钢结构材料课件.pptx

1、结构钢材的破坏形式结构钢材的破坏形式 钢结构材料钢结构材料结构钢材的破坏形式结构钢材的破坏形式钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素钢材的疲劳钢材的疲劳钢材的钢种、钢号及选择钢材的钢种、钢号及选择国外钢材品种和钢号选择国外钢材品种和钢号选择钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求结构钢材的破坏形式结构钢材的破坏形式特特 征征 断断 口口 后后 果果 塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）构件应力超过构件应力超过屈服点，并且屈服点，并且达到抗拉极限达到抗拉极限强度后，构件强度后，构件产生明显的变产生明显的变形并断裂。形并

2、断裂。常为杯形，呈常为杯形，呈纤维状，色泽纤维状，色泽发暗。发暗。在破坏前有很在破坏前有很明显的变形，明显的变形，并有较长的变并有较长的变形持续时间，形持续时间，便于发现和补便于发现和补救。救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明在破坏前无明显变形，平均显变形，平均应力也小（一应力也小（一般都小于屈服般都小于屈服点），没有任点），没有任何预兆。何预兆。平直和呈有光平直和呈有光泽的晶粒。泽的晶粒。突然发生的，突然发生的，危险性大，应危险性大，应尽量避免。尽量避免。钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2-12-1l较高强度（较高强度（StrengthStrength）l足够的变形能力（足够的变形能力（De

3、formationDeformation）l良好的加工性能（良好的加工性能（FabricationFabrication）l胜任恶劣环境的耐久性（胜任恶劣环境的耐久性（EnduranceEndurance）钢材的生产钢材的生产钢材的生产钢材的生产录像录像炼钢炼钢钢材生产过程钢材生产过程炼铁炼钢浇铸加工 电炉钢电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）炼钢炉有三种形式：炼钢炉有三种形式：转炉转炉、平炉平炉和和电炉电炉。转炉钢转炉钢是利用高压空气或

4、氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法国内外发展最快的炼钢方法。）。）平炉钢平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）脱氧

5、脱氧炼炼 钢钢根据脱氧方法区分的四种碳素结构钢根据脱氧方法区分的四种碳素结构钢l 按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为结构钢可分为沸腾钢沸腾钢、半镇静钢半镇静钢、镇静钢镇静钢和和特殊镇静钢特殊镇静钢。脱脱 氧氧浇铸浇铸特殊镇静钢特殊镇静钢在在锰和硅锰和硅脱氧后，再用脱氧后，再用铝铝补充脱氧，其脱氧程度高补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。于镇静钢。沸腾钢沸腾钢采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰锰，因此脱氧不完全，因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在且浇注时会有气体逸出，

6、出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。的杂质和气体，钢的质量较差。镇静钢镇静钢采用采用锰加硅锰加硅做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，但成本高。量好，但成本高。半镇静钢半镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间，一般不用。脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间，一般不用。脱脱 氧氧加工加工 浇铸是指把熔炼好的钢液做成钢

7、锭或钢坯。浇铸是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用用连续铸造法连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸铸锭锭工艺和设备。工艺和设备。浇浇 铸铸冷加工的目的和影响冷加工的目的和影响热处理热处理 指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）回火）热加工热加工 指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其

8、形状，生产出各种指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1150-1300 1300）冷加工冷加工 指在常温（冷）下对钢材进行加工。（指在常温（冷）下对钢材进行加工。（冷作硬化现象冷作硬化现象）加加 工工热处理的目的和方法热处理的目的和方法冷冷 加加 工工钢的种类钢的种类（1）淬火 把钢材加热至900以上，放入水或油中快速冷却，硬度和强度提高，但塑性和韧性降低。（2）正火 把钢材加热至850900以上，在空气中缓慢冷却，可改善组织，细化晶粒。（3）回火 把淬火后的钢材加热至5

9、00600，在空气中缓慢冷却，可减小脆性，提高钢的综合性能。（4）淬火+回火（也称调质处理）强度很高的钢材，都要经过调质处理。热热 处处 理理常用钢的种类常用钢的种类钢的种类钢的种类钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能钢的种类钢的种类碳素结构钢碳素结构钢低合金钢低合金钢 优质碳素结构钢主要用作制造冷拔高强钢丝、高强螺栓优质碳素结构钢主要用作制造冷拔高强钢丝、高强螺栓以及自攻螺钉等。以及自攻螺钉等。单向拉伸时的性能单向拉伸时的性能钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能单向拉伸时的性能单向拉伸时的性能冷弯性能冷弯性能冲击韧性冲击韧性钢材受压和受剪时的性能钢材受压和受剪时的性能可焊性可焊性耐久性耐久性

10、试验条件试验条件标准试件标准试件标准加载方法标准加载方法标准温度标准温度试验条件试验条件试验曲线试验曲线机械性能指标机械性能指标单向拉伸时的性能单向拉伸时的性能 有明显屈服点有明显屈服点-低碳钢与低合金钢低碳钢与低合金钢无明显屈服点无明显屈服点-高强度钢高强度钢（弹性、屈服、强化、颈缩）（弹性、屈服、强化、颈缩）（弹性、强化、颈缩）（弹性、强化、颈缩）屈服强度、极限强度、伸长率、断面收缩率屈服强度、极限强度、伸长率、断面收缩率有明显屈服点钢材的应力有明显屈服点钢材的应力-应变关系应变关系试验条件试验条件 （1 1）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻）试件的尺寸要符合国家标准，表面

11、光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5 5或或1010倍。倍。（2 2）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（3 3）试验温度要控制在室温）试验温度要控制在室温2020左右。左右。Lod d 标准试件标准试件 标准试件在室温（标准试件在室温（100C350C)、以满足静力加载的加载速、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力度一次加载所得钢材的应力应变应变曲线显示的钢材机械性能。曲线显示的钢材机械性能。OpfEBCDAEyfuf无明显屈服点的钢材无明显屈服点的钢材强化阶段强化阶段(DE(DE段段)颈缩阶段

12、颈缩阶段(EF(EF段段)F F有明显屈服点钢材的应力有明显屈服点钢材的应力-应变关系应变关系 弹性阶段弹性阶段(OB段段)屈服阶段屈服阶段(BD段段)单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标设计时以卸载后试件中残余应变为设计时以卸载后试件中残余应变为0.20.2所对应的应力所对应的应力 作为屈作为屈服点服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”fy=f0.20.2%fup没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。小，破坏突然。无明显屈服点钢材的应力无明显屈服点钢材的应力-应变关系应变

13、关系 伸长率伸长率单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标屈服强度屈服强度f fy y应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和屈服阶段波动部分的应力最低值），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。确定钢材强度设计值的重要指标。极限强度极限强度f fu u应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。所能承受的最大应力。钢材的塑性钢材的塑性当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形当应力超过屈服点后

14、，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率断面收缩率 和伸长率和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，通过静力拉伸试验得到。屈强比（屈强比（f fy y/f/fu u)越小，反映塑性变形的能力越强。越小，反映塑性变形的能力越强。试件试件断裂前断裂前的永久变形与原的永久变形与原标定长度的百比。标定长度的百比。LodNNNLdN%100001llll0 原标距长原标距长l1 拉断后标距长度拉断后标距长度d0 试件直径试件直径试件有两种标距：试件有两种标距：l0/d0=5 和和 l0/d0=10 相应的伸长率用相应

15、的伸长率用5和和10表示。表示。实际工程中以伸长率实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。截面收缩率截面收缩率伸伸 长长 率率应力应力-应变曲线的简化模型应变曲线的简化模型是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。断面面积比值的百分比。%100110AAA A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 断面收缩率断面收缩率 越大，钢材的塑性越好。由于在测越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而量

16、试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1断面收缩率断面收缩率强度设计指标强度设计指标应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化简化的依据：简化的依据：1 1）钢材在屈服点之前的性质）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。接近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅接近理想的塑性体，并且流幅的范围（的范围（0.150.15-2.5-2.5）已足够用来考虑结构或构件的已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。塑性变形的发展。2.5%fy 00.15%钢材是符合理

17、想中的弹性钢材是符合理想中的弹性-塑性材料塑性材料 冷弯性能冷弯性能强度设计指标强度设计指标冲击韧性冲击韧性冷弯性能冷弯性能 冲击试验的缺口形式冲击试验的缺口形式韧性韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。是能量（弹性和非弹性能）来表示。是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。一项机械性能。冲击韧性试验冲击韧性试验 一般采用试件长一般采用试件长55mm55mm，截面截面1010

18、10mm10mm2 2，中间一小槽。在摆，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。试件后，读出摆锤消耗的功。冲击韧性试验冲击韧性试验冲击韧性冲击韧性 对韧性的进一步认识对韧性的进一步认识冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏，常用缺口形式为夏氏V V型，型，夏氏钥孔型和梅氏夏氏钥孔型和梅氏U U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏夏氏V V型。型。冲击试验试件的缺口形式冲击试验试件的缺口形式冲击韧性还与试验的冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材温度

19、有关。我国钢材标准中将试验分为四标准中将试验分为四档，即档，即+20,0+20,0，-2020和和-40-40时的冲击时的冲击韧性。温度越低，冲韧性。温度越低，冲击韧性越低。击韧性越低。冲击韧性冲击韧性 对韧性的进一步认识对韧性的进一步认识 钢材受压和受剪时的性能钢材受压和受剪时的性能冲击韧性冲击韧性 可焊性可焊性 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点y及抗剪及抗剪强度强度u均低于均低于fy和和fu；剪变模量；剪变模量G也低于弹性模量也低于弹性模量E。钢材受压和受

20、剪时的性能钢材受压和受剪时的性能 耐久性耐久性碳含量在碳含量在0.12%0.12%0.20%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235BQ235B）。对于高）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程建筑钢结构焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于的可焊性。当碳当量小于0.38%0.38%，钢材的可焊性好，钢材的可焊性好(如如Q345)Q345)，可不采取措

21、施，可不采取措施直接施焊。直接施焊。可可 焊焊 性性 可焊性可焊性指采用一般焊接工艺就可达到合格焊缝性能。指采用一般焊接工艺就可达到合格焊缝性能。具体表现为：具体表现为：施工上施工上正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹口正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹口 使用上使用上焊缝力学性能不低于母材力学性能焊缝力学性能不低于母材力学性能钢材可焊性与碳、合金元素的含量有关，钢材可焊性与碳、合金元素的含量有关，需通过试验来鉴定可需通过试验来鉴定可焊性的好坏、确定焊接工艺要求焊性的好坏、确定焊接工艺要求影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素耐耐 久久 性性 化学成分的影响化学成分的影响影响钢材性能的主要因素影响

22、钢材性能的主要因素化学成分的影响化学成分的影响钢材生产过程的影响钢材生产过程的影响温度的影响温度的影响冷加工硬化和时效硬化冷加工硬化和时效硬化复杂应力状态的影响复杂应力状态的影响应力集中的影响应力集中的影响荷载类型的影响荷载类型的影响防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法生产过程的影响生产过程的影响抗腐蚀性抗腐蚀性化学成分的影响化学成分的影响轧制的影响轧制的影响 1.1.偏析偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。性变坏。3.3.裂纹裂纹 钢材

23、中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。2.2.非金属夹杂非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。氧化物，他们使钢材性能变脆。4.4.气泡气泡 浇铸时由浇铸时由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO气体不能充分逸气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.5.分层分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。钢材生产过程的影响钢材生产过程的影响薄厚钢板的特点薄厚钢板的特点钢材生产过程的影响钢材生产过程的影响温度的影响温度的

24、影响钢材生产过程的影响钢材生产过程的影响正温度对钢材力学性能的影响正温度对钢材力学性能的影响)/(2mmN(%)fufyE温度的影响温度的影响防火措施防火措施l在室温200200范围，钢材强度、弹模、塑性、韧性没大的变化；l在250250左右时，钢材抗拉强度，而冲击韧性，称“蓝脆”（表面呈蓝色)，应避免钢材在蓝脆温度范围进行热加工；l超过300300后，屈服强度、极限强度，塑性显著l达到600600时，强度已很低，不能承载。负温度的影响负温度的影响温度的影响温度的影响冷加工硬化和时效硬化的影响冷加工硬化和时效硬化的影响2-22-2冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏

25、两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2uT T从室温下降时，钢材从室温下降时，钢材强度略有提高，而塑性和强度略有提高，而塑性和冲击韧性冲击韧性(变脆变脆)。u温度下降到某一数值时，温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然急剧钢材的冲击韧性突然急剧，称，称低温冷脆低温冷脆。u冲击功曲线的反弯点冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为脆性转变温脆性转变温度度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。u在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度

26、以上，在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。钢材则表现为完全的塑性破坏。u不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。钢结构设计应使环境温度高于定。钢结构设计应使环境温度高于T1 T1，但不要求高于，但不要求高于T2 T2。温度的影响温度的影响冷作硬化冷作硬化设计要求设计要求钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，且对直接承受动

27、力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。时效硬化时效硬化人工时效人工时效时效硬化时效硬化应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。人工时效人工时效为加快测定钢板时效后的性能，可先使钢材产生为加快测定钢板时效后的性能，可先使钢材产生10%10%的塑性变形，再的塑性变形，再加热到加热到200200300300，然后冷却到

28、室温进行试验，这样可使时效在几小，然后冷却到室温进行试验，这样可使时效在几小时内完成，称为时内完成，称为人工时效。人工时效。目的目的有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。证结构具有长期的抗脆性破坏能力。复杂应力状态的影响复杂应力状态的影响2-32-3第四能量强度理论第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时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单位体积中积聚的能量来表达推导推导 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢当复杂应力状态下变

29、形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。材即由弹性转入塑性。oxzyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力状态下的分量状态下的分量112233单元体受单元体受主应力主应力钢材单元体上的复杂应力状态钢材单元体上的复杂应力状态复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件三向应力状态下钢材的屈服条件三向应力状态下钢材的屈服条件应力状态的简化应力状态的简化 在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服

30、点相比较来判断。2222223zxyzxyxzzyyxzyxeq（2-1）用主应力用主应力 、表示时，有表示时，有:123)(133221232221eq（2-4）)()()(21213232221eq或或当当时钢材处于弹性阶段时钢材处于弹性阶段时钢材处于塑性阶段时钢材处于塑性阶段yeqfyeqfVon Mises屈服条件屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件不同受力状态对钢材性能的影响不同受力状态对钢材性能的影响 当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为这时三向应力状态可以简化

31、为平面应力状态平面应力状态：2223xyyxyxeq一般梁中只存在正应力一般梁中只存在正应力和剪应力和剪应力，则上式可写为：，则上式可写为：223eq（2-2）纯剪时纯剪时=0=0 则有：则有：yeqf332（2-3）yyff58.031钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点的钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点的0.58 0.58 倍倍复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件三向应力的影响三向应力的影响不同受力状态对钢材材性的影响不同受力状态对钢材材性的影响（a a）单向拉伸单向拉伸（b b）双向拉伸双向拉伸（c c）双向异号应力双向异号应力分析结果：分析结果：（1 1）相对于单向拉伸而言，钢

32、材在钢）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。提高，但是塑性下降。双向应力作用下对双向应力作用下对钢材材性的影响钢材材性的影响0yfbyfcyf(a)(b)(c)（3 3）主应力异号时，易屈服，破坏呈）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。塑性，差别越大越明显。（2 2）主应力同号时，不易屈服，塑性）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。下降，越接近越明显。212221eq应力集中的影响应力集中的影响同号的三向主应力作用同号的三向主应力作用三个主应力相差不大时三个主应力相差不大时（1 1 2 3

33、）时，即使各主应力很高，时，即使各主应力很高，材料也很难进入屈服和有明显的变形，但是由于高应力的作用，材料也很难进入屈服和有明显的变形，但是由于高应力的作用，聚集在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦遭到破坏，聚集在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦遭到破坏，便呈现出无明显症兆的脆性破坏特征。便呈现出无明显症兆的脆性破坏特征。)()()(21213232221eq不同受力状态对钢材材性的影响不同受力状态对钢材材性的影响应力集中的影响应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺

34、陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中应力集中现象。现象。应力集中现象应力集中现象应力集中的影响应力集中的影响荷载类型的影响荷载类型的影响由于结构钢材塑性很好，在由于结构钢材塑性很好，在静力荷载作用下，能使应力静力荷载作用下，能使应力进行重分布，直到构件全截进行重分布，直到构件全截面的应力都达到屈服强度，面的应力都达到屈服强度，应力集中一般不影响构件的应力集中一般不影响构件的静力极限承载力静力极限承载力。有应力集中的钢材，材性变脆。有应力集中的钢

35、材，材性变脆。应力集中处常常产生三向的同号拉应应力集中处常常产生三向的同号拉应力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形（变形（脆断脆断）。）。应力集中对塑性良好的钢结构静力强应力集中对塑性良好的钢结构静力强度影响不大，但是度影响不大，但是对负温下或动力荷载对负温下或动力荷载作用下的结构的不利影响作用下的结构的不利影响很大。很大。应力集中的影响应力集中的影响防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法荷载可分为静力和动力两大类荷载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速

36、度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。荷载类型的影响荷载类型的影响正确制造正确制造外因外因 钢材在构造和

37、加工工程中引起的钢材在构造和加工工程中引起的应力集中应力集中、低温影响低温影响、动力荷动力荷 载的作用载的作用、冷作硬化冷作硬化和和应变时效硬化应变时效硬化等等 内因内因 钢材的钢材的化学成分化学成分、组织构造组织构造和和缺陷缺陷等等(1(1）合理的选用钢材）合理的选用钢材;(2(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度低于结构的工作温度;(3)(3)尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性;(4(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截

38、面的突然改变，使之能均匀、）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。影响钢材出现脆性破坏的因素影响钢材出现脆性破坏的因素合理设计合理设计防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法合理使用合理使用正确制造正确制造(1)(1)严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。随意将螺栓连接改为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。(2)(2)为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻为了避免冷作硬化

39、现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。的方法，以及对剪切边进行刨边。(3)(3)为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。(4)(4)焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范的要求进行。照规范的要求进行。防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法钢材的疲劳钢

40、材的疲劳合理使用合理使用(1)(1)不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。(2)(2)原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。(3)(3)不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。(4)(4)避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。(5)(5)平时对结构应注意检察和维护。平时对结构应注意检察和维护。防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法疲劳断裂的过程疲劳断裂的过程定义定义：钢材在循环荷载作用下，应力

41、虽然低于极限强度，甚至低于屈服钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏疲劳破坏。破坏特点破坏特点：（3 3）疲劳对）疲劳对缺陷缺陷十分十分敏感敏感。（2 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同断口不同。一般脆性破坏后的。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。放射和年轮状花纹。疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征（1 1）破坏时塑性变形

42、很小，突然破坏，属于）破坏时塑性变形很小，突然破坏，属于脆性破坏脆性破坏范畴，危险性大。范畴，危险性大。疲劳断裂过程疲劳断裂过程疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例疲劳破坏断口疲劳破坏断口疲劳破坏的原因疲劳破坏的原因疲劳断裂破坏实例疲劳断裂破坏实例疲劳破坏的实例疲劳破坏的实例疲劳分类疲劳分类疲劳断裂破坏实例疲劳断裂破坏实例引起疲劳破坏的交变荷载不同进行分类引起疲劳破坏的交变荷载不同进行分类疲劳分类疲劳分类变幅疲劳变幅疲劳常幅交变荷载常幅交变荷载-常幅应力常幅应力-常幅疲劳常幅疲劳变幅交变荷载变幅交变荷载-变幅应力变幅应力-变幅疲劳变幅疲劳 应力循环次数应力循环次数（n n，疲劳寿命），疲劳寿命）常幅疲

43、劳常幅疲劳影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素当应力循环内的应力幅随机当应力循环内的应力幅随机变化时为变化时为变幅疲劳变幅疲劳。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律i21i-1t变幅荷载变幅荷载情形二情形二 不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 变幅疲劳变幅疲劳影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素变幅疲劳变幅疲劳情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形二情形二 不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 常幅疲劳计算常幅疲劳计算影响疲劳强度的因素影响疲劳强度的因素？疲劳计算构件和连接的类别疲劳计算

44、构件和连接的类别 疲劳计算采用疲劳计算采用容许应力幅法容许应力幅法，按弹性状态计算。只适用于无高，按弹性状态计算。只适用于无高温（温（t150t150）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数力循环次数n n5510104 4)。/1)(nC（2-5）n应力循环次数；应力循环次数；C C、参数，根据表参数，根据表2-22-2中的构件和连接的类别按表中的构件和连接的类别按表2-32-3采用。采用。常幅疲劳计算常幅疲劳计算对于焊接部位的设计应力幅对于焊接部位的设计应力幅:=max-min；对于非焊接部位的折算应力幅：对于非焊接部位的折算应

45、力幅：=max-0.7 min max 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）min 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力（拉应（拉应力取正值，压应力取负值）；力取正值，压应力取负值）；常幅疲劳的容许应力幅常幅疲劳的容许应力幅;焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类容许应力幅与钢材的强容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗类的钢材具有相同的抗疲劳性能。疲劳性能。焊接结构的疲劳焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明，

46、控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是构件和连构件和连接的类型接的类型、应力幅应力幅以及以及循环次数循环次数n n，而与应力比无关。，而与应力比无关。焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服强度焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服强度f fy y ，该处是产生和发该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。展疲劳裂纹最敏感的区域。maxyf最大：最大：maxminyyff 最小：最小：yyff真实应力比：真实应力比：fyfyfyfyfyfy残余应力的分布残余应力的分布焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅的

47、大小的大小变幅疲劳强度验算方法变幅疲劳强度验算方法e e等效常幅疲劳应力幅。等效常幅疲劳应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。常幅疲劳的容许应力幅。情形一能够测得使用期内应力变幅规律情形一能够测得使用期内应力变幅规律e变幅疲劳计算变幅疲劳计算等效常幅疲劳应力幅计算等效常幅疲劳应力幅计算不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 计算计算e 若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折

48、算为等效应力幅为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅e e按下按下式进行疲劳计算：式进行疲劳计算：1iiienn(2-7)(2-7)n ni i 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；n ni i 预期寿命内应力幅水平达到预期寿命内应力幅水平达到i i的的应力循环次数应力循环次数变幅疲劳计算变幅疲劳计算吊车梁参数取值表格吊车梁参数取值表格情形二情形二 不能测得使用期内应力变幅规律不能测得使用期内应力变幅规律 设计设计重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，应力幅是按满载得出的，实际

49、上常常发生不同程度欠载情况。如果应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。按常幅疲劳进行计算。6102nf（2-92-9）f 欠载效应的等效系数欠载效应的等效系数ef6102n循环次数为循环次数为n n=2=210106 6次的容许应力幅。次的容许应力幅。变幅疲劳计算变幅疲劳计算疲劳计算应注意的问题疲劳计算应注意的问题1.00.80.5重级工作制硬钩吊车重级工作制硬钩吊车 重级工作制软钩吊车梁重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车中级工作制吊车 f

50、吊车梁类别吊车梁类别表表2-4 2-4 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数吊车梁或吊车桁架欠载效应系数59697890103118144176N/mm2n=210687654321连接形式类别连接形式类别表表2-5 2-5 n n=2=210106 6的容许应力幅值的容许应力幅值变幅疲劳计算变幅疲劳计算2)2)疲劳验算采用的是疲劳验算采用的是容许应力设计法容许应力设计法，而不是以概率论为基础的，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础杂，目前还没有较好试验或