有有增增加加，塑塑性性和和韧韧性性却却会会降降低低而变脆而变脆(图图2.6)。第二十八页，本课件共有96页244 温度影响温度影响oo高高温温影影响响：温温度度升升高高，约约在在200以以内内钢钢材材性性能能没没有有很很大大变变化化，430540之之间间强强度度急急剧剧下下降降，600时时强强度度很很低低，不不能能承
29、承担担荷荷载载。但但在在250左左右右，钢钢材材的的强强度度反反而而略略有有提提高高，同同时时塑塑性性和和韧韧性性均均下下降降，材材料料有有转转脆脆的的倾倾向向，钢钢材材表表面面氧氧化化膜膜呈呈现现蓝蓝色色，称称为为蓝蓝蓝蓝脆脆脆脆现现现现象象象象。钢钢材材应应避避免免在在蓝蓝脆脆温温度度范范围围内内进进行行热热加加工工。当当温温度度在在260320时时，在在应应力力持持续续不不变变的的情情况况下下，钢钢材材以以很很缓缓慢慢的的速速度度继继续续变变形形，此此种种现现象象称称为为徐变现象徐变现象徐变现象徐变现象。第二十九页，本课件共有96页244 温度影响温度影响oo低低温温影影响响当当温温度度
30、从从常常温温开开始始下下降降，特特别别是是在在负负温温度度范范围围内内时时，钢钢材材强强度度虽虽有有提提高高，但但其其塑塑性性和和韧韧性性降降低低，材材料料逐逐渐渐变变脆脆，这这种种性性质质称称为为低低温温冷冷脆脆。11第三十页，本课件共有96页244 温度影响温度影响低低温温影影响响 图图2.7是是钢钢材材冲冲击击韧韧性性与与温温度度的的关关系系曲曲线线。由由图图可可见见，随随着着温温度度的的降降低低Cv值值迅迅速速下下降降，材材料料将将由由塑塑性性破破坏坏转转变变为为脆脆性性破破坏坏，同同时时可可见见这这一一转转变变是是在在一一个个温温度度区区间间T1T2内内完完成成的的，此此温温度度区区
31、T1T2称称称称为为为为钢钢钢钢材材材材的的的的脆脆脆脆性性性性转转转转变变变变温温温温度度度度区区区区，在在此此区区内内曲曲线线的的反反弯弯点点(最最陡陡点点)所所对对应应的的温温度度T T0 0称称称称为为为为转转转转变变变变温温温温度度度度。如如果果把把低低于于T0完完全全脆脆性性破破坏坏的的最最高高温温度度T1作作为为钢钢材材的的脆脆断断设设计计温温度度即即可可保保证证钢钢结结构构低低温温工作工作的安全。的安全。11第三十一页，本课件共有96页245 应力集中应力集中成成成成因因因因：在在钢钢结结构构的的构构件件中中有有时时存存在在着着孔孔洞洞、槽槽口口、凹凹角角、截截面面突突然然改改
32、变变以以及及钢钢材材内内部部缺缺陷陷等等。此此时时，构构件件中中的的应应力力分分布布将将不不再再保保持持均均匀匀，而而是是在在某某些些区区域域产产生生局局部部高高峰峰应应力力，在在另另外外一一些些区区域域则则应应力力降降低低，形形成成所所谓谓应力集中现象应力集中现象(图图2.8)。第三十二页，本课件共有96页245 应力集中应力集中oo应应力力集集中中系系数数高高峰峰区区的的最最大大应应力力与与净净截截面面的的平平均均应应力力之之比比称称为为应应力力集集中中系系数数。应应力力集集中中系系数数愈愈大大，变变脆的倾向亦愈严重。脆的倾向亦愈严重。oo应应力力集集中中使使钢钢材材变变脆脆：研研究究表表
33、明明，在在应应力力高高峰峰区区域域总总是是存存在在着着同同号号的的双双向向或或三三向向应应力力，这这是是因因为为由由高高峰峰拉拉应应力力引引起起的的截截面面横横向向收收缩缩受受到到附附近近低低应应力力区区的的阻阻碍碍而而引引起起垂垂直直于于内内力力方方向向的的拉拉应应力力，在在较较厚厚的的构构件件里里还还产产生生三三向向应应力力状状态态，使使材材料料处处于于复复杂杂受受力力状状态态，由由能能量量强强度度理理论论得得知知，这这种种同同号号的的平平面面或或立立体体应应力力场场有有使使钢钢材材变变脆脆的的趋势趋势。第三十三页，本课件共有96页245 应力集中应力集中o应力集中处理应力集中处理o但但由
34、由于于建建筑筑钢钢材材塑塑性性较较好好，在在一一定定程程度度上上能能促促使使应应力力进进行行重重分分配配，使使应应力力分分布布严严重重不不均均的的现现象象趋趋于于平平缓缓。故故受受静静荷荷载载作作用用的的构构件件在在常常温温下下工工作作时时，在在计计算算中中可可不不考考虑虑应应力力集集中中的的影影响响。但但在在负负温温下下或或动动力力荷荷载载作作用用下下工工作作的的结结构构，应应力力集集中中的的不不利利影影响响将将十十分分突突出出，往往往往是是引引起起脆脆性性破破坏坏的的根根源源，故故在在设设计计中中应应采采取取措措施施避避免免或或减减小小应应力力集集中中，并并选选用用质质量优良的钢材。量优良
35、的钢材。第三十四页，本课件共有96页246 反复荷载作用反复荷载作用o钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲疲劳劳破破坏坏。在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。o关于钢材的疲劳性能，本章第本章第6节还要较详细叙述。节还要较详细叙述。第三十五页，本课件共有96页掌握影响钢材性能因素，防止脆性破坏脆性破坏o本本节节介介绍绍了了各各种种因因素素对对建建筑筑钢钢材材基基本本性性能能的的影影响响，研研究究和和分分析析这这些些影影响响的的最最终终目目的
36、的是是了了解解建建筑筑钢钢材材在在什什么么条条件件下下可可能能发发生生脆脆性性破破坏坏，从从而而可可以以采采取取措措施施予以防止。予以防止。o钢钢材材的的脆脆性性破破坏坏往往往往是是多多种种因因素素影影响响的的结结果果，例例如如当当温温度度降降低低，荷荷载载速速度度增增大大，使使用用应应力力较较高高，特特别别是是这这些些因因素素同同时时存存在在时时，材材料料或或构构件件就就有有可可能能发发生生脆脆性性断断裂裂。为为了了防防止止脆脆性性破破坏坏的的发发生生，一一般般需需要在设计、制造及使用中注意下列各点：要在设计、制造及使用中注意下列各点：第三十六页，本课件共有96页掌握影响钢材性能因素，防止脆
37、性破坏脆性破坏o(1)合合理理的的设设计计构构造造应应力力求求合合理理，使使能能均均匀匀、连连续续地地传传递递应应力力，避避免免构构件件截截面面剧剧烈烈变变化化。对对于于焊焊接接结结构构，可可参参考考第第3章章有有关关焊焊接接连连接接的的内内容容。低低温温下下工工作作，受受动动力力作作用用的的钢钢结结构构应应选选择择合合适适的的钢钢材材，使使所所有有钢钢材材的的脆脆性性转转变变温温度度低低于于结结构构的的工工作作温温度度，例例如如分分别别选选用用Q235-C(或或D)、Q345-C(或或D)钢等，并尽量使用较薄的材料。钢等，并尽量使用较薄的材料。第三十七页，本课件共有96页钢材性能及影响因素总
38、结o(2)正正确确的的制制造造应应严严格格遵遵守守设设计计对对制制造造所所提提出出的的技技术术要要求求，例例如如尽尽量量避避免免使使用用材材料料出出现现硬硬化化，因因剪剪切切、冲冲孔孔而而造造成成的的局局部部硬硬化化区区，要要通通过过扩扩钻钻或或刨刨边边来来除除掉掉；要要正正确确地地选选择择焊焊接接工工艺艺，保保证证焊焊接接质质量量，不不在在构构件件上上任任意意起起弧弧、打打火火和和锤锤击击，必必要要时时可可用用热热处处理理和和方方法法消消除除重重要要构构件件中中的的焊焊接接残残余余应应力力，重重要要部部位位的的焊焊接接，要要由由经经过过考试挑选的有经验的焊工操作。考试挑选的有经验的焊工操作。
39、第三十八页，本课件共有96页钢材性能及影响因素总结o(3)正正正正确确确确的的的的使使使使用用用用例如，不不在在主主要要结结构构上上任任意意焊焊接接附附加加的的零零件件，不不任任意意悬悬挂挂重重物物，不不任任意意超超负负荷荷使使用用结结构构；要要注注意意检检查查维维护护，及及时时油油漆漆防防锈锈，避避免免任任何何撞撞击击和和机机械械损损伤伤；原原设设计计在在室室温温工工作作的的结结构构，在在冬冬季季停停产产检检修修时要注意保暖等。时要注意保暖等。o对对设设计计工工作作者者来来说说，不不仅仅要要注注意意适适当当选选择择材材料料和和正正确确处处理理细细部部构构造造设设计计，对对制制造造工工艺艺的的
40、影影响响也也不不能能忽忽视视。对对使使用也应提出在使用期中应注意的主要问题。用也应提出在使用期中应注意的主要问题。第三十九页，本课件共有96页25复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件 在单向拉力试验中，单向在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，钢材应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态即进入塑性状态。在复杂应力如平面或立体在复杂应力如平面或立体应力应力(图图2.9)作用下，作用下，钢钢 材由弹性状态转入材由弹性状态转入塑性状态的条件是什么塑性状态的条件是什么？第四十页，本课件共有96页25复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件o按按能能量量强强度度理理论论
41、(或或第第四四强强度度理理论论)计计算算的的折折算算应应力力red 与与单单向向应应力力下下的的屈屈服服点点相比较来判断：相比较来判断：red=第四十一页，本课件共有96页25复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件o当当red fy时时，为为弹弹性性状状态态；red fy时时为为塑塑料料性性状状态态。o如如三三向向应应力力有有一一向向应应力力很很小小(如如厚厚度度较较小小，厚厚度度方方向向的的应应力力可可忽忽略略不不计计)或或为为零零时时，则则属属于于平平面面应应力力状状态态，式式(2.1)成为成为ored=(2.2)o在一般的梁中，只存在正应力和剪应力，则在一般的梁中，只存
42、在正应力和剪应力，则ored=(2.3)第四十二页，本课件共有96页25复杂应力作用下钢材的屈服条件o当只有剪应力时，则当只有剪应力时，则ored=o由此得由此得o =0.58fy (2.4)o因因此此，钢钢结结构构设设计计规规范范确确定定钢钢材材抗抗剪剪设设计计强强度度为为抗抗拉拉设设计计强度的强度的0.58倍。倍。o当平面或立体应力均为拉应力时，材料破坏时没有明当平面或立体应力均为拉应力时，材料破坏时没有明显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。第四十三页，本课件共有96页26钢材的疲劳基本概念：oo疲疲劳劳断断裂裂是微观裂纹在连接重复荷载作用下不断扩展
43、直到断裂的脆性破坏。o在在反反复复应应力力作作用用下下，首首先先在在应应力力高高峰峰（内内部部有有缺缺陷陷）处处出出现现微微观观裂裂纹纹，在在反反复复荷荷载载的的继继续续作作用用下下，裂裂纹纹不不断断开开展展，其其有有效效截截面面面面积积相相应应减减小小，应应力力集集中中现现象象越越来来越越严严重重，使使裂裂纹纹继继续续开开展展，然然后后逐逐渐渐形形成成宏宏观观裂裂缝缝；同同时时，由由于于出出现现双双向向或或三三向向拉拉应应力力场场，材材料料的的塑塑性性变变形形受受到到限限制制。最最后后，当当反反复复循循环环荷荷载载达达到到一一定定的的循循环环次次数数时时，裂裂缝缝的的开开展展使使截截面面削削
44、弱弱过过多多经经受受不不住住外外力力的的作用，导致发生脆性断裂，即钢材的疲劳破坏作用，导致发生脆性断裂，即钢材的疲劳破坏。第四十四页，本课件共有96页26钢材的疲劳基本概念：oo破破坏坏特特征征：钢钢材材疲疲劳劳破破坏坏后后的的截截面面缺缺口口，一一般般具具有有光光光光滑滑滑滑的的的的和和和和粗粗粗粗糙糙糙糙的的两两个个区区域域，光光滑滑部部分分表表现现裂裂缝缝的的扩扩张张和和闭闭合合过过程程是是由由裂裂缝缝逐逐渐渐发发展展引引起起的的，说说明明疲疲劳劳破破坏坏也也经经历历一一个个缓缓慢慢的的转转变变过过程程，而而粗粗糙糙部部分分表表明明钢钢材材最最终终断断裂裂一一瞬瞬间间的的脆脆性性破破坏坏
45、性性质质和和拉拉伸伸试试验验的的断断口口颇颇为为相相似似，破破破破 坏坏坏坏 是是是是 突突突突 然然然然 的的的的，几几几几 乎乎乎乎 以以以以2000m/s的速度断裂的速度断裂，因而比较危险。，因而比较危险。oo应应力力循循环环次次数数N：反反复复荷荷载载作作用用下下，应应力力从最大到最小所循环的次数从最大到最小所循环的次数第四十五页，本课件共有96页26钢材的疲劳基本概念：oo疲疲劳劳强强度度：钢钢材材抵抵抗抗疲疲劳劳破破坏坏的的能能力力。取决于应力变化的程度，应力集中(或缺陷效应)和应力循环次数。可见：截面几何形状突然改变处的应力集中；在缺陷处形成的双向或三向同号拉应力场，残余应力等都
46、是影响疲劳强度的重要因素。oo用什么物理指标来衡量钢材的疲劳强度？用什么物理指标来衡量钢材的疲劳强度？第四十六页，本课件共有96页26钢材的疲劳261 常幅疲劳常幅疲劳oo应应力力循循环环特特征征用用应应力力比比来来表表示示，其其含含义义为为绝绝对对值值最最小小与与最最大大应应力力之之比比(拉拉应应力力取取正正值值，压压应应力力取取负负值值图图2.10(a)2.10(a)的的=-1-1，称称为为完完全全对对称称循循环环；图图2.10(b)2.10(b)的的=0=0，称为，称为脉冲循环脉冲循环；第四十七页，本课件共有96页26钢材的疲劳261 常幅疲劳常幅疲劳oo应应力力循循环环特特征征图图2.
47、10(c)2.10(c)、(d)(d)的的在在0 0与与-1-1之之间间，称称为为不不完完全全对对称称循循环环，但但图图2.10(c)2.10(c)为为以以拉拉应应力力为为主，而图主，而图2.10(d)2.10(d)则以压应力为主。则以压应力为主。第四十八页，本课件共有96页26钢材的疲劳261 常幅疲劳常幅疲劳oo应应力力幅幅：应应力力幅幅为为应应力力谱谱(如如图图2.10中中的的实实线线所示所示)中最大应力与最小应力之差，即中最大应力与最小应力之差，即 o =max-mino max每每次次应应力力循循环环中中的的最最大大拉拉应应力力 (取取正正值值)，o min为为每每次次应应力力循循环
48、环的的最最小小拉拉应应力力(取取正正值值)或或压应力压应力(取负值取负值)。第四十九页，本课件共有96页26钢材的疲劳261 常幅疲劳常幅疲劳oo常常幅幅疲疲劳劳：如果重复作用的荷载效用随时间发生周期性变化，则在所有应力循环内应力幅保持常量的疲劳，称为常幅疲劳。第五十页，本课件共有96页26钢材的疲劳261 常幅疲劳常幅疲劳o疲疲劳劳破破坏坏：在在一一定定动动荷荷载载（，)作作用用下下，经经过过n n次次循循环环作作用用，材材料料发生的脆性断裂破坏。发生的脆性断裂破坏。o 钢钢结结构构的的疲疲劳劳破破坏坏属属高高周周低低应应变变疲疲劳劳，即即破破坏坏前前总总应应变变很很小小，荷荷载载循循环环次
49、次数数NN很很大大。为为此此设设计计规规范范经经研研究究后后规规定定，当当循循环环次次数数NN10105 5，应应进进行行疲疲劳劳计计算算。通通常常用用应应力力幅幅的概念来进行计算的概念来进行计算o第五十一页，本课件共有96页26钢材的疲劳261 常幅疲劳常幅疲劳oo如何确定如何确定如何确定如何确定？（通过试验确定）（通过试验确定）（通过试验确定）（通过试验确定）o对轧制钢材或非焊接结构 根据研究表明：在在循循环环次次数数N N一一定定的的情情况况下下，可可根根据据试试验验资资料料绘绘出出N N次次循循环环的的疲疲劳劳图图，即即maxmax和和minmin的的关关系系曲曲线线。该该曲曲线线的的
50、曲曲率率不不大大，可可近近似似用用直直线线来来代代替替，所所以以只只要要求求得得两两个试验点便可决定疲劳图。个试验点便可决定疲劳图。第五十二页，本课件共有96页26钢材的疲劳o图图2.112.11为为n n=210=210=210=2106 6 6 6次次的的试试验验疲疲劳劳图图,当当=0=0和和=-1-1时时对对应应的的疲疲劳劳状状态态为为B B(-(-1-1，-1-1)和和C C(0(0，0 0)两两点点，通通过过B B、C C两两点点得得直直线线ABCDABCD，该该线线上上每每一一点点都都对对应应着着一一个个疲疲劳劳破破坏状态（坏状态（n n=210=210=210=2106 6 6