南京鋼結構課件

1、鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure1 1、鋼結構對材料的要求、鋼結構對材料的要求（1 1） 較高的抗拉強度較高的抗拉強度f fu u和屈服點和屈服點f fy y（2 2） 塑性、沖擊韌性好塑性、沖擊韌性好（3 3） 冷加工性能好冷加工性能好（4 4） 可焊性好可焊性好（5 5） 耐久性好耐久性好第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設

2、計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure2 2、鋼材的生產、鋼材的生產鋼材的生產大致分為鋼材的生產大致分為煉鐵煉鐵、煉鋼煉鋼和和軋制軋制三道工序。三道工序。電爐鋼電爐鋼是利用電熱原理，在電弧爐內冶煉。（質量好，但耗電是利用電熱原理，在電弧爐內冶煉。（質量好，但耗電量大，成本高，一般只用來冶煉特種用途的鋼材。）量大，成本高，一般只用來冶煉特種用途的鋼材。） 煉鋼爐有三種形式：煉鋼爐有三種形式：轉爐轉爐、平爐平爐和和電爐電爐。轉爐鋼轉爐鋼是利用高壓空氣或氧氣使爐內生鐵熔液的碳和其它雜物是利用高壓空氣或氧氣使爐內生鐵熔液的碳和其它雜物氧化，在高溫

3、下使鐵液變?yōu)殇撘貉趸?，在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘?。（生產周期短，效率高，質量好，成。（生產周期短，效率高，質量好，成本低，已經成為國內外發(fā)展最快的煉鋼方法。）本低，已經成為國內外發(fā)展最快的煉鋼方法。）平爐鋼平爐鋼是利用煤氣和其它燃料供應熱能，把廢鋼、生鐵熔液或是利用煤氣和其它燃料供應熱能，把廢鋼、生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼。（生產周期長，效率鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼。（生產周期長，效率低，成本高，現(xiàn)已逐步被轉爐鋼所取代。）低，成本高，現(xiàn)已逐步被轉爐鋼所取代。） （1 1）煉）煉 鋼鋼第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Materi

4、al of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 澆注是指把熔煉好的鋼液做成鋼錠或鋼坯。澆注是指把熔煉好的鋼液做成鋼錠或鋼坯。 用用連續(xù)鑄造法連續(xù)鑄造法生產鋼坯的工藝和設備，由于機械化、自動化生產鋼坯的工藝和設備，由于機械化、自動化程度高的優(yōu)勢，已經逐漸取代了笨重而復雜的程度高的優(yōu)勢，已經逐漸取代了笨重而復雜的鑄錠鑄錠工藝和設備。工藝和設備。 鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不均勻并發(fā)生熱脆，降鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不均勻并發(fā)生熱脆，降低鋼材的力學性能。低鋼材的力學性能。 按照鋼液在煉鋼爐

5、中進行脫氧的方法和程度不同，碳素結構鋼按照鋼液在煉鋼爐中進行脫氧的方法和程度不同，碳素結構鋼可分為可分為沸騰鋼沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼和和特殊鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼。 （2 2） 澆澆 注注（3 3）脫）脫 氧氧第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure在在錳和硅錳和硅脫氧后，再用脫氧后，再用鋁鋁補充脫氧，其脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼。補充脫氧，其脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼。 沸沸 騰騰 鋼鋼采用的脫氧劑為脫氧能力較弱的采用的脫氧

6、劑為脫氧能力較弱的錳錳，因此脫氧不完全，且澆，因此脫氧不完全，且澆注時會有氣體逸出，出現(xiàn)鋼液的沸騰現(xiàn)象，由于沸騰鋼在鑄模中注時會有氣體逸出，出現(xiàn)鋼液的沸騰現(xiàn)象，由于沸騰鋼在鑄模中冷卻很快，氣體逸出不完全，凝固后的鋼材中留有較多的雜質和冷卻很快，氣體逸出不完全，凝固后的鋼材中留有較多的雜質和氣體，鋼的質量較差。氣體，鋼的質量較差。鎮(zhèn)鎮(zhèn) 靜靜 鋼鋼采用采用錳加硅錳加硅做脫氧劑，脫氧較完全，由于硅在還原的過程中做脫氧劑，脫氧較完全，由于硅在還原的過程中會產生熱量，使鋼液冷卻緩慢，讓氣體充分逸出，鋼的質量好，會產生熱量，使鋼液冷卻緩慢，讓氣體充分逸出，鋼的質量好，但成本高。但成本高。 半半 鎮(zhèn)鎮(zhèn) 靜靜

7、 鋼鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度和鋼材質量介于上述二者之間。脫氧程度和鋼材質量介于上述二者之間。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure（4 4）加工（）加工（熱加工熱加工、冷加工冷加工和和熱處理熱處理 ） 熱處理熱處理 指通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼材的組指通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼材的組織結構發(fā)生變化，以獲得所需性能的加工工藝。（退火、織結構發(fā)生變化，以獲得所需性能的加工工藝。（退火、正火、淬火

8、和回火）正火、淬火和回火） 熱加工熱加工 指將鋼坯加熱至塑性狀態(tài)，依靠外力改變其形狀，指將鋼坯加熱至塑性狀態(tài)，依靠外力改變其形狀，生產出各種厚度的鋼板和型鋼。（熱加工的開軋和鍛生產出各種厚度的鋼板和型鋼。（熱加工的開軋和鍛壓溫度控制在壓溫度控制在1150-1300 1150-1300 ） 冷加工冷加工 指在常溫下對鋼材進行加工。（指在常溫下對鋼材進行加工。（冷作硬化現(xiàn)象冷作硬化現(xiàn)象） 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structu

9、re3 3、鋼材的主要性能、鋼材的主要性能3.1 3.1 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式特特 征征斷斷 口口后后 果果 塑性破壞塑性破壞（延性破壞）（延性破壞）構件應力超過屈構件應力超過屈服點，并且達到服點，并且達到抗拉極限強度后，抗拉極限強度后，構件產生明顯的構件產生明顯的變形并斷裂。變形并斷裂。常為杯形，呈纖常為杯形，呈纖維狀，色澤發(fā)暗。維狀，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在破壞前無明顯變形，平均應力變形，平均應力也?。ㄒ话愣夹∫残。ㄒ话愣夹∮谇c），

10、沒于屈服點），沒有任何預兆。有任何預兆。平直和呈有光澤平直和呈有光澤的晶粒。的晶粒。突然發(fā)生的，危突然發(fā)生的，危險性大，應盡量險性大，應盡量避免。避免。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure3.2 3.2 單向拉伸時的工作性能單向拉伸時的工作性能 （1 1）試驗條件）試驗條件 （a a）試件的尺寸要符合國家標準，表面光滑，沒有孔洞、刻槽）試件的尺寸要符合國家標準，表面光滑，沒有孔洞、刻槽等缺陷。試件的標定長度取其直徑的

11、等缺陷。試件的標定長度取其直徑的5 5或或1010倍。倍。（b b）荷載要分級逐次增加，直到試件破壞。）荷載要分級逐次增加，直到試件破壞。（c c）試驗溫度要控制在室溫）試驗溫度要控制在室溫2020左右。左右。 Lod d 標準試件標準試件第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure （2 2）鋼材的應力）鋼材的應力- -應變關系應變關系 A. A. 有屈服點鋼材有屈服點鋼材s-es-e曲線可以分為四個階段：曲線可以分為四個

12、階段： ( (a) )彈性階段彈性階段( (OB段段) )usesOAsesEBCDAEys 單調拉伸應力單調拉伸應力- -應變曲線應變曲線OAOA段段：純彈性階段：純彈性階段s s=E=Ee eA A點對應的應力：點對應的應力：s sp p （比例極限）（比例極限）ABAB段段：有一定的塑性：有一定的塑性變形變形, , 但整個但整個OBOB段卸載時段卸載時, , e e=0=0B B點對應的應力：點對應的應力：s se （彈性極限彈性極限）第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Desig

13、n Principles of Steel Structure（b）屈服階段屈服階段（BCD)塑性變形塑性變形：卸載后試件：卸載后試件不能完全恢復原來的長不能完全恢復原來的長度。不能恢復的這一部度。不能恢復的這一部分變形稱為塑性變形。分變形稱為塑性變形。 屈服點（屈服強度）屈服點（屈服強度）：屈服階段曲線波動部分屈服階段曲線波動部分的最低值。的最低值。 流幅流幅：從屈服階段的開：從屈服階段的開始到曲線再度上升的應始到曲線再度上升的應變幅度稱為流幅。變幅度稱為流幅。 特點特點：應力與應變不再成正比關系，應變增加很快，應力：應力與應變不再成正比關系，應變增加很快，應力- -應變曲線呈鋸齒形波動，應

14、變曲線呈鋸齒形波動，出現(xiàn)應力不增加而應變仍然在繼續(xù)發(fā)展。出現(xiàn)應力不增加而應變仍然在繼續(xù)發(fā)展。usesOAsesEBCDAEys第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure（c c）強化階段）強化階段(DE(DE段段) )隨荷載的增加隨荷載的增加緩慢增大緩慢增大, ,但但增加較快增加較快抗拉強度（極限強度）抗拉強度（極限強度）fu 試件所能承受的最大拉應力試件所能承受的最大拉應力（d d）頸縮階段）頸縮階段(EF(EF段段)

15、)usesOAsesEBCDAEys截面出現(xiàn)了橫向收截面出現(xiàn)了橫向收縮，截面面積開始縮，截面面積開始顯著縮小，塑性變顯著縮小，塑性變形迅速增大，應力形迅速增大，應力不斷降低，變形卻不斷降低，變形卻延續(xù)發(fā)展，直至延續(xù)發(fā)展，直至F F點點試件斷裂。試件斷裂。 F F第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel StructureB.B.對無明顯屈服點的鋼材對無明顯屈服點的鋼材 設計時以卸載后試件中殘余應變?yōu)樵O計時以卸載后試件中殘余應變?yōu)?.20.2

16、所對應的應力所對應的應力 作為屈服點作為屈服點“條件屈服點條件屈服點”或或“名義屈服點名義屈服點”sefy=f0.20.2%fup 無屈服點鋼材的應力無屈服點鋼材的應力- -應變曲線應變曲線沒有明顯屈服點的沒有明顯屈服點的鋼鋼材在拉伸過程中沒有材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形屈服階段，塑性變形小，破壞突然。小，破壞突然。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure3.3 3.3 單向拉伸時鋼材的機械性能指標單向拉伸時鋼

17、材的機械性能指標 （1 1）屈服點屈服點f fy y應力應變曲線開始產生塑性流動時對應的應應力應變曲線開始產生塑性流動時對應的應力（取屈服階段波動部分的應力最低值），它是衡量鋼材的力（取屈服階段波動部分的應力最低值），它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。（2 2）抗拉強度抗拉強度f fu u應力應變曲線最高點對應的應力，它應力應變曲線最高點對應的應力，它是鋼材破壞前所能承受的最大應力。是鋼材破壞前所能承受的最大應力。（3 3）鋼材的塑性鋼材的塑性當應力超過屈服點后，鋼材能產生顯著當應力超過屈服點后，鋼材能產生顯著的殘余變形（塑性變形）而

18、不立即斷裂的性質。塑性好壞可的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質。塑性好壞可用用斷面收縮率斷面收縮率 和伸長率和伸長率 表示，通過靜力拉伸試驗得到。表示，通過靜力拉伸試驗得到。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure（4 4）伸長率伸長率試件試件斷裂前斷裂前的永久變形與原標定長度的百比。的永久變形與原標定長度的百比。LodNNNLdN%100001-llll0 原標距長原標距長l1 拉斷后標距長度拉斷后標距長度d0

19、 試件直徑試件直徑試件有兩種標距：試件有兩種標距：l0/ d0=5 和和 l0/ d0=10 相應的伸長率用相應的伸長率用5和和10表示。伸長率表示。伸長率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。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure（5 5）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

20、分比?？s小值與原斷面面積比值的百分比。 %100110-AAA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)的斷面面試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積積 斷面收縮率斷面收縮率 越大，鋼材的塑性越好。由于在測量試件的斷面面積時容易越大，鋼材的塑性越好。由于在測量試件的斷面面積時容易產生較大的誤差，因而鋼材塑性指標仍然采用伸長率作為保證要求。產生較大的誤差，因而鋼材塑性指標仍然采用伸長率作為保證要求。A0A1第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Prin

21、ciples of Steel Structure3.4 3.4 應力應變曲線的簡化應力應變曲線的簡化曲線簡化的依據：曲線簡化的依據：1 1）鋼材在屈服點之前的性質）鋼材在屈服點之前的性質接近理想的彈性體。接近理想的彈性體。2 2）屈服點之后的流幅現(xiàn)象又）屈服點之后的流幅現(xiàn)象又接近理想的塑性體，并且流幅接近理想的塑性體，并且流幅的范圍（的范圍（e e0.150.15-2.5-2.5）已足夠用來考慮結構或構件的已足夠用來考慮結構或構件的塑性變形的發(fā)展。塑性變形的發(fā)展。2.5% fy 00.15% 簡化的應力應變曲線簡化的應力應變曲線鋼材是符合理想中的彈性鋼材是符合理想中的彈性- -塑性材料塑性材

22、料 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure3.5 3.5 鋼材的其它性能鋼材的其它性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質量的綜合指標。力和冶金質量的綜合指標。1.1.冷彎性能冷彎性能鋼材在冷加工（常溫下加工）鋼材在冷加工（常溫下加工）產生塑性變形時，對發(fā)生裂縫產生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。的抵抗能力。 鑒別指標鑒別指標：通過冷彎沖頭加壓。：通過冷彎沖頭加壓。當試件彎曲至當試件彎

23、曲至180180時，檢察試件時，檢察試件彎曲部分的外面、里面和側面，彎曲部分的外面、里面和側面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認為試件冷彎性能合格。認為試件冷彎性能合格。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure2.2.沖擊韌性沖擊韌性韌性韌性 鋼材在塑性變形和斷裂過程中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。韌能量

24、（彈性和非彈性能）來表示。韌性指標用沖擊韌性值表示，沖擊韌性性指標用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功，用符號也叫沖擊功，用符號W Wkvkv或或C Cv v表示，單表示，單位為位為J J。 沖擊韌性試驗沖擊韌性試驗 一般采用試件長一般采用試件長55mm55mm，截面，截面101010mm10mm2 2，中間一小，中間一小槽。在擺錘式沖擊試驗機上進行試槽。在擺錘式沖擊試驗機上進行試驗，沖斷試件后，讀出擺錘消耗的驗，沖斷試件后，讀出擺錘消耗的功。功。 沖擊韌性試驗沖擊韌性試驗第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設

25、計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure沖擊試驗試件的缺口形式沖擊試驗試件的缺口形式沖擊韌性與試件刻槽（缺口）有關，常用缺口形式為夏氏沖擊韌性與試件刻槽（缺口）有關，常用缺口形式為夏氏V V型，夏氏型，夏氏鑰孔型和梅氏鑰孔型和梅氏U U型，我國國家標準規(guī)定：沖擊試驗缺口采用夏氏型，我國國家標準規(guī)定：沖擊試驗缺口采用夏氏V V型。型。 沖擊試驗試件的缺口形式沖擊試驗試件的缺口形式沖擊韌性還與試驗的沖擊韌性還與試驗的溫度有關。我國鋼材溫度有關。我國鋼材標準中將試驗分為四標準中將試驗分為四檔，即檔，即+20, 0+20, 0，- -2020和和-

26、40-40時的沖擊時的沖擊韌性。溫度越低，沖韌性。溫度越低，沖擊韌性越低。擊韌性越低。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure3.3.可焊性可焊性 好的可焊性是指焊接安全、可靠、不發(fā)生焊接裂縫，焊接接頭好的可焊性是指焊接安全、可靠、不發(fā)生焊接裂縫，焊接接頭和焊縫的沖擊韌性以及熱影響區(qū)的塑性和力學性能都不低于母材。和焊縫的沖擊韌性以及熱影響區(qū)的塑性和力學性能都不低于母材。 影響鋼材可焊性的因素影響鋼材可焊性的因素 鋼材的可

27、焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.12%0.12%0.20%0.20%范圍內的碳素鋼，可焊性最好（如范圍內的碳素鋼，可焊性最好（如Q235BQ235B）。對于高強度低合金鋼中，低合）。對于高強度低合金鋼中，低合金元素大多對可焊性有不利影響，我國行業(yè)標準金元素大多對可焊性有不利影響，我國行業(yè)標準JGJ81-2002JGJ81-2002建筑鋼結構建筑鋼結構焊接技術規(guī)程焊接技術規(guī)程推薦使用碳當量來衡量低合金鋼的可焊性。當碳當量小于推薦使用碳當量來衡量低合金鋼的可焊性。當碳當量小于0.38%0.38%，鋼材的可焊性好，鋼材的可焊性好( (如

28、如Q345)Q345)，可不采取措施直接施焊。，可不采取措施直接施焊。 15ui5or6nECNVMCMCC（2.3）第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure鋼材的機械性能指標鋼材的機械性能指標1 1、抗拉強度、抗拉強度 fu2 2、屈服點、屈服點 fy3 3、伸長率、伸長率5 5、冷彎性能、冷彎性能( (冷彎冷彎1801800 0) )6 6、沖擊韌性、沖擊韌性( (常溫或低常溫或低溫下的溫下的Akv) 小小 節(jié)節(jié)第二

29、章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure3.6 3.6 在復雜應力作用下鋼材的屈服條件在復雜應力作用下鋼材的屈服條件第四能量強度理論第四能量強度理論 材料由彈性轉入塑性的強度指標用變形時材料由彈性轉入塑性的強度指標用變形時單位體積中積聚的能量來表達單位體積中積聚的能量來表達推導推導 當復雜應力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，當復雜應力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時的變形能時，鋼材即由彈性轉入塑性。鋼材即由彈性轉入塑性。os

30、xszsyyzyxxyxzzyzxZXY單元體受復雜應力單元體受復雜應力狀態(tài)下的分量狀態(tài)下的分量s1s1s2s2s3s3單元體受單元體受主應力主應力鋼材單元體上的復雜應力狀態(tài)鋼材單元體上的復雜應力狀態(tài)第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 在三向應力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的條件，在三向應力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的條件，可以用折算應力和鋼材在單向應力時的屈服點相比較來判斷?？梢杂谜鬯銘弯摬?/p>

31、在單向應力時的屈服點相比較來判斷。2222223zxyzxyxzzyyxzyxeqssssssssss-用主應力用主應力 、 、 表示時，有表示時，有: :1s2s3syeqf-)(133221232221ssssssssss)()()(21213232221sssssss-eq或或當當時鋼材處于彈性階段，時鋼材處于彈性階段，時鋼材處于塑性階段。時鋼材處于塑性階段。yeqfsyeqfs第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structu

32、re 當鋼材厚度較薄時，厚度方向的應力很小，?？珊雎圆挥?，這當鋼材厚度較薄時，厚度方向的應力很小，?？珊雎圆挥?，這時三向應力狀態(tài)可以簡化為平面應力狀態(tài)時三向應力狀態(tài)可以簡化為平面應力狀態(tài)： yxyyxyxeqf-2223sssss一般梁中只存在正應力一般梁中只存在正應力和剪應力和剪應力，則上式可寫為：，則上式可寫為：yeqf223ss純剪時純剪時=0=0 則有：則有：yeqfs332yyff58. 031 即鋼材的剪切屈服點是拉伸屈即鋼材的剪切屈服點是拉伸屈服點服點f fy y的的0.58 0.58 倍倍第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Ste

33、el Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure不同受力狀態(tài)對鋼材材性的影響不同受力狀態(tài)對鋼材材性的影響（a a）單向拉伸單向拉伸（b b）雙向拉伸雙向拉伸（c c）雙向異號應力雙向異號應力分析結果：分析結果： （1 1）相對于單向拉伸而言，鋼材在鋼）相對于單向拉伸而言，鋼材在鋼材在雙向拉力作用下屈服點和抗拉強度材在雙向拉力作用下屈服點和抗拉強度提高，但是塑性下降。提高，但是塑性下降。 雙向應力作用下對雙向應力作用下對鋼材材性的影響鋼材材性的影響0yfbyfcyf(a)(b)(c)（3 3）主應力異號時，易屈服，破壞

34、呈）主應力異號時，易屈服，破壞呈塑性，差別越大越明顯。塑性，差別越大越明顯。 （2 2）主應力同號時，不易屈服，塑性）主應力同號時，不易屈服，塑性下降，越接近越明顯。下降，越接近越明顯。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4. 4. 各種因素對鋼材的影響各種因素對鋼材的影響4.1 4.1 化學成份的影響化學成份的影響鋼材的化學成分直接影響鋼的組織構造，從而影響鋼材的鋼材的化學成分直接影響鋼的組織構造，從而影響鋼材的力

35、學性能。鐵（力學性能。鐵（FeFe）是鋼材的基本元素，普通碳素鋼中占）是鋼材的基本元素，普通碳素鋼中占99%99%，此外還有碳（，此外還有碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、錳（）、錳（MnMn）等有益元素，）等有益元素，及硫（及硫（S S）、磷（）、磷（P P）、氧（）、氧（O O）、氮（）、氮（N N）等有害元素，這）等有害元素，這些總含量不大，約些總含量不大，約1%1%，但對鋼材力學性能卻有很大影響。，但對鋼材力學性能卻有很大影響。低合金鋼中有低合金鋼中有5%5%的合金元素，如銅的合金元素，如銅(Cu)(Cu)、釩、釩(V)(V)、鈦、鈦(Ti)(Ti)、鈮、鈮(Nb(Nb) )、鉻、

36、鉻(Cr)(Cr)等。等。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure1.1. 碳（碳（C C）：形成鋼材強度的主要成分，隨其含量增加，強形成鋼材強度的主要成分，隨其含量增加，強度增加，塑性和韌性降低，可焊性和抗腐蝕性降低。度增加，塑性和韌性降低，可焊性和抗腐蝕性降低。 碳素鋼按碳含量區(qū)分，小于碳素鋼按碳含量區(qū)分，小于0.250.25的為低碳鋼，介于的為低碳鋼，介于0.250.25和和0.60.6之間的為中碳鋼，大于之間的

37、為中碳鋼，大于0.60.6的為高碳鋼。的為高碳鋼。鋼結構用鋼中，碳含量一般控制在鋼結構用鋼中，碳含量一般控制在0.22%0.22%以下，當其含量以下，當其含量在在0.20.2以下時，可焊性良好。以下時，可焊性良好。 2. 2. 硫（硫（S S）：鋼材中的有害元素，具有熱脆性（溫度達到鋼材中的有害元素，具有熱脆性（溫度達到800-1000800-1000時，硫化鐵會熔化使鋼材變脆，從而引發(fā)熱裂時，硫化鐵會熔化使鋼材變脆，從而引發(fā)熱裂紋）。規(guī)范規(guī)定結構用鋼中硫的含量不得超過紋）。規(guī)范規(guī)定結構用鋼中硫的含量不得超過0.05%0.05%。3. 3. 氧（氧（O O）：有害雜質，與：有害雜質，與S S相

38、似。相似。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.4.磷（磷（P P）：磷在一定程度上可提高鋼的強度和抗銹蝕的能力。鋼磷在一定程度上可提高鋼的強度和抗銹蝕的能力。鋼材中的有害元素，具有冷脆性（溫度較低時促使鋼材變脆）。因此，材中的有害元素，具有冷脆性（溫度較低時促使鋼材變脆）。因此，磷的含量也要嚴格控制，規(guī)范中規(guī)定不得超過磷的含量也要嚴格控制，規(guī)范中規(guī)定不得超過0.045%0.045%。5.5.氮（氮（N N）：有

39、害雜質，：有害雜質，與與P P相似相似。6.6.錳（錳（MnMn）：有益元素。在普通碳素鋼中，是一種弱脫氧劑，可提有益元素。在普通碳素鋼中，是一種弱脫氧劑，可提高鋼材強度，與高鋼材強度，與S S形成形成MnSMnS，熔點，熔點16001600，可以消除硫對鋼材的熱脆，可以消除硫對鋼材的熱脆影響。影響。 7.7.硅（硅（SiSi）：有益元素。在普通碳素鋼中，是一種強脫氧劑，常與有益元素。在普通碳素鋼中，是一種強脫氧劑，常與錳共同除氧，生成鎮(zhèn)靜鋼。錳共同除氧，生成鎮(zhèn)靜鋼。 8.8.釩（釩（V V）：合金元素。細化晶粒，提高強度，其碳化物具有高溫：合金元素。細化晶粒，提高強度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性

40、，適用于受荷較大的焊接結構。穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結構。9.9.銅（銅（CuCu）：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.2 4.2 冶金缺陷的影響冶金缺陷的影響 1.1.偏析偏析 金屬結晶后化學成分分布不均勻的現(xiàn)象。主要金屬結晶后化學成分分布不均勻的現(xiàn)象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊是硫、磷偏析，其后

41、果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變壞。性變壞。3.3.裂紋裂紋 鋼材中存在的微觀裂紋。鋼材中存在的微觀裂紋。 2.2.非金屬夾雜非金屬夾雜 指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆。氧化物，他們使鋼材性能變脆。4.4.氣泡氣泡 澆鑄時由澆鑄時由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO氣體不能充分逸氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。5.5.分層分層 澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層。澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Ch

42、apter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.3 4.3 鋼材的硬化鋼材的硬化冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加載使鋼材產生較大的塑性變形的情況下，在冷加工或一次加載使鋼材產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，塑性和韌性降低的現(xiàn)象卸載后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象 。時效硬化時效硬化隨著時間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔隨著時間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提

43、高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象物質析出，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 。 在交變荷載、重復荷載和溫度變化等情況下，會加速時效硬在交變荷載、重復荷載和溫度變化等情況下，會加速時效硬化的發(fā)展。化的發(fā)展。 應變時效硬化應變時效硬化鋼材產生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體晶體中的鋼材產生一定數(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，從而使已經冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬固溶碳和氮更容易析出，從而使已經冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現(xiàn)象?；F(xiàn)象。 在高溫作用下會快速發(fā)展在高溫作用下會快速發(fā)展（人工時效）（人工時效） 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Mate

44、rial of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure 硬化對鋼材性能的影響硬化對鋼材性能的影響a)時效硬化及冷作硬化時效硬化及冷作硬化b) 應變時效硬化應變時效硬化第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.4 4.4 應力集中的影響應力集中的影響 在鋼結構構件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變在鋼結構構件中不可

45、避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化和內部缺陷等，此時截面中的應力分布不再保持均勻，而是化、形狀變化和內部缺陷等，此時截面中的應力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產生局部高峰應力，形成所謂在一些區(qū)域產生局部高峰應力，形成所謂應力集中應力集中現(xiàn)象。現(xiàn)象。 應力集中現(xiàn)象應力集中現(xiàn)象第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力應變曲線應變曲線 應力集中對

46、應力集中對-曲線曲線關系的影響關系的影響 可以看出截面槽可以看出截面槽口改變愈急劇，應口改變愈急劇，應力集中現(xiàn)象愈厲害，力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，其抗拉強度愈高，但塑性愈差，破壞但塑性愈差，破壞的脆性傾向愈大。的脆性傾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10測距10010100600700500400300200100第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.5 4.5 荷載類型的影響荷載類型的

47、影響荷載可分為靜力和動力兩大類荷載可分為靜力和動力兩大類1.1.加荷速度的影響加荷速度的影響 這是加載過程中出現(xiàn)的問題。加荷速度過快，構件來不及變這是加載過程中出現(xiàn)的問題。加荷速度過快，構件來不及變形，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溫下大得多。影響要比常溫下大得多。 因此，試驗時需規(guī)定加載速度；靜力加載試驗一般應加載因此，試驗時需規(guī)定加載速度；靜力加載試驗一般應加載5 5分分鐘后再讀數(shù)據。鐘后再讀數(shù)據。2.2.循環(huán)荷載的影響循環(huán)荷載的影響 鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷，產生裂紋及鋼材在連續(xù)交變荷

48、載作用下，會逐漸累積損傷，產生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后破壞裂紋逐漸擴展，直到最后破壞（疲勞破壞）（疲勞破壞）。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.6 4.6 溫度的影響溫度的影響正溫范圍：正溫范圍：（1 1）溫度在）溫度在150150以內，鋼材材以內，鋼材材質變化很小，鋼結構可用于溫度質變化很小，鋼結構可用于溫度不高于不高于150150的場合。的場合。（2 2）溫度在）溫度在250250左右的區(qū)間內左右的區(qū)間

49、內出現(xiàn)出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象藍脆現(xiàn)象，fu 有局部性提高，有局部性提高，同時塑性降至最低，材料有轉脆同時塑性降至最低，材料有轉脆傾向。傾向。（3 3）當溫度達到）當溫度達到600600時，鋼材時，鋼材進入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴重，進入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴重，將喪失承載能力。將喪失承載能力。 溫度對鋼材力學性能的影響溫度對鋼材力學性能的影響)/(2mmNs(%)fufyE負溫范圍：負溫范圍：隨著溫度的降低，鋼材的強度提高，而塑性和韌性降低，隨著溫度的降低，鋼材的強度提高，而塑性和韌性降低，逐漸變脆，稱為鋼材的逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆低溫冷脆。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十

50、分敏感。分敏感。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure沖擊韌性和溫度關系示意圖沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞脆性破壞兩種破兩種破壞均有壞均有塑性破壞塑性破壞轉變溫轉變溫度區(qū)度區(qū)沖擊斷裂功沖擊斷裂功試驗溫度試驗溫度T1T0T2（1 1）沖擊功曲線的反彎點）沖擊功曲線的反彎點T T0 0稱為稱為轉變溫度轉變溫度。界限溫度。界限溫度T T1 1和和T T2 2分別為分別為脆性轉變溫度脆性轉變溫度和和全塑性轉變溫度全塑性轉

51、變溫度。（2 2）鋼材由塑性破壞轉變?yōu)椋╀摬挠伤苄云茐霓D變?yōu)榇嘈云茐氖窃跍囟葏^(qū)間脆性破壞是在溫度區(qū)間T T1 1 T T2 2內完成的，此溫度區(qū)間稱為內完成的，此溫度區(qū)間稱為鋼材的鋼材的脆性轉變溫度區(qū)脆性轉變溫度區(qū)。（3 3）在脆性轉變溫度以下，鋼材表現(xiàn)為）在脆性轉變溫度以下，鋼材表現(xiàn)為完全的脆性破壞；而在全塑性轉變溫度以完全的脆性破壞；而在全塑性轉變溫度以上，鋼材則表現(xiàn)為完全的塑性破壞。上，鋼材則表現(xiàn)為完全的塑性破壞。（4 4）不同牌號和等級的鋼材具有不同的轉變溫度區(qū)和轉變溫度，均應通過試驗來確定。）不同牌號和等級的鋼材具有不同的轉變溫度區(qū)和轉變溫度，均應通過試驗來確定。在鋼結構設計中，為了

52、防止脆性破壞，選用鋼材時應使其工作溫度大于在鋼結構設計中，為了防止脆性破壞，選用鋼材時應使其工作溫度大于T T1 1, ,接近接近T T0 0。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure4.7 4.7 防止脆性斷裂的方法防止脆性斷裂的方法外因外因 鋼材在構造和加工工程中引起的鋼材在構造和加工工程中引起的應力集中應力集中、低溫影響低溫影響、動力荷動力荷 載的作用載的作用、冷作硬化冷作硬化和和應變時效硬化應變時效硬化等等 內因

53、內因 鋼材的鋼材的化學成分化學成分、組織構造組織構造和和缺陷缺陷等等(1(1）合理的選用鋼材）合理的選用鋼材; ; (2(2）對于低溫工作和受動力荷載的鋼結構，應使所選鋼材的脆性轉變溫度）對于低溫工作和受動力荷載的鋼結構，應使所選鋼材的脆性轉變溫度低于結構的工作溫度低于結構的工作溫度; ;(3) (3) 盡量使用較薄的型鋼和板材，使其具有良好的沖擊韌性盡量使用較薄的型鋼和板材，使其具有良好的沖擊韌性; ;(4(4）設計時結構的構造要合理，避免構件截面的突然改變，使之能均勻、）設計時結構的構造要合理，避免構件截面的突然改變，使之能均勻、連續(xù)的傳遞應力，從而減小構件的應力集中。連續(xù)的傳遞應力，從而

54、減小構件的應力集中。影響鋼材出現(xiàn)脆性破壞的因素影響鋼材出現(xiàn)脆性破壞的因素合合 理理 設設 計計第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure正正 確確 制制 造造(1) (1) 嚴格按照設計要求進行制作，不得隨意進行鋼材代換，不得隨嚴格按照設計要求進行制作，不得隨意進行鋼材代換，不得隨意將螺栓連接該為焊接連接，不得隨意加大焊縫厚度。意將螺栓連接該為焊接連接，不得隨意加大焊縫厚度。(2) (2) 為了避免冷作硬化現(xiàn)象的發(fā)生，應采

55、用鉆孔或沖孔后再擴鉆的為了避免冷作硬化現(xiàn)象的發(fā)生，應采用鉆孔或沖孔后再擴鉆的方法，以及對剪切邊進行刨邊。方法，以及對剪切邊進行刨邊。(3) (3) 為了減少焊接殘余應力導致的應力集中，應該制定合理的焊接為了減少焊接殘余應力導致的應力集中，應該制定合理的焊接工藝和技術措施，并由考試合格的焊工施焊，必要時可采用熱處工藝和技術措施，并由考試合格的焊工施焊，必要時可采用熱處理方法消除主要構件中的焊接殘余應力。理方法消除主要構件中的焊接殘余應力。(4) (4) 焊接中不得在構件上任意打火起弧，影響焊接的質量，應按照焊接中不得在構件上任意打火起弧，影響焊接的質量，應按照規(guī)范的要求進行。規(guī)范的要求進行。 第

56、二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure合合 理理 使使 用用(1) (1) 不得隨意改變結構使用用途或超負荷使用結構。不得隨意改變結構使用用途或超負荷使用結構。(2) (2) 原設計在室溫工作的結構，在冬季停產時要注意保暖。原設計在室溫工作的結構，在冬季停產時要注意保暖。(3) (3) 不要在主要結構上任意焊接或附加零件懸掛物。不要在主要結構上任意焊接或附加零件懸掛物。(4) (4) 避免因生產和運輸不當對結構造成的撞擊

57、或機械損傷。避免因生產和運輸不當對結構造成的撞擊或機械損傷。(5) (5) 平時對結構應注意檢察和維護。平時對結構應注意檢察和維護。 第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure5. 5. 鋼材的疲勞鋼材的疲勞5.1 5.1 疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征定義定義：鋼材在循環(huán)荷載作用下，應力雖然低于極限強度，甚至低于屈服強度，鋼材在循環(huán)荷載作用下，應力雖然低于極限強度，甚至低于屈服強度，但仍然會發(fā)生斷裂破壞，這種破壞形式就稱為

58、疲勞破壞。但仍然會發(fā)生斷裂破壞，這種破壞形式就稱為疲勞破壞。破壞過程破壞過程：裂紋的形成裂紋的形成-裂紋的擴展裂紋的擴展-最后的迅速斷裂而破壞最后的迅速斷裂而破壞破壞特點破壞特點：（1 1）疲勞破壞時的應力小于鋼材的屈服強度，鋼材的塑性還沒有展開，屬）疲勞破壞時的應力小于鋼材的屈服強度，鋼材的塑性還沒有展開，屬于脆性破壞。于脆性破壞。（3 3）疲勞對缺陷十分敏感。）疲勞對缺陷十分敏感。 （2 2）疲勞破壞的斷口與一般脆性破壞的斷口不同。一般脆性破壞后的斷口）疲勞破壞的斷口與一般脆性破壞的斷口不同。一般脆性破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射和年平直，呈有光

59、澤的晶粒狀或人字紋。而疲勞破壞的主要斷口特征是放射和年輪狀花紋。輪狀花紋。第二章第二章 鋼結構的材料鋼結構的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure鋼結構設計原理鋼結構設計原理 Design Principles of Steel Structure引起疲勞破壞交變荷載的兩種類型引起疲勞破壞交變荷載的兩種類型 常幅交變荷載常幅交變荷載-常幅應力常幅應力-常幅疲勞常幅疲勞變幅交變荷載變幅交變荷載-變幅應力變幅應力-變幅疲勞變幅疲勞 應力比（應力比（ ） 循環(huán)應力中絕對值最小的峰值應力循環(huán)應力中絕對值最小的峰值應力s sminmin與絕對值最大的峰值應力與絕

60、對值最大的峰值應力s smaxmax之比。之比。 = = s sminmin / /s smaxmax( (拉應力取正號而壓應力取負號拉應力取正號而壓應力取負號) ) 應力幅（應力幅（DsDs） DsDs= =s smaxmax- -s sminmin，此處，此處s smaxmax為最大拉應力，取正值，為最大拉應力，取正值，s sminmin為最小拉應為最小拉應力或壓應力。（力或壓應力。（拉應力取正號而壓應力取負號）拉應力取正號而壓應力取負號） 應力循環(huán)次數(shù)應力循環(huán)次數(shù)（n n，疲勞壽命），疲勞壽命） 結構或構件破壞時所經歷的應力變化次數(shù)。結構或構件破壞時所經歷的應力變化次數(shù)。第二章第二章 鋼