第二章-土木2014讲述案例.ppt

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1、结构钢材的破坏形式结构钢材的破坏形式结构钢材的破坏形式结构钢材的破坏形式钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的钢种、钢号及选择钢材的钢种、钢号及选择第二章第二章 钢结构材料钢结构材料钢材的优缺点及钢结构对材料的要求钢材的优缺点及钢结构对材料的要求结构钢材的破坏形式结构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）构件应力超过构件应力超过屈服点，并且屈服点，并且达到抗拉极限达到抗拉极限强度后，构件强度后，构件产生明显的变产生明显的变形并断裂。形并断裂

2、。常为杯形，呈常为杯形，呈纤维状，色泽纤维状，色泽发暗。发暗。在破坏前有很在破坏前有很明显的变形，明显的变形，并有较长的变并有较长的变形持续时间，形持续时间，便于发现和补便于发现和补救。救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明在破坏前无明显变形，平均显变形，平均应力也小（一应力也小（一般都小于屈服般都小于屈服点），没有任点），没有任何预兆。何预兆。平直和呈有光平直和呈有光泽的晶粒。泽的晶粒。突然发生的，突然发生的，危险性大，应危险性大，应尽量避免。尽量避免。钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2-12-1l较高强度（较高强度（StrengthStrength）l足够的变形能力（足够的变形能力（Defo

3、rmationDeformation）l良好的加工性能（良好的加工性能（FabricationFabrication）l胜任恶劣环境的耐久性（胜任恶劣环境的耐久性（EnduranceEndurance）钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能单向拉伸时的性能单向拉伸时的性能钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能单向拉伸时的性能单向拉伸时的性能冷弯性能冷弯性能冲击韧性冲击韧性钢材受压和受剪时的性能钢材受压和受剪时的性能可焊性可焊性耐久性耐久性有明显屈服点的应力有明显屈服点的应力-应变关系应变关系标准试件标准试件标准加载方法标准加载方法标准温度标准温度试验条件试验条件试验曲线试验曲线机械性能指标机械性能

4、指标单向拉伸时的性能单向拉伸时的性能 有明显屈服点有明显屈服点-低碳钢与低合金钢低碳钢与低合金钢无明显屈服点无明显屈服点-高强度钢高强度钢（弹性、屈服、强化、颈缩）（弹性、屈服、强化、颈缩）（弹性、强化、颈缩）（弹性、强化、颈缩）屈服强度、极限强度、伸长率、断面收缩率屈服强度、极限强度、伸长率、断面收缩率OBCDAE无明显屈服点的钢材无明显屈服点的钢材强化阶段强化阶段(DE(DE段段)颈缩阶段颈缩阶段(EF(EF段段)F F有明显屈服点钢材的应力有明显屈服点钢材的应力-应变关系应变关系 弹性阶段弹性阶段(OB段段)屈服阶段屈服阶段(BD段段)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

5、指标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 作为屈作为屈服点服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”fy=f0.20.2%fup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。无明显屈服点钢材的应力无明显屈服点钢材的应力-应变关系应变关系 伸长率伸长率单向拉伸时的机械性能指标单向拉伸时的机械性能指标屈服强度屈服强度f fy y应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取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

6、最低值），它是衡量钢材的承载能力和屈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。确定钢材强度设计值的重要指标。P8P8表表1-31-3极限强度极限强度f fu u应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前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。所能承受的最大应力。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形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。塑性好坏可用（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率断面收缩率 和和伸长率伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，

7、通过静力拉伸试验得到。屈强比（屈强比（f fy y/f/fu u)越小，反映塑性变形的能力越强。越小，反映塑性变形的能力越强。试件试件断裂前断裂前的永久变形与原的永久变形与原标定长度的百比。标定长度的百比。l0 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试件件有有两两种种标标距距：l0/d0=5 和和 l0/d0=10 相相应应的的伸伸长长率率用用5和和10表示。表示。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。截面收缩率截面收缩率伸伸 长长 率率应力应力-应变曲线的简化模型应变曲线的简化模型是指试件

8、拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。断面面积比值的百分比。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，钢材的塑性越好。由于在测越大，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。钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1断面收缩率断面收缩率强度设计指标强度设计指标应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化简化的依据：简化的依据：1 1）钢材在屈服

9、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）已足够用来考虑结构或构件的塑足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。性变形的发展。2.5%fy 00.15%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 冷弯性能冷弯性能强度设计指标强度设计指标强度设计指标的形式强度设计指标的形式 分项系数的极限状态设计法分项系数的极限状态设计法 f=fy/g gR容许应力设计法容许应力设计法 =fy/K K

10、强度设计值强度设计值 钢板和各种型钢：钢板和各种型钢：根据钢材牌号、厚度确定根据钢材牌号、厚度确定焊缝连接：焊缝连接：根据焊缝形式、连接钢材牌号确定根据焊缝形式、连接钢材牌号确定冲击韧性冲击韧性冷弯性能冷弯性能 l衡量钢材在冷加工（常温）塑性变形时抵抗裂纹的能力衡量钢材在冷加工（常温）塑性变形时抵抗裂纹的能力l既反映钢材的塑性好坏，又反映钢材的内部质量既反映钢材的塑性好坏，又反映钢材的内部质量l满足冷弯性能比满足满足冷弯性能比满足fy、fu、d d都困难，一般有特殊要求才进行都困难，一般有特殊要求才进行冲击试验冲击试验韧性韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂钢材在塑性变形和断

11、裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。是衡量钢材抵抗时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。一项机械性能。冲击韧性冲击韧性 冲击韧性还与试验的温度有关。冲击韧性还与试验的温度有关。温度越低，冲击韧性越低。温度越低，冲击韧性越低。我国钢材标准中将试验分为四档，即我国钢材标准中将试验分为四档，即+20,0+20,0，-20-20和和-4040时的冲击韧性。时的冲击韧性。冲冲击击韧韧性性试试验验 在在摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上

12、上进进行行试试验验，冲冲断断试试件件后后，读读出出摆摆锤锤消消耗耗的的功功。冲冲击击韧韧性性与与试试件件刻刻槽槽（缺缺口口）有有关关，我我国国国国家家标准规定冲击试验缺口采用夏氏标准规定冲击试验缺口采用夏氏V V型。型。冲击韧性冲击韧性 钢材受压和受剪时的性能钢材受压和受剪时的性能可焊性可焊性 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点y及抗剪及抗剪强度强度u均低于均低于fy和和fu；剪变模量；剪变模量G也低于弹性模量也低于弹性模量E。钢材受压和受剪时的性能钢材受压和受

13、剪时的性能 耐久性耐久性碳含量在碳含量在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）。）。可可 焊焊 性性 可焊性可焊性指采用一般焊接工艺就可达到合格焊缝性能。指采用一般焊接工艺就可达到合格焊缝性能。具体表现为：具体表现为：施工上施工上正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹口正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹口 使用上使用上焊缝力学性能不低于母材力学性能焊缝力学性能不低于母材力学性能钢材可焊性与碳、合金元素的含量有关，钢材可焊性与碳、合金元素的含量有关，需通过试验来鉴定可需通过试验来鉴定可焊性的好坏、确定焊接工艺要求焊性的好坏、

14、确定焊接工艺要求影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素耐耐 久久 性性 耐腐蚀耐腐蚀 钢材受各种腐蚀环境影响而慢慢生锈，削弱截面面积钢材受各种腐蚀环境影响而慢慢生锈，削弱截面面积 通过喷涂防腐涂料使钢材耐腐蚀通过喷涂防腐涂料使钢材耐腐蚀耐疲劳耐疲劳 钢材长时间受荷载重复作用，达到一定的寿命而破坏钢材长时间受荷载重复作用，达到一定的寿命而破坏 通过改善材质、构造设计来提高疲劳强度，增加寿命通过改善材质、构造设计来提高疲劳强度，增加寿命影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素生产过程生产过程化学成分化学成分温度温度硬化硬化复杂应力状态复杂应力状态应力集中应力集中荷载类型荷载类型防止脆性断

15、裂的方法防止脆性断裂的方法生产过程的影响生产过程的影响生产过程生产过程炼钢炼钢钢材生产过程钢材生产过程炼铁炼钢浇铸加工 电炉钢电炉钢是利用电热原理，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。（生产周期短，效率

16、高，质量好，成本低，已经成为好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法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供应热能冶炼钢。（生产周期长，是利用煤气和其它燃料供应热能冶炼钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）脱氧脱氧炼炼 钢钢钢材在浇铸冶炼过程中会产生影响力学性能的杂质钢材在浇铸冶炼过程中会产生影响力学性能的杂质氧化铁氧化铁脱脱 氧氧需投入脱氧剂来需投入脱氧剂来减少或排除减少或排除氧化铁氧化铁的含量的含量按按照照钢钢液液在在炼炼钢钢炉炉中中进进行行脱脱氧氧的的方方法法和和程程度度不不同同，碳碳素素结结构

17、构钢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。根据脱氧方法区分的四种碳素结构钢根据脱氧方法区分的四种碳素结构钢浇铸浇铸特殊镇静钢特殊镇静钢在在锰和硅锰和硅脱氧后，再用脱氧后，再用铝铝补充脱氧，其脱氧程度高补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。于镇静钢。沸腾钢沸腾钢采用脱氧能力较弱的采用脱氧能力较弱的锰锰，因此脱氧不完全，且浇注时会，因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较

18、多的杂质和气体，钢的质量较差。体，钢的质量较差。镇静钢镇静钢采用采用锰加硅锰加硅做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，但成本高。量好，但成本高。半镇静钢半镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间，一般不用。脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间，一般不用。脱脱 氧氧加工加工 浇铸是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。浇铸是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用用连连续续铸铸造造法法生生产产钢钢坯坯的的工工艺艺和和设设备备，由由于于机机械械化化、自自动动化化

19、程程度度高高的的优优势势，已已经经逐逐渐渐取取代代了了笨笨重重而而复复杂杂的的铸铸锭锭工艺和设备。工艺和设备。浇浇 铸铸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，使钢材的组织结构发指通过加热、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、正火、淬火和生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）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，生产出各种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。（热加工的开轧和锻压温度控制在厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1

20、150-1300 1300）冷加工冷加工 指在常温（冷）下对钢材进行加工。（指在常温（冷）下对钢材进行加工。（冷作硬化现象冷作硬化现象）加加 工工（1 1）淬火）淬火 把钢材加热至把钢材加热至900900以上，放入水或油中快速冷却，以上，放入水或油中快速冷却，硬度和强度提高，但塑性和韧性降低。硬度和强度提高，但塑性和韧性降低。（2 2）正火）正火 把钢材加热至把钢材加热至850900850900以上，在空气中缓慢冷却，以上，在空气中缓慢冷却，可改善组织，细化晶粒可改善组织，细化晶粒。（3 3）回火）回火 把淬火后的钢材加热至把淬火后的钢材加热至500600500600，在空气中缓慢，在空气中缓

21、慢冷却，冷却，可减小脆性，提高钢的综合性能可减小脆性，提高钢的综合性能。（4 4）淬火）淬火+回火（也称调质处理）回火（也称调质处理）强度很高的钢材，都要经强度很高的钢材，都要经过调质处理。过调质处理。热热 处处 理理生产过程的影响生产过程的影响热处理的目的热处理的目的 强度提高的同时保持良好的塑性和韧性强度提高的同时保持良好的塑性和韧性热处理的方法热处理的方法轧制的作用轧制的作用 1.1.偏偏析析 金金属属结结晶晶后后化化学学成成分分分分布布不不均均匀匀的的现现象象。主主要要是是硫硫、磷磷偏偏析析，其其后后果果是是偏偏析析区区钢钢材材的的塑塑性性、韧韧性性、可可焊焊性性变变坏。坏。3.3.裂

22、纹裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。2.2.非非金金属属夹夹杂杂 指指钢钢材材中中的的非非金金属属化化合合物物，如如硫硫化化物物、氧化物，他们使钢材性能变脆。氧化物，他们使钢材性能变脆。4.4.气气泡泡 浇浇铸铸时时由由FeOFeO和和C C作作用用所所生生成成的的COCO气气体体不不能能充充分分逸逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.5.分层分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。生产过程的影响生产过程的影响薄厚钢板的特点薄厚钢板的特点轧制的作用轧制的作用l在高温和压力下，将钢锭或钢坯热

23、轧成钢板在高温和压力下，将钢锭或钢坯热轧成钢板和型钢和型钢l改变钢材的形状和尺寸改变钢材的形状和尺寸l改善钢材的力学性能（小气泡、裂纹、疏松改善钢材的力学性能（小气泡、裂纹、疏松等缺陷变小，金属组织更加致密）等缺陷变小，金属组织更加致密）轧制的影响轧制的影响国外研发的国外研发的“热机械控制轧钢（热机械控制轧钢（TMCPTMCP）”新技术，已可实现钢新技术，已可实现钢材强度不因厚度加大而降低。材强度不因厚度加大而降低。薄钢板的优点薄钢板的优点 轧制次数多，缺陷少，比厚钢板强度高，塑性和冲击韧性好。轧制次数多，缺陷少，比厚钢板强度高，塑性和冲击韧性好。厚钢板的缺点厚钢板的缺点 轧制后的厚钢板，内部

24、的非金属夹杂物被压成薄片，易出现轧制后的厚钢板，内部的非金属夹杂物被压成薄片，易出现分层（夹层）现象，使钢材沿厚度受拉的性能变差。分层（夹层）现象，使钢材沿厚度受拉的性能变差。对于厚钢板（对于厚钢板（40mm40mm）需要进行）需要进行Z Z方向的材性试验，尽量避免方向的材性试验，尽量避免Z Z向受力，防止层状撕裂。向受力，防止层状撕裂。化学成分化学成分化学成分化学成分钢的基本元素为铁（钢的基本元素为铁（FeFe），普通碳素钢中占），普通碳素钢中占99%99%，此外还有，此外还有碳（碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、锰（）、锰（MnMn）等杂质元素，及硫（）等杂质元素，及硫（S S）、磷）

25、、磷（P P）、氧（）、氧（O O）、氮（）、氮（N N）等有害元素，这些总含量约）等有害元素，这些总含量约1%1%，但对钢材力学性能却有很大影响。但对钢材力学性能却有很大影响。化学成分的影响化学成分的影响抗腐蚀性抗腐蚀性化学成分的影响化学成分的影响温度的影响温度的影响fufyE温度的影响温度的影响防火措施防火措施l在室温200200范围，钢材强度、弹模、塑性、韧性没大的变化；l在250250左右时，钢材抗拉强度，而冲击韧性，称“蓝脆”（表面呈蓝色)，应避免钢材在蓝脆温度范围进行热加工；l超过300300后，屈服强度、极限强度，塑性显著l达到600600时，强度已很低，不能承载。负温度的影响负

26、温度的影响温度的影响温度的影响冷加工硬化和时效硬化的影响冷加工硬化和时效硬化的影响2-22-2冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2uT T从室温下降时，塑性和冲击韧性从室温下降时，塑性和冲击韧性(变脆变脆)。u温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然急剧温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然急剧，称，称低温冷脆低温冷脆。u冲击功曲线的反弯点冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为脆性转

27、变温度脆性转变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。u不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。钢结构设计应使环境温度高于定。钢结构设计应使环境温度高于T1 T1。温度的影响温度的影响时效硬化时效硬化冷作硬化冷作硬化硬化硬化 当钢材应力超过当钢材应力超过弹性极限时，以后重弹性极限时，以后重新加载会使弹性极限新加载会使弹性极限提高，塑性变形减少。提高，塑性变形减少。冷作硬化冷作硬化 钢结构在冷钢结构在冷（常温）加工（弯曲、（常温）加工（弯曲、剪切、钻冲等）过程中剪切、钻冲等）过程中引起的钢材硬化引起

28、的钢材硬化 不利影响不利影响 强度提高，塑性韧性下降强度提高，塑性韧性下降 钢材变脆钢材变脆 措施措施 常将因冷加工引起的硬化部位刨去常将因冷加工引起的硬化部位刨去 人工时效人工时效时效硬化时效硬化应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁晶体中的固钢材产生一定数量的塑性变形后，铁晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。化现象。时效时效 钢铁纯铁体中存在着碳和氮的固溶物，随着时间增加，钢铁纯铁体中存在着碳和氮的固溶物，随着时间增加，它会慢慢析出，分布在钢材晶粒的滑移面上，阻碍纯铁体发它会慢慢

29、析出，分布在钢材晶粒的滑移面上，阻碍纯铁体发展塑性变形。展塑性变形。影响影响 强度强度，塑性，塑性，韧性，韧性 周期周期 几天几天几十年时间不等几十年时间不等 人工时效人工时效为加快测定钢板时效后的性能，可先使钢材产生为加快测定钢板时效后的性能，可先使钢材产生10%10%的塑性变形，再的塑性变形，再加热到加热到200200300300，然后冷却到室温进行试验，这样可使时效在几小，然后冷却到室温进行试验，这样可使时效在几小时内完成，称为时内完成，称为人工时效。人工时效。目的目的有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保

30、证结构具有长期的抗脆性破坏能力。证结构具有长期的抗脆性破坏能力。复杂应力状态复杂应力状态oZXY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复杂应力作用下钢材的屈服复杂应力作用下钢材的屈服第四能量强度理论第四能量强度理论复杂应力作用下钢材的屈服复杂应力作用下钢材的屈服三向应力状态下钢材的屈服条件三向应力状态下钢材的屈服条件（）材料由弹性转入塑性是用形状改变能量强度理论来判断的；（）材料由弹性转入塑性是用形状改变能量强度理论来判断的；假定假定（）复杂应力状态下外荷载使单元体单位体积内所积聚的形状改变（）复

31、杂应力状态下外荷载使单元体单位体积内所积聚的形状改变能等于单轴受力屈服的形状改变能时，钢材即由弹性转入塑性。能等于单轴受力屈服的形状改变能时，钢材即由弹性转入塑性。外外荷荷载载使使单单元元体体产产生生应应变变，从从而而引引起起体体积积和和形形状状改改变变，单单元元体体内积聚了体积改变能和性状改变能。内积聚了体积改变能和性状改变能。第四能量强度理论第四能量强度理论应力状态的简化应力状态的简化 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比

32、较来判断。（2-1）用主应力用主应力 、表示时，有表示时，有:（2-4）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Von Mises屈服条件屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服复杂应力作用下钢材的屈服不同受力状态对钢材性能的影响不同受力状态对钢材性能的影响 当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，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这时三向应力状态可以简化为平面应力状态平面应力状态：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：（2-2）纯剪时纯剪时=0=0 则有：

33、则有：（2-3）钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点的钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点的0.58 0.58 倍倍复杂应力作用下钢材的屈服复杂应力作用下钢材的屈服三向应力的影响三向应力的影响双向受力状态的影响双向受力状态的影响（a a）单向拉伸单向拉伸（b b）双向拉伸双向拉伸（c c）双向异号应力双向异号应力分析结果：分析结果：（1 1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。提高，但是塑性下降。双向应力作用下对双向应力作用下对钢材材性的影响钢材材性的影响0(a)(b)(c)（3 3）主应力异号时，易

34、屈服，破坏呈）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。塑性，差别越大越明显。（2 2）主应力同号时，不易屈服，塑性）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。下降，越接近越明显。应力集中的影响应力集中的影响同号的三向主应力作用同号的三向主应力作用三个主应力相差不大时（三个主应力相差不大时（1 1 2 2 3 3）时，即使各主应力）时，即使各主应力很高，材料也很难进入屈服和有明显的变形，但是由于高很高，材料也很难进入屈服和有明显的变形，但是由于高应力的作用，聚集在材料内的体积改变应变能很大，因而应力的作用，聚集在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦遭到破坏，便呈现出无明显症兆

35、的脆性破坏特征。材料一旦遭到破坏，便呈现出无明显症兆的脆性破坏特征。三向受力状态的影响三向受力状态的影响应力集中的影响应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓谓应力集中应力集中现象。现象。应力集中的影响应力集中的影响应力集中的影响应力集中的影响应力集中的影响应力集中的影响由于结构钢材塑性很好，在静力荷载作用

36、下，能使应力进行重由于结构钢材塑性很好，在静力荷载作用下，能使应力进行重分布，直到构件全截面的应力都达到屈服强度，分布，直到构件全截面的应力都达到屈服强度，应力集中一般应力集中一般不影响构件的静力极限承载力不影响构件的静力极限承载力。应力集中处常常产生三向的同号拉应应力集中处常常产生三向的同号拉应力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形（变形（脆断脆断）。）。应力集中对塑性良好的钢结构静力强应力集中对塑性良好的钢结构静力强度影响不大，但是度影响不大，但是对负温下或动力荷载对负温下或动力荷载作用下的结构的不利影响作用下的结构的不利影响很大。很大。应力集中的影响应力

37、集中的影响应力集中的处理应力集中的处理荷载类型的影响荷载类型的影响应力集中的处理应力集中的处理 常常温温静静载载作作用用下下的的构构件件，只只要要构构造造符符合合规规范范要要求求，可可不不考虑应力集中的影响。考虑应力集中的影响。受受动动力力荷荷载载的的结结构构，应应力力集集中中对对疲疲劳劳强强度度影影响响很很大大，应应采取措施避免产生应力集中。采取措施避免产生应力集中。1:2.5脆性破坏实例脆性破坏实例荷载可分为静力和动力两大类荷载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变

38、形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。荷载类型的影响荷载类型的影响脆性破坏实例脆性破坏实例疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例脆性破

39、坏实例脆性破坏实例防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法脆性破坏实例脆性破坏实例俄罗斯莫斯科水上乐园屋顶倒塌致28死95伤，原因在室内外温差高达51下，施工焊接时残留的冷凝剂使钢结构迅速疲劳，无法承重而断裂。疲劳分类疲劳分类引起疲劳破坏的交变荷载不同进行分类引起疲劳破坏的交变荷载不同进行分类疲劳分类疲劳分类变幅疲劳变幅疲劳常幅交变荷载常幅交变荷载-常幅应力常幅应力-常幅疲劳常幅疲劳变幅交变荷载变幅交变荷载-变幅应力变幅应力-变幅疲劳变幅疲劳 应力循环次数应力循环次数（n n，疲劳寿命），疲劳寿命）常幅疲劳常幅疲劳影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素当应力循环内的应力幅随机当应力循环内的应力幅随机

40、变化时为变化时为变幅疲劳变幅疲劳。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律i21i-1t变幅荷载变幅荷载情形二情形二 不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律变幅疲劳变幅疲劳影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素变幅疲劳变幅疲劳情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形二情形二 不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素？焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命

41、最主要的因素是构件和连构件和连接的类型接的类型、应力幅应力幅以及以及循环次数循环次数n n，而与应力比无关。，而与应力比无关。焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服强度焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服强度f fy y ，该处是产生和发该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。展疲劳裂纹最敏感的区域。最大：最大：最小：最小：真实应力比：真实应力比：残余应力的分布残余应力的分布焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅的大小的大小常幅疲劳计算常幅疲劳计算疲劳计算构件和连接的类别疲劳计算构件和连接的类别疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，按弹性状

42、态计算。只适用于无高，按弹性状态计算。只适用于无高温（温（t150t150）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数力循环次数n n5510104 4)。（2-5）n应力循环次数；应力循环次数；C C、参数，根据表参数，根据表2-22-2中的构件和连接的类别按表中的构件和连接的类别按表2-32-3采用。采用。常幅疲劳计算常幅疲劳计算对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应力幅：=max-0.7 min max 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）每

43、次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应（拉应力取正值，压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅;疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类容许应力幅与钢材的强容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗类的钢材具有相同的抗疲劳性能。疲劳性能。变幅疲劳强度验算方法变幅疲劳强度验算方法e e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情

44、形一能够测得使用期内应力变幅规律变幅疲劳计算变幅疲劳计算等效常幅疲劳应力幅计算等效常幅疲劳应力幅计算不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 计算计算若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e e按下按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：(2-7)(2-7)n ni i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；

45、以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；n ni i 预期寿命内应力幅水平达到预期寿命内应力幅水平达到i i的的应力循环次数应力循环次数变幅疲劳计算变幅疲劳计算吊车梁参数取值表格吊车梁参数取值表格情形二情形二 不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 设计设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载

46、效应系数，按常幅疲劳进行计算。按常幅疲劳进行计算。（2-92-9）欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数循环次数为循环次数为n n=2=210106 6次的容许应力幅。次的容许应力幅。变幅疲劳计算变幅疲劳计算疲劳计算应注意的问题疲劳计算应注意的问题1.00.80.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车 重级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f吊车梁类别吊车梁类别表表2-4 2-4 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2n=210687654321连接形式类别连接形式类别表表2-5 2-5 n n=

47、2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅值变幅疲劳计算变幅疲劳计算2)2)疲劳验算采用的是疲劳验算采用的是容许应力设计法容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。究。疲劳计算应注意的问题疲劳计算应注意的问题3)3)疲劳计算采用的是疲劳计算采用的是容许应力幅法容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影

48、响，故荷载应采用标准值且不乘动力系实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。数，应力幅按弹性工作计算。1)1)当当n n10105 5时，应进行疲劳计算。时，应进行疲劳计算。疲劳计算应注意的问题疲劳计算应注意的问题钢材的钢种、钢号及选择钢材的钢种、钢号及选择5 5）对于）对于只有压应力的应力循环作用只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算不必进行疲劳计算。4 4）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不

49、受钢材强度的影响，故可认为强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关疲劳容许应力幅与钢种无关。6 6）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。（）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。疲劳计算应注意的问题疲劳计算应注意的问题正确制造正确制造外因外因 钢材在构造和加工工程中引起的钢材在构造和加工工程中引起的应力集中应力集中、低温影响低温影响、动力荷动力荷 载的作用载的作用、

50、冷作硬化冷作硬化和和应变时效硬化应变时效硬化等等 内因内因 钢材的钢材的化学成分化学成分、组织构造组织构造和和缺陷缺陷等等(1(1）合理的选用钢材）合理的选用钢材;(2(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度于结构的工作温度;(3)(3)尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性;(4(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减