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1、第第 二二 章章 大纲要求 1 了解钢结构的两种破坏形式 2 掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标 3 掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢 材变脆的主要因素 4 了解结构用钢材的种类 牌号 规格 5 了解钢材选择的依据 做到正确选择钢材 6 掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法 一 基本要求 1 较高的抗拉强度fu和屈服点fy 2 较好的塑性 韧性 3 良好的工艺性能 冷 热加工 可焊性 4 对环境的良好适应性 2 1 钢结构对材料的要求 二 钢材的组织构造和铸造缺陷 铁素体 渗碳体 珠光体 缺陷 偏析 夹杂 气孔 缩孔 裂纹 晶粒带不均等 如图为冷却速度不同 造成的不同结晶带 1表面细
2、晶粒层 2柱状晶粒区 3心部等轴晶粒区 2 2 钢材的破坏形式 一 塑性破坏 破坏前有明显的塑性变形 破坏过程长 断 口发暗 可以采取补救措施 二 脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆 破坏时的变形 远比材料应有的变形能力小 破坏突然 断口平 直 发亮呈晶粒状 无机会补救 一 受拉 受压 受弯及受剪时的性能 一 一次拉伸时的性能 1 条件 标准试件 GB228 63 常温 20 下缓慢加载 一次完成 含碳量为0 1 0 3 标准试件 lo d 5 10 lo 标距 d 直径 2 3 钢材的主要性能 d 2 阶段划分 A 有屈服点钢材 曲线可以分为五个阶段 1 弹性阶段 OB段 OA段材料处于纯弹
3、 性 A对应比例极限 AB段有一定的 塑性变形 但 整个OB段卸载 时 0 E 206 103N mm2 O B C D A E 2 弹塑性阶段 BC 该段很短 表现出钢材的非弹性性质 B 屈服上限 C 屈服下限 屈服点强度 3 塑性阶段 CD 该段 基本 保持不变 水 平 急剧 增大 称为屈 服台阶或流 幅段 变形模 量 E 0 O B C D A E 4 强化阶段 DE段 极限抗拉强度fu 5 颈缩阶段 EF段 随荷载的增加 缓慢增大 但 增加较快 O B C D A E B 对无明显屈服点的钢材 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段 塑性变形小 破坏突然 设计时取相当于 残余变形为0 2 时
4、所对应的应力 作为屈服点 条件屈服点 3 应力应变曲线的简化 1 fy与比例极限fp相差很 小 2 超过 fy到屈服台阶终 止的变形约为2 5 3 足以满足考虑结构的 塑性变形发展的要求 1 钢材可以简化为理想弹塑性体 2 5 3 fy 0 0 15 2 钢材在静载作用下 强度计算以fy为依据 fu为结构的安全储备 3 断裂时变形约为弹性变形的200倍 在破坏前 产生明显可见的塑性 变形 可及时补救 故几乎不可能发生 O 0 15 22 fu fy fu fy 4 单向拉伸时钢材的机械性能指 标 1 屈服点fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时 对应的应力 它是衡量钢材的承载能力和确定钢材 强度
5、设计值的重要指标 2 抗拉强度fu 应力应变曲线最高点对应的应 力 它是钢材最大的抗拉强度 3 伸长率 4 断面收缩率 它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标 当l0 d 5时 用 5表示 当l0 d 10时 用 10表示 A0 A1 同单向拉伸时的性能 屈服点也相差不多 二 受压时的性能 采用短试件l0 d 3 屈服点同单向拉伸时的屈服点 三 受弯时的性能 四 受剪时的性能 抗剪强度可由折算应力计算公式得到 二 冷弯性 能 衡量钢材塑 性性能和质量 优劣及可焊性 的综合指标 a d d 2 1a 三 冲击韧性 衡量钢材在动力 冲击 荷载 复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标 用断裂时吸 收的总能
6、量 弹性和非弹性能 来表示 a 梅氏U型缺口 b 夏比V 型缺口 单位 mm 由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性 单位 J N m Cv受温度的影响 冲击韧性试验 装置 钢材的机械性能指 标 1 屈服点fy 2 伸长率 3 抗拉强度fu 4 冷弯试验 5 冲击韧性Cv 包括常温冲击韧性 0度时冲击韧性 负温冲击韧性 小 结 一 化学成分的影响 普通碳素钢中Fe占99 其他杂质元素占1 普通低合金钢中合金元素 5 1 碳 C 钢材强度的主要来源 随其含量增加 强度增加 塑性降低 可焊性降低 抗腐蚀性降低 一般控制在0 22 以下 在0 2 以下时 可焊性良好 2 4 各种因素对钢材性能的
7、影响 2 硫 S 有害元素 热脆性 不得超过0 05 3 磷 P 有害元素 冷脆性 抗腐蚀能力略有提高 塑韧性可焊性降低 不得超过0 045 4 锰 Mn 合金元素 弱脱氧硫剂 与S形成MnS 熔 点1600 可以消除一部分S O的有害作用 5 硅 Si 合金元素 强脱氧剂 生热慢冷镇静钢 6 钒 V 合金元素 细化晶粒 提高强度 其碳化 物具有高温稳定性 适用于受荷较大的焊接结构 7 氧 O 有害杂质 与S相似 8 氮 N 有害杂质 与P相似 9 铜铬镍 形成保护层提高抗锈蚀性 提高强度 对可焊性有影响 10 氢 有害 氢脆 薄弱处富集产生内压力裂纹 形成氢白点 二 冶炼及轧制的影响 冶炼中
8、产生的冶金缺陷有 偏析 化学成分分布不均程度 非金属夹杂 气孔 裂纹等 轧制影响 1 厚钢板 4 5mm 薄钢板0 25 4mm泡纹焊合晶细 故设 计强度按厚度分级 2 出现分层 夹杂被压成薄片 对粗轧的厚板 无法焊合 使得沿轧向好于垂轧向好于厚度向 P21图 冶炼影响 按脱氧脱硫程度分为镇静钢 半镇静钢 沸腾钢 三 钢材硬化及热处理的影 响 冷作硬化 当荷载超过材料比例极限卸载后 出现残余变形 再次加载则比例极限 或屈服点 提高的现象 也称 应变 硬化 时效硬化 随时间的增长 碳和氮的化合物从晶体中析出 使材料硬化的现象 应变时效 钢材产生塑性变形时 碳 氮化合物更易析出 即冷作硬化的同时可
9、以加速时效硬化 人工时效 10 塑变 加热至250度 保温1小时后再作试验 来判断硬化性能 即能否用于易脆性破坏处 热处理 退火 正火 淬火 回火p21 四 温度 影响 1 正温范围 200 以内对钢 材性能无大影响 该范围内随温 度升高总的趋势 是强度 弹性模 量降低 塑性增 大 800 600 400 200 0 N mm2 E fu fy 200 400 600 温度对钢材机械性能的影响 20 40 60 80 220 210 200 190 180 170 160 Ex103 T 0C 250 左右抗拉强度略有提高 塑性降 低 脆性增加 兰脆现象 该温度区段称 为 兰脆区 260 32
10、0 产生徐变现象 600 左右弹性模量趋于零 承载能 力几乎完全丧失 当温度 低于常温时 钢材的脆 性倾向随温 度降低而增 加 材料强 度略有提高 但其塑性 和韧性降低 该现象称 为低稳冷脆 2 负温范围 脆性破坏转变过渡区段塑性破坏 反弯点 试验温度T0C 冲击断裂功Cv T 1 T 2 T0 冲击韧性与温度的关系曲线 五 应力集中的 影响 1 应力集中的概念 构件表面不平整 有刻槽 缺口 厚度突变时 应力不均匀 力线变曲折 缺陷处有高峰应 力 易导致脆性破坏的现象称为应力集中 2 应力集中的影响 3 减小应力集中现象的措施 1 2 5 由于钢材具有良好的塑性性能 当承受静力荷 载且在常温下
11、工作时 只要符合规范规定的设计要 求 可以不考虑应力集中的影响 六 焊接残余应力 的影响 残余应力影响 对强度无影响 对刚度下降 对压杆弱轴 有影响 对低温加速冷脆 对疲劳残拉坏残压好 2 5 复杂应力作用下钢材的屈服条件 假定 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位 体积中积聚的能量来表达 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变 形能时 钢材即由弹性转入塑性 o Z X Y 单元体受复杂应力 应力分量 单元体受主应力 1 以应力分量表示 2 以主应力表示 材料处于弹性状态 材料处于塑性状态 讨 论 1 三向受压时 静水压力 理论上不破坏 2 三向受拉时 一定破坏 由于三向受拉限制了材料的
12、塑性发展 材 料要发生脆性破坏 能量理论所得的公式只适用于塑性明显的 材料 因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏是 不矛盾 只是实际的脆性破坏不再符合能量理论 的基本假定 图示简支梁1 1截面腹板与翼缘交界A点的应力 1 1 A 对于薄板 厚度方向的应力很小 为平面受力状态 PP M M 1 1 A X V Y 一般均布荷载梁只存在正应力和剪应力 则 2 2 A V M 2 2 A Y X q 3 3 A P M V P 4 4 Y X M 3 3 截面弯矩最大 4 4截面仅有剪力 弯矩 局 部压力均为零 故该截面除剪应力外 正应力均为 零 即为纯剪状态 一 概念 1 循环荷载 结构或构件承受的
13、随时间变化的荷载 PP 1 1 A 1 1 A 2 6 钢材的疲劳 1 应力循环 2 应力循环特征 应力比 构件截面应力随时间的变化 3 应力幅 在循环荷载作用下 应力从最大到最小重复一次 为一次循环 最大应力与最小应力之差为应力幅 为常量 常幅循环 为变量 变幅循环 t b 脉冲循环 a 完全对称循环 c 不完全对称循环 d 不完全对称循环 2 钢材的 疲劳 在连续交变荷载作用下 钢材内部结构及应力的 非均匀性导致裂纹扩展 使钢材在尚未达到极限强度 甚至低于屈服点时 发生突然的脆性破坏的现象 3 疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果 缺陷 微观裂纹 宏观裂纹 4 疲劳破坏的特征 属于脆性
14、破坏 截面平均应力小于屈服点 5 影响钢材疲劳的主要因 素 1 构件和连接的分类 规范将构件和连接的种类分为 8类 第1类为轧 制的型钢 残余应力小 疲劳强度最高 第8类为角 焊缝应力集中最严重 应力集中系数最大 疲劳强 度最低 详见钢结构设计规范 疲劳计算的构件和 连接分类 附录E 焊缝附近主体金 属的真实应力比 真实应力比与名义应力比不同 应 力幅是关键 2 应力幅 和应力循环特征 应力比 A 对于焊接结构 结论 对焊接结构来讲 应力幅对焊接结构的疲劳强度 有很大影响 而与名义最大应力 max和名义应力 比 无关 B 对于非焊接结构和轧制钢材 在循环次数N一定的情况下 根据试验资料可以 绘
15、出N次循环的疲劳图 max和 min关系曲线 而当 应力比不同时 疲劳图的形态不同 因此 对于非焊接结构和轧制钢材 疲劳强度与最大应力 应力比 循环次数和缺口效应 构造类型的应力 集中情况 有关 但为了与焊接结构在形式上统一 仍然用 应力幅 的形式表达 即 折算应力幅 3 应力循环次数N 疲劳寿 命 应力循环次数N 5 104 不需要进行疲劳计算 应力幅越低 作用循环次数越多 疲劳寿命越高 应力幅相同 作用的循环次数越 多 疲劳寿命越高 0 NX105 N1N2 fy 123456 由试验结果 以及上述分析可知钢材的疲劳强度主 要与构件和连接分类 内部缺陷 应力集中 残余应力 应力循环次数和应
16、力幅有关 焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度 屈服点fy 基本无关 对于只有压应力的应力循环作用 由于钢材内部缺陷不易开 展 则不会发生疲劳破坏 不必进行疲劳计算 其他不必验算疲劳的情况还有 高温 地震荷载 非直接动载 二 疲劳强度计 算 一 常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅 与相应的致损循环次数N的关系曲线 按试验数据回 归的 N曲线为平均曲线 图a 取对数坐标 图b 1 容许应力幅 由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研 究阶段 按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟 故 采用容许应力幅的计算方法 N曲线 a 0 N 式中 直线对纵坐标的斜率 b1 直线在横轴坐标上的截距 N 循环次数 b 0 N 5 104N 5X106 b1 考虑试验数据的离散性 取平均值减去2倍lgN的 标准差 s 作为疲劳强度下限 当lg 为正态分布 时 可满足保证率为97 7 下限值的直线方程为 可以推出容许应力幅 式中 系数 c 根据钢结构 设计规范 疲劳计算的构件和 连接分类 查表得到 2S 2S b 0N 5 104 N 5X106 b1 2 疲劳强度计算 式中 计算部位的应力幅 对
