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1、第2章 钢结构的材料,主要内容：,重点：,钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法,在建筑钢结构工程和桥梁钢结构工程中，规范推荐的普通碳素结构钢是Q235，低合金高强度结构钢是Q345、Q390和Q420。,1. 强度和变形指标：,2. 塑性性能指标：,钢材的塑性性能可用伸长率 和断面收缩率 衡量。,（2-1）,试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数。,试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。,伸长率,断面收缩率,（2-2）,4. 钢材的韧性：,冲击试验的试件一般采用带V形缺口的Charpy试件，尺寸为10mm10mm55mm。在一
2、种专门的夏比试验机上进行。当摆锤在一定高度落下试件被冲断后，摆锤所做的冲击功与试件缺口处净截面面积之比为冲击韧性，单位为J（焦耳）。,冲击试验,冲击韧性值越大，说明试件所代表的钢材断裂前吸收的能量越大，韧性越好，强度和塑性综合性能越优越。,我国钢材标准中将试验分为四档，即+20时的 ，0时的 ，-20时的 ，-40时的 。,5. 钢材的冷弯性能：,试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头缓慢加压，使试件弯成180度，如果试件外面、里面和侧面均不出现裂纹或分层，即为合格。,冷弯试验,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。,冷弯试验是鉴定钢材质量（主要是塑性和可焊性）的一种良好方法，
3、常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。,6. 钢材的可焊性：,焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其塑性和力学性能都不低于母材。,可焊性,低碳钢,低合金钢,当含碳量控制在0.12%-0.20%，含锰量小于0.7%，含硅量小于0.4%，含硫量和含磷量小于0.045% 时，具有较好的可焊性。,用碳当量CE衡量,（2-3）,6. 钢材的可焊性：,焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其塑性和力学性能都不低于母材。,可焊性,低碳钢,低合金钢,当含碳量控制在0.12%-0.20%，含锰量小于0.7%，含硅量小于0.4%，含硫量和含磷量小于0.045% 时，具有
4、较好的可焊性。,用碳当量CE衡量,（2-3）,当钢材的碳当量小于0.38%时其可焊性是好的，Q345钢属于这种情况。,7. 钢材沿厚度方向的性能：,由较厚钢板组成的焊接承重结构，在焊接过程中或者在厚度方向受拉作用时，常常会产生与厚度方向垂直（称为Z方向）的裂纹，出现层状撕裂。为了避免这种情况发生，采用“厚度方向性能钢板”是必要的。,现行国家标准厚度方向性能钢板（GB/T5313）把它分为Z15、Z25、Z35三个级别，这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率，三个级别钢板的含硫量分别不大于0.01%，0.007%和0.005%；单个试件的断面收缩率分别不小于10%，15%和25%，同时三个试件断面
5、收缩率的平均值也分别不小于15%。25%和35%。,钢材在单轴反复应力作用下的工作特性，可用应力-应变试验曲线表示。,当构件反复应力 ，即材料处于弹性阶段时，在反复应力作用下钢材的材性无变化，也不存在残余变形。,当钢材的反复应力 ，即材料处于弹塑性阶段时，重复应力和反复应力引起塑性变形的增长。,钢材在多次重复的循环应变作用下滞回环丰满而稳定 。这是钢材一种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供了保障。,对于接近理想弹塑性材料的钢材，按照能量理论(或第四强度理论)，在三向应力作用下，有：,（2-4）,由（2-4）式可见，当 、 、 为同号应力且数值接近时，即使他们都大于 ，折算应力仍小于
6、，说明材料很难进入塑性状态。当平面或立体应力皆为拉应力时，材料处于脆性状态，破坏时没有明显的塑性变形。,是指在连续反复荷载作用下，钢材或钢构件的应力低于极限强度，甚至低于屈服强度而发生的破坏。,疲劳破坏,疲劳破坏过程,应力比：,1. 基本概念：,其中， 为绝对值最小的应力， 为绝对值最大的应力，拉应力取正值，压应力取负值。,1. 基本概念：,应力幅：,应力幅 ；表示应力变化的幅度，总为正值。,应力循环中的最大拉应力，取正值；,应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值。,（2-9）,焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关，而与应力比 、名义应力 、 及钢材的静力强度 的关系不是非常
7、密切。,注：,应力幅计算式（2-9）中的 、 ，与应力比 中的 、 的意义是不相同的。,1. 基本概念：,疲劳寿命和疲劳强度：,材料或构件发生疲劳破坏时，应力幅的大小和应力循环次数N有关。较小的N达到疲劳破坏所必须的 相对大些，这时的应力幅 称为对应循环次数N的疲劳强度。同样，对应 的应力循环次数N称为材料或构件的疲劳寿命。,疲劳强度极限：,当应力幅 小到一定程度时，无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏，这个应力幅 称为疲劳强度极限，简称疲劳极限。,2. 钢材的疲劳破坏：,影响钢材疲劳强度的因素：,反复荷载引起的应力种类（如拉应力、压应力、剪应力、复杂应力等）,应力循环的形式和次数,钢材内部残
8、余应力的大小,钢材内部应力集中的程度,3. 钢结构的疲劳破坏及影响因素：,钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点：,光滑区（图中1区）：,微观裂纹在连续反复作用应力下逐步扩展，裂纹两侧的材料时而相互挤压时而分离，形成光滑区；,粗糙区（图中2区）：,裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱，直至截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件会突然断裂。表面呈颗粒状的粗糙区就是由撕裂作用而形成的 。,3. 钢结构的疲劳破坏及影响因素：,影响钢构件和结构疲劳强度的因素：,构件形状变化 （截面形状突变、截面削弱，构件表面凹凸不平等）,构件内部存在的残余应力,应力集中：程度越严重，钢构件越容易发生疲劳
9、破坏，疲劳强度就越低。,钢构件产生应力集中的主要原因 ：,构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低,4. 钢结构的疲劳验算：,对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件，如吊车梁、桥梁等以及它们的连接，当实际应力循环次数n 5104次时，才需要进行疲劳计算。,钢构件和连接形式的分类：,常见的钢结构构件和连接形式，按应力集中程度的大小，由低至高分为8个类别。第1类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，应力集中程度最弱。第8类则为应力集中程度最严重的角焊缝。第2至第7类是有不同程度应力集中的主体金属。（见附表9-1）,4. 钢结构的疲劳验算：,容许应力幅的计算：,（2-10）,参数C
10、、值,表2-2,4. 钢结构的疲劳验算：,常幅疲劳的验算：,永久荷载产生的应力值为不变值，不产生应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳计算时，取重复作用的可变荷载标准值来计算应力幅。,（2-11）,式中， 对焊接部位为应力幅： ，对非焊接部位为 计算应力幅： ，应力以拉为正，压为负；,常幅度疲劳的容许应力幅；先由附表9-1确定构件和连接的 类别，再由表2-2查取参数C、 ；见式（2-10）。,一般应选取受拉区应力集中较严重处进行疲劳强度验算。,4. 钢结构的疲劳验算：,变幅疲劳的验算：,（2-12）,式中， 变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定:,(1)已知设计应力谱:,对变幅疲劳，若
11、能预测结构使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式计算：,（2-13）,4. 钢结构的疲劳验算：,变幅疲劳的验算：,(2)重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳计算 :,规范规定按照简化的常幅疲劳进行计算：,（2-15）,式中，f 欠载效应的等效系数，见表2-3； 循环次数n为2106次的容许应力幅，见表2-4；也可按式 （2-10）计算。,影响因素,1. 化学成分的影响：,钢材的基本成份为Fe，碳钢中Fe含量占99，其余C、Si、Mn等为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。,碳（C）：含C，
12、使强度，塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。,锰（Mn）： 锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。,硅（Si）：硅是有益元素，也是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。硅的含量过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。,钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）： 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,1. 化学成分的影响：,铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni） 铝是强脱氧剂，用铝进
13、行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。,硫（S）： 硫是有害元素，当热加工及焊接使温度达8001000时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。一般不得超过0.0450.05%。,磷（P） 磷是有害元素，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆，其含量应限制在0.045%以内。,氧（O）、氮（N）： 氧和氮也是有害杂质，氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。,碳素结构钢和低合金高强度钢的化学成分分别见附录1附表1-1和附表1-2。,2. 冶金缺陷的影响：,是指钢
14、中化学成分的不一致和不均匀性。,常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。,是指钢中含有的硫化物与氧化物等杂质 。,是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。,这些缺陷都将影响钢材的力学性能 。,偏析,非金属夹杂,气孔,3. 钢材硬化的影响：,是指冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性。也称为应变硬化 。,冷作硬化,是指氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降，俗称老化 。,时效硬化,硬化的结果总是
15、要降低钢材的塑性和韧性，因此一般不利用硬化所提高的强度， 同时要保证硬化后钢材抗脆断的能力。,4. 温度的影响：,正温范围内（ 0以上）：,总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而使钢材变脆(见图2-16) 。,T200时，钢材性能没有很大变化；,T在250 左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。,4. 温度的影响：,正温范围内（ 0以上）：,T在260 320时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。,T在430 540之间强
16、度急剧下降，600时强度很低不能承担荷载。,4. 温度的影响：,正温降到负温时（ 特别是0以下）：,接近或达到负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。,低温冷脆,由图2-17可见，随着温度的降低冲击韧性值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏。这一转变是在一个温度区间T1T2内完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区，在此区内曲线的反弯点T0所对应的温度称为转变温度。,5. 应力集中的影响：,在钢构件中经常存在着截面改变、孔洞、槽口、凹角以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象（见图2-18 ）。,应力集中,应力集中造成双向或三向
