鋼結(jié)構(gòu)第二章.

1、第二章 結(jié)構(gòu)鋼材及其性能第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)鋼一次拉伸的力學(xué)性能結(jié)構(gòu)鋼一次拉伸的力學(xué)性能第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的主要機(jī)械性能鋼材的主要機(jī)械性能第三節(jié)第三節(jié) 結(jié)構(gòu)鋼的脆性破壞結(jié)構(gòu)鋼的脆性破壞第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的種類及選擇鋼材的種類及選擇第一節(jié) 結(jié)構(gòu)鋼一次拉伸的力學(xué)性能 鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對(duì)建筑鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)用鋼來說，主要有三方面的要求。結(jié)構(gòu)用鋼來說，主要有三方面的要求。1 1、較高的強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，、較高的強(qiáng)度：結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕；結(jié)構(gòu)的自重輕；2 2、較好的塑性及韌性：塑性好，不易發(fā)生脆性破、較好的塑性及韌性：

2、塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動(dòng)力荷載；壞；韌性好，利于承受動(dòng)力荷載；3 3、良好的加工性能與耐久性：包括可焊性、冷彎、良好的加工性能與耐久性：包括可焊性、冷彎性能以及耐腐性能；性能以及耐腐性能； 據(jù)上要求據(jù)上要求, ,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：炭素結(jié)構(gòu)鋼中的推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：炭素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235Q235鋼及低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的鋼及低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼中的Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420鋼四種鋼材。鋼四種鋼材。根據(jù)鋼材單向拉伸性能曲線，工程應(yīng)用中，根據(jù)鋼材單向拉伸性能曲線，工程應(yīng)用中

3、，鋼材的性能按理想彈塑性體考慮，鋼材的性能按理想彈塑性體考慮，f fy y定為鋼定為鋼材拉、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。材拉、壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。ABBODAC單向拉伸試驗(yàn)曲線彈性階段彈性階段彈塑性階段彈塑性階段塑性階段塑性階段強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段第二節(jié) 鋼材的主要機(jī)械性能鋼材材性主要有：鋼材材性主要有： 強(qiáng)度強(qiáng)度 塑性塑性 韌性韌性 可焊性可焊性 冷彎性冷彎性 耐久性耐久性 Z向伸縮率向伸縮率 一、強(qiáng)度強(qiáng)度體現(xiàn)了材料的承載能力，主要指標(biāo)有屈服點(diǎn)強(qiáng)度體現(xiàn)了材料的承載能力，主要指標(biāo)有屈服點(diǎn)fy 和抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度fu ，通過靜力拉伸試驗(yàn)得到。，通過靜力拉伸試驗(yàn)得到。 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) ：為設(shè)計(jì)時(shí)鋼材可達(dá)到的最大應(yīng)力。：為

4、設(shè)計(jì)時(shí)鋼材可達(dá)到的最大應(yīng)力。 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 fu是鋼材破壞前能夠承受的最大應(yīng)力。是鋼材破壞前能夠承受的最大應(yīng)力。鋼材達(dá)到鋼材達(dá)到fu時(shí)，已產(chǎn)生很大塑性變形而失去使用時(shí)，已產(chǎn)生很大塑性變形而失去使用性能，但性能，但fu高則可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障，故高則可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障，故fu/fy的值可看作鋼材強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。的值可看作鋼材強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。 二、塑性 鋼材的塑性為當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)鋼材的塑性為當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。塑性好壞可用伸長(zhǎng)率斷裂的性質(zhì)。塑性好壞可用伸長(zhǎng)率 和斷面和斷面收縮率收縮率 表示。通過

5、靜力拉伸試驗(yàn)得到。表示。通過靜力拉伸試驗(yàn)得到。伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 為試件拉斷時(shí)原標(biāo)距間長(zhǎng)度伸長(zhǎng)值與原標(biāo)距比值的百分率。 L1為試件拉斷后標(biāo)距間長(zhǎng)度。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面面積比值的百分率?？s小值與原斷面面積比值的百分率。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； 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受力時(shí)（尤其承受動(dòng)力荷載時(shí)）材結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受力時(shí)（尤其承受動(dòng)力荷載時(shí)）材料塑性好壞往往決定了結(jié)構(gòu)是否安全可靠，因此料塑性好壞往往決定了結(jié)構(gòu)是否安全可靠，因此鋼材塑性指標(biāo)比強(qiáng)度

6、指標(biāo)更為重要。鋼材塑性指標(biāo)比強(qiáng)度指標(biāo)更為重要。 三、沖擊韌性鋼材的韌性是鋼材在塑性變形和斷裂的過程中吸鋼材的韌性是鋼材在塑性變形和斷裂的過程中吸收能量的能力，也是表示鋼材抵抗因沖擊荷載、收能量的能力，也是表示鋼材抵抗因沖擊荷載、應(yīng)力集中等而致脆性斷裂能力的一項(xiàng)機(jī)械性能，應(yīng)力集中等而致脆性斷裂能力的一項(xiàng)機(jī)械性能，它是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。它是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。用用 材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量來量度，其值為材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量來量度，其值為圖中應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)所包圍的總面積，面圖中應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)所包圍的總面積，面積越大韌性越高。積越大韌性越高。 四、可焊性鋼材的可焊性是指在一定

7、工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼鋼材的可焊性是指在一定工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過焊接能夠獲得良好的焊接接頭的性能。材經(jīng)過焊接能夠獲得良好的焊接接頭的性能。 可焊性分為可焊性分為施工上的可焊性施工上的可焊性和和使用性能上的可焊使用性能上的可焊性。性。 施工上的可焊性指對(duì)產(chǎn)生裂紋的敏感性，使用性施工上的可焊性指對(duì)產(chǎn)生裂紋的敏感性，使用性能上的可焊性是指焊接構(gòu)件在焊接后的力學(xué)性能能上的可焊性是指焊接構(gòu)件在焊接后的力學(xué)性能是否低于母材。是否低于母材。五、冷彎性能冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）冷彎性能是指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。冷

8、彎性能用試驗(yàn)方法來檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)定冷彎性能用試驗(yàn)方法來檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)定彎曲程度的彎曲變形性能，檢查試件彎曲彎曲程度的彎曲變形性能，檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面是否有裂紋、裂部分的外面、里面和側(cè)面是否有裂紋、裂斷和分層斷和分層。六、耐久性耐久性需要考慮的有：耐腐蝕性、耐久性需要考慮的有：耐腐蝕性、“時(shí)效時(shí)效”現(xiàn)象、疲勞現(xiàn)象等?，F(xiàn)象、疲勞現(xiàn)象等。 時(shí)效：隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼材的力學(xué)性能時(shí)效：隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼材的力學(xué)性能有所改變。有所改變。 疲勞：多次反復(fù)荷載作用下，鋼材低于屈疲勞：多次反復(fù)荷載作用下，鋼材低于屈服點(diǎn)服點(diǎn)fy發(fā)生的破壞。發(fā)生的破壞。七、鋼材Z向收縮率當(dāng)鋼材較厚時(shí)，或承受沿厚度方

9、向的拉力當(dāng)鋼材較厚時(shí)，或承受沿厚度方向的拉力時(shí)，要求鋼材具有板厚方向的收縮率要求，時(shí)，要求鋼材具有板厚方向的收縮率要求，以防厚度方向的分層、撕裂。以防厚度方向的分層、撕裂。2.2 2.2 鋼材在多軸應(yīng)力作用下的工作性能鋼材在多軸應(yīng)力作用下的工作性能一、折算應(yīng)力一、折算應(yīng)力由材料力學(xué)能量強(qiáng)度理論知，折算應(yīng)力由材料力學(xué)能量強(qiáng)度理論知，折算應(yīng)力 Ze為：為：2222223zxyzxyxzzyyxzyxzeyyxxzz112233xyyxyzzxxzyyxxxyxyyxyx2211圖圖2-5 鋼材的多軸應(yīng)力狀態(tài)鋼材的多軸應(yīng)力狀態(tài)2.2 2.2 建筑鋼材在多軸應(yīng)力作用下的工作性能建筑鋼材在多軸應(yīng)力作用下

10、的工作性能yyxxzz112233xyyxyzzxxzyyxxxyxyyxyx2211圖圖2-5 鋼材的多軸應(yīng)力狀態(tài)鋼材的多軸應(yīng)力狀態(tài)由材料力學(xué)能量強(qiáng)度理論知，折算應(yīng)力由材料力學(xué)能量強(qiáng)度理論知，折算應(yīng)力 Ze為：為：2222223zxyzxyxzzyyxzyxze用主應(yīng)力用主應(yīng)力 、 、 表示時(shí)，有表示時(shí)，有123)(133221232221ze或或)()()(21213232221ze二、二、 設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式 由式（由式（19-119-1）確定，）確定， 鋼材抗拉（鋼材抗拉（壓壓）設(shè)計(jì)強(qiáng)度）設(shè)計(jì)強(qiáng)度ffzeze 由式由式 知，知，主應(yīng)力同號(hào)時(shí)，折算應(yīng)力小，不容易進(jìn)入塑性狀態(tài)，主應(yīng)力同號(hào)時(shí)，

11、折算應(yīng)力小，不容易進(jìn)入塑性狀態(tài)，容易發(fā)生脆性破壞；容易發(fā)生脆性破壞；異號(hào)主應(yīng)力容易進(jìn)入異號(hào)主應(yīng)力容易進(jìn)入塑性狀態(tài)，容易產(chǎn)生塑性狀態(tài)，容易產(chǎn)生塑性破壞。塑性破壞。（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(hào)應(yīng)力雙向異號(hào)應(yīng)力圖圖2-6 雙向應(yīng)力作用下鋼材的關(guān)系雙向應(yīng)力作用下鋼材的關(guān)系0yfbyfcyf11(a)(b)(c)()()(21213232221zeP=P0sint/aPPta2.3 2.3 鋼材鋼材的疲勞強(qiáng)度的疲勞強(qiáng)度一一、疲勞現(xiàn)象、疲勞現(xiàn)象 在連續(xù)反復(fù)（循環(huán)）荷載作用在連續(xù)反復(fù)（循環(huán)）荷載作用下，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度下，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度甚至低于屈服強(qiáng)度便發(fā)生甚

12、至低于屈服強(qiáng)度便發(fā)生突然脆性斷裂。這種現(xiàn)象突然脆性斷裂。這種現(xiàn)象稱鋼材疲勞破壞。稱鋼材疲勞破壞。二、產(chǎn)生疲勞的原因二、產(chǎn)生疲勞的原因 （1）連續(xù)反復(fù)荷載）連續(xù)反復(fù)荷載 （2）材料局部缺陷（工藝微裂紋、焊縫夾渣等）材料局部缺陷（工藝微裂紋、焊縫夾渣等）三、疲勞破壞機(jī)理三、疲勞破壞機(jī)理（1）形成微裂紋）形成微裂紋 材料已有微裂紋或加載使雜質(zhì)附近發(fā)生應(yīng)力集中，材料已有微裂紋或加載使雜質(zhì)附近發(fā)生應(yīng)力集中，造成新的微裂紋。造成新的微裂紋。 （2）反復(fù)荷載下微裂紋發(fā)展成宏觀裂紋）反復(fù)荷載下微裂紋發(fā)展成宏觀裂紋 反復(fù)荷載下微裂紋尖端應(yīng)力集中、材料硬化，裂反復(fù)荷載下微裂紋尖端應(yīng)力集中、材料硬化，裂紋開展，出現(xiàn)

13、宏觀裂紋。紋開展，出現(xiàn)宏觀裂紋。圖圖2-1 單軸應(yīng)力單軸應(yīng)力 ffpfyfu （3）宏觀裂紋發(fā)展，斷面）宏觀裂紋發(fā)展，斷面削弱，脆性斷裂削弱，脆性斷裂裂紋尖端應(yīng)力集中使裂紋開展裂紋尖端應(yīng)力集中使裂紋開展 惡性循環(huán)、脆性斷裂惡性循環(huán)、脆性斷裂 反復(fù)荷載繼續(xù)作用，裂紋尖端材料進(jìn)一步硬化，反復(fù)荷載繼續(xù)作用，裂紋尖端材料進(jìn)一步硬化，裂紋繼續(xù)發(fā)展，荷載循環(huán)一次，裂紋發(fā)展一步，當(dāng)荷裂紋繼續(xù)發(fā)展，荷載循環(huán)一次，裂紋發(fā)展一步，當(dāng)荷載循環(huán)到一定次數(shù)時(shí)，斷面極大削弱，導(dǎo)致脆性破壞。載循環(huán)到一定次數(shù)時(shí)，斷面極大削弱，導(dǎo)致脆性破壞。加載加載裂紋尖端應(yīng)力集中裂紋尖端應(yīng)力集中材料硬化材料硬化卸載卸載裂紋擴(kuò)大裂紋擴(kuò)大圖圖2

14、-1 單軸應(yīng)力單軸應(yīng)力 ffpfyfu裂紋尖端應(yīng)力集中使裂紋開展裂紋尖端應(yīng)力集中使裂紋開展 疲勞破壞由裂縫發(fā)展所致。因此，無拉應(yīng)疲勞破壞由裂縫發(fā)展所致。因此，無拉應(yīng)力，則無疲勞破壞；無拉應(yīng)力，不檢算疲勞。力，則無疲勞破壞；無拉應(yīng)力，不檢算疲勞。 裂縫反復(fù)擴(kuò)張、閉合，使疲勞斷口上有半裂縫反復(fù)擴(kuò)張、閉合，使疲勞斷口上有半橢園光滑區(qū)，其余部分粗糙；橢園光滑區(qū)，其余部分粗糙；有拉應(yīng)力裂縫張開有拉應(yīng)力裂縫張開無拉應(yīng)力裂縫閉合無拉應(yīng)力裂縫閉合圖圖2-82-8四、四、影響疲勞強(qiáng)度的主要因素影響疲勞強(qiáng)度的主要因素1 1、應(yīng)力集中程度、應(yīng)力集中程度 通過構(gòu)造手段解決通過構(gòu)造手段解決2 2、應(yīng)力循環(huán)的特征、應(yīng)力循

15、環(huán)的特征 最大、最小應(yīng)力之間的相互關(guān)系，可以用最大、最大、最小應(yīng)力之間的相互關(guān)系，可以用最大、最小應(yīng)力之差或之比考慮。最小應(yīng)力之差或之比考慮。 3 3、應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)、應(yīng)力循環(huán)的次數(shù) 引起疲勞破壞所需的應(yīng)力大小，隨著循環(huán)的次數(shù)引起疲勞破壞所需的應(yīng)力大小，隨著循環(huán)的次數(shù)n n增加而減小。增加而減小。應(yīng)力循環(huán)的特征和應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)的關(guān)系應(yīng)力循環(huán)的特征和應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)的關(guān)系 n1ninj1inmax (MPa)n 次數(shù)某應(yīng)力循環(huán)特性情況下的疲勞曲線取循環(huán)次數(shù)為多少時(shí)的最大應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)呢？取循環(huán)次數(shù)為多少時(shí)的最大應(yīng)力為標(biāo)準(zhǔn)呢？ 我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范以我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范以n=n=510104 4作為承受動(dòng)力

16、荷作為承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如吊車梁，吊車桁架和工載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如吊車梁，吊車桁架和工作平臺(tái)梁等）及其連接所作平臺(tái)梁等）及其連接所具有的最小疲勞極限具有的最小疲勞極限。因此，。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)要求的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)當(dāng)設(shè)計(jì)要求的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)nn510104 4時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞檢算。檢算。五、五、設(shè)計(jì)檢算原則設(shè)計(jì)檢算原則 為保證疲勞壽命，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為保證疲勞壽命，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n n應(yīng)大于規(guī)定的疲勞極限，如國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（應(yīng)大于規(guī)定的疲勞極限，如國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIWIIW）和國(guó)）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISOISO）建議）建議n=5n=5

17、10106 6次為疲勞極限，我次為疲勞極限，我國(guó)建筑及橋梁鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范以國(guó)建筑及橋梁鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范以n=n=210106 6為疲勞極限。為疲勞極限。1、疲勞檢算原則、疲勞檢算原則應(yīng)力比準(zhǔn)則：應(yīng)力比準(zhǔn)則： 應(yīng)力比：循環(huán)一周最小、最大應(yīng)力比應(yīng)力比：循環(huán)一周最小、最大應(yīng)力比 = min / max應(yīng)力幅準(zhǔn)則：應(yīng)力幅準(zhǔn)則： 應(yīng)力幅：循環(huán)一周最大、最小應(yīng)力差應(yīng)力幅：循環(huán)一周最大、最小應(yīng)力差 = max- min “常幅疲勞常幅疲勞”是指在使用期內(nèi)交變荷載下每次循環(huán)是指在使用期內(nèi)交變荷載下每次循環(huán)的應(yīng)力變化幅值相同；否則稱的應(yīng)力變化幅值相同；否則稱“變幅疲勞變幅疲勞”，如上圖，如上圖所示。承受吊車荷載的吊車梁屬

18、變幅疲勞，因?yàn)槠鸬跛?。承受吊車荷載的吊車梁屬變幅疲勞，因?yàn)槠鸬踔亓坑袝r(shí)滿載，有時(shí)欠載。重量有時(shí)滿載，有時(shí)欠載。t常幅疲勞常幅疲勞t變幅疲勞變幅疲勞圖圖2-9按照常幅疲勞和變幅疲勞不同情況分別進(jìn)行計(jì)算。按照常幅疲勞和變幅疲勞不同情況分別進(jìn)行計(jì)算。 應(yīng)力幅：應(yīng)力幅： = max- min 2 2、按應(yīng)力幅準(zhǔn)則的檢算方法按應(yīng)力幅準(zhǔn)則的檢算方法 驗(yàn)算公式驗(yàn)算公式 其中，其中， 標(biāo)準(zhǔn)荷載下標(biāo)準(zhǔn)荷載下檢算部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅檢算部位的設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 容許應(yīng)力幅容許應(yīng)力幅,N/mm,N/mm2 2。以。以n=2n=210106 6次疲勞次疲勞 強(qiáng)度為基準(zhǔn)，只與構(gòu)件和連接類別有關(guān)。強(qiáng)度為基準(zhǔn)，只與構(gòu)件和連接類別有關(guān)

19、。 設(shè)計(jì)應(yīng)力幅設(shè)計(jì)應(yīng)力幅 計(jì)算計(jì)算 焊接部位：焊接部位： 非焊接部位：非焊接部位：6102minmaxminmax7 . 0 2 2、按應(yīng)力幅準(zhǔn)則的檢算方法按應(yīng)力幅準(zhǔn)則的檢算方法 （1 1）常幅疲勞）常幅疲勞 3 3、檢算方法及公式（按應(yīng)力幅準(zhǔn)則）檢算方法及公式（按應(yīng)力幅準(zhǔn)則） （2）變幅疲勞）變幅疲勞 可將變幅疲勞折算為等效的常幅疲勞，可將變幅疲勞折算為等效的常幅疲勞，然后按常幅疲勞檢算式檢算。然后按常幅疲勞檢算式檢算。t常幅疲勞常幅疲勞t變幅疲勞變幅疲勞 2.4 2.4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響各種因素對(duì)鋼材性能的影響一、化學(xué)成份一、化學(xué)成份二、冶金和軋制過程二、冶金和軋制過程 2.4 2

20、.4 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 1 1、碳碳 影響強(qiáng)度、塑性、韌性。提高含碳量，影響強(qiáng)度、塑性、韌性。提高含碳量，強(qiáng)度提強(qiáng)度提高高，塑性和韌性下降，可焊性、抗銹蝕性能變劣。，塑性和韌性下降，可焊性、抗銹蝕性能變劣。 鋼結(jié)構(gòu)中，不宜采用含碳量高的鋼材，一般不鋼結(jié)構(gòu)中，不宜采用含碳量高的鋼材，一般不超過超過0.22%0.22%。焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)限制在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)限制在0.20%以下。以下。 普通碳素鋼中含有多種化學(xué)成分，其中鐵占普通碳素鋼中含有多種化學(xué)成分，其中鐵占99%99%左右，碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧等共占左右，碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧等共占1%1%左右。在低合金鋼中

21、還有合金元素，他們含量低于左右。在低合金鋼中還有合金元素，他們含量低于5%5%。影響鋼材主要性能的元素有：。影響鋼材主要性能的元素有： 一、一、化學(xué)成份化學(xué)成份 2 2、硫硫 在高溫下（在高溫下（800-1000800-1000）生成硫化鐵，使鋼材變）生成硫化鐵，使鋼材變脆（熱脆），因而脆（熱脆），因而降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、降低鋼材的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、可焊性和抗銹蝕能力?？珊感院涂逛P蝕能力。應(yīng)嚴(yán)格控制鋼材中的含硫量，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼材中的含硫量，不得超過不得超過0.05%0.05%，1616錳橋鋼不超過錳橋鋼不超過0.045%0.045%。 3 3、磷磷 可提高強(qiáng)度、提高抗銹蝕能力，但嚴(yán)

22、重降低塑可提高強(qiáng)度、提高抗銹蝕能力，但嚴(yán)重降低塑性、韌性和可焊性，特別易發(fā)生低溫脆斷（冷脆）性、韌性和可焊性，特別易發(fā)生低溫脆斷（冷脆），應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，一般不超過應(yīng)嚴(yán)格控制其含量，一般不超過0.045%0.045%，1515錳釩鋼錳釩鋼不超過不超過0.040%0.040%。 4 4、錳錳 提高強(qiáng)度而不明顯影響塑性，同時(shí)可消除熱脆和改善冷提高強(qiáng)度而不明顯影響塑性，同時(shí)可消除熱脆和改善冷脆傾向。是低合金鋼中的主要合金元素成分。脆傾向。是低合金鋼中的主要合金元素成分。 7 7、氮、氧氮、氧氧氧有害雜質(zhì)，嚴(yán)格控制。有害雜質(zhì)，嚴(yán)格控制。氮氮能使鋼材強(qiáng)化，但顯著降低鋼材塑能使鋼材強(qiáng)化，但顯著降低鋼材塑

23、性、韌性、可焊性和冷彎性能，增加時(shí)效傾向和冷脆性。性、韌性、可焊性和冷彎性能，增加時(shí)效傾向和冷脆性。 6 6、釩釩 可提高鋼材強(qiáng)度和焊縫性能?？商岣咪摬膹?qiáng)度和焊縫性能。1515錳釩鋼可用于船舶、橋梁錳釩鋼可用于船舶、橋梁等荷載大的焊接結(jié)構(gòu)以及高、中壓容器。等荷載大的焊接結(jié)構(gòu)以及高、中壓容器。 5 5、硅硅 含量不超過含量不超過0.2%0.2%時(shí)，可提高鋼材強(qiáng)度，而對(duì)塑性、韌性和時(shí)，可提高鋼材強(qiáng)度，而對(duì)塑性、韌性和可焊性無明顯不良影響?？珊感詿o明顯不良影響。二、冶金與軋制的影響二、冶金與軋制的影響 冶金的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用冶金的影響主要為脫氧方法：沸騰鋼用MnMn為脫氧劑，為脫氧劑，時(shí)

24、間快，價(jià)格低，質(zhì)量差；鎮(zhèn)靜鋼用時(shí)間快，價(jià)格低，質(zhì)量差；鎮(zhèn)靜鋼用SiSi為脫氧劑，時(shí)為脫氧劑，時(shí)間慢，價(jià)格高，質(zhì)量好。間慢，價(jià)格高，質(zhì)量好。 反復(fù)的軋制可以改善鋼材的塑性，同時(shí)可以使鋼材反復(fù)的軋制可以改善鋼材的塑性，同時(shí)可以使鋼材中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織中的氣孔、裂紋、疏松等缺陷焊合，使金屬晶體組織密實(shí)，晶粒細(xì)化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學(xué)密實(shí)，晶粒細(xì)化，消除纖維組織缺陷，使鋼材的力學(xué)性能提高。性能提高。第三節(jié) 結(jié)構(gòu)鋼材的脆性破壞兩種破壞形式兩種破壞形式 鋼材的破壞分塑性破壞和脆性破壞兩種。鋼材的破壞分塑性破壞和脆性破壞兩種。 塑性破壞：加載后有較大變形，因此破壞前有預(yù)

25、塑性破壞：加載后有較大變形，因此破壞前有預(yù)兆，斷裂時(shí)斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。兆，斷裂時(shí)斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。 脆性破壞：加載后，無明顯變形，因此破壞前無脆性破壞：加載后，無明顯變形，因此破壞前無預(yù)兆，斷裂時(shí)斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆預(yù)兆，斷裂時(shí)斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險(xiǎn)性大。性破壞危險(xiǎn)性大。影響脆性的因素化學(xué)成分化學(xué)成分 冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋、起層）冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋、起層） 溫度（熱脆、低溫冷脆）溫度（熱脆、低溫冷脆） 冷作硬化冷作硬化 時(shí)效硬化時(shí)效硬化 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 同號(hào)三向主應(yīng)力狀態(tài)同號(hào)三向主應(yīng)力狀態(tài) 1 1、冶冶金金缺缺陷陷n 起起層層

26、 鋼材局部有時(shí)出現(xiàn)的分層現(xiàn)象鋼材局部有時(shí)出現(xiàn)的分層現(xiàn)象 裂紋和起層對(duì)力學(xué)性能有嚴(yán)重影響，應(yīng)于重視裂紋和起層對(duì)力學(xué)性能有嚴(yán)重影響，應(yīng)于重視。n 裂紋裂紋 鋼材中存在的微觀裂紋。鋼材中存在的微觀裂紋。n 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、氧化物，他們使鋼材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。性能變脆。n 偏析偏析 雜質(zhì)元素分布不均勻的現(xiàn)象。主要是硫和磷偏析，其后果是雜質(zhì)元素分布不均勻的現(xiàn)象。主要是硫和磷偏析，其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變壞。偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變壞。2、溫度的影響溫度的影響，一般可分正溫與負(fù)溫影響兩部分。溫度的影

27、響，一般可分正溫與負(fù)溫影響兩部分。n 正溫影響正溫影響 總體影響規(guī)律為溫度上升，鋼材的強(qiáng)度降低，塑性、韌總體影響規(guī)律為溫度上升，鋼材的強(qiáng)度降低，塑性、韌性提高，這一現(xiàn)象稱之為性提高，這一現(xiàn)象稱之為熱塑現(xiàn)象熱塑現(xiàn)象，溫度達(dá)，溫度達(dá)600o左右時(shí)，左右時(shí)，鋼材的強(qiáng)度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進(jìn)鋼材的強(qiáng)度幾乎降至為零，而塑性、韌性極大，易于進(jìn)行熱加工，此溫度稱之為行熱加工，此溫度稱之為熱煅溫度熱煅溫度。 需要說明：鋼材在需要說明：鋼材在300o左右時(shí)，強(qiáng)度提高，塑性、韌性左右時(shí)，強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，鋼材表面呈藍(lán)色，這一反覆現(xiàn)象稱之為下降，鋼材表面呈藍(lán)色，這一反覆現(xiàn)象稱之為藍(lán)脆現(xiàn)象藍(lán)脆

28、現(xiàn)象。鋼材在鋼材在300o以上時(shí)應(yīng)采取以上時(shí)應(yīng)采取隔熱措施隔熱措施。n 負(fù)溫影響負(fù)溫影響 隨著溫度的降低鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低，脆隨著溫度的降低鋼材的強(qiáng)度提高，塑性、韌性降低，脆性增大，稱之為性增大，稱之為低溫冷脆低溫冷脆，當(dāng)溫度降至某一特定溫度時(shí)，當(dāng)溫度降至某一特定溫度時(shí)鋼材的脆性急劇增大，稱此溫度點(diǎn)為鋼材的脆性急劇增大，稱此溫度點(diǎn)為轉(zhuǎn)脆溫度轉(zhuǎn)脆溫度。3、冷作硬化與時(shí)效硬化冷作硬化與時(shí)效硬化 由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱之為下降，增加脆性的現(xiàn)象稱之為硬化現(xiàn)象硬化現(xiàn)象。 冷加工時(shí)（常溫進(jìn)行彎折、沖孔剪

29、切等），鋼材發(fā)生冷加工時(shí)（常溫進(jìn)行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱之為冷作硬化冷作硬化。 鋼材中的鋼材中的C、N，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和溫度的變化，而形，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化老化”現(xiàn)象稱之現(xiàn)象稱之為為時(shí)效硬化時(shí)效硬化。4 4、復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中的影響、復(fù)雜應(yīng)力與應(yīng)力集中的影響 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰

30、應(yīng)力力，此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中越嚴(yán)重此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材塑性越鋼材塑性越差。差。 鋼材在多向同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)作用下，一向的變形受到另一向鋼材在多向同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)作用下，一向的變形受到另一向的限制，而使鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號(hào)應(yīng)的限制，而使鋼材強(qiáng)度增加，塑性、韌性下降，異號(hào)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)則相反。力場(chǎng)時(shí)則相反。 鋼構(gòu)件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因而鋼構(gòu)件由于截面的改變以及孔洞、凹槽、裂紋等原因而使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中實(shí)際為：局部應(yīng)力增使構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中實(shí)際為：局部應(yīng)力增大并多為同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)。大并多為同號(hào)應(yīng)力場(chǎng)。 第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的種類和規(guī)格鋼材的種類

31、和規(guī)格 1 1、普通碳素鋼、普通碳素鋼 按其屈服點(diǎn)高低，由高到低排列，以往分為按其屈服點(diǎn)高低，由高到低排列，以往分為1 1號(hào)、號(hào)、2 2號(hào)、號(hào)、3 3號(hào)、號(hào)、4 4號(hào)號(hào)等，后來用等，后來用Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q255 Q255 等表示等表示, ,建筑鋼結(jié)構(gòu)中最常用的是建筑鋼結(jié)構(gòu)中最常用的是3 3號(hào)鋼號(hào)鋼(A3F)(A3F)。 目前，我國(guó)建筑用鋼主要鋼種有：目前，我國(guó)建筑用鋼主要鋼種有： 普通碳素鋼普通碳素鋼與與普通低合金鋼普通低合金鋼。 一、一、鋼種和爐種鋼種和爐種 2.5 2.5 鋼材的種類和規(guī)格鋼材的種類和規(guī)格 2 2、普通低合金鋼、普通低合金鋼 按加入的

32、合金元素分為：按加入的合金元素分為：16Mn16Mn鋼、鋼、16Mnq16Mnq鋼、鋼、 15MnV15MnV鋼、鋼、15MnVq15MnVq鋼和鋼和15MnVN15MnVN鋼等。前面數(shù)據(jù)表示含鋼等。前面數(shù)據(jù)表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)，后跟合金化學(xué)元素符號(hào)，最后的碳量的萬分?jǐn)?shù)，后跟合金化學(xué)元素符號(hào)，最后的q q表表示橋梁結(jié)構(gòu)鋼的意思。示橋梁結(jié)構(gòu)鋼的意思。( (橋鋼對(duì)含硫量要求更嚴(yán)橋鋼對(duì)含硫量要求更嚴(yán)) ) 一、鋼種和爐種一、鋼種和爐種新建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范推薦四種鋼：新建筑鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范推薦四種鋼： Q235Q235（對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于A3)A3)、 Q345(Q345(對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于16Mn)16Mn) Q390(

33、Q390(對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于15MnV)15MnV)、 Q420(Q420(對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于15MnVN)15MnVN) 我國(guó)建筑用鋼主要爐種有我國(guó)建筑用鋼主要爐種有： 2 2、同一爐種鋼材又依鋼水脫氧程度不同，有鎮(zhèn)靜、同一爐種鋼材又依鋼水脫氧程度不同，有鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之分。鎮(zhèn)靜鋼比沸騰鋼脫氧較完全，因而鋼和沸騰鋼之分。鎮(zhèn)靜鋼比沸騰鋼脫氧較完全，因而材質(zhì)較好，但成本較高。重要構(gòu)件特別是低溫工作的材質(zhì)較好，但成本較高。重要構(gòu)件特別是低溫工作的焊接構(gòu)件應(yīng)采用鎮(zhèn)靜鋼。其它情況可采用沸騰鋼。焊接構(gòu)件應(yīng)采用鎮(zhèn)靜鋼。其它情況可采用沸騰鋼。 1 1、氧氣轉(zhuǎn)爐鋼是近、氧氣轉(zhuǎn)爐鋼是近3030年發(fā)展起來的新爐種具有和年發(fā)展

34、起來的新爐種具有和平爐鋼相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，而成本和周期都較平爐鋼低，是平爐鋼相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，而成本和周期都較平爐鋼低，是最主要的爐種。最主要的爐種。 平爐平爐和和氧氣轉(zhuǎn)爐氧氣轉(zhuǎn)爐。 3、特類鋼、特類鋼 按機(jī)械性能和化學(xué)成分供應(yīng)的鋼材按機(jī)械性能和化學(xué)成分供應(yīng)的鋼材。 鋼結(jié)構(gòu)通常采用甲類鋼材鋼結(jié)構(gòu)通常采用甲類鋼材。 2、乙類鋼、乙類鋼 按化學(xué)成分供應(yīng)的鋼材按化學(xué)成分供應(yīng)的鋼材。 1、甲類鋼、甲類鋼 按機(jī)械性能供應(yīng)按機(jī)械性能供應(yīng)。只保證強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。化學(xué)成分只保證強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率?；瘜W(xué)成分中保證硫、磷含量不超過中保證硫、磷含量不超過規(guī)范規(guī)范附錄中規(guī)定的數(shù)值。附錄中規(guī)定的數(shù)值。 二、二、碳素鋼類別和鋼號(hào)碳素鋼類別和

35、鋼號(hào) 按按普通碳素鋼技術(shù)條件普通碳素鋼技術(shù)條件（GB700-79),GB700-79),普通碳素普通碳素鋼根據(jù)供應(yīng)時(shí)的保證條件，分為三類：鋼根據(jù)供應(yīng)時(shí)的保證條件，分為三類： 甲類鋼、乙類鋼甲類鋼、乙類鋼和特類鋼。和特類鋼。 按照新的按照新的碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-88)規(guī)范，規(guī)范，根據(jù)不同根據(jù)不同質(zhì)量等級(jí)質(zhì)量等級(jí)分別規(guī)定：分別規(guī)定：n碳、錳、硫、磷等含量；碳、錳、硫、磷等含量；n脫氧方法脫氧方法n力學(xué)指標(biāo)力學(xué)指標(biāo)除非訂貨方要求，除非訂貨方要求， 一般不再分冶煉爐種一般不再分冶煉爐種 選擇使用鋼材時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：選擇使用鋼材時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：n 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重

36、要性；n 荷載性質(zhì)（靜力荷載還是動(dòng)力荷載）；荷載性質(zhì)（靜力荷載還是動(dòng)力荷載）；n 連接方式（焊接還是其它連接）；連接方式（焊接還是其它連接）；n 工作環(huán)境（溫度及腐蝕介質(zhì)）。工作環(huán)境（溫度及腐蝕介質(zhì)）。 三、鋼材的選擇三、鋼材的選擇 規(guī)范規(guī)定，下列情況的承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用規(guī)范規(guī)定，下列情況的承重結(jié)構(gòu)和構(gòu)件不應(yīng)采用Q235沸騰鋼：沸騰鋼：n 焊接構(gòu)件焊接構(gòu)件 直接承接動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)；直接承接動(dòng)力荷載或振動(dòng)荷載且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)；n 非焊接構(gòu)件非焊接構(gòu)件 工作溫度等于或低于工作溫度等于或低于-20的直接承接動(dòng)力荷載且需要驗(yàn)算疲的直接承接動(dòng)力荷載且需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)勞的結(jié)構(gòu) 選擇鋼材時(shí)，根據(jù)規(guī)范還應(yīng)符合以下條件：選擇鋼材時(shí)，根據(jù)規(guī)范還應(yīng)符合以下條件： 三、鋼材的選擇三、鋼材的選擇 此外規(guī)范對(duì)承重結(jié)構(gòu)所