第2章鋼結(jié)構(gòu)材料1

1、大綱要求大綱要求: : 1.了解鋼結(jié)構(gòu)的兩種破壞形式； 2.掌握結(jié)構(gòu)用鋼材的主要性能及其機(jī)械性能指 標(biāo)；3.掌握影響鋼材性能的主要因素特別是導(dǎo)致鋼材變脆的主要因素；4.了解結(jié)構(gòu)用鋼材的種類、牌號(hào)、規(guī)格；5.了解鋼材選擇的依據(jù)，做到正確選擇鋼材；6.掌握鋼材疲勞的概念和疲勞計(jì)算方法。一、受拉、受壓、受彎及受剪時(shí)的性能一、受拉、受壓、受彎及受剪時(shí)的性能（一）單向拉伸時(shí)的性能（一）單向拉伸時(shí)的性能 1.1.條件：條件：標(biāo)準(zhǔn)試件（標(biāo)準(zhǔn)試件（GB22863GB22863），常溫（），常溫（2020） 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%0.1%0.3%0.3%。 標(biāo)準(zhǔn)試件

2、：標(biāo)準(zhǔn)試件：l lo o/d=5/d=5、1010；l lo o- -標(biāo)距；標(biāo)距； d -d - -直徑直徑2.1鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的主要機(jī)械性能鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材的主要機(jī)械性能L od d2.階段劃分A.A.有屈服點(diǎn)鋼材有屈服點(diǎn)鋼材-曲線可以分為五個(gè)階段：曲線可以分為五個(gè)階段： (1) (1)彈性階段彈性階段(OB(OB段段) )uOAEBCDAEy（2 2）彈塑性階段（）彈塑性階段（BC)BC) 該段很短該段很短, ,表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì); ; B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限( (屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)) )（3 3）塑性階段（）塑性階段（CD)CD) 該段該段

3、基本基本 保持不變（水保持不變（水 平平), ), 急劇急劇 增大增大, ,稱為屈稱為屈 服臺(tái)階或流服臺(tái)階或流 幅段幅段, ,變形模變形模 量量 E = 0E = 0uOAEBCDAEy（4 4）強(qiáng)化階段）強(qiáng)化階段(DE(DE段段) )極限抗拉強(qiáng)度極限抗拉強(qiáng)度f(wàn) fu u（5 5）頸縮階段）頸縮階段(EF(EF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uOAEBCDAEyB.B.對(duì)無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼材對(duì)無(wú)明顯屈服點(diǎn)的鋼材 該種鋼材在拉伸過(guò)程中沒(méi)有屈服階段，塑性變?cè)摲N鋼材在拉伸過(guò)程中沒(méi)有屈服階段，塑性變 形小，破壞突然。形小，破壞突然。 設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)于設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)

4、于 殘余變形為殘余變形為0.2%0.2% 時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 作為屈服點(diǎn)作為屈服點(diǎn)條條 件屈服點(diǎn)件屈服點(diǎn)3.3.應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)化應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡(jiǎn)化1)1)鋼材在屈服點(diǎn)以前按鋼材在屈服點(diǎn)以前按理想的彈性體工作，理想的彈性體工作，屈服點(diǎn)以后按理想的屈服點(diǎn)以后按理想的塑性體工作。塑性體工作。2)2)超過(guò)超過(guò) f fy y到屈服臺(tái)階終到屈服臺(tái)階終止的變形約為止的變形約為2.5%-2.5%-3%3%，足以滿足考慮結(jié)，足以滿足考慮結(jié)構(gòu)的塑性變形發(fā)展的構(gòu)的塑性變形發(fā)展的要求。要求。 （1 1）鋼材可以簡(jiǎn)化為）鋼材可以簡(jiǎn)化為理想彈塑性體理想彈塑性體2.5%-3%fy 00.15% （2 2）鋼材在

5、靜載作用下：）鋼材在靜載作用下： 強(qiáng)度計(jì)算以強(qiáng)度計(jì)算以f fy y為依據(jù)為依據(jù);f;fu u為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。（3 3）斷裂時(shí)變形約為彈性變形的）斷裂時(shí)變形約為彈性變形的200200倍，在破壞前倍，在破壞前 產(chǎn)生明顯可見的塑性產(chǎn)生明顯可見的塑性 變形，變形， 可及時(shí)補(bǔ)救，可及時(shí)補(bǔ)救， 故幾乎不可能發(fā)生。故幾乎不可能發(fā)生。O0.15%22%fufyf fu u-f-fy y4.4.單向拉伸時(shí)鋼材的機(jī)械性能指標(biāo)單向拉伸時(shí)鋼材的機(jī)械性能指標(biāo) （1 1）屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)f fy y-應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動(dòng)時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線開始產(chǎn)生塑性流動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量鋼材的對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是衡量

6、鋼材的承載能力承載能力和確定鋼材和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo)。的重要指標(biāo)。（2 2）抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度f(wàn) fu u-應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變曲線最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它是鋼材最大的抗拉強(qiáng)度。力，它是鋼材最大的抗拉強(qiáng)度。LodNNNLdN（3 3）伸長(zhǎng)率）伸長(zhǎng)率)12(%10000 lll )22(%100010 AAA （4 4）斷面收縮率）斷面收縮率它是衡量鋼材塑性應(yīng)變能力的重要指標(biāo)。它是衡量鋼材塑性應(yīng)變能力的重要指標(biāo)。當(dāng)當(dāng)l l0 0/d=5/d=5時(shí)，用時(shí)，用5 5表示，當(dāng)表示，當(dāng)l l0 0/d=10/d=10時(shí)，用時(shí)，用1010表示。表示。A0A1同單向拉伸時(shí)的性能，

7、屈服點(diǎn)也相差不多。同單向拉伸時(shí)的性能，屈服點(diǎn)也相差不多。（二）受壓時(shí)的性能 采用短試件采用短試件l l0 0/d=3, /d=3, 屈服點(diǎn)同單向拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)。屈服點(diǎn)同單向拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)。（三）受彎時(shí)的性能（四）受剪時(shí)的性能231079)32(3mmNGffyvy 抗剪強(qiáng)度可由折算應(yīng)力計(jì)算公式得到：抗剪強(qiáng)度可由折算應(yīng)力計(jì)算公式得到：二、冷彎性能二、冷彎性能 衡量鋼材塑衡量鋼材塑性性能和質(zhì)性性能和質(zhì)量?jī)?yōu)劣的綜量?jī)?yōu)劣的綜合指標(biāo)。合指標(biāo)。add+2.1a三、沖擊韌性三、沖擊韌性 衡量鋼材在動(dòng)力（沖擊）荷載、復(fù)雜應(yīng)衡量鋼材在動(dòng)力（沖擊）荷載、復(fù)雜應(yīng)力作用下抗脆性破壞能力的指標(biāo)，用斷裂時(shí)力作用下抗脆性破

8、壞能力的指標(biāo)，用斷裂時(shí)吸收的總能量（彈性和非彈性能）來(lái)表示。吸收的總能量（彈性和非彈性能）來(lái)表示。(a)(a)梅氏梅氏U U型缺口型缺口 (b)(b)夏比夏比V V型缺口型缺口 由試件斷裂吸收的能量由試件斷裂吸收的能量CvCv來(lái)衡鋼材的沖擊韌性，來(lái)衡鋼材的沖擊韌性， 單位：?jiǎn)挝唬篔 J。CvCv受溫度的影響受溫度的影響沖擊韌性試驗(yàn)裝置鋼材的機(jī)械性能指標(biāo)鋼材的機(jī)械性能指標(biāo)1 1、屈服點(diǎn)、屈服點(diǎn)f fy y；2 2、伸長(zhǎng)率、伸長(zhǎng)率；3 3、抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度f(wàn) fu u；4 4、冷彎試驗(yàn)；、冷彎試驗(yàn)；5 5、沖擊韌性、沖擊韌性CvCv ( (包括常溫沖擊韌性、包括常溫沖擊韌性、 0 0度時(shí)沖擊韌性

9、度時(shí)沖擊韌性 負(fù)溫沖擊韌性）。負(fù)溫沖擊韌性）。小 節(jié)2.2 鋼材的破壞形式一、塑性破壞一、塑性破壞 破壞前有明顯的破壞前有明顯的塑性變形塑性變形，破壞過(guò)程長(zhǎng)，斷口發(fā)暗，可，破壞過(guò)程長(zhǎng)，斷口發(fā)暗，可以采取補(bǔ)救措施。以采取補(bǔ)救措施。 二、脆性破壞二、脆性破壞 壞前沒(méi)有明顯的變形和征兆，破壞時(shí)的變形遠(yuǎn)比材料應(yīng)壞前沒(méi)有明顯的變形和征兆，破壞時(shí)的變形遠(yuǎn)比材料應(yīng)有的變形能力小，有的變形能力小，破壞破壞突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶粒狀，突然，斷口平直、發(fā)亮呈晶粒狀，無(wú)機(jī)會(huì)補(bǔ)救。無(wú)機(jī)會(huì)補(bǔ)救。 一、化學(xué)成分 普通碳素鋼中普通碳素鋼中FeFe占占99%99%，其他雜質(zhì)元素占其他雜質(zhì)元素占1%1%； 普通低合金鋼中合金

10、元素普通低合金鋼中合金元素5%5%。 1. 碳（C）：鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，隨其含量增加，隨其含量增加，強(qiáng)度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低強(qiáng)度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。 一般控制在一般控制在0.22%0.22%以下，以下， 在在0.20.2以下時(shí)，可焊性良好。以下時(shí)，可焊性良好。 2.3 2.3 各種因素對(duì)鋼材性能的影響各種因素對(duì)鋼材性能的影響 2.2.硫（硫（S S）：有害元素，熱脆性。不得超過(guò)有害元素，熱脆性。不得超過(guò)0.05%0.05%。 3.3.磷（磷（P P）：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有提有害元素，冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降

11、低。不得超過(guò)高，可焊性降低。不得超過(guò)0.045%0.045%。 4.4.錳（錳（MnMn）：合金元素。弱脫氧劑。與合金元素。弱脫氧劑。與S S形成形成MnSMnS，熔，熔點(diǎn)點(diǎn)16001600，可以消除一部分，可以消除一部分S S的有害作用的有害作用。 5.5.硅（硅（SiSi）：合金元素。強(qiáng)脫氧劑。合金元素。強(qiáng)脫氧劑。 6.6.釩（釩（V V）：合金元素。細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，其碳合金元素。細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)?；锞哂懈邷胤€(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結(jié)構(gòu)。7.7.氧（氧（O O）：有害雜質(zhì)，與有害雜質(zhì)，與S相似。相似。8.8.氮（氮（N N）：有

12、害雜質(zhì)，與有害雜質(zhì)，與P相似。相似。9.9.銅（銅（CuCu）：提高抗銹蝕性，提高強(qiáng)度，對(duì)可焊性有提高抗銹蝕性，提高強(qiáng)度，對(duì)可焊性有影響。影響。二冶金缺陷二冶金缺陷常見的冶金缺陷有：常見的冶金缺陷有：偏析：化學(xué)成分分布的不均勻程度；偏析：化學(xué)成分分布的不均勻程度；非金屬夾雜；非金屬夾雜；氣孔；氣孔；裂紋等。裂紋等。三、鋼材的硬化三、鋼材的硬化 冷作硬化冷作硬化當(dāng)荷載超過(guò)材料比例極限卸載后，出現(xiàn)當(dāng)荷載超過(guò)材料比例極限卸載后，出現(xiàn)殘余變形，再次加載則比例極限（或屈服點(diǎn)）提高的殘余變形，再次加載則比例極限（或屈服點(diǎn)）提高的現(xiàn)象，也稱現(xiàn)象，也稱“應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化”。 時(shí)效硬化時(shí)效硬化隨時(shí)間的增長(zhǎng)，碳和

13、氮的化合物從晶體隨時(shí)間的增長(zhǎng)，碳和氮的化合物從晶體中析出，使中析出，使材料硬化的現(xiàn)象材料硬化的現(xiàn)象。 應(yīng)變時(shí)效硬化應(yīng)變時(shí)效硬化鋼材產(chǎn)生了一定數(shù)量的塑性變形后，鋼材產(chǎn)生了一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體中固溶的鐵素體中固溶的C C、N N更容易析出，從而使更容易析出，從而使冷作硬化冷作硬化的的鋼材又發(fā)生鋼材又發(fā)生時(shí)效硬化。時(shí)效硬化。四、溫度影響 1 1正溫范圍正溫范圍 200200以內(nèi)對(duì)以內(nèi)對(duì)鋼材性能無(wú)大鋼材性能無(wú)大影響，該范圍影響，該范圍內(nèi)隨溫度升高內(nèi)隨溫度升高總的趨勢(shì)是強(qiáng)總的趨勢(shì)是強(qiáng)度、彈性模量度、彈性模量降低，塑性增降低，塑性增大。大。8006004002000N/mm2Efufy200400

14、600溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響20406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C) 250250左右抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性降低，脆性左右抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性降低，脆性增加增加蘭脆現(xiàn)象蘭脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為，該溫度區(qū)段稱為“蘭脆區(qū)蘭脆區(qū)”。 260260320320產(chǎn)生產(chǎn)生徐變徐變現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 600600左右彈性模量趨于零左右彈性模量趨于零 ，承載能力幾乎完全，承載能力幾乎完全喪失。喪失。 當(dāng)溫度低于常當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，鋼材的脆性溫時(shí)，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而傾向隨溫度降低而增加，增加，材料強(qiáng)度略材料強(qiáng)度略有提高，但其塑

15、性有提高，但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)和韌性降低，該現(xiàn)象稱為象稱為低溫冷脆低溫冷脆。2 2負(fù)溫范圍負(fù)溫范圍脆性破壞脆性破壞轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)段轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)段塑性破壞塑性破壞反彎點(diǎn)反彎點(diǎn)試驗(yàn)溫度試驗(yàn)溫度T T0 0C C沖擊斷裂功沖擊斷裂功C Cv vT1T2T0沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線五、應(yīng)力集中五、應(yīng)力集中1.1.應(yīng)力集中的概念應(yīng)力集中的概念 構(gòu)件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變時(shí)，構(gòu)件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變時(shí)，應(yīng)力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應(yīng)應(yīng)力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應(yīng)力力應(yīng)力集中應(yīng)力集中。2.應(yīng)力集中的影響3.3.減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施減小應(yīng)力集中

16、現(xiàn)象的措施 1:2.5 由于鋼材具有良好的塑性性能，當(dāng)承受靜力荷由于鋼材具有良好的塑性性能，當(dāng)承受靜力荷載且在常溫下工作時(shí)，只要符合規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)要載且在常溫下工作時(shí)，只要符合規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)要求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。求，可以不考慮應(yīng)力集中的影響。六、反復(fù)荷載作用（疲勞問(wèn)題）六、反復(fù)荷載作用（疲勞問(wèn)題）七、板厚、直徑的影響七、板厚、直徑的影響）材料由彈性轉(zhuǎn)入塑性的強(qiáng)度指標(biāo)用變形時(shí)單位體積中積聚的能量來(lái)表達(dá)；八、復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件八、復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件假定：）當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下變形能等于單軸受力時(shí)的變形能時(shí)，鋼材即由彈性轉(zhuǎn)入塑性。oxzyyzyxxyxzzyzxZXY單元體

17、受復(fù)雜應(yīng)力單元體受復(fù)雜應(yīng)力（應(yīng)力分量（應(yīng)力分量）112233單元體受主應(yīng)力單元體受主應(yīng)力 )52()()()(21213232221 yredf ) 42 ()(3)(222222 yzxyzxyxzzyyxzyxredf 1.1.以應(yīng)力分量表示以應(yīng)力分量表示2.2.以主應(yīng)力表示以主應(yīng)力表示fyred 材料處于彈性狀態(tài)材料處于彈性狀態(tài)fyred 材料處于塑性狀態(tài)材料處于塑性狀態(tài)討論：討論：（1 1）三向受壓時(shí)）三向受壓時(shí)( (靜水壓力靜水壓力) ) 不破壞不破壞; ;（2 2）三向受拉時(shí)）三向受拉時(shí) 一定破壞一定破壞; ; 由于三向受拉限制了材料的塑性發(fā)展，材料要發(fā)由于三向受拉限制了材料的塑性發(fā)展，材料要發(fā) 生脆性破壞。生脆性破壞。 能量理論所得的公式只適用于塑性材料，因此形能量理論所得的公式只適用于塑性材料，因此形式上的式上的不破壞不破壞與與實(shí)際的脆性破壞實(shí)際的脆性破壞是不矛盾的，是不矛盾的， 只是實(shí)只是實(shí)際的脆性破壞不再符合能量理論的基本假定。際的脆性破壞不再符合能量理論的基本假定。圖示簡(jiǎn)支梁1-1截面腹板與翼緣交界A點(diǎn)的應(yīng)力1-1xy