第2章鋼結(jié)構(gòu)的材料

1、設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料1.了解鋼材的破壞形式了解鋼材的破壞形式和主要性能。和主要性能。2.了解影響鋼材性能的了解影響鋼材性能的主要因素。主要因素。3.了解鋼材疲勞破壞及了解鋼材疲勞破壞及計算方法。計算方法。4.了解鋼材的種類及選了解鋼材的種類及選用原則要求。用原則要求。2.1 2.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求2.2 2.2 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式2.3 2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能2.4 2.4 各種因素對鋼材主要性能的影響各種因素對鋼材主要性能的影響2.5

2、2.5 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件2.6 2.6 鋼材的疲勞鋼材的疲勞2.7 2.7 鋼的種類和鋼材的規(guī)格鋼的種類和鋼材的規(guī)格本章目錄本章目錄基本要求基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第第2.12.1節(jié)節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求1. 1. 概述概述2. 2. 鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求了解鋼結(jié)構(gòu)對材料性能的基本要求了解鋼結(jié)構(gòu)對材料性能的基本要求 本節(jié)目錄本節(jié)目錄基本要求基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.1.1 2.1.1 概述概述 含碳量小于含碳量小

3、于2的鐵碳合金稱作的鐵碳合金稱作鋼鋼，含碳量大于，含碳量大于2時稱作時稱作鐵鐵。鋼材種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)。鋼材種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)只是其中一小部分。構(gòu)只是其中一小部分。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料（1 1）較高的抗拉強度）較高的抗拉強度 fu和屈服點和屈服點 fy；fy是衡量結(jié)構(gòu)是衡量結(jié)構(gòu)承載力的指標(biāo)，承載力的指標(biāo)， fy高則可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材和降低造高則可減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材和降低造價。價。fu是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，它直接反映是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，它直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，同時鋼材內(nèi)部

4、組織的優(yōu)劣，同時fu 高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。（2 2）較好的塑性、韌性；）較好的塑性、韌性；（3 3）良好的工藝性能（冷、熱加工，可焊性）；）良好的工藝性能（冷、熱加工，可焊性）；（4 4）對環(huán)境的良好適應(yīng)性）對環(huán)境的良好適應(yīng)性( (低溫、高溫、腐蝕等低溫、高溫、腐蝕等) )。2.1.2 2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第第2.22.2節(jié)節(jié) 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式鋼材的兩種破壞形式鋼材的兩種破壞形式了解鋼材的破壞形式和特點了解鋼材的破壞形式和特點 本節(jié)目錄本節(jié)目錄基本要

5、求基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.2.1 2.2.1 鋼材的兩種破壞形式鋼材的兩種破壞形式破壞形式破壞形式特特 征征斷斷 口口后后 果果塑性破壞塑性破壞構(gòu)件應(yīng)力超過屈服構(gòu)件應(yīng)力超過屈服點，并且達(dá)到抗拉點，并且達(dá)到抗拉極限強度后，構(gòu)件極限強度后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯的變形并產(chǎn)生明顯的變形并斷裂。斷裂。斷裂時斷口與斷裂時斷口與作用力方向呈作用力方向呈4545，呈纖維，呈纖維狀，色澤發(fā)暗狀，色澤發(fā)暗在破壞前有很明在破壞前有很明顯的變形，并有顯的變形，并有較長的變形持續(xù)較長的變形持續(xù)時間，便于發(fā)現(xiàn)時間，便于發(fā)現(xiàn)和補救。和補救。脆性破壞脆性破壞在破壞前無明顯變在破壞

6、前無明顯變形，平均應(yīng)力也小形，平均應(yīng)力也?。ㄒ话愣夹∮谇ㄒ话愣夹∮谇c），沒有任何預(yù)點），沒有任何預(yù)兆。兆。斷口平直并呈斷口平直并呈有光澤的晶粒有光澤的晶粒狀。狀。突然發(fā)生的，危突然發(fā)生的，危險性大，應(yīng)盡量險性大，應(yīng)盡量避免。避免。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第第2.32.3節(jié)節(jié) 鋼材的主要性能鋼材的主要性能1. 1. 受拉、受壓及受剪時的性能受拉、受壓及受剪時的性能2. 2. 冷彎性能冷彎性能3. 3. 沖擊韌性沖擊韌性掌握鋼材的主要力學(xué)性能要求及含義掌握鋼材的主要力學(xué)性能要求及含義本節(jié)目錄本節(jié)目錄基本要求基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章

7、第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.3.1 2.3.1 受拉、受壓及受剪時的性能受拉、受壓及受剪時的性能1 1、鋼材在單向一次拉伸下的工作性能、鋼材在單向一次拉伸下的工作性能試驗條件：標(biāo)準(zhǔn)試件試驗條件：標(biāo)準(zhǔn)試件（gb/t228），），常溫常溫（205）下緩慢加載，一次完成。含碳量為下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.1%0.3%。標(biāo)準(zhǔn)試件：標(biāo)準(zhǔn)試件：lo/d=5或或10；lo- - -標(biāo)距；標(biāo)距；d - - -直徑直徑圖圖2.3.12.3.1設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2 2、有明顯屈服點鋼材的、有明顯屈服點鋼材的-曲線曲線ufopfebcdagyfh圖圖2

8、.3.22.3.2設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2 2、有明顯屈服點鋼材的、有明顯屈服點鋼材的-曲線曲線圖圖2.3.32.3.3設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 可劃分為以下五個階段：可劃分為以下五個階段： (1)(1)彈性階段彈性階段( (ob(oe)段段) )oa(op)段材料處于純彈性，即段材料處于純彈性，即: :eab(pe)段有一定的塑性變形段有一定的塑性變形, , 但整個但整個ob(oe)段卸載段卸載時時 = 0彈性模量：彈性模量：e=206103n/mm2其中，其中，a(p)點應(yīng)力點應(yīng)力 f p稱為比例極限。稱

9、為比例極限。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2)(2)彈塑性階段彈塑性階段（bc(es)段段) ) 該段很短，表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)，即卸荷留該段很短，表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)，即卸荷留下永久的殘余變形。下永久的殘余變形。(3)(3)塑性階段塑性階段（cd(sc)段段) ) 該段該段基本保持不變（水平基本保持不變（水平),),急劇增大急劇增大, ,稱為屈服稱為屈服臺階。變形模量臺階。變形模量e = 0。 該段應(yīng)力最高點和最低點分別稱為上屈服點和下該段應(yīng)力最高點和最低點分別稱為上屈服點和下屈服點，下屈服點比較穩(wěn)定，設(shè)計中則以下屈服點為屈服點，下屈服點比較穩(wěn)定，設(shè)

10、計中則以下屈服點為依據(jù)。依據(jù)。 f y稱為屈服點稱為屈服點。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料（4 4）強化階段強化階段( (dg(cb)段段) ) 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到當(dāng)應(yīng)力達(dá)到g( (b) )點時，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，至點時，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，至h(d)點點而斷裂。而斷裂。 隨荷載的增加，隨荷載的增加，緩慢增大緩慢增大, ,但但增加較快。曲線增加較快。曲線最高點處最高點處g(c)點的應(yīng)力點的應(yīng)力 fu稱為抗拉強度或極限強度。稱為抗拉強度或極限強度。（5 5）頸縮破壞階段頸縮破壞階段( (gh(bd)段段) )設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料3

11、3、應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化、應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化設(shè)計時將鋼材簡化為理想彈塑性體設(shè)計時將鋼材簡化為理想彈塑性體鋼材在靜載作用下：鋼材在靜載作用下： 強度計算以屈服點的應(yīng)強度計算以屈服點的應(yīng)力力fy為依據(jù)，抗拉強度為依據(jù)，抗拉強度fu為為材料的安全儲備。材料的安全儲備。22.5%-3%fy 1 0.15%圖圖2.3.52.3.5設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料4 4、對無明顯屈服點的鋼材、對無明顯屈服點的鋼材 高強度鋼材在拉伸過程中沒有明顯的屈服臺階，高強度鋼材在拉伸過程中沒有明顯的屈服臺階，塑性變形小，設(shè)計中不宜利用它的塑性。塑性變形小，設(shè)計中不宜利用它的塑性。 設(shè)計

12、時取相當(dāng)于殘余變形設(shè)計時取相當(dāng)于殘余變形為為0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力作為時所對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點屈服點稱為稱為條件屈服點條件屈服點或或名義屈服點名義屈服點f0.2 。fy=f0.20.2%fup圖圖2.3.42.3.4設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料5 5、單向拉伸時鋼材的機械性能指標(biāo)、單向拉伸時鋼材的機械性能指標(biāo) （1 1）屈服點屈服點 fy 應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動時對應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強時對應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設(shè)計值的重要指標(biāo)。度設(shè)計值的重要指標(biāo)。 （2 2）抗拉強度抗拉強度

13、 fu 應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點對應(yīng)的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點對應(yīng)的應(yīng)力力, ,它是鋼材最大的抗拉強度。它是鋼材最大的抗拉強度。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料（3 3）伸長率伸長率00100%lll當(dāng)當(dāng)lo/d=5時，用時，用5表示表示當(dāng)當(dāng)l0/d=10時，用時，用10表示表示（5 10）實際工程中以伸長率實際工程中以伸長率 代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。鋼材的塑性是指：當(dāng)應(yīng)力超過屈服點后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘鋼材的塑性是指：當(dāng)應(yīng)力超過屈服點后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。余變形（塑性變形）而不立即斷裂的

14、性質(zhì)。試件斷裂時的絕對變形值與原標(biāo)距長度的百分比，用試件斷裂時的絕對變形值與原標(biāo)距長度的百分比，用表示。表示。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料（4 4）斷面收縮率斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比，用面面積比值的百分比，用 表示。表示。%100010aaa式中：式中： a0 試件原來的斷面面積試件原來的斷面面積 a1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積 圖圖2.3.62.3.6設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 采用短試件采用短試

15、件l0/d=3，屈服點同單向拉伸時的屈服點。，屈服點同單向拉伸時的屈服點。6 6、受壓時的性能、受壓時的性能7 7、受剪時的性能、受剪時的性能抗剪強度可由折算應(yīng)力計算公式得到：抗剪強度可由折算應(yīng)力計算公式得到：3279 103vyyngmmff剪變模量剪變模量設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.3.2 2.3.2 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)綜合指標(biāo) 鑒定合格指標(biāo)：通過冷彎沖頭加壓，當(dāng)試件彎曲至鑒定合格指標(biāo)：通過冷彎沖頭加壓，當(dāng)試件彎曲至180時，檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)

16、面，如果沒有裂紋、時，檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。 圖圖2.3.7設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.3.3 2.3.3 沖擊韌性沖擊韌性沖擊韌性沖擊韌性鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。 用斷裂時吸收的總能量（彈性和非彈性能）來表示。韌用斷裂時吸收的總能量（彈性和非彈性能）來表示。韌性指標(biāo)用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功，用符號性指標(biāo)用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功，用符號wkv或或cv表示，單位為表示，單位

17、為j。 沖擊韌性由沖擊沖擊韌性由沖擊韌性試驗確定。韌性試驗確定。圖圖2.3.8設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料圖圖2.3.9 沖擊韌性演示沖擊韌性演示設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料影響沖擊韌性的因素：影響沖擊韌性的因素： 沖擊韌性與試件刻槽有關(guān)，常用缺口形式為夏氏沖擊韌性與試件刻槽有關(guān)，常用缺口形式為夏氏v型和梅型和梅氏氏u型，近年來，我國沖擊試驗已用夏氏型，近年來，我國沖擊試驗已用夏氏v型代替梅氏型代替梅氏u型。型。 沖擊韌性還與試驗的溫度有關(guān)。根據(jù)溫度不同，我國鋼沖擊韌性還與試驗的溫度有關(guān)。根據(jù)溫度不同，我國鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將

18、試驗分為四檔，即材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗分為四檔，即+20, 0，-20和和-40時的時的沖擊韌性。沖擊韌性。 溫度越低，沖擊韌性越低。溫度越低，沖擊韌性越低。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼材的機械性能指標(biāo)鋼材的機械性能指標(biāo)屈服點屈服點 fy抗拉強度抗拉強度 fu伸長率伸長率 冷彎試驗冷彎試驗沖擊韌性沖擊韌性 cv小結(jié)小結(jié)設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第第2.42.4節(jié)節(jié) 各種因素對鋼材主要性能的影響各種因素對鋼材主要性能的影響1. 1. 化學(xué)成分化學(xué)成分2. 2. 冶金缺陷冶金缺陷3. 3. 鋼材硬化鋼材硬化1.1.了解影響鋼材

19、性能的主要因素了解影響鋼材性能的主要因素本節(jié)目錄本節(jié)目錄基本要求基本要求2.2.了解防止脆性斷裂破壞的方法了解防止脆性斷裂破壞的方法 4. 4. 溫度影響溫度影響5. 5. 應(yīng)力集中應(yīng)力集中6. 6. 荷載的影響荷載的影響設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.1 2.4.1 化學(xué)成分化學(xué)成分 普通碳素鋼中普通碳素鋼中fe占占99%，c和和其他元素僅占其他元素僅占1%，但，但對鋼材力學(xué)性能有著決定性的影響。對鋼材力學(xué)性能有著決定性的影響。 普通低合金鋼中合金元素普通低合金鋼中合金元素小于小于5%。 (1) (1)碳（碳（c）：鋼材強度的主要來源，隨其含量增加，

20、：鋼材強度的主要來源，隨其含量增加，強度增加，塑性、韌性和疲勞強度降低，同時惡化鋼的強度增加，塑性、韌性和疲勞強度降低，同時惡化鋼的焊接性能和抗腐蝕性。鋼結(jié)構(gòu)用鋼中，碳含量一般控制焊接性能和抗腐蝕性。鋼結(jié)構(gòu)用鋼中，碳含量一般控制在在0.22%以下，當(dāng)其含量在以下，當(dāng)其含量在0.2以下時，可焊性良好。以下時，可焊性良好。 設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料圖圖2.4.1 含碳量對含碳量對-關(guān)系的影響關(guān)系的影響0%c0.3%設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 (2)(2)硫（硫（s）：有害元素，熱脆性。不得超過：有害元素，熱脆性。不得

21、超過0.045%。 (3) (3)磷（磷（p）：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過提高，可焊性降低。不得超過0.045%。 (4)(4)錳（錳（mn）：合金元素：合金元素, ,弱脫氧劑。與弱脫氧劑。與s形成形成mns, ,熔點熔點1600, ,可以消除一部分可以消除一部分s的有害作用。的有害作用。 (5) (5)硅（硅（si）：合金元素。強脫氧劑。：合金元素。強脫氧劑。 設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 (6) (6)釩（釩（v）：合金元素。細(xì)化晶粒，提高強度，其：合金元素。細(xì)化晶粒，提高強度，其碳化物

22、具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)。碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)。 (7) (7)氧氧（o）：有害雜質(zhì)，與：有害雜質(zhì)，與s相似（熱脆）。相似（熱脆）。 (8) (8)氮氮（n）：有害雜質(zhì)，與：有害雜質(zhì)，與p相似（冷脆）相似（冷脆） 。 (9) (9)銅銅（cu）：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。性有影響。 設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.2 2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷常見的冶金缺陷有：常見的冶金缺陷有： 偏析偏析：鋼中化學(xué)成分不一致和不均勻性稱為偏析。主要是硫和：鋼中化學(xué)成分不一致和不均

23、勻性稱為偏析。主要是硫和磷的偏析，使鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。磷的偏析，使鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。 非金屬夾雜非金屬夾雜：常見的夾雜物為硫化物和氧化物。硫化物使鋼材：常見的夾雜物為硫化物和氧化物。硫化物使鋼材在在800 1200高溫下變脆，氧化物會降低鋼材的力學(xué)性能和工藝高溫下變脆，氧化物會降低鋼材的力學(xué)性能和工藝性能。性能。 氣孔氣孔：澆注時由：澆注時由feo與與c作用所生成的作用所生成的co氣體不能充分逸出而氣體不能充分逸出而留在鋼錠內(nèi)形成的。留在鋼錠內(nèi)形成的。 裂紋裂紋：鋼材中已出現(xiàn)的局部破壞：鋼材中已出現(xiàn)的局部破壞 分層分層：指沿厚度方向形成層間并不相互脫離的分層。分層處易：

24、指沿厚度方向形成層間并不相互脫離的分層。分層處易被銹蝕被銹蝕, , 且分層使鋼材性能變差。且分層使鋼材性能變差。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.3 2.4.3 鋼材硬化鋼材硬化 冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加載使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變在冷加工或一次加載使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下，卸載后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和形的情況下，卸載后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象韌性降低的現(xiàn)象。 時效硬化時效硬化隨著時間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少隨著時間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質(zhì)析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提高

25、，的碳和氮的固熔物質(zhì)析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象塑性和韌性下降的現(xiàn)象。 應(yīng)變時效硬化應(yīng)變時效硬化鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶碳和氮更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又晶體中的固溶碳和氮更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象。發(fā)生時效硬化現(xiàn)象。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料圖圖2.4.2 硬化對鋼材性能的影響硬化對鋼材性能的影響0冷作硬化冷作硬化時效硬化時效硬化冷作硬化后冷作硬化后的塑性區(qū)的塑性區(qū)243 1fyfp冷加工及時效冷加工及時效冷加工及時效冷加工及時

26、效后的塑性區(qū)后的塑性區(qū)fy0設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料圖圖2.4.3設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 注意注意: :不管哪一種硬化，都要降低鋼材的塑性和不管哪一種硬化，都要降低鋼材的塑性和韌性，對鋼材不利。因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般不利用韌性，對鋼材不利。因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般不利用硬化后提高的強度，而且對于直接承受動荷載的結(jié)硬化后提高的強度，而且對于直接承受動荷載的結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除硬化的影響。構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除硬化的影響。 例如，經(jīng)過剪切機剪切的鋼板，為了消除剪切例如，經(jīng)過剪切機剪切的鋼板，為了消除剪切邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒

27、烤使之邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒烤使之“退火退火”或或?qū)⑦吘壟偃⑦吘壟偃?5mm。 設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.4 2.4.4 溫度影響溫度影響圖圖2.4.4 溫度對鋼材機械性能的影響溫度對鋼材機械性能的影響8006004002000n/mm2efufy20040060020406080%220210200190180170160e e（x10 x103 3n/mmn/mm2 2）t(0c)設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 1 1正溫范圍正溫范圍 200以內(nèi)對鋼材性能無大影響，該范圍內(nèi)隨溫度以內(nèi)對鋼材性能無大影

28、響，該范圍內(nèi)隨溫度升高總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大。升高總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大。 250左右抗拉強度略有提高，塑性降低，脆性增左右抗拉強度略有提高，塑性降低，脆性增加加藍(lán)藍(lán)脆現(xiàn)象脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為，該溫度區(qū)段稱為“藍(lán)藍(lán)脆區(qū)脆區(qū)”。 260320產(chǎn)生產(chǎn)生徐變現(xiàn)象徐變現(xiàn)象。 600左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。失。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 當(dāng) 溫 度 低當(dāng) 溫 度 低于常溫時，鋼于常溫時，鋼材的脆性傾向材的脆性傾向隨溫度降低而隨溫度降低而增加，材料強增加，材料強度略有提高，度略

29、有提高，但其塑性和韌但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)性降低，該現(xiàn)象稱為象稱為低溫冷低溫冷脆脆。2 2負(fù)溫范圍負(fù)溫范圍脆性破壞脆性破壞轉(zhuǎn)變過渡區(qū)段轉(zhuǎn)變過渡區(qū)段塑性破壞塑性破壞反彎點反彎點試驗溫度試驗溫度t t0 0c c沖沖 擊擊 斷斷 裂裂 功功 c cv vt1t2t0圖圖2.4.5 沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.5 2.4.5 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 1.1.應(yīng)力集中的概念應(yīng)力集中的概念 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化和內(nèi)部缺陷

30、等，此時截角、裂縫、厚度變化、形狀變化和內(nèi)部缺陷等，此時截面中的應(yīng)力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局面中的應(yīng)力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，形成所謂部高峰應(yīng)力，形成所謂應(yīng)力集中現(xiàn)象應(yīng)力集中現(xiàn)象。 圖圖2.4.6 孔洞及槽孔孔洞及槽孔處的應(yīng)力集處的應(yīng)力集中現(xiàn)象中現(xiàn)象y yz zy yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 1設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 2.2.應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響 可以看出截面槽可以看出截面槽口改變愈急劇，應(yīng)力口改變愈急劇，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈厲害，其集中現(xiàn)象愈厲害

31、，其抗拉強度愈高，但塑抗拉強度愈高，但塑性愈差，脆性破壞的性愈差，脆性破壞的傾向愈大。傾向愈大。1020300.425100%(n/mm2)10測距10010100600700500400300200100圖圖2.4.7 應(yīng)力集中對應(yīng)力集中對-曲線關(guān)系的影響曲線關(guān)系的影響設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料3.3.減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施 由于鋼材具有良好的塑性性能，在一定程度上能促使由于鋼材具有良好的塑性性能，在一定程度上能促使應(yīng)力進(jìn)行重分配，當(dāng)承受靜力荷載且在常溫下工作時，只應(yīng)力進(jìn)行重分配，當(dāng)承受靜力荷載且在常溫下工作時，只要符合規(guī)范規(guī)定的

32、設(shè)計要求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。要符合規(guī)范規(guī)定的設(shè)計要求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。但在負(fù)溫下或動力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不但在負(fù)溫下或動力荷載作用下工作的結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源。故在設(shè)利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源。故在設(shè)計中應(yīng)采取措施避免或減少應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的計中應(yīng)采取措施避免或減少應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。鋼材。1:2.5圖圖2.4.8設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.4.6 2.4.6 反復(fù)荷載作用反復(fù)荷載作用 1.1.加荷速度的影響加荷速度的影響 加荷速度過快，構(gòu)件來不

33、及變形，得到的屈服點也加荷速度過快，構(gòu)件來不及變形，得到的屈服點也高，且呈脆性。特別在低溫時對鋼材性能的影響要比常高，且呈脆性。特別在低溫時對鋼材性能的影響要比常溫下大得多。因此，試驗時需規(guī)定加載速度。溫下大得多。因此，試驗時需規(guī)定加載速度。 2. 2. 循環(huán)荷載的影響循環(huán)荷載的影響 鋼材在鋼材在直接的直接的連續(xù)連續(xù)反復(fù)的動力反復(fù)的動力荷載作用下，損傷會荷載作用下，損傷會逐漸累積，逐漸累積，缺陷會發(fā)展成微觀缺陷會發(fā)展成微觀裂紋裂紋，繼而發(fā)展到宏觀，繼而發(fā)展到宏觀裂裂紋，紋，截面削弱到一定程度而突然截面削弱到一定程度而突然破壞（破壞（這種現(xiàn)象叫這種現(xiàn)象叫疲勞疲勞破壞破壞）。）。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼

34、結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料本節(jié)討論：本節(jié)討論：防止脆性斷裂的方法防止脆性斷裂的方法 (1)(1)合理設(shè)計合理設(shè)計 合理的設(shè)計應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工合理的設(shè)計應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)作溫度、荷載特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重要。構(gòu)型式，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重要。 設(shè)計時應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度，設(shè)計時應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度，盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。 (2)(2)合理

35、制作和安裝合理制作和安裝 冷加工冷加工栓孔栓孔 鉆、擴鉆、擴 焊接焊接合理工藝、參數(shù)，減小焊接殘余應(yīng)力，如合理工藝、參數(shù)，減小焊接殘余應(yīng)力，如厚鋼板，焊前預(yù)熱，焊后保溫厚鋼板，焊前預(yù)熱，焊后保溫 安裝安裝減小裝配殘余應(yīng)力減小裝配殘余應(yīng)力設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 (3)(3)合理使用及維修措施合理使用及維修措施避免突然荷載；防銹；避免突然荷載；防銹；避免撞擊和機械損傷；保持使用溫度等。避免撞擊和機械損傷；保持使用溫度等。 (4)(4)合理選擇鋼材合理選擇鋼材 溫度溫度冷脆轉(zhuǎn)變溫度低冷脆轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)的工作溫度于結(jié)構(gòu)的工作溫度 厚度厚度薄薄設(shè)計原理設(shè)計原

36、理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第第2.52.5節(jié)節(jié) 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件1.掌握復(fù)雜應(yīng)力作用鋼材屈服條件及應(yīng)用掌握復(fù)雜應(yīng)力作用鋼材屈服條件及應(yīng)用基本要求基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料基本基本假定：假定： （1 1）材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強度指標(biāo)用變形時單位）材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強度指標(biāo)用變形時單位體積中積聚的能量來表達(dá)；體積中積聚的能量來表達(dá)； （2 2）當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變）當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。形能時，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。

37、設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料yoxzyzyxxyxzzyzxzxy單元體受復(fù)雜應(yīng)力單元體受復(fù)雜應(yīng)力圖圖2.5.1112233單元體受主應(yīng)力單元體受主應(yīng)力圖圖2.5.2設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 在三向應(yīng)力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄栽谌驊?yīng)力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的條件，可用狀態(tài)的條件，可用按能量強度理論計算的按能量強度理論計算的折算應(yīng)力折算應(yīng)力red和鋼材在單向應(yīng)力和鋼材在單向應(yīng)力下的屈服點下的屈服點fy相比較來判斷，即相比較來判斷，即1.1.以一般應(yīng)力分量表示以一般應(yīng)力分量表示2.2.以主應(yīng)力表

38、示以主應(yīng)力表示當(dāng)當(dāng)時鋼材處于彈性狀態(tài)，時鋼材處于彈性狀態(tài)，時鋼材處于塑性狀態(tài)。時鋼材處于塑性狀態(tài)。redyfredyf2221223311()()()(22)2redyf(2-2)(2-2)222222() 3()(2 1)redxyzxyy zzxxyyzzxyf (2-1)(2-1)設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 對于薄板，厚度方向的應(yīng)力很小，?？珊雎圆挥?，對于薄板，厚度方向的應(yīng)力很小，?？珊雎圆挥?，這時三向應(yīng)力狀態(tài)可簡化為平面應(yīng)力狀態(tài)，式（這時三向應(yīng)力狀態(tài)可簡化為平面應(yīng)力狀態(tài)，式（2-12-1）成為成為 3.3.幾種特殊情況幾種特殊情況一般的梁，只存在

39、正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：一般的梁，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：223redyf（2-42-4）222(2)33redxyxyxyyf （2-32-3）設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料純剪時純剪時 = 0 ，則有則有233redyf（2-52-5）即：鋼材的剪切屈服點是單軸拉伸屈服點即：鋼材的剪切屈服點是單軸拉伸屈服點 fy的的0.58倍。倍。因此，規(guī)范規(guī)定：鋼材的抗剪設(shè)計強度為抗拉設(shè)計強度因此，規(guī)范規(guī)定：鋼材的抗剪設(shè)計強度為抗拉設(shè)計強度的的0.58 倍。倍。0.58(2 6)3yyvyfff（2-62-6）設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)

40、的材料第第2.62.6節(jié)節(jié) 鋼材的疲勞鋼材的疲勞1. 1. 疲勞破壞特征疲勞破壞特征2. 2. 常幅疲勞常幅疲勞3. 3. 變幅疲勞變幅疲勞1.1.了解鋼材疲勞破壞的特征了解鋼材疲勞破壞的特征2. 2. 掌握疲勞破壞的計算方法掌握疲勞破壞的計算方法本節(jié)目錄本節(jié)目錄基本要求基本要求設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料疲勞破壞特征疲勞破壞特征 1.1.概念概念 鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載的作用，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強度，鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載的作用，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服強度時發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱甚至低于屈服強度時發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為為鋼材的疲勞鋼材的疲

41、勞。 2.2.疲勞破壞的機理疲勞破壞的機理 疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。 破壞過程：破壞過程：缺陷缺陷微觀裂紋微觀裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋斷裂。斷裂。 通常鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞屬于高周低應(yīng)變疲勞，即總應(yīng)通常鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞屬于高周低應(yīng)變疲勞，即總應(yīng)變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多，循環(huán)次數(shù)變幅小，破壞前荷載循環(huán)次數(shù)多，循環(huán)次數(shù)n n5 510104 4，應(yīng)進(jìn)行疲勞計算。應(yīng)進(jìn)行疲勞計算。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料相同點：相同點：突然斷裂，斷裂時名義應(yīng)力都低于屈服點突然斷裂，斷裂時名義應(yīng)力都低于屈服點不同點之一：不同點之一： 疲勞破壞疲勞破壞 裂

42、紋擴展穩(wěn)定，緩慢，多次反復(fù)加載裂紋擴展穩(wěn)定，緩慢，多次反復(fù)加載 脆性破壞脆性破壞 裂紋擴展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能裂紋擴展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能 破壞破壞不同點之二：不同點之二： 疲勞破壞疲勞破壞 斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)（疲勞區(qū)記載了裂斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)（疲勞區(qū)記載了裂 縫擴展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較縫擴展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較 清楚的疲好紋理，呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷清楚的疲好紋理，呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷 區(qū)真實反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴展削弱到區(qū)真實反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴展削弱到 一臨界尺寸時脆性斷裂的待點，瞬斷區(qū)晶粒一臨界尺寸時脆性斷裂的待點，瞬斷區(qū)晶粒 粗

43、亮）粗亮） 脆性破壞脆性破壞 閃光的晶粒狀閃光的晶粒狀 3 3. .疲勞破壞與脆性破壞比較疲勞破壞與脆性破壞比較設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料4 4. . 影響疲勞破壞的主要因素影響疲勞破壞的主要因素 構(gòu)造細(xì)節(jié)構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力集中程度和殘余應(yīng)力大小應(yīng)力集中程度和殘余應(yīng)力大小 荷載循環(huán)次數(shù)荷載循環(huán)次數(shù)5104次，驗算疲勞次，驗算疲勞 荷載引起的循環(huán)應(yīng)力特征荷載引起的循環(huán)應(yīng)力特征 應(yīng)力幅（焊接結(jié)構(gòu)）應(yīng)力幅（焊接結(jié)構(gòu)） 應(yīng)力比（非焊接結(jié)構(gòu)）應(yīng)力比（非焊接結(jié)構(gòu)）設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料5 5. .幾個概念幾個概念 循環(huán)荷載循環(huán)荷

44、載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時間變化的荷載。結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時間變化的荷載。應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)構(gòu)件截面應(yīng)力隨時間的變化。構(gòu)件截面應(yīng)力隨時間的變化。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力變結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時所經(jīng)歷的應(yīng)力變 化次數(shù)?；螖?shù)。應(yīng)力比應(yīng)力比循環(huán)應(yīng)力中最小的峰值應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力中最小的峰值應(yīng)力min與最大的峰與最大的峰值應(yīng)力值應(yīng)力max絕對值之比。絕對值之比。= min /max( (拉應(yīng)力取正號而拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號壓應(yīng)力取負(fù)號) )設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 應(yīng)力幅應(yīng)力幅在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大

45、到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅一次為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅: : = =maxmax- -minmin為常量為常量 常幅循環(huán)：常幅循環(huán)：為變量為變量 變幅循環(huán)：變幅循環(huán)： 此處此處max為最大拉應(yīng)力，取正值，為最大拉應(yīng)力，取正值，min為最小拉應(yīng)力或壓為最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。（拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號）應(yīng)力。（拉應(yīng)力取正號而壓應(yīng)力取負(fù)號） + +- -t t圖圖2.6.1設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 循環(huán)循環(huán)應(yīng)力譜應(yīng)力譜圖圖2.6.2 完全對稱循環(huán)完全對稱循環(huán)r r=f=fy yt t=minmin/ /max

46、max = = -1-1minminmaxmax+ +- -0 0圖圖2.6.3 脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)r r=f=fy yt t=minmin/ /max max =0=0+ +- -0 0設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 循環(huán)循環(huán)應(yīng)力譜應(yīng)力譜+ +- -圖圖2.6.5 不完全對稱循環(huán)二不完全對稱循環(huán)二以壓應(yīng)力為主以壓應(yīng)力為主r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax0 0圖圖2.6.4 不完全對稱循環(huán)一不完全對稱循環(huán)一以拉應(yīng)力為主以拉應(yīng)力為主r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max ma

47、x -1-1minminmaxmax+ +- -0 0設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.6.1 2.6.1 常幅疲勞常幅疲勞當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量時，稱為常幅疲勞。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量時，稱為常幅疲勞。 對焊接結(jié)構(gòu)：對焊接結(jié)構(gòu)：r r=f=fy yt t=minmin/ /maxmax=-1=-1minminmaxmax+ +- -0 0圖圖2.6.6fyfyfyfyfyfy圖圖2.6.7設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 可以看出，由于焊接殘余應(yīng)力焊縫附近主體金屬的可以看出，由于焊接殘余應(yīng)力焊縫附近主體金屬的最

48、大應(yīng)力已達(dá)最大應(yīng)力已達(dá) fy，因此，有，因此，有應(yīng)力增大時保持應(yīng)力增大時保持 fy不變不變應(yīng)力減小時從應(yīng)力減小時從minyyff名義應(yīng)力比名義應(yīng)力比minmax真實應(yīng)力比真實應(yīng)力比yyff設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 應(yīng)力幅對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度有很大影響，而與名應(yīng)力幅對焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度有很大影響，而與名義最大應(yīng)力義最大應(yīng)力max和應(yīng)力比和應(yīng)力比無關(guān)。無關(guān)。 可見，只要可見，只要為常數(shù)，不管名義為常數(shù)，不管名義為何值，真實為何值，真實也為常數(shù)，因此：也為常數(shù)，因此：1.1.容許應(yīng)力幅容許應(yīng)力幅 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件

49、或連接的應(yīng)力幅與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)n n的關(guān)系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的關(guān)系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的的-n曲線為平均曲線曲線為平均曲線( (圖圖a) )，取對數(shù)坐標(biāo)，取對數(shù)坐標(biāo)( (圖圖b) )。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料圖圖2.6.8 -n曲線曲線(a)0n2s2s 2s2s(b)0nlgn=5104n=5x106 lg.b b1 1設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 考慮試驗數(shù)據(jù)的離散性考慮試驗數(shù)據(jù)的離散性, ,取平均值減去取平均值減去2倍倍lgn的標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)差s作為疲勞強度下限，當(dāng)作為疲勞強度下限，當(dāng)

50、lg為正態(tài)分布時為正態(tài)分布時, ,保證率保證率為為97.7%。 則對應(yīng)疲勞壽命則對應(yīng)疲勞壽命n的容許應(yīng)力幅可由直線斜截式方程的容許應(yīng)力幅可由直線斜截式方程求出：求出：（y=kx+b） 取系數(shù)：取系數(shù)：lgc是延長直線與橫坐標(biāo)的交點是延長直線與橫坐標(biāo)的交點是直線的斜率是直線的斜率1設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料此時的此時的即為容許應(yīng)力幅：即為容許應(yīng)力幅：1(29)cn式中：系數(shù)式中：系數(shù)、c為不同構(gòu)件和連接類別的試驗參為不同構(gòu)件和連接類別的試驗參數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2 2.

51、. 常幅疲勞驗算常幅疲勞驗算(2 10) 式中：式中：計算部位的應(yīng)力幅計算部位的應(yīng)力幅 對于焊接結(jié)構(gòu)對于焊接結(jié)構(gòu): : =max-min 對于非焊接結(jié)構(gòu)：對于非焊接結(jié)構(gòu)：=max-0.7min( (折算應(yīng)力幅）折算應(yīng)力幅）max、min 計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和計算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和 最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（壓應(yīng)力取負(fù)值）。最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（壓應(yīng)力取負(fù)值）。常幅疲勞的容許應(yīng)力幅常幅疲勞的容許應(yīng)力幅設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料3 3. . 驗算驗算公式公式的幾點補充說明的幾點補充說明 （1 1）計算時用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。）計算時用荷載的標(biāo)

52、準(zhǔn)值。 （2 2）由于來源于試驗，已考慮動力效應(yīng)，計算時不）由于來源于試驗，已考慮動力效應(yīng)，計算時不再考慮動力系數(shù)。再考慮動力系數(shù)。 （3 3）公式同樣適用剪應(yīng)力情況驗算。）公式同樣適用剪應(yīng)力情況驗算。 （4 4）針對不同構(gòu)造和受力特點的鋼結(jié)構(gòu)和連接（應(yīng)）針對不同構(gòu)造和受力特點的鋼結(jié)構(gòu)和連接（應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力分布程度不同）力集中和殘余應(yīng)力分布程度不同）, ,gb50017-2003把把各種不同的構(gòu)造劃分為各種不同的構(gòu)造劃分為8個類別，給出了個類別，給出了8個類別的個類別的c、值。值。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)參數(shù)和和的取值的取值333333440.

53、410.650.961.472.183.268611940 101287654321構(gòu)件和連接類別構(gòu)件和連接類別圖圖2.6.9 疲勞容許應(yīng)力幅疲勞容許應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線123456784003002001008060105234 5 6 78910621065106107n/（n/mm2）設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 編號越大，其應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力情況越嚴(yán)重，其編號越大，其應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力情況越嚴(yán)重，其c值越小，容許應(yīng)力幅值越小，容許應(yīng)力幅越小。越小。 （5 5）鋼材種類不同，靜力強度差別較大，而公式中）鋼材種類不同

54、，靜力強度差別較大，而公式中 無差別。無差別。 試驗表明：試驗表明：對目前常用的構(gòu)件和連接，疲勞強度一對目前常用的構(gòu)件和連接，疲勞強度一般與所用鋼材的屈服強度無關(guān)般與所用鋼材的屈服強度無關(guān)。 所以，不能通過提高鋼材屈服強度來提高抗疲勞能力。所以，不能通過提高鋼材屈服強度來提高抗疲勞能力。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 （6 6）對非焊接結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力影響較小，疲勞壽）對非焊接結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力影響較小，疲勞壽命主要與最大應(yīng)力、應(yīng)力比有關(guān)，但為統(tǒng)一采用一種驗命主要與最大應(yīng)力、應(yīng)力比有關(guān)，但為統(tǒng)一采用一種驗算公式，引入了折算應(yīng)力幅概念。算公式，引入了折算應(yīng)力幅概念。

55、 （7 7）完全壓應(yīng)力狀態(tài)不驗算疲勞。）完全壓應(yīng)力狀態(tài)不驗算疲勞。 規(guī)范規(guī)定：規(guī)范規(guī)定：在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力部位可不計在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力部位可不計算疲勞算疲勞。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.6.3 2.6.3 變幅疲勞變幅疲勞 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機變化時為變幅疲勞。當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機變化時為變幅疲勞。i-121it圖圖2.6.10 變幅荷載循環(huán)變幅荷載循環(huán) 對于受隨機荷載作用的變幅疲勞計算，通常近似按對于受隨機荷載作用的變幅疲勞計算，通常近似按線性疲勞累積損傷原則將變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)線性疲勞累積損傷原則將變化的應(yīng)力幅折算成等效

56、常應(yīng)力幅力幅e，然后令，然后令設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料(2 11)e式中：式中：1()iieinn ni以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命；以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命； ni預(yù)期使用壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到預(yù)期使用壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到i的應(yīng)力的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。循環(huán)次數(shù)。 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅常幅疲勞的容許應(yīng)力幅設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料對于吊車梁，按下式計算其疲勞強度：對于吊車梁，按下式計算其疲勞強度：62 10(2 12)fn 欠載效應(yīng)系數(shù)欠載效應(yīng)系數(shù)。重級工作制硬鉤吊車。重級工作制硬鉤吊車1.0； 重級

57、工作制軟鉤吊車重級工作制軟鉤吊車0.8；中級工作制吊車；中級工作制吊車0.5。 f 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù) n=2106 的容許應(yīng)力幅。的容許應(yīng)力幅。6102 n 式中：式中：設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料注意：注意：（1 1）疲勞強度計算用容許應(yīng)力幅法，荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)）疲勞強度計算用容許應(yīng)力幅法，荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項系數(shù)和動力系數(shù)，而且應(yīng)力值，不考慮荷載分項系數(shù)和動力系數(shù)，而且應(yīng)力按彈性工作計算。按彈性工作計算。（2 2） 在完全壓應(yīng)力（不出現(xiàn)拉應(yīng)力）循環(huán)中，裂紋在完全壓應(yīng)力（不出現(xiàn)拉應(yīng)力）循環(huán)中，裂紋不會繼續(xù)發(fā)展，不會發(fā)生疲勞破壞，規(guī)范規(guī)定此不會繼

58、續(xù)發(fā)展，不會發(fā)生疲勞破壞，規(guī)范規(guī)定此種情況可不予驗算。種情況可不予驗算。（3 3）與鋼材的靜力強度和最大應(yīng)力無明顯關(guān)系，疲勞）與鋼材的靜力強度和最大應(yīng)力無明顯關(guān)系，疲勞容許應(yīng)力幅與鋼材牌號無關(guān)。容許應(yīng)力幅與鋼材牌號無關(guān)。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第第2.72.7節(jié)節(jié) 鋼材的種類和規(guī)格鋼材的種類和規(guī)格1. 1. 鋼材的種類鋼材的種類2. 2. 鋼材的選擇鋼材的選擇3. 3. 鋼材的規(guī)格鋼材的規(guī)格1.1.了解鋼材的種類、命名和選擇了解鋼材的種類、命名和選擇本節(jié)目錄本節(jié)目錄基本要求基本要求2.2.了解鋼材的主要規(guī)格了解鋼材的主要規(guī)格設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)

59、第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料2.7.1 2.7.1 鋼材的種類鋼材的種類 按用途鋼可分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼。按用途鋼可分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼。 按冶煉方法，鋼可分為轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐。按冶煉方法，鋼可分為轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐。 按照脫氧方法和程度的不同，可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)按照脫氧方法和程度的不同，可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 按化學(xué)成分，鋼又可分為碳素鋼和低合金鋼。按化學(xué)成分，鋼又可分為碳素鋼和低合金鋼。 1 1. .碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 命名方式命名方式: :由四部分組成由四部分組成，依次是，依次是屈服點的字母屈服點的字母q、屈服點數(shù)

60、值、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號，如，如q235-af。設(shè)計原理設(shè)計原理鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)第二章第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料 說明說明：（：（1 1）質(zhì)量等級符號質(zhì)量等級符號a、b、c、d是根據(jù)鋼是根據(jù)鋼材的化學(xué)成分和沖擊韌性不同共化分為材的化學(xué)成分和沖擊韌性不同共化分為4個等級。個等級。 q235-質(zhì)量等級質(zhì)量等級（a、b、c、d） 脫氧方法脫氧方法（f、z、b、tz） a 保證保證fu、fy、，p、s含量含量 b 保證保證fu,fy, ,冷彎，常溫時冷彎，常溫時cv，p，s，c含量；含量； c 保證保證 fu,fy, ,冷彎，冷彎，0oc時時cv，p，s，