1、第二章,钢结构的材料,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。,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,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
2、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。,2.2 钢材的破坏形式,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（GB22863），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,单击图片播放,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段材料处于纯弹性，即:,AB段有一定的非线性, 但整个OB段卸载时，=0；E=206103N/mm2,（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
3、上限; C屈服下限(屈服点),（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 BD段屈服阶段,（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,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fe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
4、性体,（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。,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。,同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。,（二）受压时
5、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的综合指标。,单击图片播放,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,由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响,冲击韧性试验装置,单击图片播放,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、
6、0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。,小 节,一、化学成分 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影响,2.硫（S）：有害元素，热脆性。生成FeS， 600 800 时易出现裂纹。降低冲击韧性，抗锈蚀性。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，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。显著提高强度，不过多降低塑性和
7、韧性，与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的热脆影响。碳素结构钢中含量0.3% 0.8% ，低合金钢中含量1.0% 1.6% 。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。使钢材颗粒变细。碳素结构钢中含量0.12% 0.3%，低合金钢中含量0.2% 0.55%。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，提高淬硬度，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。含量不得超过0.080。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似。含量不得超过0.020。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,二冶金缺陷,常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分
8、布的不均匀程度；非金属夹杂；气孔；裂纹等。,三、钢材的硬化,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以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,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。,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”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋
9、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,五、应力集中,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，缺陷处有高峰应力应力集中。,2.应力集中的影响,3.减小应力集中现象的措施,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、反复荷载作用（疲劳问题）,七、板厚、直径的影响,八、焊接残余应力,）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；,2.5 复杂应力
10、作用下钢材的屈服条件,）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。,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.当三个主应力为同号且相差较小，不易进入屈服（1）三向受压时(静水压力) 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材料，因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的， 只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。2.当三个主应力为异号且相差较大，易进入屈服,图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力,3.对于薄板，厚度方向的应力
11、很小，为平面受力状态。,4.一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：,5.3-3 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随时间变化的荷载。,2.6 钢材的疲劳,单击图片播放,（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:,(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,在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为
12、疲劳。,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。 疲劳破坏是微裂纹在循环荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。,4.疲劳破坏的特征,属于脆性破坏，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应力由：,实际应力循环均形成在拉应力范围,（2）应力幅（）和应力循环特征（应力比）,A. 对于焊接结构：,应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而
13、与名义最大应力max和应力比无关。,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出N次循环的疲劳图(max和min关系曲线)。,当=0和=-1时的疲劳强度分别为0 和-1，连接BC并延长至A、D。,由上述推导可知，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。,ABCD直线方程为：,（3）应力循环次数N（疲劳寿命）,应力循环次数N5104，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。,由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构
14、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。,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,式中：-直线对纵坐标的斜率； b1-直线在横轴坐标上的截
15、距； N-循环次数。,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，保证率为97.7%。下限值的直线方程为：,此时的即为容许应力幅：,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。,2.疲劳强度计算,式中：-计算部位的应力幅； 对于焊接部位: =max-min； 对于其他部位：=max-0.7min(计算应力幅）。 max、min-计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（取负值）。 -循环次数 N=2X106数的容许应力幅。,说明： 1）计算时用荷载的标准值； 2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算
16、 时不再考虑动力系数；,（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数,对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：,1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如max=140N/mm2,min=-10N/mm2和max=10N/mm2,min=-140N/mm2 两种应力循环的应力幅都是150N/mm2 ，疲劳强度相同，显然不合理。 2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。,思考:,一、钢的种类 1、碳素结构钢（GB/T 700-88）-低碳钢牌号 Q235-质量等级（A、B、C、D） 浇注方法（F、Z、Tz） A-保证fu、fy、，P、S含
17、量 B-保证fu,fy,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量； C-保证 fu,fy,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量; D-保证fu,fy,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;,2.7 钢材的种类和规格,2.低合金钢(GB/T 1591-94),低合金钢的质量等级分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400 C 的冲击韧性。,二、钢材的选择,（一）选择钢材的原则,1结构或构件的重要性；,2荷载情况（静力荷载，动力荷载）； 静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3连接方法（焊接连接、螺栓连接）； 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P
18、的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）； 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢钢材的厚度。 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。,（二）钢材选择建议,1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。,2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。,3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；
19、当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证； 对于Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。 当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证； 对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。,6、当
20、焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。,8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172的规定。,7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。,三、钢材的规格,热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。,（一）热轧钢板,（表示方法 宽厚度长度 ）,分为:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm),扁
21、钢： 厚度4-60mm， 宽度20-200mm。,(二）热轧型钢,1.工字钢,2.槽钢,工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),3.角钢,4.H型钢,分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HN,5.钢管,（三）冷弯薄壁型钢,壁厚1.55mm,压型钢板壁厚0.41.5mm,与Q235钢（fy=235255n/mm2）相当的国外钢材： （A36）美国，43A、43B（英国）， St37（德国）， SM41（日本）， Fe360（ISO）等。,与Q345钢、Q390钢和Q420钢相当的国外钢种为： A242，A440，A441（美国）； 50AD，55CE（英国） St52，St70（德国）； SM50，SM53，SM58（日本）。,
