鋼結(jié)構(gòu)的材料PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1鋼結(jié)構(gòu)的材料鋼結(jié)構(gòu)的材料第2.1節(jié) 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求1. 概述2. 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求了解鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的基本要求 本節(jié)目錄基本要求第1頁/共92頁2.1.1 2.1.1 概述概述 含碳量小于2的鐵碳合金稱作鋼，含碳量大于2時(shí)稱作鐵。鋼材種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)只是其中一小部分。第2頁/共92頁（1）較高的抗拉強(qiáng)度 fu和屈服點(diǎn) fy；（2）較好的塑性、韌性；（3）良好的工藝性能（冷、熱加工，可焊性）；（4）對(duì)環(huán)境的良好適應(yīng)性。2.1.2 2.1.2 鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求第3頁/共92頁第2.2節(jié) 鋼材的破壞形式鋼材的兩種破壞形式了解鋼材的破

2、壞形式和特點(diǎn) 本節(jié)目錄基本要求第4頁/共92頁2.2.1 2.2.1 鋼材的兩種破壞形式鋼材的兩種破壞形式破壞形式破壞形式特特 征征斷斷 口口后后 果果塑性破壞塑性破壞構(gòu)件應(yīng)力超過屈服構(gòu)件應(yīng)力超過屈服點(diǎn)，并且達(dá)到抗拉點(diǎn)，并且達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度后，構(gòu)件極限強(qiáng)度后，構(gòu)件產(chǎn)生明顯的變形并產(chǎn)生明顯的變形并斷裂。斷裂。斷裂時(shí)斷口與斷裂時(shí)斷口與作用力方向呈作用力方向呈4545，呈纖維，呈纖維狀，色澤發(fā)暗狀，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(shí)間，便于發(fā)現(xiàn)時(shí)間，便于發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救。和補(bǔ)救。脆性破壞脆性破壞在破壞前無明顯變?cè)谄茐那盁o明顯變形，平均應(yīng)力也小形，

3、平均應(yīng)力也?。ㄒ话愣夹∮谇ㄒ话愣夹∮谇c(diǎn)），沒有任何預(yù)點(diǎn)），沒有任何預(yù)兆。兆。斷口平直并呈斷口平直并呈有光澤的晶粒有光澤的晶粒狀。狀。突然發(fā)生的，危突然發(fā)生的，危險(xiǎn)性大，應(yīng)盡量險(xiǎn)性大，應(yīng)盡量避免。避免。第5頁/共92頁第2.3節(jié) 鋼材的主要性能1. 受拉、受壓及受剪時(shí)的性能2. 冷彎性能3. 沖擊韌性掌握鋼材的主要力學(xué)性能要求及含義本節(jié)目錄基本要求第6頁/共92頁2.3.1 2.3.1 受拉、受壓及受剪時(shí)的性受拉、受壓及受剪時(shí)的性能能1 1、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試驗(yàn)條件：標(biāo)準(zhǔn)試件（GB/T228），常溫（205）下緩慢加載，一次完成。含碳量為0.

4、1%0.3%。標(biāo)準(zhǔn)試件：Lo/d=5或10；Lo-標(biāo)距；d -直徑圖圖2.3.12.3.1第7頁/共92頁2 2、有明顯屈服點(diǎn)鋼材的、有明顯屈服點(diǎn)鋼材的-曲線曲線ufOPfEBCDAGyfH圖圖2.3.22.3.2第8頁/共92頁2 2、有明顯屈服點(diǎn)鋼材的、有明顯屈服點(diǎn)鋼材的-曲線曲線圖圖2.3.32.3.3第9頁/共92頁 可劃分為以下五個(gè)階段： (1)(1)彈性階段彈性階段( (OB段段) )OA段材料處于純彈性，即段材料處于純彈性，即: :EAB段有一定的塑性變形, 但整個(gè)OB段卸載時(shí) = 0彈性模量：E=206103N/mm2其中，A點(diǎn)應(yīng)力 f p稱為比例極限。第10頁/共92頁(2)

5、(2)彈塑性階段彈塑性階段（BC段段) ) 該段很短，表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)，即卸荷留下永久的殘余變形。(3)(3)塑性階段塑性階段（CD段段) ) 該段該段基本保持不變（水平基本保持不變（水平),),急劇增大急劇增大, ,稱為屈稱為屈服臺(tái)階。變形模量服臺(tái)階。變形模量E = 0。 該段應(yīng)力最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別稱為上屈服點(diǎn)和下該段應(yīng)力最高點(diǎn)和最低點(diǎn)分別稱為上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，下屈服點(diǎn)比較穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中則以下屈服點(diǎn)為屈服點(diǎn)，下屈服點(diǎn)比較穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中則以下屈服點(diǎn)為依據(jù)。依據(jù)。第11頁/共92頁（4 4）強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段( (DG段段) ) 當(dāng)應(yīng)力達(dá)到G點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，至H點(diǎn)而斷裂。 隨荷載的增加緩慢

6、增大,但增加較快。曲線最高點(diǎn)處G點(diǎn)的應(yīng)力 fu稱為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。（5）頸縮破壞階段(GH段)第12頁/共92頁3 3、對(duì)無明顯屈服點(diǎn)的鋼材、對(duì)無明顯屈服點(diǎn)的鋼材 高強(qiáng)度鋼材在拉伸過程中沒有明顯的屈服臺(tái)階，塑性變形小，設(shè)計(jì)中不宜利用它的塑性。 設(shè)計(jì)時(shí)取相當(dāng)于殘余變形為0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)稱為條件屈服點(diǎn)或名義屈服點(diǎn)fy=f0.20.2%fup圖圖2.3.42.3.4第13頁/共92頁4 4、應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化、應(yīng)力應(yīng)變曲線的簡化設(shè)計(jì)時(shí)將鋼材簡化為理想彈塑性體鋼材在靜載作用下： 強(qiáng)度計(jì)算以fy為依據(jù)，fu為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。22.5%-3%fy 1 0.15%圖圖2.3.52.3.5

7、第14頁/共92頁5 5、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）屈服點(diǎn) fy 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，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的重要指標(biāo)。 （2）抗拉強(qiáng)度 fu 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。第15頁/共92頁（3）伸長率00100%lll當(dāng)當(dāng)lo/d=5時(shí)，用時(shí)，用5表示表示當(dāng)當(dāng)l0/d=10時(shí)，用時(shí)，用10表示表示（5 10）實(shí)際工程中以伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。鋼材的塑性是指：當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。試件斷裂時(shí)的絕對(duì)變形值與原標(biāo)距長度的

8、百分比，用表示。第16頁/共92頁（4）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，用表示。%100110AAA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 圖圖2.3.62.3.6第17頁/共92頁 采用短試件l0/d=3，屈服點(diǎn)同單向拉伸時(shí)的屈服點(diǎn)。6 6、受壓時(shí)的性能、受壓時(shí)的性能7 7、受剪時(shí)的性能、受剪時(shí)的性能3279 103vyyNGmmff抗剪強(qiáng)度可由折算應(yīng)力計(jì)算公式得到：第18頁/共92頁2.3.2 2.3.2 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo) 鑒定合格指標(biāo)：通過冷彎沖頭加壓，當(dāng)試件彎曲至1

9、80時(shí)，檢察試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。 圖圖2.3.7第19頁/共92頁2.3.3 2.3.3 沖擊韌性沖擊韌性沖擊韌性鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。 用斷裂時(shí)吸收的總能量（彈性和非彈性能）來表示。韌性指標(biāo)用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功，用符號(hào)Wkv或Cv表示，單位為J。 沖擊韌性由沖擊沖擊韌性由沖擊韌性試驗(yàn)確定。韌性試驗(yàn)確定。圖圖2.3.8第20頁/共92頁圖2.3.9 沖擊韌性演示第21頁/共92頁影響沖擊韌性的因素： 沖擊韌性與試件刻槽有關(guān)，常用缺口形式為夏氏V型和梅氏U型，近年來，我國沖擊試驗(yàn)已用夏氏V型代替梅氏

10、U型。 沖擊韌性還與試驗(yàn)的溫度有關(guān)。根據(jù)溫度不同，我國鋼沖擊韌性還與試驗(yàn)的溫度有關(guān)。根據(jù)溫度不同，我國鋼材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗(yàn)分為四檔，即材標(biāo)準(zhǔn)中將試驗(yàn)分為四檔，即+20, 0，-20和和-40時(shí)的時(shí)的沖擊韌性。沖擊韌性。 溫度越低，沖擊韌性越低。溫度越低，沖擊韌性越低。第22頁/共92頁小結(jié)小結(jié)第23頁/共92頁第2.4節(jié) 各種因素對(duì)鋼材主要性能的影響1. 化學(xué)成分2. 冶金缺陷3. 鋼材硬化1.了解影響鋼材性能的主要因素本節(jié)目錄基本要求2.了解防止脆性斷裂破壞的方法 4. 溫度影響5. 應(yīng)力集中6. 荷載的影響第24頁/共92頁2.4.1 2.4.1 化學(xué)成分化學(xué)成分 普通碳素鋼中Fe占99%，C

11、和其他元素僅占1%，但對(duì)鋼材力學(xué)性能有著決定性的影響。 普通低合金鋼中合金元素小于5%。 (1)碳（C）：鋼材強(qiáng)度的主要來源，隨其含量增加，強(qiáng)度增加，塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度降低，同時(shí)惡化鋼的焊接性能和抗腐蝕性。鋼結(jié)構(gòu)用鋼中，碳含量一般控制在0.22%以下，當(dāng)其含量在0.2以下時(shí)，可焊性良好。 第25頁/共92頁圖圖2.4.1 含碳量對(duì)含碳量對(duì)-關(guān)系的影響關(guān)系的影響0%TC0.3%第26頁/共92頁 (2)硫（S）：有害元素，熱脆性。不得超過0.05%。 (3)磷（P）：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有提高，可焊性降低。不得超過0.045%。 (4)錳（Mn）：合金元素,弱脫氧劑。與S形成MnS,

12、熔點(diǎn)1600,可以消除一部分S的有害作用。 (5)硅（Si）：合金元素。強(qiáng)脫氧劑。 第27頁/共92頁 (6)釩（V）：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)。 (7)氧（O）：有害雜質(zhì)，與S相似（熱脆）。 (8)氮（N）：有害雜質(zhì)，與P相似（冷脆） 。 (9)銅（Cu）：提高抗銹蝕性，提高強(qiáng)度，對(duì)可焊性有影響。 第28頁/共92頁2.4.2 2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷常見的冶金缺陷有： 偏析：鋼中化學(xué)成分不一致和不均勻性稱為偏析。主要是硫和磷的偏析，使鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。 非金屬夾雜：常見的夾雜物為硫化物和氧化物。硫化物使鋼材在800 12

13、00高溫下變脆，氧化物會(huì)降低鋼材的力學(xué)性能和工藝性能。 氣孔：澆注時(shí)由FeO與C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而留在鋼錠內(nèi)形成的。 裂紋：鋼材中已出現(xiàn)的局部破壞 分層：指沿厚度方向形成層間并不相互脫離的分層。分層處易被銹蝕, 且分層使鋼材性能變差。第29頁/共92頁2.4.3 2.4.3 鋼材硬化鋼材硬化 冷 作 硬 化在冷加工或一次加載使鋼材產(chǎn)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(diǎn)提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象。 時(shí)效硬 化隨著時(shí)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(zhì)析出，使鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降的現(xiàn)象。 應(yīng)變時(shí)效硬化鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形

14、后，鐵素體晶體中的固溶碳和氮更容易析出，從而使已經(jīng)冷作硬化的鋼材又發(fā)生時(shí)效硬化現(xiàn)象。第30頁/共92頁圖2.4.2 硬化對(duì)鋼材性能的影響0冷作硬化冷作硬化時(shí)效硬化時(shí)效硬化冷作硬化冷作硬化后的塑性后的塑性區(qū)區(qū)243 1fyfp冷加工及時(shí)效冷加工及時(shí)效冷加工及時(shí)效冷加工及時(shí)效后的塑性區(qū)后的塑性區(qū)fy0第31頁/共92頁圖圖2.4.3第32頁/共92頁 注意:不管哪一種硬化，都要降低鋼材的塑性和韌性，對(duì)鋼材不利。因此鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般不利用硬化后提高的強(qiáng)度，而且對(duì)于直接承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除硬化的影響。 例如，經(jīng)過剪切機(jī)剪切的鋼板，為了消除剪切邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒烤使之“退火”或?qū)⑦吘壟?/p>

15、去35mm。 第33頁/共92頁2.4.4 2.4.4 溫度影響溫度影響圖圖2.4.4 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8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160Ex103N/mm2t(0C)第34頁/共92頁 1 1正溫范圍正溫范圍 200以內(nèi)對(duì)鋼材性能無大影響，該范圍內(nèi)隨溫度升高總的趨勢是強(qiáng)度、彈性模量降低，塑性增大。 250左右抗拉強(qiáng)度略有提高，塑性降低，脆性增加藍(lán)脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“藍(lán)脆區(qū)”。 260320產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。 600左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。第35頁/共92

16、頁 當(dāng) 溫 度 低于常溫時(shí)，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加，材料強(qiáng)度略有提高，但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)象稱為低溫冷脆。2 2負(fù)溫范圍負(fù)溫范圍脆性破壞脆性破壞轉(zhuǎn)變過渡區(qū)段轉(zhuǎn)變過渡區(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沖沖 擊擊 斷斷 裂裂 功功 C Cv vT1T2T0圖圖2.4.5 沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線第36頁/共92頁2.4.5 2.4.5 應(yīng)力集中應(yīng)力集中 1.應(yīng)力集中的概念 在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)部缺陷等，此時(shí)截面中的應(yīng)力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，形成所謂

17、應(yīng)力集中現(xiàn)象。 圖2.4.6 孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中現(xiàn)象y yz zy yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 1第37頁/共92頁 2.應(yīng)力集中的影響 可以看出截面槽口改變愈急劇，應(yīng)力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強(qiáng)度愈高，但塑性愈差，脆性破壞的傾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10測距10010100600700500400300200100圖2.4.7 應(yīng)力集中對(duì)-曲線關(guān)系的影響第38頁/共92頁3.減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施 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)要求，可以不考慮應(yīng)力集

18、中的影響。1:2.5圖圖2.4.8第39頁/共92頁2.4.6 2.4.6 荷載的影響荷載的影響 1.加荷速度的影響 加荷速度過快，構(gòu)件來不及變形，得到的屈服點(diǎn)也高，且呈脆性。特別在低溫時(shí)對(duì)鋼材性能的影響要比常溫下大得多。因此，試驗(yàn)時(shí)需規(guī)定加載速度。 2. 循環(huán)荷載的影響 鋼材在直接的連續(xù)反復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，損傷會(huì)逐漸累積，缺陷會(huì)發(fā)展成微觀裂紋，繼而發(fā)展到宏觀裂紋，截面削弱到一定程度而突然破壞（這種現(xiàn)象叫疲勞破壞）。第40頁/共92頁本節(jié)討論：本節(jié)討論：防止脆性斷裂的方法防止脆性斷裂的方法 (1)合理選擇鋼材 溫度冷脆轉(zhuǎn)變溫度低 厚度薄 (2)合理設(shè)計(jì) 合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該在考慮材料的斷裂韌性水平

19、、最低工作溫度、荷載特征、應(yīng)力集中等因素后，再選擇合理的結(jié)構(gòu)型式，尤其是合理的構(gòu)造細(xì)節(jié)十分重要。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求使缺陷引起的應(yīng)力集中減少到最低限度，盡量保證結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。第41頁/共92頁 (3)合理制作和安裝 冷加工栓孔 鉆、擴(kuò) 焊接合理工藝、參數(shù)，減小焊接殘余應(yīng)力，如厚鋼板，焊前預(yù)熱，焊后保溫 安裝減小裝配殘余應(yīng)力 (4)合理使用及維修措施避免突然荷載第42頁/共92頁第2.5節(jié) 復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件1.掌握復(fù)雜應(yīng)力作用鋼材屈服條件及應(yīng)用基本要求第43頁/共92頁基本假定： （1）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表達(dá)； （2）當(dāng)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)

20、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。第44頁/共92頁yOxzyzyxxyxzzyzxZXY單元體受復(fù)雜應(yīng)力單元體受復(fù)雜應(yīng)力圖圖2.5.1112233單元體受主應(yīng)力單元體受主應(yīng)力圖圖2.5.2第45頁/共92頁 在三向應(yīng)力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)的條件，可用按能量強(qiáng)度理論計(jì)算的折算應(yīng)力red和鋼材在單向應(yīng)力下的屈服點(diǎn)fy相比較來判斷，即1.1.以一般應(yīng)力分量表示以一般應(yīng)力分量表示2.2.以主應(yīng)力表示以主應(yīng)力表示當(dāng)時(shí)鋼材處于彈性狀態(tài)，時(shí)鋼材處于塑性狀態(tài)。redyfredyf222222() 3()(2 1)redxyzxyyzzxxyyzzxyf (2-1)(2-

21、1)2221223311()()()(22)2redyf(2-2)(2-2)第46頁/共92頁 對(duì)于薄板，厚度方向的應(yīng)力很小，常可忽略不計(jì)，這時(shí)三向應(yīng)力狀態(tài)可簡化為平面應(yīng)力狀態(tài)，式（2-1）成為 3.3.幾種特殊情況幾種特殊情況一般的梁，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：一般的梁，只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力，則：223redyf（2-4）222(2)33redxyxyxyyf （2-3）第47頁/共92頁純剪時(shí)純剪時(shí) = 0 ，則有則有233redyf（2-5）即：鋼材的剪切屈服點(diǎn)是單軸拉伸屈服點(diǎn) fy的0.58倍。因此，規(guī)范規(guī)定：鋼材的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.58 倍。0.58(26)3yyvyf

22、ff（2-6）第48頁/共92頁第2.6節(jié) 鋼材的疲勞1. 疲勞破壞特征2. 常幅疲勞3. 變幅疲勞1.了解鋼材疲勞破壞的特征2. 掌握疲勞破壞的計(jì)算方法本節(jié)目錄基本要求第49頁/共92頁2.6.1 2.6.1 疲勞破壞特征疲勞破壞特征 1.概念 鋼材在連續(xù)反復(fù)荷載的作用，當(dāng)應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。 2.疲勞破壞的機(jī)理 疲勞破壞是積累損傷的結(jié)果。 破壞過程：缺陷微觀裂紋宏觀裂紋斷裂。 3.疲勞破壞與脆性破壞比較第50頁/共92頁相同點(diǎn)：相同點(diǎn)：突然斷裂，斷裂時(shí)名義應(yīng)力都低于屈服點(diǎn)突然斷裂，斷裂時(shí)名義應(yīng)力都低于屈服點(diǎn)不同點(diǎn)之一：不同點(diǎn)之一：

23、 疲勞破壞疲勞破壞 裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，緩慢，多次反復(fù)加載裂紋擴(kuò)展穩(wěn)定，緩慢，多次反復(fù)加載 脆性破壞脆性破壞 裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能裂紋擴(kuò)展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能 破壞破壞不同點(diǎn)之二：不同點(diǎn)之二： 疲勞破壞疲勞破壞 斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)（疲勞區(qū)記載了裂斷口分為疲勞區(qū)和瞬斷區(qū)（疲勞區(qū)記載了裂 縫擴(kuò)展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較縫擴(kuò)展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較 清楚的疲勞紋理，呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷清楚的疲勞紋理，呈沙灘狀或波紋狀。瞬斷 區(qū)真實(shí)反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴(kuò)展削弱到區(qū)真實(shí)反映了當(dāng)構(gòu)件截面因裂縫擴(kuò)展削弱到 一臨界尺寸時(shí)脆性斷裂的待點(diǎn)，瞬斷區(qū)晶粒一臨界尺寸時(shí)脆性斷裂

24、的待點(diǎn)，瞬斷區(qū)晶粒 粗亮。）粗亮。） 脆性破壞脆性破壞 閃光的晶粒狀閃光的晶粒狀第51頁/共92頁4. 影響疲勞破壞的主要因素 構(gòu)造細(xì)節(jié)構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)力集中程度和殘余應(yīng)力大小應(yīng)力集中程度和殘余應(yīng)力大小 荷載循環(huán)次數(shù)荷載循環(huán)次數(shù)5104次，驗(yàn)算疲勞次，驗(yàn)算疲勞 荷載引起的循環(huán)應(yīng)力特征荷載引起的循環(huán)應(yīng)力特征 應(yīng)力幅（焊接結(jié)構(gòu)）應(yīng)力幅（焊接結(jié)構(gòu)） 應(yīng)力比（非焊接結(jié)構(gòu)）應(yīng)力比（非焊接結(jié)構(gòu)）注意：注意：1 1、與鋼材的靜力強(qiáng)度和最大應(yīng)力無明顯關(guān)系、與鋼材的靜力強(qiáng)度和最大應(yīng)力無明顯關(guān)系 2 2、不出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞、不出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，不會(huì)發(fā)生疲勞破壞第52頁/共92頁5 5. .幾個(gè)概念幾個(gè)概念 循

25、環(huán)荷載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時(shí)間變化的荷載。應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力循環(huán)構(gòu)件截面應(yīng)力隨時(shí)間的變化。構(gòu)件截面應(yīng)力隨時(shí)間的變化。 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力變 化次數(shù)。應(yīng)力比循環(huán)應(yīng)力中絕對(duì)值最小的峰值應(yīng)力min與絕對(duì)值最大的峰值應(yīng)力max之比。= min /max(拉應(yīng)力取正號(hào)而壓應(yīng)力取負(fù)號(hào))第53頁/共92頁 應(yīng)力幅在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重復(fù)一次為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差為應(yīng)力幅: =max-min為常量 常幅循環(huán)：為變量 變幅循環(huán)： 此處max為最大拉應(yīng)力，取正值，min為最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。（拉應(yīng)力取正號(hào)而壓應(yīng)力取負(fù)號(hào)） +-t圖圖2.6.1第54頁/共92頁 循環(huán)應(yīng)力譜圖

26、圖2.6.2 完全對(duì)稱循環(huán)完全對(duì)稱循環(huán)r r=f=fy yt t=minmin/ /max max = = -1-1minminmaxmax+ +- -0 0圖圖2.6.3 脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)r r=f=fy yt t=minmin/ /max max =0=0+ +- -0 0第55頁/共92頁 循環(huán)應(yīng)力譜+ +- -圖圖2.6.5 不完全對(duì)稱循環(huán)二不完全對(duì)稱循環(huán)二r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax0 0圖圖2.6.4 不完全對(duì)稱循環(huán)一不完全對(duì)稱循環(huán)一r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1m

27、inminmaxmax+ +- -0 0第56頁/共92頁2.6.2 常幅疲勞當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅保持常量時(shí)，稱為常幅疲勞。 對(duì)焊接結(jié)構(gòu)：r r=f=fy yt t=minmin/ /maxmax=-1=-1minminmaxmax+ +- -0 0圖圖2.6.6fyfyfyfyfyfy圖圖2.6.7第57頁/共92頁 可以看出，由于焊接殘余應(yīng)力焊縫附近主體金屬的最大應(yīng)力已達(dá) fy，因此，有應(yīng)力增大時(shí)保持應(yīng)力增大時(shí)保持 fy不變不變應(yīng)力減小時(shí)從應(yīng)力減小時(shí)從minyyff名義應(yīng)力比名義應(yīng)力比minmax真實(shí)應(yīng)力比真實(shí)應(yīng)力比yyff第58頁/共92頁 應(yīng)力幅對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有很大影響，而與應(yīng)力

28、幅對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度有很大影響，而與名義最大應(yīng)力名義最大應(yīng)力max和應(yīng)力比和應(yīng)力比無關(guān)。無關(guān)。 可見，只要可見，只要為常數(shù)，不管名義為常數(shù)，不管名義為何值，真實(shí)為何值，真實(shí)也為常數(shù)，因此：也為常數(shù)，因此：1.容許應(yīng)力幅 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N N的關(guān)系曲線，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的關(guān)系曲線，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸的的-N曲線為平均曲線曲線為平均曲線( (圖圖a) )，取對(duì)數(shù)坐標(biāo)，取對(duì)數(shù)坐標(biāo)( (圖圖b) )。第59頁/共92頁圖圖2.6.8 -N曲線曲線(a)0N2S2S 2S2S(b)0NlgN=5104N=5

29、X106 lg.b1第60頁/共92頁 考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性, ,取平均值減去取平均值減去2倍倍lgN的標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差準(zhǔn)差s作為疲勞強(qiáng)度下限，當(dāng)作為疲勞強(qiáng)度下限，當(dāng)lg為正態(tài)分布時(shí)為正態(tài)分布時(shí), ,保證率保證率為為97.7%。 則對(duì)應(yīng)疲勞壽命n的容許應(yīng)力幅可由直線斜截式方程求出：（y=kx+b） 取系數(shù)：取系數(shù)：lgC是延長直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)是延長直線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)是直線的斜率是直線的斜率1第61頁/共92頁11lg()lglg1(lglg )1lg(27)nCCnCn 1:(28)Cn即第62頁/共92頁此時(shí)的此時(shí)的即為容許應(yīng)力幅：即為容許應(yīng)力幅：1(29)CN式中：系數(shù)式中

30、：系數(shù)、C為不同構(gòu)件和連接類別的試驗(yàn)為不同構(gòu)件和連接類別的試驗(yàn)參數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。參數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。第63頁/共92頁2 2. . 常幅疲勞驗(yàn)算常幅疲勞驗(yàn)算(2 10) 式中：計(jì)算部位的應(yīng)力幅 對(duì)于焊接結(jié)構(gòu): =max-min 對(duì)于非焊接結(jié)構(gòu)：=max-0.7min(折算應(yīng)力幅）max、min 計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力和 最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力（壓應(yīng)力取負(fù)值）。常幅疲勞的容許應(yīng)力幅第64頁/共92頁3 3. . 驗(yàn)算驗(yàn)算公式公式的幾點(diǎn)補(bǔ)充說明的幾點(diǎn)補(bǔ)充說明 （1）計(jì)算時(shí)用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。 （2）由于來源于試驗(yàn)，已考慮動(dòng)力效應(yīng)，計(jì)算時(shí)不再考慮動(dòng)力系數(shù)。 （3）公式同樣適用剪應(yīng)力情況驗(yàn)算

31、。 （4）針對(duì)不同構(gòu)造和受力特點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)和連接（應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力分布程度不同）,GB50017-2003把各種不同的構(gòu)造劃分為8個(gè)類別，給出了8個(gè)類別的C、值。第65頁/共92頁參數(shù)和的取值333333440.410.650.961.472.183.268611940 101287654321構(gòu)件和連接類別圖2.6.9 疲勞容許應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線123456784003002001008060105234 5 6 78910621065106107n/（N/mm2）第66頁/共92頁 編號(hào)越大，其應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力情況越嚴(yán)重，其C值越小，容許應(yīng)力幅越小。 （5 5）鋼材種類不同

32、，靜力強(qiáng)度差別較大，而公式）鋼材種類不同，靜力強(qiáng)度差別較大，而公式中中 無差別。無差別。 試驗(yàn)表明：對(duì)目前常用的構(gòu)件和連接，疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)表明：對(duì)目前常用的構(gòu)件和連接，疲勞強(qiáng)度一般與所用鋼材的屈服強(qiáng)度無關(guān)。一般與所用鋼材的屈服強(qiáng)度無關(guān)。 所以，不能通過提高鋼材屈服強(qiáng)度來提高抗疲勞能所以，不能通過提高鋼材屈服強(qiáng)度來提高抗疲勞能力。力。第67頁/共92頁 （6 6）對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力影響較小，疲勞壽）對(duì)非焊接結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力影響較小，疲勞壽命主要與最大應(yīng)力、應(yīng)力比有關(guān)，但為統(tǒng)一采用一種驗(yàn)命主要與最大應(yīng)力、應(yīng)力比有關(guān)，但為統(tǒng)一采用一種驗(yàn)算公式，引入了折算應(yīng)力幅概念。算公式，引入了折算應(yīng)力幅概念。 （

33、7 7）完全壓應(yīng)力狀態(tài)不驗(yàn)算疲勞。）完全壓應(yīng)力狀態(tài)不驗(yàn)算疲勞。 規(guī)范規(guī)定：在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力部位可不規(guī)范規(guī)定：在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力部位可不計(jì)算疲勞。計(jì)算疲勞。第68頁/共92頁2.6.3 變幅疲勞 當(dāng)應(yīng)力循環(huán)內(nèi)的應(yīng)力幅隨機(jī)變化時(shí)為變幅疲勞。i-121it圖2.6.10 變幅荷載循環(huán) 對(duì)于受隨機(jī)荷載作用的變幅疲勞計(jì)算，通常近似按線性疲勞累積損傷原則將變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅e，然后令第69頁/共92頁(2 11)e式中：式中：1()iieinn ni以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命； ni預(yù)期使用壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅第70頁/共92頁對(duì)

34、于吊車梁，按下式計(jì)算其疲勞強(qiáng)度：對(duì)于吊車梁，按下式計(jì)算其疲勞強(qiáng)度：62 10(2 12)fn 欠載效應(yīng)系數(shù)。重級(jí)工作制硬鉤吊車1.0； 重級(jí)工作制軟鉤吊車0.8；中級(jí)工作制吊車0.5。 f 循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù) N=2106 的容許應(yīng)力幅。的容許應(yīng)力幅。6102 n 式中：式中：第71頁/共92頁第2.7節(jié) 鋼材的種類和規(guī)格1. 鋼材的種類2. 鋼材的選擇3. 鋼材的規(guī)格1.了解鋼材的種類、命名和選擇本節(jié)目錄基本要求2.了解鋼材的主要規(guī)格第72頁/共92頁2.7.1 2.7.1 鋼材的種類鋼材的種類 按用途鋼可分為：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼。 按冶煉方法，鋼可分為轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐。 按照脫氧方法和程

35、度的不同，可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 按化學(xué)成分，鋼又可分為碳素鋼和低合金鋼。 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 命名方式:由四部分組成，依次是屈服點(diǎn)的字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)，如Q235-AF。第73頁/共92頁 說明：（1）質(zhì)量等級(jí)符號(hào)A、B、C、D是根據(jù)鋼材的化學(xué)成分和沖擊韌性不同共化分為4個(gè)等級(jí)。 Q235-質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D） 脫氧方法（F、Z、b、Tz） A 保證fu、fy、，P、S含量 B 保證fu,fy,冷彎，常溫時(shí)Cv，P，S，C含量； C 保證 fu,fy,冷彎，0oC時(shí)Cv，P，S，C含量; D 保證fu,fy,冷彎，-20oC時(shí)Cv，P，S，

36、C含量;第74頁/共92頁 （2）脫氧方法符號(hào)也有四種，F(xiàn)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(biāo)注時(shí)Z和TZ可以省略。 （3）規(guī)范GB50017將Q235牌號(hào)的鋼材選為承重結(jié)構(gòu)用鋼。其化學(xué)成分和脫氧方法、拉伸和沖擊試驗(yàn)以及冷彎試驗(yàn)結(jié)果均應(yīng)符合規(guī)范GB/T700-2006的要求。第75頁/共92頁2.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在鋼的冶煉過程中適量添加幾種合金元素（合金元素總量不超過5%）,使鋼的強(qiáng)度明顯提高。 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)命名與碳素結(jié)構(gòu)鋼相似,只是質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D、E五等（其中E主要是要求-40 的沖擊韌性）,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

37、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(hào)。第76頁/共92頁 根據(jù)鋼材厚度（直徑）16mm時(shí)的屈服點(diǎn)不同，分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，其中Q345、Q390和Q420鋼材都有較高的強(qiáng)度和較好的塑性、韌性和焊接性能，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范推薦采用的鋼種。第77頁/共92頁2.7.2 2.7.2 鋼材的選擇鋼材的選擇 1.選擇鋼材的一般原則 （1）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性 （2）荷載情況 靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟(jì)性較好的Q235鋼材； 動(dòng)力荷載作用下應(yīng)選擇綜合性能較好鋼材。 （3）連接方法（焊接連接、螺栓連接） 焊接結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的要求嚴(yán)格，應(yīng)嚴(yán)格控制C、S、P的極

38、限含量；非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)C的要求可降低一些。第78頁/共92頁 （4）結(jié)構(gòu)所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等） 低溫下工作的結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼。 （5）鋼材的厚度 厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。2.鋼材選擇的注意事項(xiàng) （1 1）承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用）承重結(jié)構(gòu)的鋼材宜采用Q235鋼、鋼、Q345鋼、鋼、Q390鋼和鋼和Q420鋼，其質(zhì)量應(yīng)分別符合國家標(biāo)準(zhǔn)鋼，其質(zhì)量應(yīng)分別符合國家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T700和和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼GB/T1591的規(guī)定。的規(guī)定。第79頁/共92頁 （2）承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長率、屈服強(qiáng)度和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚具有含碳量的合格保證。 （3）對(duì)于需要驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證；當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于0但高于20時(shí)，Q235鋼和Q345鋼應(yīng)具有0沖擊韌性合格的保證；對(duì)于Q390鋼和Q420鋼應(yīng)具有20沖擊韌性的合格保證。第80頁/共92頁 當(dāng)結(jié)構(gòu)工作溫度等于或低于當(dāng)結(jié)