在鋼結構設計中為了防止脆性破壞課件

『本章要求』1.掌握鋼結構對材料的要求；2.掌握鋼材的破壞形式；3.重點掌握鋼材的主要性能（包括受拉、受壓及受剪時的性能、冷彎性能、沖擊韌性）；4.了解各種因素對鋼材主要性能的影響（如化學成分、冶金缺陷、鋼材硬化、溫度影響、應力集中、反復荷載作用）；5.了解復雜應力作用下鋼材的屈服條件；6.掌握鋼材的疲勞的概念及計算方法；7.了解鋼的種類和鋼材規(guī)格。

『本章要求』『關鍵知識』1.鋼材的受拉、受壓及受剪時的性能、冷彎性能、沖擊韌性；2.鋼材的疲勞的概念及計算方法。

『重點講解』1.鋼材的受拉、受壓及受剪時的性能、冷彎性能、沖擊韌性2.鋼材的疲勞破壞『難點解析』

1.鋼材的疲勞破壞『關鍵知識』『重點講解』『難點解析』(1)強度要求，即對材料屈服強度（又稱為屈服點）與抗拉強度的要求。(2)塑性、韌性要求，即要求鋼材具有良好的適應變形與抗沖擊能力，以防止脆性破壞。(3)耐疲勞性能及適應環(huán)境能力要求，即要求材料本身具有良好的抗動力荷載性能及較強的適應低溫、高溫等環(huán)境變化的能力。2.1鋼結構對鋼材性能的要求(1)強度要求，即對材料屈服強度（又稱為屈服點）與抗拉強度(4)冷、熱加工性能及焊接性能要求，良好的工藝性能不但易于將鋼材加工成各種形式的結構，而且不會產生因加工對結構的強度、塑性、韌性等造成不利影響。(5)耐久性能要求，主要指材料的耐銹蝕能力要求，即要求鋼材具備在外界環(huán)境作用下仍能維持其原有力學及物理性能基本不變的能力。(6)生產與價格方面的要求，即要求鋼材易于施工、價格合理。(4)冷、熱加工性能及焊接性能要求，良好的工藝性能不但易于鋼結構設計規(guī)范具體規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證，焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結構以及重要的受拉或受彎的焊接結構尚應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。鋼結構設計規(guī)范具體規(guī)定：2.2鋼材的破壞形式1.塑性破壞的特征：構件應力超過屈服點、并達到抗拉極限強度后，產生明顯的變形并斷裂。構件在斷裂破壞時產生很大的塑性變形，又稱為延性破壞。斷裂后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗，有時能看到滑移的痕跡。鋼材在發(fā)生塑性破壞時變形特征明顯，很容易被發(fā)現(xiàn)并及時采取補救措施，因而不致引起嚴重后果。而且適度的塑性變形能起到調整結構內力分布的作用，使原先結構應力不均勻的部分趨于均勻，從而提高結構的承載能力。2.2鋼材的破壞形式1.塑性破壞的特征：2.脆性破壞的特征：鋼材在斷裂破壞時沒有明顯的變形征兆，平均應力小，按材料力學計算的名義應力往往比屈服點低。斷裂后斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。由于脆性破壞具有突然性，無法預測，而且個別構件的斷裂常引起整個結構塌毀，危及人民生命財產的安全，后果嚴重，比塑性破壞要危險得多，因此，在鋼結構工程設計、施工與安裝中應采取適當措施盡力避免發(fā)生脆性破壞。2.脆性破壞的特征：2.3.1受拉、受壓及受剪時的性能

1.強度性能（1）碳素結構鋼材的應力應變曲線分為五個階段：a.彈性階段b.彈塑性階段c.屈服階段d.強化階段e.頸縮階段屈服點fy是鋼結構設計中應力允許達到的最大限值，因為當構件中的應力達到屈服點時，結構會因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)fyfued流幅abc2.3建筑鋼材的主要性能2.3.1受拉、受壓及受剪時的性能屈服點fy是鋼結構設計中0.2%0.2(N/mm2)o（2）高強度鋼的應力-應變曲線0.2%0.2(N/mm2)o（2）高強度鋼的應力-

L0—

原標距長

L1

—拉斷后標距長度

D0

—試件直徑試件有兩種標距：L0/D0=5

和L0/d0=10

相應的伸長率用δ5和δ10表示。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。2.塑性性能試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標距之比的百分數(shù)，稱為伸長率δ

。伸長率代表材料在單向拉伸時的塑性應變的能力。 L0—原標距長實際工程中以伸長率代表材料斷裂前具有的斷面收縮率

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比。

式中：

A0

——試件原來的斷面面積

A1

——試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積

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3.鋼材物理性能指標鋼材在單向受壓(粗而短的試件)時，受力性能基本上和單向受拉時相同。受剪的情況也相似，但屈服點及抗剪強度均較受拉時為低，剪變模量也低于彈性模量。彈性模量泊松比剪變模量線膨脹系數(shù)質量密度3.鋼材物理性能指標彈性模量2.3.2冷彎性能冷彎性能由冷彎試驗來確定，冷彎試驗不僅能直接檢驗鋼材的彎曲變形能力或塑性性能，還能暴露鋼材內部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物與氧化物的摻雜情況，這些都將降低鋼材的冷彎性能。因此，冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應變能力和鋼材質量的綜合指標。2.3.2冷彎性能2.3.3沖擊韌性韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量(包括彈性和非彈性能)來量度，韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標。夏比試件比梅氏試件具有更為尖銳的缺口，更接近構件中可能出現(xiàn)的嚴重缺陷，近年來用Cv能量來表示材料沖擊韌性的方法日趨普遍。2.3.3沖擊韌性2.3.4鋼材的可焊性鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，獲得性能良好的焊接接頭。焊接過程中要求焊縫及焊縫附近金屬不產生熱裂紋或冷卻收縮裂紋；在使用過程中焊縫處的沖擊韌性和熱影響區(qū)內塑性良好。我國鋼結構設計規(guī)范中除了Q235—A不能作為焊接構件外，其他的幾種牌號的鋼材均具有良好的焊接性能。在高強度低合金鋼中低合金元素大多對可焊性有不利影響，我國的行業(yè)標準JGJ81—2002《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》推薦使用碳當量來衡量低合金鋼的可焊性。2.3.4鋼材的可焊性鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條2.3.5特種性能1.耐火性能2.耐候性能3.Z向性能小結：鋼材的機械性能指標1.屈服點fy2.抗拉強度fu3.伸長率δ4.斷面收縮率5.冷彎性能6.沖擊韌性Cv2.3.5特種性能1.耐火性能小結：鋼材的機械性能指標1.2.4.1化學成分

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素鋼中，F(xiàn)e占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%）2.4影響鋼材性能的主要因素碳C：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素結構鋼中不應超過0.22%；在焊接結構中還應低于0.2%。2.4.1化學成分鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。硅Si：碳素結構鋼中應控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅的含量可達0.55%。錳Mn：含Mn適量使強度↑，降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益。釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。銅：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響。硅Si：碳素結構鋼中應控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量應不超過0.05%。(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應不超過0.045%?？梢蕴岣邚姸群涂逛P蝕性。

(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，發(fā)生熱脆。(有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，發(fā)生冷脆。(有害成分)硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，2.4.2冶金缺陷

1.偏析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、可焊性變壞。

3.裂紋鋼材中存在的微觀裂紋。2.非金屬夾雜指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆。4.氣泡澆鑄時由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。5.分層澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層。2.4.2冶金缺陷1.偏析金屬結晶后化學成分分布冷作硬化

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，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

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高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。俗稱老化。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。

冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大塑性變形，從而提高了鋼的屈服點，同時降低了鋼的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化(或應變硬化)。2.4.3鋼材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注意：在一般鋼結構中，不利用硬化所提高的強度，有些重要結構要求對鋼材進行人工時效后檢驗其沖擊韌性，以保證結構具有足夠的抗脆性破壞能力。人工時效:先使鋼材產生10％左右的塑性變形，卸載后再加熱至250℃，保溫一小時后在空氣中冷卻。注意：在一般鋼結構中，不利用硬化所提高的強度，有些重要結構要2.4.4溫度的影響正溫范圍：（1）溫度在150℃以內，鋼材材質變化很小，鋼結構可用于溫度不高于150℃的場合。（2）溫度在250℃左右的區(qū)間內出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，fu

有局部性提高，同時塑性降至最低，材料有轉脆傾向。（3）當溫度達到600℃時，鋼材進入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴重，將喪失承載能力。

溫度對鋼材力學性能的影響℃fufyδE2.4.4溫度的影響正溫范圍：溫度對鋼材力學性能的影響藍脆現(xiàn)象－在250℃左右，鋼材的強度反而略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料有轉脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍色。鋼材應避免在藍脆溫度范圍內進行熱加工。徐變現(xiàn)象－當溫度在260℃～320℃時，在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形。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，逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十分敏感。藍脆現(xiàn)象－在250℃左右，鋼材的強度反而略有提高，同時塑性和沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2（1）沖擊功曲線的反彎點T0稱為轉變溫度。界限溫度T1和T2分別為脆性轉變溫度和全塑性轉變溫度。（2）鋼材由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐氖窃跍囟葏^(qū)間T1

～T2內完成的，此溫度區(qū)間稱為鋼材的脆性轉變溫度區(qū)。（3）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上，鋼材則表現(xiàn)為完全的塑性破壞。（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。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T1,接近T0。為了防止脆性破壞，結構的工作溫度應大于T1接近To，可小于T2。

沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊2.4.5應力集中

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，形成所謂應力集中現(xiàn)象。2.4.5應力集中在鋼結構構件中不可避免的存在著孔洞、不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力——應變曲線

可以看出截面槽口改變愈急劇，應力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，但塑性愈差，破壞的脆性傾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10測距100φ10φ100600700500400300200100不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力——應變曲線可以看出截面槽口

熱軋型鋼在冷卻過程中，在截面突變處如尖角、邊緣及薄細部位，率先冷卻，其他部位漸次冷卻，先冷卻部位約束阻止后冷卻部位的自由收縮，產生復雜的熱軋殘余應力分布。不同形狀和尺寸規(guī)格的型鋼殘余應力分布不同。

殘余應力不影響構件的靜力強度，但要降低構件的剛度和穩(wěn)定性。2.4.6殘余應力的影響熱軋型鋼在冷卻過程中，在截面突變處如尖角、邊緣及薄細部位2.4.7重復荷載作用疲勞破壞:鋼材在直接的反復的動力荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設計、制造及使用中應注意:

合理設計正確制造正確使用2.4.7重復荷載作用疲勞破壞:鋼材在反復荷載作用下，結疲勞破壞的特征和定義：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，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：裂紋的形成----裂紋的擴展----最后的迅速斷裂而破壞破壞特點：（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，屬于脆性破壞。（3）疲勞對缺陷十分敏感。（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輪狀花紋。2.5鋼材的疲勞疲勞破壞的特征和定義：鋼材在循環(huán)荷載作用下，應力雖然低于極限鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷、產生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后破壞，此現(xiàn)象稱為疲勞（fatigue）。按照斷裂壽命和應力高低的不同，疲勞分為高周疲勞（high-cycle

fatigue）和低周疲勞（low-cycle

fatigue）兩類。高周疲勞的斷裂壽命較長，斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)n≥5×104，斷裂應力水平較低，因此也稱低應力疲勞或疲勞，一般常見的疲勞多屬于這類。低周疲勞的斷裂壽命較短，破壞前的循環(huán)次數(shù)n＝102～5×104，斷裂應力水平較高，伴有塑性應變發(fā)生，因此也稱為應變疲勞或高應力疲勞。鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷、產生裂紋及裂紋逐漸鋼材的疲勞－鋼材在連續(xù)重復荷載作用下裂紋生成、擴展以致斷裂破壞的現(xiàn)象。設計規(guī)范規(guī)定：循環(huán)次數(shù)N≥5×104

，應進行疲勞計算。

應力譜1.循環(huán)應力的特征應力比應力幅循環(huán)次數(shù)N2.5.1常幅疲勞鋼材的疲勞－鋼材在連續(xù)重復荷載作用下裂紋生成、擴展以致2.52.常幅疲勞－重復荷載的數(shù)值不隨時間變化，所有應力循環(huán)內的應力幅保持常量。2.常幅疲勞－重復荷載的數(shù)值不隨時間變化，所有應力循環(huán)內的在鋼結構設計中為了防止脆性破壞課件3.Δσ與N的關系

Δσ越大，破壞時循環(huán)次數(shù)越少；

Δσ越小，破壞時循環(huán)次數(shù)越多。破壞時循環(huán)次數(shù)越少，說明Δσ越大；破壞時循環(huán)次數(shù)越多，說明Δσ越小。3.Δσ與N的關系規(guī)范將不同構造和受力特點的鋼構件和連接，按其疲勞性能的高低歸并劃分為8個疲勞計算類別，并對每個類別規(guī)定了相應的參數(shù)取值。4.容許應力幅規(guī)范將不同構造和受力特點的鋼構件和連接，按其疲勞性能的高低歸參數(shù)Ｃ和b的取值國內外試驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控制作用類別的疲勞強度有隨鋼材的強度提高而稍有增加外，大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強度不受鋼材強度的影響。參數(shù)Ｃ和b的取值國內外試驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控

疲勞計算采用容許應力幅法，按彈性狀態(tài)計算應力進行計算。計算只適用于無高溫（t≤150℃）、無嚴重腐蝕環(huán)境中的高周低應變的疲勞計算（應力循環(huán)次數(shù)n≥5×104)。

標準荷載下的設計應力幅； 對于焊接部位的設計應力幅:

=max-min

； 對于非焊接部位的折算應力幅：=max-0.7min

max 每次應力循環(huán)中，計算部位的最大拉應力（取正值）min

每次應力循環(huán)中，計算部位的最小拉應力或壓應力（拉應 力取正值，壓應力取負值）；[]

常幅疲勞的容許應力幅當作用于計算部位的設計應力幅小于等于容許應力幅時，不會發(fā)生疲勞破壞。5.常幅疲勞的計算公式疲勞計算采用容許應力幅法，按彈性狀態(tài)計算應力例題2.1某鋼板承受軸心拉力，截面為420mm×2Omm，鋼材為Q345-B，因長度不夠而用橫向對接焊縫接長，如圖2.14所示。焊縫質量等級為一級，但表面未進行磨平加工。鋼板承受重復荷載，預期循環(huán)次數(shù)n=106次，荷載標準值Nmax=1200kN，Nmin=-200kN。要求進行疲勞強度驗算。例題2.1某鋼板承受軸心拉力，截面為420mm×2Omm【解】由附表8的項次2，橫向對接焊縫附近的主體金屬當焊縫表面未經(jīng)加工但質量等級為一級時，計算疲勞時屬第3類。由表2.1，查得C＝3.26×1012，β＝3。當n＝106次時的容許應力幅為：計算部位的設計應力幅：因此疲勞強度不滿足要求，不安全?！窘狻坑筛奖?的項次2，橫向對接焊縫附近的主體金屬當焊縫表面若對焊縫表面進行加工磨平，則計算疲勞時由附表8的項次2，查得疲勞類別為第2類。此時，C＝861×1012，β＝4，則因此疲勞強度滿足要求，可見，焊縫表面進行加工磨平可提高疲勞強度。若對焊縫表面進行加工磨平，則計算疲勞時由附表8的項次2，查得2.5.2變幅疲勞當應力循環(huán)內的應力幅隨機變化時為變幅疲勞?？蓪⒆兎谡鬯銥榈刃У某７?，然后按常幅疲勞檢算式檢算。

（a）檢算公式e—等效常幅疲勞應力幅。

[]—常幅疲勞的容許應力幅。

1.能夠測得使用期內應力變幅規(guī)律2.5.2變幅疲勞當應力循環(huán)內的應力幅隨機變化時為變幅疲勞（b)計算

若能預測結構在使用壽命期間各種荷載的應力幅以及次數(shù)分布所構成的設計應力譜，則根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞折合為等效常幅疲勞，將隨機變化的應力幅折算為等效應力幅e按下式進行疲勞計算：Σni

以應力循環(huán)次數(shù)表示的結構預期使用壽命；

ni

預期壽命內應力幅水平達到i的應力循環(huán)次數(shù)（b)計算若能預測結構在使用壽命期間各種荷載2.不能測得使用期內應力變幅規(guī)律

設計重級工作制吊車的吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架時，應力幅是按滿載得出的，實際上常常發(fā)生不同程度欠載情況。如果沒有對實際應力幅的統(tǒng)計資料，即屬本情形。使用欠載效應系數(shù)，按常幅疲勞進行計算。

計算公式

—欠載效應的等效系數(shù)—循環(huán)次數(shù)為n=2×106次的容許應力幅。2.不能測得使用期內應力變幅規(guī)律設計59697890103118144176N/mm2[]n=2×10687654321連接形式類別n=2×106的容許應力幅值59697890103118144176N/mm2[]n總結：1.承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環(huán)次數(shù)N≥5×104次時，應進行疲勞計算。2.在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力的部位，可不計算疲勞。根據(jù)應力幅概念，不論應力循環(huán)是拉應力還是壓應力，只要應力幅超過容許值就會產生疲勞裂紋。但由于裂紋形成的同時，殘余應力自行釋放，在完全壓應力(不出現(xiàn)拉應力)循環(huán)中，裂紋不會繼續(xù)發(fā)展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不于驗算?？偨Y：3.計算疲勞時，應采用荷載的標準值，不考慮荷載分項系數(shù)和動力系數(shù)，而且應力按彈性工作計算。4.根據(jù)試驗，不同鋼種的不同靜力強度對焊接部位的疲勞強度無顯著影響?？烧J為，疲勞容許應力幅與鋼種無關。5.提高疲勞強度和疲勞壽命的措施（ａ）采取合理構造細節(jié)設計，盡可能減少應力集中；（ｂ）嚴格控制施工質量，減小初始裂紋尺寸；（ｃ）采取必要的工藝措施如打磨、敲打等。3.計算疲勞時，應采用荷載的標準值，不考慮荷載分項系數(shù)和動2.6復雜應力作用下鋼材的屈服條件

在單軸應力作用下

時鋼材屈服，構件由彈性工作狀態(tài)轉為塑性工作狀態(tài)。在多軸應力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應力超過某屈服點來判別，而是按材料力學的能量強度理論計算折算應力與鋼材在單軸應力作用下的比較判斷。oZXY單元體受復雜應力狀態(tài)下的分量當 時鋼材處于彈性階段， 時鋼材處于塑性階段。2.6復雜應力作用下鋼材的屈服條件在單軸應力作用下當用應力分量表示時：

當用主應力表示時：

在普通梁中，一般只存在正應力和剪應力：

當用應力分量表示時：當用主應力表示時：在普通梁中，一般只

（1）當三個主應力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。（2）有異號應力，且同號兩個應力差較大，即使，但可能大于，發(fā)生塑性破壞。討論：純剪時σ=0則有：即鋼材的剪切屈服點是拉伸屈服點fy的0.58倍。（1）當三個主應力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很2.7.1鋼的種類按用途分：結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼等)，結構鋼又分建筑用鋼和機械用鋼。按冶煉方法分：轉爐鋼和平爐鋼按脫氧方法分：沸騰鋼(代號為F)、半鎮(zhèn)靜鋼(代號為b)、鎮(zhèn)靜鋼

(代號為Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(代號為TZ)按成型方法分：軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鋼和鑄鋼。按化學成分分：碳素鋼和合金鋼。在建筑工程中采用的是碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼和優(yōu)質碳素結構鋼。

2.7鋼的種類和規(guī)格2.7.1鋼的種類2.7鋼的種類和規(guī)格1.碳素結構鋼1）碳素結構鋼的表達方式由（屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級符號和脫氧方法符號）四個部分組成。2)質量等級符號是根據(jù)鋼材的化學成分和沖擊韌性不同化分為A、B、C、D共4個質量等級。3)脫氧方法符號也有四種，其中F代表沸騰鋼，b代表半鎮(zhèn)靜鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼，TZ代表特種鎮(zhèn)靜鋼，在具體標注時Z和TZ可以省略。4）《鋼結構設計規(guī)范》將Q235牌號的鋼材選為承重結構用鋼。其化學成分和脫氧方法、拉伸和沖擊試驗以及冷彎試驗結果均應符合規(guī)范GB/T700的要求。2.低合金高強度結構鋼1)含碳量均不大于0.20％，強度的提高主要依靠添加少量幾種合金元素來達到，但合金元素的總量低于5％。2.7.2鋼材的牌號1.碳素結構鋼1）碳素結構鋼的表達方式由（屈服點的字母Q、屈3)低合金高強度結構鋼的牌號命名與碳素結構鋼相似，只是質量等級分為A、B、C、D、E五等，低合金高強度結構鋼采用的脫氧方法均為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，故可不加脫氧方法的符號。4)鋼材的化學成分和拉伸、沖擊、冷彎試驗結果應滿足規(guī)范GB/T1591要求。3.專用結構鋼

1)一些特殊用途的鋼結構，如壓力容器、橋梁、鍋爐等，為適應其特殊受力和工作條件的需要，常采用專用結構鋼。專用結構鋼是在碳素結構鋼或低合金結構鋼的基礎上冶煉而成，其要求更高、價格也較貴。2)專用結構鋼的鋼號用在相應鋼號后再加上專業(yè)用途代號(壓力容器、橋梁、鍋爐用鋼材的專業(yè)用途代號分別為R、q、g)來表示。2)牌號為Q345，Q390,Q420的鋼材都有較高的強度和較好的塑性、韌性和焊接性能，被《規(guī)范》選為承重結構用鋼。3)低合金高強度結構鋼的牌號命名與碳素結構鋼相似，只是質量等1.結構或構件的重要性對于重要的結構或構件（框架的橫梁，桁架，屋面樓面的大梁等）應采用質量較高的鋼材。2.荷載性質靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟性較好的Q235鋼材；動力 荷載作用下應選擇綜合性能較好的鋼材。3.連接方法焊接結構對材質的要求嚴格，應嚴格控制C、S、P的極限含量；非焊接結構對C的要求可降低一些。4.工作環(huán)境處于低溫下工作的結構，應選擇抗脆性破壞能力強的鋼材，防止鋼材的冷脆硬化導致的脆性破壞。5.構件的受力性質當選用的型材或板材的厚度較大時，應該采用質量較高的鋼材，以防止鋼材中較大的殘余拉應力和缺陷等與外力共同作用形成三向拉應力，引起材料的脆性破壞。2.7.3鋼材的選用1.結構或構件的重要性對于重要的結構或構件（框架的橫梁，6.鋼材的厚度鋼材越厚其強度越低，選用厚度較大時應采用質量較 高的鋼材。

鋼的軋制使晶粒細化6.鋼材的厚度鋼材越厚其強度越低，選用厚度較大時應采總結：鋼材選擇的建議1）承重結構的鋼材宜采用Q235鋼、Q345鋼、Q390鋼和Q420鋼，其質量應分別符合國家標準《碳素結構鋼》GB/T700和《低合金高強度結構鋼》GB/T1591的規(guī)定。當采用其他牌號的鋼材時，應符合相應有關標準的規(guī)定和要求。2）承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚具有含碳量的合格保證。

3）對于需要驗算疲勞的焊接結構和非焊接結構，應具有沖擊韌性的合格保證。4）重要的受拉或受彎的焊接構件中，厚度大于等于16mm的鋼材應具有常溫沖擊韌性合格的保證?？偨Y：鋼材選擇的建議1）承重結構的鋼材宜采用Q235鋼、Q35)當焊接結構為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，其材質應符合現(xiàn)行國家標準《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定。6)對于外露環(huán)境，且對大氣腐蝕有特殊要求的或在腐蝕性氣態(tài)和固態(tài)介質作用下的承重結構，宜采用耐候鋼，其質量要求應符合現(xiàn)行國家標準《焊接耐候鋼》GB/T4172的規(guī)定。1、對于承受靜荷常溫工作環(huán)境下的鋼屋架，下列說法不正確的是(

)。(A)可選擇Q235鋼(B)可選擇Q345鋼(C)鋼材應有沖擊韌性的保證(D)鋼材應有三項基本保證

C5)當焊接結構為防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼時，其材中國美國日本歐盟英國俄羅斯澳大利亞Q235A36SS400SM400SN400Fe36040C235250C250Q345A242A441A572-50A588SM490SN490Fe510FeE35550B、C、DC345350C350Q39050FC390400Hd400Q420A572-60SA440BSA440CC440國內外鋼材牌號對應關系中國美國日本歐盟英國俄羅斯澳大利亞Q235A36SS4002.7.4鋼材的規(guī)格鋼結構所用的鋼材主要有熱軋成型的鋼板和型鋼，以及冷加工成型的冷扎薄鋼板和冷彎薄壁型鋼。1.熱軋鋼板a)分為厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。b)表示方法：在符號“-”后加“寬度×厚度×長度”

c)供應規(guī)格（單位：mm）

類別厚度寬度長度厚鋼板4.5-60600-30004000-12000薄鋼板0.35-4500-1500500-4000扁鋼4-6012-2003000-90002.7.4鋼材的規(guī)格鋼結構所用的鋼材主要有熱軋成型的鋼板和2.熱軋型鋼常用的熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼、鋼管等。a)角鋼1)分為等邊和不等邊兩種。2）表示方法為在符號“∟”后加“長邊寬×短邊寬×厚度”（對不等邊角鋼），或加“邊長×厚度”（對等邊角鋼）。3）我國生產的角鋼最大邊長為200mm，角鋼的供應長度一般為4-19m。∟肢寬度×肢厚度

等邊角鋼∟長肢寬度×短肢寬度×肢厚度

不等邊角鋼2.熱軋型鋼常用的熱軋型鋼有角鋼、工字鋼、槽鋼、鋼管等。ab)槽鋼

1)分為普通槽鋼和輕型槽鋼兩種。2）表示方法和工字鋼相似。3）國內生產的最大型號為［40c。供應長度為5-19m。c)鋼管

1)分為無縫鋼管和焊接鋼管兩種

。2）型號可用代號“D”后加“外徑×壁厚”表示。

3）國產熱軋無縫鋼管的最大外徑可達630mm，供應長度為3-12m。

b)槽鋼1)分為普通槽鋼和輕型槽鋼兩種。2）表示方法d)工字鋼1)分為普通工字鋼、輕型工字鋼和H型工字鋼三種。3)H型鋼的基本類型分為寬翼緣（HW），中翼緣（HM）和窄翼緣（HN）三類，表示方法為在代號后加“高度×寬度×腹板厚度×翼緣厚度”。2）普通工字鋼的型號用符號“工”后面加截面高度的厘米數(shù)表示，20號以上的工字鋼，又按腹板的厚度不同，分為a、b或a、b、c等類別，輕型工字鋼的表示方法同普通工字鋼。4）普通工字鋼的型號為10-63號，輕型工字鋼的型號為10-70號，供應長度為5-19m。d)工字鋼1)分為普通工字鋼、輕型工字鋼和H型工字鋼三種。3.冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板冷彎薄壁型鋼（壁厚2-6mm）和壓型鋼板（壁厚0.4-2.0mm），截面形式和尺寸均可按受力特點合理設計，能充分利用鋼材的強度，達到節(jié)約鋼材的目的。在國內外輕鋼建筑結構中被廣泛應用。3.冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板冷彎薄壁型鋼（壁厚2-6mm）和壓

壓型鋼板的定義：壓型鋼板是將薄鋼板(彩色薄鋼板）經(jīng)輥壓冷彎成V型、U型、W型等類似形狀，用于建筑屋面、墻面和樓板的建筑材料。壓型鋼板按波高分高波板、中波板和低波板三種板型。屋面宜采用波高和波距較大的壓型鋼板，墻角宜選用波高和波距較小的壓型鋼板。補充資料：壓型鋼板壓型鋼板的定義：補充資料：壓型鋼板

彩色鋼卷板彩色鋼卷板彩鋼板外墻面彩鋼板外墻面應用在組合樓板的鍍鋅壓型鋼板應用在組合樓板的鍍鋅壓型鋼板

壓型鋼板的應用：廣泛用于工業(yè)建筑、公共建筑物的屋面、墻面等圍護結構及建筑物內部的隔斷；還大量用作組合樓板或混凝土樓板，并作為承載構件或永久性模板使用；在大中型工業(yè)廠房、倉庫以及體育館、影劇院、展覽館、住宅、別墅、高層建筑、活動房屋等工業(yè)與民用建筑中，壓型鋼板的使用正日趨廣泛。壓型鋼板的應用：在鋼結構設計中為了防止脆性破壞課件

彩色壓型鋼板的構成：由基材、鍍層和涂層三部分組成基材：由板厚度為0.5mm～2.0mm的薄鋼板經(jīng)冷軋或沖壓成型。鍍層：熱鍍鋅、熱鍍鋅鋁合金、熱鍍鋁和熱鍍鋅等。涂層：聚脂涂料、有機硅改性聚脂涂料等。彩色壓型鋼板的構成：

壓型鋼板的使用壽命：壓型鋼板的使用壽命涉及鋼板質量、成品保護、建筑物使用環(huán)境等多種因素。一般壓型鋼板使用期限在8-15年左右。我國使用進口彩鋼板的建筑工程，至今已有20年的歷史。壓型鋼板的使用壽命：

壓型鋼板截面及涂層示意圖鋼板基材鍍鋅層初涂層精涂層壓型鋼板截面及涂層示意圖鋼板基材鍍鋅層初涂層

壓型鋼板的選用原則:優(yōu)先選用帶有彩色涂層和鍍鋅、鋁的鋼卷板。優(yōu)先采用壓型鋼板定型產品。應在滿足建筑功能、承載要求和方便施工的前提下，注意節(jié)約材料，提高壓型鋼板的覆蓋率和使用壽命。壓型鋼板通常不適用于受有強烈侵蝕作用的場合。對處于有較強侵蝕作用環(huán)境的壓型鋼板，應進行有針對性的特殊防腐處理。壓型鋼板的選用原則:優(yōu)先選用帶有彩色涂層和鍍鋅、鋁的鋼卷板按表面處理方法分

鍍鋅鋼板

彩色鍍鋅鋼板

彩色鍍鋁鋅鋼板

僅適用于組合樓板

適用于屋面和墻面

壓型鋼板的類型及應用：按表面處理方法分鍍鋅鋼板彩色鍍鋅鋼板彩色鍍鋁鋅鋼板僅

壓型鋼板的表示方法：

壓型鋼板板型的表示方法為：YX波高－波距－有效覆蓋寬度。

如YX15-380-760即表示：

波高為15mm、波距為380mm、板的有效覆蓋寬度為760mm的板型；壓型鋼板的厚度需另外注明。

YX15-380-760X型壓型鋼板的表示方法：YX15-380-在鋼結構設計中為了防止脆性破壞課件壓型鋼板根據(jù)波高的不同，一般分為低波板(波高<30mm)、中波板(波高為30—70mm)和高波板(波高>70mm)。波高越高，截面的抗彎剛度就越大，承受的荷載也就越大。屋面板一般選用中波板和高波板，中波板在實際采用的最多。墻板常采用低波板，因高波板、中波板的裝飾效果較差，一般不在墻板中采用。壓型鋼板根據(jù)波高的不同，一般分為低波板(波高<30mm)、中壓型鋼板的搭接方式：

墻面壓型鋼板之間的側向連接：一般采用搭接連接，搭接寬度通常為半波。屋面壓型鋼板之間的側向連接：有搭接和咬邊連接兩種搭接寬度視壓型鋼板規(guī)格而定，可僅搭接半波，也可搭接一波半。屋面、墻面壓型鋼板的側向搭接方向應與主導風向一致，如下圖所示。壓型鋼板的搭接方式：壓型鋼板的側向搭接示意圖壓型鋼板的側向搭接示意圖

屋面壓型鋼板的長向搭接：

應將靠近屋脊方向的板件置于上方，并在搭接部位設置防水密封帶，以利防水。屋面壓型鋼板的長向搭接：

外墻板端部收邊處理外墻板端部收邊處理砌體0.9-1.0米

為了延長壓型鋼板的使用壽命，防止硬物撞擊，一般在地面以上0.9～1.0m的范圍內砌筑砌體結構墻體。砌體0.9-1.0米為了延長壓型鋼板的使用壽命，防止硬1.掌握鋼結構對材料的要求；2.掌握鋼材的破壞形式；3.重點掌握鋼材的主要性能4.了解各種因素對鋼材主要性能的影響；5.了解復雜應力作用下鋼材的屈服條件；6.掌握鋼材的疲勞的概念及計算方法；7.了解鋼的種類和鋼材規(guī)格。

本章相關的探討與思考1.掌握鋼結構對材料的要求；本章相關的探討與思考『本章要求』1.掌握鋼結構對材料的要求；2.掌握鋼材的破壞形式；3.重點掌握鋼材的主要性能（包括受拉、受壓及受剪時的性能、冷彎性能、沖擊韌性）；4.了解各種因素對鋼材主要性能的影響（如化學成分、冶金缺陷、鋼材硬化、溫度影響、應力集中、反復荷載作用）；5.了解復雜應力作用下鋼材的屈服條件；6.掌握鋼材的疲勞的概念及計算方法；7.了解鋼的種類和鋼材規(guī)格。

『本章要求』『關鍵知識』1.鋼材的受拉、受壓及受剪時的性能、冷彎性能、沖擊韌性；2.鋼材的疲勞的概念及計算方法。

『重點講解』1.鋼材的受拉、受壓及受剪時的性能、冷彎性能、沖擊韌性2.鋼材的疲勞破壞『難點解析』

1.鋼材的疲勞破壞『關鍵知識』『重點講解』『難點解析』(1)強度要求，即對材料屈服強度（又稱為屈服點）與抗拉強度的要求。(2)塑性、韌性要求，即要求鋼材具有良好的適應變形與抗沖擊能力，以防止脆性破壞。(3)耐疲勞性能及適應環(huán)境能力要求，即要求材料本身具有良好的抗動力荷載性能及較強的適應低溫、高溫等環(huán)境變化的能力。2.1鋼結構對鋼材性能的要求(1)強度要求，即對材料屈服強度（又稱為屈服點）與抗拉強度(4)冷、熱加工性能及焊接性能要求，良好的工藝性能不但易于將鋼材加工成各種形式的結構，而且不會產生因加工對結構的強度、塑性、韌性等造成不利影響。(5)耐久性能要求，主要指材料的耐銹蝕能力要求，即要求鋼材具備在外界環(huán)境作用下仍能維持其原有力學及物理性能基本不變的能力。(6)生產與價格方面的要求，即要求鋼材易于施工、價格合理。(4)冷、熱加工性能及焊接性能要求，良好的工藝性能不但易于鋼結構設計規(guī)范具體規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證，焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結構以及重要的受拉或受彎的焊接結構尚應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。鋼結構設計規(guī)范具體規(guī)定：2.2鋼材的破壞形式1.塑性破壞的特征：構件應力超過屈服點、并達到抗拉極限強度后，產生明顯的變形并斷裂。構件在斷裂破壞時產生很大的塑性變形，又稱為延性破壞。斷裂后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗，有時能看到滑移的痕跡。鋼材在發(fā)生塑性破壞時變形特征明顯，很容易被發(fā)現(xiàn)并及時采取補救措施，因而不致引起嚴重后果。而且適度的塑性變形能起到調整結構內力分布的作用，使原先結構應力不均勻的部分趨于均勻，從而提高結構的承載能力。2.2鋼材的破壞形式1.塑性破壞的特征：2.脆性破壞的特征：鋼材在斷裂破壞時沒有明顯的變形征兆，平均應力小，按材料力學計算的名義應力往往比屈服點低。斷裂后斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。由于脆性破壞具有突然性，無法預測，而且個別構件的斷裂常引起整個結構塌毀，危及人民生命財產的安全，后果嚴重，比塑性破壞要危險得多，因此，在鋼結構工程設計、施工與安裝中應采取適當措施盡力避免發(fā)生脆性破壞。2.脆性破壞的特征：2.3.1受拉、受壓及受剪時的性能

1.強度性能（1）碳素結構鋼材的應力應變曲線分為五個階段：a.彈性階段b.彈塑性階段c.屈服階段d.強化階段e.頸縮階段屈服點fy是鋼結構設計中應力允許達到的最大限值，因為當構件中的應力達到屈服點時，結構會因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載。比例極限屈服強度極限強度o(N/mm2)fyfued流幅abc2.3建筑鋼材的主要性能2.3.1受拉、受壓及受剪時的性能屈服點fy是鋼結構設計中0.2%0.2(N/mm2)o（2）高強度鋼的應力-應變曲線0.2%0.2(N/mm2)o（2）高強度鋼的應力-

L0—

原標距長

L1

—拉斷后標距長度

D0

—試件直徑試件有兩種標距：L0/D0=5

和L0/d0=10

相應的伸長率用δ5和δ10表示。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。2.塑性性能試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標距之比的百分數(shù)，稱為伸長率δ

。伸長率代表材料在單向拉伸時的塑性應變的能力。 L0—原標距長實際工程中以伸長率代表材料斷裂前具有的斷面收縮率

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比。

式中：

A0

——試件原來的斷面面積

A1

——試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積

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3.鋼材物理性能指標鋼材在單向受壓(粗而短的試件)時，受力性能基本上和單向受拉時相同。受剪的情況也相似，但屈服點及抗剪強度均較受拉時為低，剪變模量也低于彈性模量。彈性模量泊松比剪變模量線膨脹系數(shù)質量密度3.鋼材物理性能指標彈性模量2.3.2冷彎性能冷彎性能由冷彎試驗來確定，冷彎試驗不僅能直接檢驗鋼材的彎曲變形能力或塑性性能，還能暴露鋼材內部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物與氧化物的摻雜情況，這些都將降低鋼材的冷彎性能。因此，冷彎性能合格是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下的塑性應變能力和鋼材質量的綜合指標。2.3.2冷彎性能2.3.3沖擊韌性韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量(包括彈性和非彈性能)來量度，韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標。夏比試件比梅氏試件具有更為尖銳的缺口，更接近構件中可能出現(xiàn)的嚴重缺陷，近年來用Cv能量來表示材料沖擊韌性的方法日趨普遍。2.3.3沖擊韌性2.3.4鋼材的可焊性鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，獲得性能良好的焊接接頭。焊接過程中要求焊縫及焊縫附近金屬不產生熱裂紋或冷卻收縮裂紋；在使用過程中焊縫處的沖擊韌性和熱影響區(qū)內塑性良好。我國鋼結構設計規(guī)范中除了Q235—A不能作為焊接構件外，其他的幾種牌號的鋼材均具有良好的焊接性能。在高強度低合金鋼中低合金元素大多對可焊性有不利影響，我國的行業(yè)標準JGJ81—2002《建筑鋼結構焊接技術規(guī)程》推薦使用碳當量來衡量低合金鋼的可焊性。2.3.4鋼材的可焊性鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條2.3.5特種性能1.耐火性能2.耐候性能3.Z向性能小結：鋼材的機械性能指標1.屈服點fy2.抗拉強度fu3.伸長率δ4.斷面收縮率5.冷彎性能6.沖擊韌性Cv2.3.5特種性能1.耐火性能小結：鋼材的機械性能指標1.2.4.1化學成分

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素鋼中，F(xiàn)e占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%）2.4影響鋼材性能的主要因素碳C：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素結構鋼中不應超過0.22%；在焊接結構中還應低于0.2%。2.4.1化學成分鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。硅Si：碳素結構鋼中應控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅的含量可達0.55%。錳Mn：含Mn適量使強度↑，降低S、O的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益。釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。銅：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響。硅Si：碳素結構鋼中應控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量應不超過0.05%。(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應不超過0.045%?？梢蕴岣邚姸群涂逛P蝕性。

(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，發(fā)生熱脆。(有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，發(fā)生冷脆。(有害成分)硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，2.4.2冶金缺陷

1.偏析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、可焊性變壞。

3.裂紋鋼材中存在的微觀裂紋。2.非金屬夾雜指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆。4.氣泡澆鑄時由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。5.分層澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層。2.4.2冶金缺陷1.偏析金屬結晶后化學成分分布冷作硬化

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，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

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高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。俗稱老化。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。

冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大塑性變形，從而提高了鋼的屈服點，同時降低了鋼的塑性和韌性，這種現(xiàn)象稱為冷作硬化(或應變硬化)。2.4.3鋼材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注意：在一般鋼結構中，不利用硬化所提高的強度，有些重要結構要求對鋼材進行人工時效后檢驗其沖擊韌性，以保證結構具有足夠的抗脆性破壞能力。人工時效:先使鋼材產生10％左右的塑性變形，卸載后再加熱至250℃，保溫一小時后在空氣中冷卻。注意：在一般鋼結構中，不利用硬化所提高的強度，有些重要結構要2.4.4溫度的影響正溫范圍：（1）溫度在150℃以內，鋼材材質變化很小，鋼結構可用于溫度不高于150℃的場合。（2）溫度在250℃左右的區(qū)間內出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，fu

有局部性提高，同時塑性降至最低，材料有轉脆傾向。（3）當溫度達到600℃時，鋼材進入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴重，將喪失承載能力。

溫度對鋼材力學性能的影響℃fufyδE2.4.4溫度的影響正溫范圍：溫度對鋼材力學性能的影響藍脆現(xiàn)象－在250℃左右，鋼材的強度反而略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料有轉脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現(xiàn)藍色。鋼材應避免在藍脆溫度范圍內進行熱加工。徐變現(xiàn)象－當溫度在260℃～320℃時，在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形。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，逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十分敏感。藍脆現(xiàn)象－在250℃左右，鋼材的強度反而略有提高，同時塑性和沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2（1）沖擊功曲線的反彎點T0稱為轉變溫度。界限溫度T1和T2分別為脆性轉變溫度和全塑性轉變溫度。（2）鋼材由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐氖窃跍囟葏^(qū)間T1

～T2內完成的，此溫度區(qū)間稱為鋼材的脆性轉變溫度區(qū)。（3）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上，鋼材則表現(xiàn)為完全的塑性破壞。（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。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T1,接近T0。為了防止脆性破壞，結構的工作溫度應大于T1接近To，可小于T2。

沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊2.4.5應力集中

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，形成所謂應力集中現(xiàn)象。2.4.5應力集中在鋼結構構件中不可避免的存在著孔洞、不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力——應變曲線

可以看出截面槽口改變愈急劇，應力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，但塑性愈差，破壞的脆性傾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10測距100φ10φ100600700500400300200100不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力——應變曲線可以看出截面槽口

熱軋型鋼在冷卻過程中，在截面突變處如尖角、邊緣及薄細部位，率先冷卻，其他部位漸次冷卻，先冷卻部位約束阻止后冷卻部位的自由收縮，產生復雜的熱軋殘余應力分布。不同形狀和尺寸規(guī)格的型鋼殘余應力分布不同。

殘余應力不影響構件的靜力強度，但要降低構件的剛度和穩(wěn)定性。2.4.6殘余應力的影響熱軋型鋼在冷卻過程中，在截面突變處如尖角、邊緣及薄細部位2.4.7重復荷載作用疲勞破壞:鋼材在直接的反復的動力荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設計、制造及使用中應注意:

合理設計正確制造正確使用2.4.7重復荷載作用疲勞破壞:鋼材在反復荷載作用下，結疲勞破壞的特征和定義：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，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：裂紋的形成----裂紋的擴展----最后的迅速斷裂而破壞破壞特點：（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，屬于脆性破壞。（3）疲勞對缺陷十分敏感。（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輪狀花紋。2.5鋼材的疲勞疲勞破壞的特征和定義：鋼材在循環(huán)荷載作用下，應力雖然低于極限鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷、產生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后破壞，此現(xiàn)象稱為疲勞（fatigue）。按照斷裂壽命和應力高低的不同，疲勞分為高周疲勞（high-cycle

fatigue）和低周疲勞（low-cycle

fatigue）兩類。高周疲勞的斷裂壽命較長，斷裂前的應力循環(huán)次數(shù)n≥5×104，斷裂應力水平較低，因此也稱低應力疲勞或疲勞，一般常見的疲勞多屬于這類。低周疲勞的斷裂壽命較短，破壞前的循環(huán)次數(shù)n＝102～5×104，斷裂應力水平較高，伴有塑性應變發(fā)生，因此也稱為應變疲勞或高應力疲勞。鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷、產生裂紋及裂紋逐漸鋼材的疲勞－鋼材在連續(xù)重復荷載作用下裂紋生成、擴展以致斷裂破壞的現(xiàn)象。設計規(guī)范規(guī)定：循環(huán)次數(shù)N≥5×104

，應進行疲勞計算。

應力譜1.循環(huán)應力的特征應力比應力幅循環(huán)次數(shù)N2.5.1常幅疲勞鋼材的疲勞－鋼材在連續(xù)重復荷載作用下裂紋生成、擴展以致2.52.常幅疲勞－重復荷載的數(shù)值不隨時間變化，所有應力循環(huán)內的應力幅保持常量。2.常幅疲勞－重復荷載的數(shù)值不隨時間變化，所有應力循環(huán)內的在鋼結構設計中為了防止脆性破壞課件3.Δσ與N的關系

Δσ越大，破壞時循環(huán)次數(shù)越少；

Δσ越小，破壞時循環(huán)次數(shù)越多。破壞時循環(huán)次數(shù)越少，說明Δσ越大；破壞時循環(huán)次數(shù)越多，說明Δσ越小。3.Δσ與N的關系規(guī)范將不同構造和受力特點的鋼構件和連接，按其疲勞性能的高低歸并劃分為8個疲勞計算類別，并對每個類別規(guī)定了相應的參數(shù)取值。4.容許應力幅規(guī)范將不同構造和受力特點的鋼構件和連接，按其疲勞性能的高低歸參數(shù)Ｃ和b的取值國內外試驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控制作用類別的疲勞強度有隨鋼材的強度提高而稍有增加外，大多數(shù)焊接連接類別的疲勞強度不受鋼材強度的影響。參數(shù)Ｃ和b的取值國內外試驗證明，除了個別在疲勞計算中不起控

疲勞計算采用容許應力幅法，按彈性狀態(tài)計算應力進行計算。計算只適用于無高溫（t≤150℃）、無嚴重腐蝕環(huán)境中的高周低應變的疲勞計算（應力循環(huán)次數(shù)n≥5×104)。

標準荷載下的設計應力幅； 對于焊接部位的設計應力幅:

=max-min

； 對于非焊接部位的折算應力幅：=max-0.7min

max 每次應力循環(huán)中，計算部位的最大拉應力（取正值）min

每次應力循環(huán)中，計算部位的最小拉應力或壓應力（拉應 力取正值，壓應力取負值）；[]

常幅疲勞的容許應力幅當作用于計算部位的設計應力幅小于等于容許應力幅時，不會發(fā)生疲勞破壞。5.常幅疲勞的計算公式疲勞計算采用容許應力幅法，按彈性狀態(tài)計算應力例題2.1某鋼板承受軸心拉力，截面為420mm×2Omm，鋼材為Q345-B，因長度不夠而用橫向對接焊縫接長，如圖2.14所示。焊縫質量等級為一級，但表面未進行磨平加工。鋼板承受重復荷載，預期循環(huán)次數(shù)n=106次，荷載標準值Nmax=1200kN，Nmin=-200kN。要求進行疲勞強度驗算。例題2.1某鋼板承受軸心拉力，截面為420mm×2Omm【解】由附表8的項次2，橫向對接焊縫附近的主體金屬當焊縫表面未經(jīng)加工但質量等級為一級時，計算疲勞時屬第3類。由表2.1，查得C＝3.26×1012，β＝3。當n＝106次時的容許應力幅為：計算部位的設計應力幅：因此疲勞強度不滿足要求，不安全?！窘狻坑筛奖?的項次2，橫向對接焊縫附近的主體金屬當焊縫表面若對焊縫表面進行加工磨平，則計算疲勞時由附表8的項次2，查得疲勞類別為第2類。此時，C＝861×1012，β＝4，則因此疲勞強度滿足要求，可見，焊縫表面進行加工磨平可提高疲勞強度。若對焊縫表面進行加工磨平，則計算疲勞時由附表8的項次2，查得2.5.2變幅疲勞當應力循環(huán)內的應力幅隨機變化時為變幅疲勞?？蓪⒆兎谡鬯銥榈刃У某７冢缓蟀闯７跈z算式檢算。

（a）檢算公式e—等效常幅疲勞應力幅。

[]—常幅疲勞的容許應力幅。

1.能夠測得使用期內應力變幅規(guī)律2.5.2變幅疲勞當應力循環(huán)內的應力幅隨機變化時為變幅疲勞（b)計算

若能預測結構在使用壽命期間各種荷載的應力幅以及次數(shù)分布所構成的設計應力譜，則根據(jù)累積損傷原理可將變幅疲勞折合為等效常幅疲勞，將隨機變化的應力幅折算為等效應力幅e按下式進行疲勞計算：Σni

以應力循環(huán)次數(shù)表示的結構預期使用壽命；

ni

預期壽命內應力幅水平達到i的應力循環(huán)次數(shù)（b)計算若能預測結構在使用壽命期間各種荷載2.不能測得使用期內應力變幅規(guī)律

設計重級工作制吊車的吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架時，應力幅是按滿載得出的，實際上常常發(fā)生不同程度欠載情況。如果沒有對實際應力幅的統(tǒng)計資料，即屬本情形。使用欠載效應系數(shù)，按常幅疲勞進行計算。

計算公式

—欠載效應的等效系數(shù)—循環(huán)次數(shù)為n=2×106次的容許應力幅。2.不能測得使用期內應力變幅規(guī)律設計59697890103118144176N/mm2[]n=2×10687654321連接形式類別n=2×106的容許應力幅值59697890103118144176N/mm2[]n總結：1.承受動力荷載重復作用的鋼結構構件及其連接，當應力變化的循環(huán)次數(shù)N≥5×104次時，應進行疲勞計算。2.在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力的部位，可不計算疲勞。根據(jù)應力幅概念，不論應力循環(huán)是拉應力還是壓應力，只要應力幅超過容許值就會產生疲勞裂紋。但由于裂紋形成的同時，殘余應力自行釋放，在完全壓應力(不出現(xiàn)拉應力)循環(huán)中，裂紋不會繼續(xù)發(fā)展，故規(guī)范規(guī)定此種情況可不于驗算?？偨Y：3.計算疲勞時，應采用荷載的標準值，不考慮荷載分項系數(shù)和動力系數(shù)，而且應力按彈性工作計算。4.根據(jù)試驗，不同鋼種的不同靜力強度對焊接部位的疲勞強度無顯著影響?？烧J為，疲勞容許應力幅與鋼種無關。5.提高疲勞強度和疲勞壽命的措施（ａ）采取合理構造細節(jié)設計，盡可能減少應力集中；（ｂ）嚴格控制施工質量，減小初始裂紋尺寸；（ｃ）采取必要的工藝措施如打磨、敲打等。3.計算疲勞時，應采用荷載的標準值，不考慮荷載分項系數(shù)和動2.6復雜應力作用下鋼材的屈服條件

在單軸應力作用下

時鋼材屈服，構件由彈性工作狀態(tài)轉為塑性工作狀態(tài)。在多軸應力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應力超過某屈服點來判別，而是按材料力學的能量強度理論計算折算應力與鋼材在單軸應力作用下的比較判斷。oZXY單元體受復雜應力狀態(tài)下的分量當 時鋼材處于彈性階段， 時鋼材處于塑性階段。2.6復雜應力作用下鋼材的屈服條件在單軸應力作用下當用應力分量表示時：

當用主應力表示時：

在普通梁中，一般只存在正應力和剪應力：

當用應力分量表示時：當用主應力表示時：在普通梁中，一般只

（1）當三個主應力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。（2）有異號應力，且同號兩個應力差較大，即使，但可能大于，發(fā)生塑性破壞。討論：純剪時σ=0則有：即鋼材的剪切屈服點是拉伸屈服點fy的0.58倍。（1）當三個主應力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很2.7.1鋼的種類按用途分：結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼等)，結構鋼又分建筑用鋼和機械用鋼。按冶煉方法分：轉爐鋼和平爐鋼按脫氧方法分：沸騰鋼(代號為F)、半鎮(zhèn)靜鋼(代號為b)、鎮(zhèn)靜鋼

(代號為Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(代號為TZ)按成型方法分：軋制鋼(熱軋、冷軋)、鍛鋼和鑄鋼。按化學成分分：碳素鋼和合金鋼。在建筑工程中采用的是碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼和優(yōu)質碳素結構鋼。

2.7鋼的種類和規(guī)格2.7.1鋼的種類2.7鋼的種類和規(guī)格1.碳素結構鋼1）碳素結構鋼的表達方式由（屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級符號和脫氧方法符號）四個部分組成。2)質量等級符號是根據(jù)鋼材的化學成分和沖擊韌性不同化分為A、B、C、D共4個質量等級。3)脫氧方法符號也有四種，其中F代表沸騰鋼，b代表半鎮(zhèn)靜鋼，Z代表鎮(zhèn)靜鋼，TZ代表特種鎮(zhèn)靜鋼，在具體標注時Z和TZ可以省略。4）《鋼結構設計規(guī)范》將Q235牌號的鋼材選為承重結構用鋼。其化學成分和脫氧方法、拉伸和沖擊試驗以及冷彎試驗結果均應符合規(guī)范GB/T700的要求。2.低合金高強度結構鋼1)含碳量均不大于0.20％，強度的提高主要依靠添加少量幾種合金元素來達到，但合金元素的總量低于5％。2.7.2鋼材的牌號1.碳素結構鋼1）碳素結構鋼的表達方式由（屈服點的字母Q、屈3)低合金高強度結構鋼的牌號命名與碳素結構鋼相似，只是質量等級分為A、B、C、D、E五等，低合金高強度結構鋼采用的脫氧方法均為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，故可不加脫氧方法的符號。4)鋼材的化學成分和拉伸、沖擊、冷彎試驗結果應滿足規(guī)范GB/T1591要求。3.專用結構鋼

1)一些特殊用途的鋼結構，如壓力容器、橋梁、鍋爐等，為適應其特殊受力和工作條件的需要，常采用專用結構鋼。專用結構鋼是在碳素結構鋼或低合金結構鋼的基礎上冶煉而成，其要求更高、價格也較貴。2)專用結構鋼的鋼號用在相應鋼號后再加上專業(yè)用途代號(壓力容器、橋梁、鍋爐用鋼材的專業(yè)用途代號分別為R、q、g)來表示。2)牌號為Q345，Q390,Q420的鋼材都有較高的強度和較好的塑性、韌性和焊接性能，被《規(guī)范》選為承重結構用鋼。3)低合金高強度結構鋼的牌號命名與碳素結構鋼相似，只是質量等1.結構或構件的重要性對于重要的結構或構件（框架的橫梁，桁架，屋面樓面的大梁等）應采用質量較高的鋼材。2.荷載性質