第2章建筑鋼材及性能

1、鋼結構設計課程鋼結構設計課程第二章 建筑鋼材及其性能土木工程專業(yè)本科 Company Logo鋼結構用材的要求鋼結構用材的要求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能的因素* * *2 建筑鋼材及其性能建筑鋼材及其性能* * *2.1 鋼結構用料的要求鋼結構用料的要求鋼結構的鋼材的性能：鋼結構的鋼材的性能：1 1、較高的強度：抗拉強度、較高的強度：抗拉強度f fu u和屈服強度和屈服強度f fy y ；2 2、足夠的變形能力：較高的塑性和韌性；、足夠的變形能力：較高的塑性和韌性；3 3、良好的工藝性能：冷加工、熱加工和焊、良好的工藝性能：冷加工、熱加工和焊接性能；接性能；4

2、4、對環(huán)境的良好使用。、對環(huán)境的良好使用。鋼結構規(guī)范：鋼結構規(guī)范：承重結構采用的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、承重結構采用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；屈服強度和硫磷含量的合格保證；對焊接對焊接結構應具有碳含量的合格保證；結構應具有碳含量的合格保證；焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證；鋼材還應具有冷彎試驗的合格保證；對需要驗算疲勞強度的結構用鋼材，根據(jù)具體情對需要驗算疲勞強度的結構用鋼材，根據(jù)具體情況應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。況應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證。2.1 鋼結構

3、用料的要求鋼結構用料的要求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件應力超過屈服構件應力超過屈服點，并且達到抗拉點，并且達到抗拉極限強度后，構件極限強度后，構件產(chǎn)生明顯的變形并產(chǎn)生明顯的變形并斷裂。斷裂。斷裂時斷口與斷裂時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)時間，便于發(fā)現(xiàn)時間，便于發(fā)現(xiàn)和補救。和補救。脆性破壞脆性破壞在破壞前無明顯變在破壞前無明顯變形，平均應力也小形，平均應力也小（一般都小于屈服（一般都小于屈服點），沒有任何預點），沒有任何預兆。

4、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，危險性大，應盡量險性大，應盡量避免。避免。2.2 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能 按按GBGB將鋼材加工成標準試件，在將鋼材加工成標準試件，在2020的條件下做拉伸的條件下做拉伸試驗，緩慢加載，一次完成，得到應力變形曲線；試驗，緩慢加載，一次完成，得到應力變形曲線； 含碳量為含碳量為0.1%0.1%0.3%0.3%標準試件：標準試件：Lo/d=5Lo/d=5或或1010；Lo-Lo-標距；標距；d -d -直徑直徑ufOPfEBCDAGyfH有明顯屈服點鋼材的有明顯屈服點鋼材

5、的-曲線曲線2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能 可劃分為以下五個階段：可劃分為以下五個階段： (1)(1)彈性階段彈性階段(OB(OB段段) )OAOA段材料處于純彈性，即段材料處于純彈性，即: :EABAB段有一定的塑性變形段有一定的塑性變形, , 但整個但整個OBOB段卸載時段卸載時 = 0彈性模量：彈性模量：E=2.06105N/mm2其中，其中，A A點應力點應力 f f p p稱為比例極限稱為比例極限。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能(2)(2)彈塑性階段彈塑性階段（BCBC段段) ) 該段很短，表現(xiàn)出鋼材的非彈性性質(zhì)，即該段很短，表現(xiàn)出鋼材

6、的非彈性性質(zhì)，即卸荷留下永久的殘余變形。卸荷留下永久的殘余變形。(3)(3)塑性階段塑性階段（CDCD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, ,稱為屈服臺階。變形模量稱為屈服臺階。變形模量E = 0E = 0。 該段應力最高點和最低點分別稱為上屈服該段應力最高點和最低點分別稱為上屈服點和下屈服點，下屈服點比較穩(wěn)定，設計中點和下屈服點，下屈服點比較穩(wěn)定，設計中則以下屈服點為依據(jù)。則以下屈服點為依據(jù)。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能（4 4）強化階段強化階段(DG(DG段段) ) 當應力達到當應力達到G G點時，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，至點時，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，至

7、H H點而斷裂。點而斷裂。 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。曲線最高點處曲線最高點處G G點的應力點的應力 f fu u稱為抗拉強度或極稱為抗拉強度或極限強度。限強度。（5 5）頸縮破壞階段頸縮破壞階段(GH(GH段段) )2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能無明顯屈服點的鋼材無明顯屈服點的鋼材 高強度鋼材在拉伸過程中沒有明顯的屈服臺階，塑高強度鋼材在拉伸過程中沒有明顯的屈服臺階，塑性變形小，設計性變形小，設計 中不宜利用它的塑性。中不宜利用它的塑性。 設計時取相當于殘余變設計時取相當于殘余變形為形為0.2%0.2%時所對應的應力作時所對應的應力作為屈服點

8、為屈服點稱為條件屈服點稱為條件屈服點或名義屈服點或名義屈服點fy=f0.20.2%0.2%fup p2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能應力應變曲線的簡化應力應變曲線的簡化設計時將鋼材簡化為理想彈塑性體設計時將鋼材簡化為理想彈塑性體鋼材在靜載作用下：鋼材在靜載作用下： 強度計算以強度計算以fy為為依據(jù)，依據(jù)，fu為結構的安為結構的安全儲備。全儲備。22.5%-3%fy 1 0.15%2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能單向拉伸時鋼材的機械性能指標單向拉伸時鋼材的機械性能指標 （1 1）屈服點）屈服點 f fy y 應力應變曲線開始產(chǎn)生應力應變曲線開始產(chǎn)生塑性流動時對應的應力，它是衡量鋼材的承載

9、塑性流動時對應的應力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。 （2 2）抗拉強度）抗拉強度 f fu u 應力應變曲線最高點應力應變曲線最高點對應的應力對應的應力, ,它是鋼材最大的抗拉強度。它是鋼材最大的抗拉強度。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能伸長率伸長率00100%lll當當l lo o/ /d d=5=5時，用時，用5 5表示表示當當l l0 0/ /d d=10=10時，用時，用1010表示表示（5 5 1010）實際工程中以伸長率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。代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。鋼材的塑性

10、是指：當應力超過屈服點后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘鋼材的塑性是指：當應力超過屈服點后，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)。余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。 試件斷裂時的絕對變形值與原標距長度的百分比，用試件斷裂時的絕對變形值與原標距長度的百分比，用表示。表示。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能斷面收縮率斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比，用面積比值的百分比，用 表示。表示。%100110AAA式中：式中： A A0 0 試件原來的斷面面積試件原來的斷面面積 A A1 1 試件拉斷后頸縮區(qū)的

11、斷面面積試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積 2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能 采用短試件采用短試件l0/d=3，屈服點同單向拉伸時的屈服，屈服點同單向拉伸時的屈服點。點。受壓時的性能受壓時的性能受剪時的性能受剪時的性能3279 103vyyNGmmff抗剪強度可由折算應力計算公式得到：抗剪強度可由折算應力計算公式得到：2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標和冶金質(zhì)量的綜合指標 鑒定合格指標：通過冷彎沖頭加壓，當試件彎曲至鑒定合格指標：通過冷彎沖頭加壓，當試件彎曲至180時，檢察試件彎曲部分的外面、里面和

12、側面，如果沒有裂紋、時，檢察試件彎曲部分的外面、里面和側面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認為試件冷彎性能合格。斷裂或分層，即認為試件冷彎性能合格。 焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材必焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構采用的鋼材必須有冷彎性能的合格保證。須有冷彎性能的合格保證。 沖擊韌性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。鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。 用斷裂時吸收的總能量（彈性和非彈性能）來表示。韌性指標用斷裂時吸收的總能量（彈性和非彈性能）來表示。韌性指標用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功，用符號用沖擊韌性值表示，沖擊韌性也叫沖擊功

13、，用符號Wkv或或Cv表示，表示，單位為單位為J。 沖擊韌性由沖擊沖擊韌性由沖擊韌性試驗確定。韌性試驗確定。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能影響沖擊韌性的因素：影響沖擊韌性的因素： 沖擊韌性與試件刻槽有關，常用缺口形式為夏氏沖擊韌性與試件刻槽有關，常用缺口形式為夏氏V型和梅氏型和梅氏U型，近年來，我國沖擊試驗已用夏氏型，近年來，我國沖擊試驗已用夏氏V型代替梅氏型代替梅氏U型。型。 沖擊韌性還與試驗的溫度有關。根據(jù)溫度不同，我國鋼材標沖擊韌性還與試驗的溫度有關。根據(jù)溫度不同，我國鋼材標準中將試驗分為四檔，即準中將試驗分為四檔，即+20, 0，-20和和-40時的沖擊韌性。時的沖擊韌性。 溫度

14、越低，沖擊韌性越低。溫度越低，沖擊韌性越低。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能1. 1. 化學成分化學成分2. 2. 冶金缺陷冶金缺陷3. 3. 鋼材硬化鋼材硬化1.1.了解影響鋼材性能的主要因素了解影響鋼材性能的主要因素2.2.了解防止脆性斷裂破壞的方法了解防止脆性斷裂破壞的方法 4. 4. 溫度影響溫度影響5. 5. 應力集中應力集中6. 6. 荷載的影響荷載的影響2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響化學成分化學成分 普通碳素鋼中普通碳素鋼中Fe占占99%，C和和其他元素僅占其他元素僅占1%，但，但對鋼材力學性能有著決定性的影響。對鋼材力學性能有著決定性的影響。 普通

15、低合金鋼中，合金元素普通低合金鋼中，合金元素小于小于5%。 (1)(1)碳（碳（C）：鋼材強度的主要來源，隨其含量增加，：鋼材強度的主要來源，隨其含量增加，強度增加，塑性、韌性和疲勞強度降低，同時惡化鋼的強度增加，塑性、韌性和疲勞強度降低，同時惡化鋼的焊接性能和抗腐蝕性。鋼結構用鋼中，碳含量一般控制焊接性能和抗腐蝕性。鋼結構用鋼中，碳含量一般控制在在0.22%以下，當其含量在以下，當其含量在0.2以下時，可焊性良好。以下時，可焊性良好。 2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響含碳量對含碳量對-關系的影響關系的影響0%TC0.3%2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性

16、能的影響 (2)(2)硫（硫（S S）：有害元素，熱脆性。不得超過：有害元素，熱脆性。不得超過0.05%0.05%。 (3) (3)磷（磷（P P）：有害元素，冷脆性?？垢g能力略有：有害元素，冷脆性。抗腐蝕能力略有提高，可焊性降低。不得超過提高，可焊性降低。不得超過0.045%0.045%。 (4)(4)錳（錳（MnMn）：合金元素：合金元素, ,弱脫氧劑。與弱脫氧劑。與S S形成形成MnS,MnS,熔熔點點1600,1600,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。強脫氧劑。：合金元素。強脫氧劑。 2.4 各種因素對鋼材性能的

17、影響各種因素對鋼材性能的影響 (6)(6)釩（釩（V）：合金元素。細化晶粒，提高：合金元素。細化晶粒，提高強度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較強度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結構。大的焊接結構。 (7) (7)氧氧（O）：有害雜質(zhì)，與：有害雜質(zhì)，與S相似（熱脆）。相似（熱脆）。 (8) (8)氮氮（N）：有害雜質(zhì)，與：有害雜質(zhì)，與P相似（冷相似（冷脆）脆） 。 (9) (9)銅銅（Cu）：提高抗銹蝕性，提高強度，：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。對可焊性有影響。 2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響冶金缺陷冶金缺陷常見的冶金缺陷有：常見的冶金

18、缺陷有： 偏析偏析：鋼中化學成分不一致和不均勻性稱為偏析。主要是硫和：鋼中化學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。磷的偏析，使鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。 非金屬夾雜非金屬夾雜：常見的夾雜物為硫化物和氧化物。硫化物使鋼材：常見的夾雜物為硫化物和氧化物。硫化物使鋼材在在800 1200高溫下變脆，氧化物會降低鋼材的力學性能和工藝高溫下變脆，氧化物會降低鋼材的力學性能和工藝性能。性能。 氣孔氣孔：澆注時由：澆注時由FeO與與C作用所生成的作用所生成的CO氣體不能充分逸出而氣體不能充分逸出而留在鋼錠內(nèi)形成的。留在鋼錠內(nèi)形成的。 裂紋裂紋：鋼材中已出現(xiàn)的

19、局部破壞：鋼材中已出現(xiàn)的局部破壞 分層分層：指沿厚度方向形成層間并不相互脫離的分層。分層處易：指沿厚度方向形成層間并不相互脫離的分層。分層處易被銹蝕被銹蝕, , 且分層使鋼材性能變差。且分層使鋼材性能變差。2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響鋼材硬化鋼材硬化 冷作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，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)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)象象。 時效硬化時效硬化隨著時間的增加，純鐵體中有一些數(shù)量極少的碳隨著時間的增加，純鐵體中有

20、一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質(zhì)析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提高，塑性和韌性下和氮的固熔物質(zhì)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)象降的現(xiàn)象。 應變時效硬化應變時效硬化鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，鐵素體鋼材產(chǎn)生一定數(shù)量的塑性變形后，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)生時效硬化現(xiàn)象。時效硬化現(xiàn)象。2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響硬化對鋼材性能的影響硬化對鋼材性能的影響0冷作硬化冷作硬化時效硬化時效硬化冷作硬化后冷作硬化后的塑性區(qū)的塑性區(qū)243 1fyfp冷加工及時效

21、冷加工及時效冷加工及時效冷加工及時效后的塑性區(qū)后的塑性區(qū)fy02.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響 注意注意: :不管哪一種硬化，都要降低鋼材的塑性和韌不管哪一種硬化，都要降低鋼材的塑性和韌性，對鋼材不利。因此鋼結構設計中一般不利用硬化性，對鋼材不利。因此鋼結構設計中一般不利用硬化后提高的強度，而且對于直接承受動荷載的結構還應后提高的強度，而且對于直接承受動荷載的結構還應設法消除硬化的影響。設法消除硬化的影響。 eg:eg:經(jīng)過剪切機剪切的鋼板，為了消除剪切邊緣的冷作硬化，經(jīng)過剪切機剪切的鋼板，為了消除剪切邊緣的冷作硬化，可采用火焰燒烤使之可采用火焰燒烤使之“退火退火”或將

22、邊緣刨去或將邊緣刨去3 35mm5mm。 2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響溫度影響溫度影響溫度對鋼材機械性能的影響溫度對鋼材機械性能的影響8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3N/mmN/mm2 2t(0C)2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響正溫范圍正溫范圍 200200以內(nèi)對鋼材性能無大影響，該范圍內(nèi)隨溫度以內(nèi)對鋼材性能無大影響，該范圍內(nèi)隨溫度升高總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大。升高總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大。 25

23、0250左右抗拉強度略有提高，塑性降低，脆性增左右抗拉強度略有提高，塑性降低，脆性增加加藍藍脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為脆現(xiàn)象，該溫度區(qū)段稱為“藍藍脆區(qū)脆區(qū)”。 260 260320320產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。產(chǎn)生徐變現(xiàn)象。 600 600左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。左右彈性模量趨于零，承載能力幾乎完全喪失。2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響 當溫度低于常當溫度低于常溫時，鋼材的脆性溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而傾向隨溫度降低而增加，材料強度略增加，材料強度略有提高，但其塑性有提高，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。負溫范圍負溫范圍脆

24、性破壞脆性破壞轉變過渡區(qū)段轉變過渡區(qū)段塑性破壞塑性破壞反彎點反彎點試驗溫度試驗溫度T T0 0C C沖沖 擊擊 斷斷 裂裂 功功 C Cv vT1T2T0沖擊韌性與溫度的關系曲線沖擊韌性與溫度的關系曲線2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響應力集中應力集中應力集中的概念應力集中的概念 在鋼結構構件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、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(nèi)部缺陷等，此時截面中的應力裂縫、厚度變化、形狀變化和內(nèi)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(chǎn)生局部高峰應力，形成分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局

25、部高峰應力，形成所謂應力集中現(xiàn)象。所謂應力集中現(xiàn)象。 孔洞及槽孔孔洞及槽孔處的應力集處的應力集中現(xiàn)象中現(xiàn)象y yz zy yx xz zx xx xy y0 00 01 11 1x xy y0 00 01 11 12.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響應力集中的影響應力集中的影響 可以看出截面槽可以看出截面槽口改變愈急劇，應力口改變愈急劇，應力集中現(xiàn)象愈厲害，其集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，但塑抗拉強度愈高，但塑性愈差，脆性破壞的性愈差，脆性破壞的傾向愈大。傾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10測距1001010060070050040030020010

26、0應力集中對應力集中對-曲線關系的影響曲線關系的影響2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響荷載的影響荷載的影響加荷速度的影響加荷速度的影響 加荷速度過快，構件來不及變形，得到的屈服點也高，加荷速度過快，構件來不及變形，得到的屈服點也高，且呈脆性。特別在低溫時對鋼材性能的影響要比常溫下大且呈脆性。特別在低溫時對鋼材性能的影響要比常溫下大得多。因此，試驗時需規(guī)定加載速度。得多。因此，試驗時需規(guī)定加載速度。循環(huán)荷載的影響循環(huán)荷載的影響 鋼材在鋼材在直接的直接的連續(xù)連續(xù)反復的動力反復的動力荷載作用下，損傷會逐荷載作用下，損傷會逐漸累積，漸累積，缺陷會發(fā)展成微觀缺陷會發(fā)展成微觀裂紋裂紋

27、，繼而發(fā)展到宏觀，繼而發(fā)展到宏觀裂紋，裂紋，截面削弱到一定程度而突然截面削弱到一定程度而突然破壞（破壞（這種現(xiàn)象叫這種現(xiàn)象叫疲勞破壞）。疲勞破壞）。2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響防止脆性斷裂的方法防止脆性斷裂的方法 (1)(1)合理選擇鋼材合理選擇鋼材 溫度溫度冷脆轉變溫度低冷脆轉變溫度低 厚度厚度薄薄 (2)(2)合理設計合理設計 考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特考慮材料的斷裂韌性水平、最低工作溫度、荷載特征、應力集中等因素后，再選擇合理的結構型式，尤其征、應力集中等因素后，再選擇合理的結構型式，尤其是合理的構造細節(jié)十分重要。是合理的構造細節(jié)十分重要。

28、設計時應力求使缺陷引起的應力集中減少到最低限設計時應力求使缺陷引起的應力集中減少到最低限度，盡量保證結構的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。度，盡量保證結構的幾何連續(xù)性和剛度的連貫性。2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響 (3)(3)合理制作和安裝合理制作和安裝 冷加工冷加工栓孔栓孔 鉆、擴鉆、擴 焊接焊接合理工藝、參數(shù)，減小焊接殘余應力，合理工藝、參數(shù)，減小焊接殘余應力，如厚鋼板，焊前預熱，焊后保溫如厚鋼板，焊前預熱，焊后保溫 安裝安裝減小裝配殘余應力減小裝配殘余應力 (4)(4)合理使用及維修措施合理使用及維修措施避免突然荷載避免突然荷載2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素

29、對鋼材性能的影響疲勞破壞特征疲勞破壞特征 1.1.概念概念 鋼材在連續(xù)反復荷載的作用，當應力低于抗拉強度，鋼材在連續(xù)反復荷載的作用，當應力低于抗拉強度，甚至低于屈服強度時發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為甚至低于屈服強度時發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞。鋼材的疲勞。 2.2.疲勞破壞的機理疲勞破壞的機理 疲勞破壞是積累損傷的結果。疲勞破壞是積累損傷的結果。 破壞過程：破壞過程：缺陷缺陷微觀裂紋微觀裂紋宏觀裂紋宏觀裂紋斷裂。斷裂。 3 3. .疲勞破壞與脆性破壞比較疲勞破壞與脆性破壞比較2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞相同點：相同點：突然斷裂，斷裂時名義應力都低于屈服點突然斷裂，斷

30、裂時名義應力都低于屈服點不同點之一：不同點之一： 疲勞破壞疲勞破壞 裂紋擴展穩(wěn)定，緩慢，多次反復加載裂紋擴展穩(wěn)定，緩慢，多次反復加載 脆性破壞脆性破壞 裂紋擴展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能裂紋擴展不穩(wěn)定，迅速，一次加載就可能 破壞破壞不同點之二：不同點之二： 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 縫擴展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較縫擴展和閉合的過程，顏色發(fā)暗，表面有較 清楚的疲好紋理，呈沙灘狀或波紋狀。）清楚的疲好紋理，呈沙灘狀或波紋狀。） 脆性破壞脆性破壞 閃光的晶粒狀閃光的晶粒狀2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞影響疲勞破壞的

31、主要因素影響疲勞破壞的主要因素 構造細節(jié)構造細節(jié)應力集中程度和殘余應力大小應力集中程度和殘余應力大小 荷載循環(huán)次數(shù)荷載循環(huán)次數(shù)5 510104 4次，驗算疲勞次，驗算疲勞 荷載引起的循環(huán)應力特征荷載引起的循環(huán)應力特征 應力幅（焊接結構）應力幅（焊接結構） 應力比（非焊接結構）應力比（非焊接結構）注意：注意：與鋼材的靜力強度和最大應力無明顯關系與鋼材的靜力強度和最大應力無明顯關系 不出現(xiàn)拉應力，不會發(fā)生疲勞破壞。不出現(xiàn)拉應力，不會發(fā)生疲勞破壞。2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞幾個概念幾個概念 循環(huán)荷載循環(huán)荷載結構或構件承受的隨時間變化的荷載。結構或構件承受的隨時間變化的荷載。 應力循環(huán)應力循

32、環(huán)構件截面應力隨時間的變化。構件截面應力隨時間的變化。 應力循環(huán)次數(shù)應力循環(huán)次數(shù)結構或構件破壞時所經(jīng)歷的應力結構或構件破壞時所經(jīng)歷的應力變化次數(shù)。變化次數(shù)。 應力比應力比循環(huán)應力中絕對值最小的峰值應力循環(huán)應力中絕對值最小的峰值應力minmin與絕與絕對值最大的峰值應力對值最大的峰值應力maxmax之比。之比。= = minmin / /maxmax( (拉應力拉應力取正號而壓應力取負號取正號而壓應力取負號) )2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 應力幅應力幅在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重復一次為在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重復一次為一次循環(huán)，最大應力與最小應力之差為應力幅一次循環(huán)

33、，最大應力與最小應力之差為應力幅: : = =maxmax- -minmin為常量為常量 常幅循環(huán)：常幅循環(huán)：為變量為變量 變幅循環(huán)：變幅循環(huán)： 此處此處max為最大拉應力，取正值，為最大拉應力，取正值，min為最小拉應力或壓應為最小拉應力或壓應力。（拉應力取正號而壓應力取負號）力。（拉應力取正號而壓應力取負號） + +- -t t2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 循環(huán)循環(huán)應力譜應力譜完全對稱循環(huán)完全對稱循環(huán)r r=f=fy yt t=minmin/ /max max = = -1-1minminmaxmax+ +- -0 0脈沖循環(huán)脈沖循環(huán)r r=f=fy yt t=minmin/ /m

34、ax max =0=0+ +- -0 02.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 循環(huán)循環(huán)應力譜應力譜+ +- -不完全對稱循環(huán)二不完全對稱循環(huán)二r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax0 0不完全對稱循環(huán)一不完全對稱循環(huán)一r r=f=fy yt t0 0=minmin/ /max max -1-1minminmaxmax+ +- -0 02.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞常幅疲勞常幅疲勞當應力循環(huán)內(nèi)的應力幅保持常量時，稱為常幅疲當應力循環(huán)內(nèi)的應力幅保持常量時，稱為常幅疲勞。勞。 對焊接結構：對焊接結構：r r=f=fy yt t=mi

35、nmin/ /maxmax= =-1-1minminmaxmax+ +- -0 0fyfyfyfyfyfy2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 可以看出，由于焊接殘余應力焊縫附近主體可以看出，由于焊接殘余應力焊縫附近主體金屬的最大應力已達金屬的最大應力已達 fy，因此，有，因此，有應力增大時保持應力增大時保持 fy不變不變應力減小時從應力減小時從minyyff 名義應力比名義應力比minmax真實應力比真實應力比yyff 2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 應力幅對焊接結構的疲勞強度有很大影響，而與名應力幅對焊接結構的疲勞強度有很大影響，而與名義最大應力義最大應力max和應力比和應力比無關。

36、無關。 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，真實為何值，真實也也為常數(shù)，因此：為常數(shù)，因此：1.1.容許應力幅容許應力幅 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出構件或連接的應力幅根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以繪出構件或連接的應力幅與與相應的致?lián)p循環(huán)次數(shù)相應的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N N的關系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的的關系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的-N曲線為平均曲線曲線為平均曲線( (圖圖a) )，取對數(shù)坐標，取對數(shù)坐標( (圖圖b) )。2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞圖圖2.6.8 -N曲線曲線(a)0N2S2S 2S2S(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 12.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲

37、勞破壞 考慮試驗數(shù)據(jù)的離散性考慮試驗數(shù)據(jù)的離散性, ,取平均值減去取平均值減去2倍倍lgN的標準差的標準差s作為疲勞強度下限，當作為疲勞強度下限，當lg為正態(tài)分布為正態(tài)分布時時, ,保證率為保證率為97.7%。 則對應疲勞壽命則對應疲勞壽命n的容許應力幅可由直線斜截的容許應力幅可由直線斜截式方程求出：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的交點是延長直線與橫坐標的交點是直線的斜率是直線的斜率12.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞11lg()lglg1(lglg)1lg(27)nCCnCn 1:(28)Cn即2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞此時的此時的即為容許

38、應力幅：即為容許應力幅：1(29)CN式中：系數(shù)式中：系數(shù)、C為不同構件和連接為不同構件和連接類別的試驗參數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。類別的試驗參數(shù)，稱疲勞特征參數(shù)。2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞常幅疲勞驗算常幅疲勞驗算(210) 式中：式中：計算部位的應力幅計算部位的應力幅 對于焊接結構對于焊接結構: : = =maxmax- -minmin 對于非焊接結構：對于非焊接結構：= =maxmax-0.7-0.7minmin( (折算應力幅）折算應力幅）maxmax、minmin 計算部位每次應力循環(huán)中的最大拉應力和計算部位每次應力循環(huán)中的最大拉應力和 最小拉應力或壓應力（壓應力取負值）。最小拉應

39、力或壓應力（壓應力取負值）。常幅疲勞的容許應力幅常幅疲勞的容許應力幅2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞驗算驗算公式公式的幾點補充說明的幾點補充說明 （1 1）計算時用荷載的標準值。）計算時用荷載的標準值。 （2 2）由于來源于試驗，已考慮動力效應，計算時不再考）由于來源于試驗，已考慮動力效應，計算時不再考慮動力系數(shù)。慮動力系數(shù)。 （3 3）公式同樣適用剪應力情況驗算。）公式同樣適用剪應力情況驗算。 （4 4）針對不同構造和受力特點的鋼結構和連接（應力集）針對不同構造和受力特點的鋼結構和連接（應力集中和殘余應力分布程度不同）中和殘余應力分布程度不同）,GB50017-2003,GB50017-

40、2003把各種不同把各種不同的構造劃分為的構造劃分為8 8個類別，給出了個類別，給出了8 8個類別的個類別的C C、值。值。2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞參數(shù)參數(shù)和和的取值的取值333333440.410.650.961.472.183.268611940 101287654321構件和連接類別構件和連接類別疲勞容許應力幅疲勞容許應力幅與應力循環(huán)次數(shù)與應力循環(huán)次數(shù)n的關系曲線的關系曲線123456784003002001008060105234 5 6 78910621065106107n/（N/mm2）2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 編號越大，其應力集中、殘余應力情況越嚴編號越大

41、，其應力集中、殘余應力情況越嚴重，其重，其C值越小，容許應力幅值越小，容許應力幅越小。越小。 （5 5）鋼材種類不同，靜力強度差別較大，而）鋼材種類不同，靜力強度差別較大，而公式中公式中 無差別。無差別。 試驗表明：對目前常用的構件和連接，疲勞強試驗表明：對目前常用的構件和連接，疲勞強度一般與所用鋼材的屈服強度無關。度一般與所用鋼材的屈服強度無關。 所以，不能通過提高鋼材屈服強度來提高抗疲所以，不能通過提高鋼材屈服強度來提高抗疲勞能力。勞能力。2.5 鋼材的疲勞破壞鋼材的疲勞破壞 （6 6）對非焊接結構，殘余應力影響較小，疲）對非焊接結構，殘余應力影響較小，疲勞壽命主要與最大應力、應力比有關，

42、但為統(tǒng)一勞壽命主要與最大應力、應力比有關，但為統(tǒng)一采用一種驗算公式，引入了折算應力幅概念。采用一種驗算公式，引入了折算應力幅概念。 （7 7）完全壓應力狀態(tài)不驗算疲勞。）完全壓應力狀態(tài)不驗算疲勞。 規(guī)范規(guī)定：在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力部位規(guī)范規(guī)定：在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力部位可不計算疲勞。可不計算疲勞。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能變幅疲勞變幅疲勞 當應力循環(huán)內(nèi)的應力幅隨機變化時為變幅當應力循環(huán)內(nèi)的應力幅隨機變化時為變幅疲勞。疲勞。i-121it變幅荷載循環(huán)變幅荷載循環(huán)2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能 按用途鋼可分為：結構鋼、工具鋼和特殊鋼。按用途鋼可分為：結構鋼、工具鋼和特殊鋼。 按

43、冶煉方法，鋼可分為轉爐、平爐和電爐。按冶煉方法，鋼可分為轉爐、平爐和電爐。 按照脫氧方法和程度的不同，可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜按照脫氧方法和程度的不同，可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 按化學成分，鋼又可分為碳素鋼和低合金鋼。按化學成分，鋼又可分為碳素鋼和低合金鋼。 1 1. .碳素結構鋼碳素結構鋼 命名方式命名方式: :由四部分組成由四部分組成，依次是，依次是屈服點的字母屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號， 如如: :Q235-AF。2.6 鋼材的種類鋼材的種類 說明說明：（：（1 1）質(zhì)量等級符號質(zhì)量

44、等級符號A A、B B、C C、D D是根據(jù)鋼材的化學成分是根據(jù)鋼材的化學成分和沖擊韌性不同共化分為和沖擊韌性不同共化分為4 4個等級。個等級。 Q235-Q235-質(zhì)量等級（質(zhì)量等級（A A、B B、C C、D D） 脫氧方法（脫氧方法（F F、Z Z、b b、TzTz） A A 保證保證f fu u、f fy y、，P P、S S含量含量 B B 保證保證f fu u,f,fy y,冷彎，常溫時冷彎，常溫時C Cv v，P P，S S，C C含量；含量； C C 保證保證 f fu u,f,fy y,冷彎，冷彎，0 0o oC C時時C Cv v，P P，S S，C C含量含量; ; D

45、D 保證保證f fu u,f,fy y,冷彎，冷彎，-20-20o oC C時時C Cv v，P P，S S，C C含量含量; ;2.6 鋼材的種類鋼材的種類 （2 2）脫氧方法符號也有四種，脫氧方法符號也有四種，F(xiàn) F代表沸騰鋼，代表沸騰鋼，b b代代表半鎮(zhèn)靜鋼，表半鎮(zhèn)靜鋼，Z Z代表鎮(zhèn)靜鋼，代表鎮(zhèn)靜鋼，TZTZ代表特種鎮(zhèn)靜鋼，在具代表特種鎮(zhèn)靜鋼，在具體標注時體標注時Z Z和和TZTZ可以省略?？梢允÷?。 （3 3）規(guī)范）規(guī)范GB50017GB50017將將Q235Q235牌號的鋼材選為承重結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構用鋼。其化學成分和脫氧方法、拉

46、伸和沖擊試驗以及冷彎試驗結果均應符合規(guī)范冷彎試驗結果均應符合規(guī)范GB/T700GB/T700- -20062006的要求。的要求。2.6 鋼材的種類鋼材的種類2 2. .低低合金高強度結構鋼合金高強度結構鋼 低合金高強度結構鋼是在鋼的冶煉過程中適量添加低合金高強度結構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幾種合金元素（合金元素總量不超過5%5%）, ,使鋼的強度明使鋼的強度明顯提高。顯提高。 低合金高強度結構鋼的牌號命名與碳素結構鋼相似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(zhì)量等級分為只是質(zhì)量等級分為A A、B B、C C、D D、E E五等（其中五等（其

47、中E E主要是要求主要是要求-40 -40 的沖擊韌性）的沖擊韌性）, ,低合金高強度結構鋼采用的脫氧方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。故可不加脫氧方法的符號。2.6 鋼材的種類鋼材的種類 根據(jù)鋼材厚度（直徑）根據(jù)鋼材厚度（直徑）16mm16mm時的屈服點不同，時的屈服點不同，分為分為Q295Q295、Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460等，其中等，其中Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420鋼材都有較高的強度和較好的塑性、韌性和鋼材都有較高的強度和較好的塑性、韌性和焊接

48、性能，是鋼結構設計規(guī)范推薦采用的鋼種。焊接性能，是鋼結構設計規(guī)范推薦采用的鋼種。2.6 鋼材的種類鋼材的種類鋼材的選擇鋼材的選擇1 1. .選擇鋼材的選擇鋼材的一般一般原則原則 （1 1）結構或構件的重要性）結構或構件的重要性 （2 2）荷載情況）荷載情況 靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟性較好的靜力荷載作用下可選擇經(jīng)濟性較好的Q235Q235鋼材；動力荷載作用鋼材；動力荷載作用下應選擇綜合性能較好鋼材。下應選擇綜合性能較好鋼材。 （3 3）連接方法（焊接連接、螺栓連接）連接方法（焊接連接、螺栓連接） 焊接結構對材質(zhì)的要求嚴格，應嚴格控制焊接結構對材質(zhì)的要求嚴格，應嚴格控制C C、S S、P P的極限

49、含量；的極限含量；非焊接結構對非焊接結構對C C的要求可降低一些。的要求可降低一些。2.7 鋼材的選擇鋼材的選擇 （4 4）結構所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等）結構所處的工作條件（環(huán)境溫度，腐蝕等）, ,低溫下工低溫下工作的結構應選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼。作的結構應選擇低溫脆斷性能好的鎮(zhèn)定鋼。 （5 5）鋼材的厚度）鋼材的厚度厚度大的焊接結構應采用材質(zhì)較好的鋼材。厚度大的焊接結構應采用材質(zhì)較好的鋼材。2.2.鋼材選擇的注意事項鋼材選擇的注意事項 （1 1）承重結構的鋼材宜采用）承重結構的鋼材宜采用Q235Q235鋼、鋼、Q345Q345鋼、鋼、Q390Q390鋼和鋼和Q420Q420鋼，其

50、質(zhì)量應分別符合國家標準鋼，其質(zhì)量應分別符合國家標準碳素結構鋼碳素結構鋼GB/T700GB/T700和和低合低合金高強度結構鋼金高強度結構鋼GB/T1591GB/T1591的規(guī)定。的規(guī)定。2.7 鋼材的選擇鋼材的選擇 （2 2）承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫、）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。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 3）對于需要驗算疲勞的焊接結構，應具有常溫沖擊韌性的合）對于需要驗算疲勞的焊接結構，應具有常溫沖擊韌性的合格保證；當結構工作溫度等于或低于格保證；當結構工作溫度等于或低于00但高于但高于2020時，時，Q235Q235鋼鋼和和Q345Q345鋼應具有鋼應具有00沖擊韌性合格的保證；對于沖擊韌性合格的保證；對于Q390Q390鋼和鋼和Q420Q420鋼應鋼應具有具有2020沖擊韌性的合格保證。沖擊韌性的合格保證。2.7 鋼材的選擇鋼材的選擇 當結構工作溫