第2章鋼結(jié)構(gòu)材料

1、(4學(xué)時) 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 2.12.1鋼結(jié)構(gòu)用材的要求鋼結(jié)構(gòu)用材的要求 2.22.2鋼材的主要性能及其鑒定鋼材的主要性能及其鑒定 2.32.3影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 2.42.4鋼材疲勞鋼材疲勞 2.52.5建筑用鋼種類及選用建筑用鋼種類及選用 重點：重點：鋼材的主要性能及其鋼材的主要性能及其影響因素影響因素第第2 2章章 鋼結(jié)構(gòu)材料鋼結(jié)構(gòu)材料(4(4學(xué)時）學(xué)時） 本次課程內(nèi)容本次課程內(nèi)容 鋼結(jié)構(gòu)用材的要求鋼結(jié)構(gòu)用材的要求 鋼材的主要性能及其鑒定鋼材的主要性能及其鑒定 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 重點：重點：鋼材的主要性能鋼材的主要性能 影響鋼材性能的因素影響鋼材性

2、能的因素 雖然鋼材有幾百種，符合鋼結(jié)構(gòu)性能要求雖然鋼材有幾百種，符合鋼結(jié)構(gòu)性能要求 的只有碳素鋼及合金鋼中的少數(shù)幾種。的只有碳素鋼及合金鋼中的少數(shù)幾種。 鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須具備下列性能：鋼結(jié)構(gòu)的鋼材必須具備下列性能： 較高的強度。即抗拉強度和屈服點比較高。較高的強度。即抗拉強度和屈服點比較高。 足夠的變形能力。即塑性韌性性能好。足夠的變形能力。即塑性韌性性能好。 良好的加工性能。即適合冷、熱加工。良好的加工性能。即適合冷、熱加工。 良好的可焊性。良好的可焊性。 還應(yīng)具有適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕、重復(fù)還應(yīng)具有適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕、重復(fù) 荷載作用。荷載作用。2.12.1鋼結(jié)構(gòu)用材的要求鋼結(jié)構(gòu)用材的要

3、求 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（gb50017gb5001720022002） 推薦的承重鋼結(jié)構(gòu)用鋼：推薦的承重鋼結(jié)構(gòu)用鋼： 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼( (carbon structural steels)carbon structural steels) q235q235鋼鋼 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（high strength lowhigh strength low alloy structural steels ) alloy structural steels ) q345q345、q390q390、q420q420鋼鋼 鋼材有兩種破壞形式鋼材有兩種破壞形式 2.22.2

4、鋼材的主要性能及其鑒定鋼材的主要性能及其鑒定 2.2.12.2.1鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式 塑性破壞（塑性破壞（ductile fracture)ductile fracture) 破壞前具有較大的塑性變形；破壞前具有較大的塑性變形； 破壞后斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗；破壞后斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗； 應(yīng)力達到抗拉強度后才會發(fā)生破壞；應(yīng)力達到抗拉強度后才會發(fā)生破壞； 破壞過程較長，容易被發(fā)現(xiàn)和搶修加固，破壞過程較長，容易被發(fā)現(xiàn)和搶修加固， 不致發(fā)生嚴重后果。不致發(fā)生嚴重后果。 鋼材塑性破壞前的較大塑性變形能力，可鋼材塑性破壞前的較大塑性變形能力，可 以實現(xiàn)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力重分布，鋼結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)構(gòu)

5、件和結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力重分布，鋼結(jié)構(gòu) 的塑性設(shè)計就是建立在這種足夠的塑性變形的塑性設(shè)計就是建立在這種足夠的塑性變形 能力上。能力上。 脆性破壞（脆性破壞（brittle fracture)brittle fracture) 破壞前塑性變形很小，甚至沒有。破壞前塑性變形很小，甚至沒有。 破壞后斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。破壞后斷口平直，呈有光澤的晶粒狀。 破壞時應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服破壞時應(yīng)力低于抗拉強度，甚至低于屈服 強度強度 破壞速度極快，無法察覺和補救，一旦發(fā)破壞速度極快，無法察覺和補救，一旦發(fā) 生破壞后果非常嚴重。生破壞后果非常嚴重。 鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計、施工和使用過程重，要特鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計、

6、施工和使用過程重，要特 別注意防止脆性破壞發(fā)生。別注意防止脆性破壞發(fā)生。 鋼材拉伸試驗可獲得三個重要的力學(xué)性能鋼材拉伸試驗可獲得三個重要的力學(xué)性能 指標：指標： 抗拉強度抗拉強度(tensile strength)(tensile strength)：反映鋼材：反映鋼材 受拉時所能承受的極限應(yīng)力。受拉時所能承受的極限應(yīng)力。 伸長率伸長率(elongation)(elongation)：衡量鋼材斷裂前所：衡量鋼材斷裂前所 具有的塑性變形能力的指標。具有的塑性變形能力的指標。 屈服強度屈服強度(yield strength)(yield strength)：衡量鋼材在：衡量鋼材在 單向應(yīng)力作用下屈

7、服的標志。是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計單向應(yīng)力作用下屈服的標志。是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計 中應(yīng)力允許達到的最大限值。中應(yīng)力允許達到的最大限值。 2.2.22.2.2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 拉伸試驗steel 根據(jù)試樣厚度，按規(guī)定根據(jù)試樣厚度，按規(guī)定 的彎心直徑將試樣彎曲的彎心直徑將試樣彎曲180180 度，表面及側(cè)面無裂紋或分度，表面及側(cè)面無裂紋或分 層則為層則為“冷彎合格冷彎合格”，圖，圖2-12-1。 冷彎性能是衡量鋼材在冷彎性能是衡量鋼材在 常溫下冷加工彎曲時產(chǎn)生塑常溫下冷加工彎曲時產(chǎn)生塑 性變形的能力，及判別鋼材性變形的能力，及判別鋼材 圖圖2-1 冷彎試驗冷彎試驗 內(nèi)部缺陷

8、和可焊性的綜合指內(nèi)部缺陷和可焊性的綜合指 標。標。重要結(jié)構(gòu)需要有良好的冷熱加工的工藝性重要結(jié)構(gòu)需要有良好的冷熱加工的工藝性 能時，應(yīng)有冷彎合格保證。能時，應(yīng)有冷彎合格保證。2.2.3 2.2.3 冷彎性能冷彎性能（cold-bending behavior)cold-bending behavior)steel冷彎試驗 沖擊韌性衡量鋼材斷裂時吸收機械能量的沖擊韌性衡量鋼材斷裂時吸收機械能量的 能力，是強度與塑性的綜合指標。能力，是強度與塑性的綜合指標。 現(xiàn)行國家標準現(xiàn)行國家標準碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼(gb700 -88) 規(guī)定采用國際上通用的夏比試驗法，夏比缺規(guī)定采用國際上通用的夏比試驗法，夏比

9、缺 口韌性用口韌性用 表示，其值為試件折斷所表示，其值為試件折斷所 需要的功，單位為焦耳，需要的功，單位為焦耳，圖圖2-22-2。 對重要結(jié)構(gòu)要根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境溫度對應(yīng)提對重要結(jié)構(gòu)要根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境溫度對應(yīng)提 出出常溫常溫 (+20 ) 沖擊韌性、沖擊韌性、0 沖擊韌性或沖擊韌性或 負溫負溫 (負溫負溫 -20 、 -40 ) 沖擊韌性的合格沖擊韌性的合格 保證。保證。2.2.4 沖擊韌性沖擊韌性( (notch toughness)notch toughness)vkvca 或 圖圖2-3 2-3 夏比夏比v v型缺口沖擊試驗型缺口沖擊試驗 1-1-擺錘；擺錘；2-2-試件；試件；3-3-試驗機

10、臺座；試驗機臺座；4-4-刻度盤；刻度盤；5-5-指針指針沖擊韌性試驗 可焊性是指采用一般焊接工藝就可以完成可焊性是指采用一般焊接工藝就可以完成 合格的焊縫的性能。合格的焊縫的性能。 鋼材鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的的可焊性受碳含量和合金元素含量的 影響。碳含量在影響。碳含量在0.12-0.20%0.12-0.20%范圍內(nèi)的碳素鋼，范圍內(nèi)的碳素鋼， 可焊性最好。含碳量再高可使焊縫和熱影響可焊性最好。含碳量再高可使焊縫和熱影響 區(qū)變脆。一般區(qū)變脆。一般q235aq235a通常不能用于焊接構(gòu)件，通常不能用于焊接構(gòu)件， 而而q235bq235b、q235cq235c、q235dq235d適合

11、焊接使用。適合焊接使用。 高強度低合金鋼中，合金元素對可焊性由高強度低合金鋼中，合金元素對可焊性由 不利影響。不利影響。2.2.5 2.2.5 可焊性可焊性 我國行業(yè)標準我國行業(yè)標準建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程 jgj81- 2002 jgj81- 2002，推薦使用碳當量來衡量低合金，推薦使用碳當量來衡量低合金 鋼可焊性，公式如下：鋼可焊性，公式如下： ( 2-1)( 2-1) 當碳當量不超過當碳當量不超過0.38%0.38%時鋼材可焊性很好；當時鋼材可焊性很好；當 在在0.38%0.38%0.45% 0.45% 時施焊時需要控制焊接工藝時施焊時需要控制焊接工藝 和預(yù)熱措施；

12、大于和預(yù)熱措施；大于0.45%0.45%時，需要嚴格控制焊時，需要嚴格控制焊 接工藝和預(yù)熱措施。接工藝和預(yù)熱措施。1556cunivcocrmncce 鋼材質(zhì)量性能指標有：抗拉強度、伸長率、鋼材質(zhì)量性能指標有：抗拉強度、伸長率、 屈服強度、冷彎性能、沖擊韌性。工藝性能和屈服強度、冷彎性能、沖擊韌性。工藝性能和 化學(xué)成分也是反映鋼材性能的重要因素。根據(jù)化學(xué)成分也是反映鋼材性能的重要因素。根據(jù) 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范( (gb50205-gb50205- 2001) 2001)的規(guī)定，對于進入施工現(xiàn)場的的規(guī)定，對于進入施工現(xiàn)場的鋼材需進鋼材需進 行進場驗收，即檢查鋼材

13、的質(zhì)量合格證明文件、行進場驗收，即檢查鋼材的質(zhì)量合格證明文件、 中文標識及驗收報告，確認鋼材的品種、規(guī)格、中文標識及驗收報告，確認鋼材的品種、規(guī)格、 性能是否符合現(xiàn)行國家標準和設(shè)計要求。性能是否符合現(xiàn)行國家標準和設(shè)計要求。 鋼材質(zhì)量的抽樣檢驗應(yīng)由有相應(yīng)資質(zhì)的質(zhì)檢鋼材質(zhì)量的抽樣檢驗應(yīng)由有相應(yīng)資質(zhì)的質(zhì)檢 單位進行。單位進行。2.2.62.2.6鋼材鋼材性能的鑒定性能的鑒定課間休息課間休息2 2.3.12.3.1化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 鋼材化學(xué)成分有鐵鋼材化學(xué)成分有鐵 (fe)，占占 99% 左右，此左右，此 外是碳外是碳( (c) c) 、硅、硅 ( (sisi) ) 、錳錳 ( (mnmn

14、) ) 、硫硫 ( (s) s) 、 磷磷( (p) p) 、氧氧 (0) (0) 、氮、氮 ( (n) n) 、釩釩 ( (v) v) 等。等。 碳是形成鋼材強度的重要成分，碳是形成鋼材強度的重要成分，隨著含碳隨著含碳 量的提高，鋼材強度逐漸增高，而塑性和韌性量的提高，鋼材強度逐漸增高，而塑性和韌性 下降，冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能也變下降，冷彎性能、焊接性能和抗銹蝕性能也變 劣。劣。2.3 2.3 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 低碳鋼低碳鋼含碳量小于含碳量小于0.25%0.25%的鋼材；的鋼材； 中碳鋼中碳鋼含碳量介于含碳量介于0.25%0.25%和和0.6%0.6%之間的之間

15、的 鋼材；鋼材； 高碳鋼高碳鋼含碳量大于含碳量大于0.6%0.6%的鋼材。的鋼材。 鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材中碳鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材中碳含量含量0.22%0.22%，對于焊，對于焊 接結(jié)構(gòu)嚴格控制在接結(jié)構(gòu)嚴格控制在0.2%0.2%以內(nèi)。以內(nèi)。 錳是有益錳是有益元素元素，是一種弱脫氧劑，是一種弱脫氧劑，可提高可提高 鋼材的強度，改善鋼的冷脆傾向，但卻降低焊鋼材的強度，改善鋼的冷脆傾向，但卻降低焊 接性能，應(yīng)控制含量，在低合金鋼中含量為接性能，應(yīng)控制含量，在低合金鋼中含量為 1.2% 1.2%1.6% 1.6% 。 硅是強脫氧劑，可使鋼材粒度變細，提高硅是強脫氧劑，可使鋼材粒度變細，提高 強度且不影響其他性能。在

16、普通碳素鋼中強度且不影響其他性能。在普通碳素鋼中( (sisi) ) 含量在含量在0.12% 0.12% 0.3%, 0.3%, 在低合金鋼中在低合金鋼中含量含量0.2%0.2% 0.55%0.55%。 過量硅會惡化焊接性能和抗腐蝕性過量硅會惡化焊接性能和抗腐蝕性 能。能。 硫是有害硫是有害元素，元素，能生成易于熔化的硫化硫能生成易于熔化的硫化硫 化鐵。溫度達化鐵。溫度達8008001000 1000 時，出現(xiàn)裂紋，稱時，出現(xiàn)裂紋，稱 為熱脆，還會降低鋼的沖擊韌性，影響疲勞性為熱脆，還會降低鋼的沖擊韌性，影響疲勞性 能和抗銹蝕性能，故對硫的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)嚴格控能和抗銹蝕性能，故對硫的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)嚴格

17、控 制在制在0.05%0.05%以內(nèi)。以內(nèi)。 磷也是有害磷也是有害元素，元素，在低溫下會使普通碳素在低溫下會使普通碳素 鋼變脆，稱為冷脆；高溫時則使鋼的塑性降低，鋼變脆，稱為冷脆；高溫時則使鋼的塑性降低， 故含量應(yīng)限制在故含量應(yīng)限制在0.045%0.045%以內(nèi)。以內(nèi)。 氧也是有害元素，氧能使鋼熱脆。氧也是有害元素，氧能使鋼熱脆。 氮也是有害元素，使鋼冷脆，故含量應(yīng)嚴氮也是有害元素，使鋼冷脆，故含量應(yīng)嚴 加控制加控制 。 釩、鈮、鈦適量釩、鈮、鈦適量可提高鋼的強度可提高鋼的強度、韌性和、韌性和 抗銹蝕能力，而不顯著降低塑性。抗銹蝕能力，而不顯著降低塑性。 鋁是強脫氧劑，提高鋁是強脫氧劑，提高鋼

18、的強度鋼的強度、低溫韌性、低溫韌性 含量不含量不小于小于0.015%0.015%。 冶煉方法冶煉方法爐種的影響；爐種的影響； 澆鑄脫氧澆鑄脫氧因脫氧程度的不同，形成因脫氧程度的不同，形成 鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼；鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼； 冶金缺陷冶金缺陷偏析、非金屬夾雜、氣泡、偏析、非金屬夾雜、氣泡、 裂紋等；裂紋等； 軋制軋制使金屬的晶粒變細，使氣泡、裂使金屬的晶粒變細，使氣泡、裂 紋等焊合，改善了力學(xué)性能，鋼板越薄強度紋等焊合，改善了力學(xué)性能，鋼板越薄強度 越高；越高； 2.3.2 2.3.2 成材過程的影響成材過程的影響 熱處理熱處理是指金屬在固態(tài)夏通過改變溫是指金屬在固態(tài)夏通過改變

19、溫 度、保溫和隨后調(diào)整至室溫，實現(xiàn)改變金屬組度、保溫和隨后調(diào)整至室溫，實現(xiàn)改變金屬組 織，獲得所需性能的工藝方法。目的在于取得織，獲得所需性能的工藝方法。目的在于取得 高強度的同時保持良好的塑性和韌性。其工藝高強度的同時保持良好的塑性和韌性。其工藝 分為退火、正火、淬火、回火。分為退火、正火、淬火、回火。 時效硬化時效硬化 鋼材中的氮和碳，隨時間的增鋼材中的氮和碳，隨時間的增 長從固體中析出，從而使鋼材的強度提高，塑長從固體中析出，從而使鋼材的強度提高，塑 性韌性性韌性 降低，脆性增大。這種現(xiàn)象稱為時效硬降低，脆性增大。這種現(xiàn)象稱為時效硬 化，也稱老化。化，也稱老化。如圖如圖 2-3 2-3所

20、示。所示。2.3.32.3.3硬化的影響硬化的影響 圖圖2-3 2-3 硬化對鋼材性能的影響硬化對鋼材性能的影響 冷作硬化冷作硬化( (應(yīng)變硬化）應(yīng)變硬化） 鋼結(jié)構(gòu)不考慮此種鋼結(jié)構(gòu)不考慮此種 方法提高強度的，因為它容易引起裂縫。方法提高強度的，因為它容易引起裂縫。 應(yīng)變時效硬化應(yīng)變時效硬化 鋼材經(jīng)冷加工硬化后又經(jīng)鋼材經(jīng)冷加工硬化后又經(jīng) 時效而硬化變脆的現(xiàn)象。時效而硬化變脆的現(xiàn)象。 在截面形狀改變處在截面形狀改變處 , 如孔眼、切口、加粗等，如孔眼、切口、加粗等， 會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，圖，圖2-42-4。 圖圖2-52-5應(yīng)力集中應(yīng)力集中2.3.42.3.4應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集

21、中的影響 圖圖2-5 2-5 應(yīng)力集中對鋼材性能的影響應(yīng)力集中對鋼材性能的影響 在正溫度范圍內(nèi)，總的趨勢是隨著溫度的升在正溫度范圍內(nèi)，總的趨勢是隨著溫度的升 高，鋼材的強度降低，塑性增大。高，鋼材的強度降低，塑性增大。 在在250 250 左右時，鋼材的強度略有提高，而左右時，鋼材的強度略有提高，而 塑性降低，鋼材呈脆性，此現(xiàn)象稱為塑性降低，鋼材呈脆性，此現(xiàn)象稱為藍脆現(xiàn)象。藍脆現(xiàn)象。 在在250250350350時，鋼材會產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。時，鋼材會產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。 在在600600 時鋼材的強度很低不能承擔(dān)荷載時鋼材的強度很低不能承擔(dān)荷載， 如圖如圖2-62-6。 鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定在超過鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)

22、定在超過150150時結(jié)構(gòu)表面時結(jié)構(gòu)表面 需要加設(shè)隔熱保護層。需要加設(shè)隔熱保護層。 2.3.5 溫度的影響溫度的影響 在負溫范圍內(nèi)，隨著溫度降低，鋼材的脆性在負溫范圍內(nèi)，隨著溫度降低，鋼材的脆性 傾向逐漸增加，鋼材的沖擊韌性下降。當冬季傾向逐漸增加，鋼材的沖擊韌性下降。當冬季 計算溫度等于或計算溫度等于或 低于低于20 20 時，時， 不同不同不同鋼種，不同鋼種， 特別是受動力荷特別是受動力荷 載的結(jié)構(gòu)，要有載的結(jié)構(gòu)，要有 負溫沖擊韌性的負溫沖擊韌性的 保證。保證。 圖圖2-62-6低碳鋼在高溫下性能低碳鋼在高溫下性能 荷載可分為靜力荷載和動力荷載兩大類。荷載可分為靜力荷載和動力荷載兩大類。

23、靜力荷載中的永久荷載屬于一次加載，可變靜力荷載中的永久荷載屬于一次加載，可變 荷載看作重復(fù)加載。荷載看作重復(fù)加載。 動力荷載中的沖擊荷載屬于一次快速加載，動力荷載中的沖擊荷載屬于一次快速加載， 吊車梁所受的吊車荷載及建筑結(jié)構(gòu)所承受的地吊車梁所受的吊車荷載及建筑結(jié)構(gòu)所承受的地 震作用則屬于連續(xù)交變荷載，或稱循環(huán)荷載。震作用則屬于連續(xù)交變荷載，或稱循環(huán)荷載。 加荷速度的影響加荷速度的影響 由圖由圖2-7 2-7 看出，隨著加荷速率的減小，曲線看出，隨著加荷速率的減小，曲線 向溫度低側(cè)移動。在溫度較高和較低兩側(cè)，三向溫度低側(cè)移動。在溫度較高和較低兩側(cè)，三 條曲線趨于接近，應(yīng)變速率的影響不十分明顯，條

24、曲線趨于接近，應(yīng)變速率的影響不十分明顯，2.3.62.3.6荷載類型的影響荷載類型的影響 當在常溫范圍當在常溫范圍 內(nèi)加荷速率越內(nèi)加荷速率越 高，缺口試件高，缺口試件 斷裂時吸收的斷裂時吸收的 能量越低，變能量越低，變 得越脆。因此得越脆。因此 在鋼結(jié)構(gòu)防止在鋼結(jié)構(gòu)防止 低溫脆性破壞低溫脆性破壞 設(shè)計中應(yīng)考慮設(shè)計中應(yīng)考慮 圖圖2-62-6不同應(yīng)變速率下鋼材斷裂吸收不同應(yīng)變速率下鋼材斷裂吸收 加荷速度影響。加荷速度影響。 能量隨溫度的變能量隨溫度的變 請同學(xué)們預(yù)習(xí)下次課內(nèi)容請同學(xué)們預(yù)習(xí)下次課內(nèi)容 鋼材的疲勞：疲勞的定義；鋼材的疲勞：疲勞的定義； 疲勞破壞的特征；疲勞破壞的特征； 疲勞驗算。疲勞驗

25、算。 建筑用鋼的種類及選用：建筑用鋼的種類及選用： 鋼材種類規(guī)格鋼材種類規(guī)格 鋼材的選擇鋼材的選擇 下次課再見下次課再見 本次課的內(nèi)容本次課的內(nèi)容 疲勞的定義疲勞的定義 鋼材的疲勞鋼材的疲勞 疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征 疲勞驗算疲勞驗算 鋼材種類規(guī)格鋼材種類規(guī)格 建筑用鋼的種類及選用建筑用鋼的種類及選用 鋼材的選擇鋼材的選擇 重點：重點：疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征 難點：難點：疲勞驗算疲勞驗算 鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，逐漸積累損傷、鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，逐漸積累損傷、 產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后突然破壞產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后突然破壞 的現(xiàn)象稱為的現(xiàn)象稱為疲勞疲勞( (

26、fatigue)fatigue)。 按照斷裂壽命和應(yīng)力高低的不同，疲勞分為按照斷裂壽命和應(yīng)力高低的不同，疲勞分為 高周疲勞高周疲勞和和低周疲勞低周疲勞兩類。高周疲勞的斷裂壽兩類。高周疲勞的斷裂壽 命長，斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于等于命長，斷裂前的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)大于等于5000050000， 斷裂應(yīng)力水平較低，應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，因此斷裂應(yīng)力水平較低，應(yīng)力小于屈服應(yīng)力，因此 也稱為低應(yīng)力疲勞或疲勞，一般常見的疲勞多也稱為低應(yīng)力疲勞或疲勞，一般常見的疲勞多 屬于這種疲勞。屬于這種疲勞。2.42.4鋼材的疲勞鋼材的疲勞 2.4.12.4.1疲勞的定義疲勞的定義 低周疲勞的斷裂壽命較短，斷裂前的應(yīng)力循低周疲

27、勞的斷裂壽命較短，斷裂前的應(yīng)力循 環(huán)次數(shù)常在環(huán)次數(shù)常在1001005000050000，斷裂應(yīng)力較高，應(yīng)力，斷裂應(yīng)力較高，應(yīng)力 大于等于屈服應(yīng)力，伴有塑性應(yīng)變發(fā)生，因此大于等于屈服應(yīng)力，伴有塑性應(yīng)變發(fā)生，因此 也稱為應(yīng)變疲勞或高應(yīng)力疲勞。也稱為應(yīng)變疲勞或高應(yīng)力疲勞。 引起疲勞破壞的交變荷載由兩種類型：一種引起疲勞破壞的交變荷載由兩種類型：一種 為常幅交變荷載，引起的應(yīng)力稱為常幅循環(huán)應(yīng)為常幅交變荷載，引起的應(yīng)力稱為常幅循環(huán)應(yīng) 力；一種為變幅交變荷載，引起的應(yīng)力稱為變力；一種為變幅交變荷載，引起的應(yīng)力稱為變 幅循環(huán)應(yīng)力幅循環(huán)應(yīng)力，圖，圖 2-82-8。由。由這兩種荷載引起的疲這兩種荷載引起的疲 勞

28、破壞分別稱為常幅疲勞和變幅疲勞。勞破壞分別稱為常幅疲勞和變幅疲勞。 2.4.22.4.2疲勞破壞的特征疲勞破壞的特征 圖圖2-72-7常幅循環(huán)應(yīng)力和變幅循環(huán)應(yīng)力常幅循環(huán)應(yīng)力和變幅循環(huán)應(yīng)力 (a)(a)常幅循環(huán)應(yīng)力常幅循環(huán)應(yīng)力(b)(b)變幅循環(huán)應(yīng)力變幅循環(huán)應(yīng)力 疲勞破壞具有疲勞破壞具有突然性，破壞前沒有明顯的宏突然性，破壞前沒有明顯的宏 觀塑性變形，屬于脆性斷裂。觀塑性變形，屬于脆性斷裂。 但于一般脆斷的瞬間斷裂不同，疲勞是在名但于一般脆斷的瞬間斷裂不同，疲勞是在名 義應(yīng)力低于屈服點的低應(yīng)力循環(huán)下，經(jīng)歷了長義應(yīng)力低于屈服點的低應(yīng)力循環(huán)下，經(jīng)歷了長 期的積累損傷過程后才突然發(fā)生的。期的積累損傷過

29、程后才突然發(fā)生的。 其破壞過程經(jīng)歷三個階段，即裂紋的萌生、其破壞過程經(jīng)歷三個階段，即裂紋的萌生、 裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。裂紋的緩慢擴展和最后迅速斷裂。 疲勞疲勞破壞的斷口與一般脆性斷口不同，可破壞的斷口與一般脆性斷口不同，可 分為三個區(qū)域：裂紋源、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)，分為三個區(qū)域：裂紋源、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)， 圖圖2-92-9。 疲勞對疲勞對缺陷缺陷 十分敏感。缺陷十分敏感。缺陷 部位應(yīng)力集中嚴部位應(yīng)力集中嚴 重，會加快疲勞重，會加快疲勞 破壞的裂紋萌生破壞的裂紋萌生 和發(fā)展。和發(fā)展。 圖圖2-8 2-8 疲勞破壞斷口特征疲勞破壞斷口特征 1.1.基本概念基本概念 一次循環(huán)一次循環(huán)：連

30、續(xù)：連續(xù) 重復(fù)荷載之下應(yīng)力重復(fù)荷載之下應(yīng)力 往復(fù)變化一周（圖往復(fù)變化一周（圖 2-10).2-10). 常幅應(yīng)力循環(huán)常幅應(yīng)力循環(huán)： 一次應(yīng)力循環(huán)中應(yīng)一次應(yīng)力循環(huán)中應(yīng) 力幅為常數(shù)。力幅為常數(shù)。 應(yīng)力比應(yīng)力比：等于按：等于按 絕對值計算的最小絕對值計算的最小 圖圖2-9 2-9 循環(huán)應(yīng)力譜循環(huán)應(yīng)力譜 2.4.32.4.3常幅疲勞常幅疲勞 最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之比，即最小應(yīng)力和最大應(yīng)力之比，即 （拉為（拉為 正，壓為負）。圖正，壓為負）。圖2-9(a) 2-9(a) 為完全對稱循環(huán)為完全對稱循環(huán), , （c c）脈沖循環(huán)，（）脈沖循環(huán)，（d d）相當于靜荷載作用。）相當于靜荷載作用。 應(yīng)力幅應(yīng)力幅：應(yīng)

31、力變化的幅度：應(yīng)力變化的幅度 。 試驗表明：疲勞強度除與試驗表明：疲勞強度除與主體金屬主體金屬和和連接類型連接類型 有關(guān)外，還與循環(huán)應(yīng)力的有關(guān)外，還與循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比應(yīng)力比和和循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù)有有 關(guān)。關(guān)。 2. 2. 疲勞驗算疲勞驗算 直接承受動力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及直接承受動力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及 連接，當應(yīng)力循環(huán)連接，當應(yīng)力循環(huán)次數(shù)次數(shù) 時應(yīng)進行疲勞時應(yīng)進行疲勞 驗算。驗算。 maxmin/minmax4105n （2-1)2-1) 式中式中 (2-2)(2-2) 表表2.1 2.1 系系 數(shù)數(shù) 采用。參數(shù)，按表應(yīng)按下式計算：，常幅疲勞的容許應(yīng)力幅對非焊接部位為對焊接部位為1

32、 .2,;7 .0;1minmaxminmaxcnc驗參數(shù)。別的試均為不同構(gòu)件和連接類、容許應(yīng)力幅cnc,1 將變幅應(yīng)力幅折算為常幅等效應(yīng)力幅將變幅應(yīng)力幅折算為常幅等效應(yīng)力幅 ，然，然 后按常幅疲勞進行驗算，公式后按常幅疲勞進行驗算，公式 (2-3)(2-3) 式中式中 ee.;1的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)達到預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的iiiiiiennnn2.4.42.4.4變幅疲勞驗算變幅疲勞驗算課間休息課間休息3 2.5.1 2.5.1建筑用鋼的種類建筑用鋼的種類 我國的建筑用鋼主要為碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金我國的建筑用鋼主要為碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金 高強度鋼兩種。高強度鋼兩種。

33、 1.1.碳碳素素結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 按國家標準按國家標準 gb/700-1998 gb/700-1998 生產(chǎn)的鋼材共有生產(chǎn)的鋼材共有 q195q195、q215q215、q235q235、q255q255、q275 q275 等等5 5種。其中種。其中 q235 q235 含碳量在含碳量在0.22%0.22%以下，屬于低碳鋼，強度以下，屬于低碳鋼，強度 適中，塑性、韌性均好。根據(jù)化學(xué)成分和沖擊適中，塑性、韌性均好。根據(jù)化學(xué)成分和沖擊 韌性的不同劃分為韌性的不同劃分為a a、b b、c c、d d 共共4 4個質(zhì)量等級，個質(zhì)量等級， 按字母順序由按字母順序由a a到到d d，表示質(zhì)量等級由低到高。

34、，表示質(zhì)量等級由低到高。2.52.5建筑用鋼的種類及選用建筑用鋼的種類及選用 碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號由代表屈服點的字母碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號由代表屈服點的字母 q q、 屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號四 個部分組成。個部分組成。f-f-沸騰鋼，沸騰鋼，b-b-半鎮(zhèn)靜鋼，半鎮(zhèn)靜鋼，z-z-鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)靜 鋼，鋼，tz-tz-特種鎮(zhèn)靜鋼。特種鎮(zhèn)靜鋼。z z、tztz可省略。可省略。 2.2.低合金高強度鋼低合金高強度鋼 按國家標準按國家標準gb/t1591-1994 gb/t1591-1994 生產(chǎn)的鋼材共有生產(chǎn)的鋼材共有 q295q295、q345q345、q390q390、q420q420、q460q460等等5 5種。按化種。按化 學(xué)成分和沖擊韌性劃分為學(xué)成分和沖擊韌性劃分為a a、b b、c c、d d、e e共共5 5個個 質(zhì)量等級。質(zhì)量等級。 q345q345、q390q39