钢结构的材料

1、大纲要求大纲要求: : 1. 1.了解钢结构的破坏形式；了解钢结构的破坏形式； 2. 2.掌握结构用钢材的主要性能及其主要机械性能掌握结构用钢材的主要性能及其主要机械性能指标；指标；3.3.掌握影响钢材性能的主要因素掌握影响钢材性能的主要因素; ;4. 4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5. 5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6. 6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。1.1.较高的强度；较高的强度；2.2.较好的较好的塑性、韧性塑性、韧性；3.3.良好的良好的加工性能加工性能

2、；4.4.对环境的良好适应性。对环境的良好适应性。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求2.3 2.3 钢材的主要力学性能钢材的主要力学性能（一）强度 标准试件（标准试件（GB22863GB22863），常温（），常温（2020）条件）条件下做拉伸试验，下做拉伸试验，缓慢加载缓慢加载，得到应力，得到应力- -应变曲线。应变曲线。工作特性分为工作特性分为4 4个阶段：个阶段：弹性阶段弹性阶段弹塑性阶段弹塑性阶段塑性阶段塑性阶段强化阶段强化阶段0l单轴拉伸试验包括：强度、塑性、韧性、冷弯性能等。包括：强度、塑性、韧性、冷弯性能等。 ABCD 32 2010. %1234pfyfO 弹

3、性阶段（弹性阶段（OAOA）：）： 0 0f fp p（比例极限）（比例极限）弹性模量：弹性模量： 线性关系，变形小，线性关系，变形小，卸载后变形能恢复。卸载后变形能恢复。2510062mm/N.tanE 塑性变形塑性变形弹性变形弹性变形变形变形不不可可恢恢复复的的残残余余变变形形 弹性模量E由 : 2.061050 弹塑性阶段（弹塑性阶段（ABAB） ：f fp p-f-fy y（屈服点）（屈服点） ABCD 32 2010. %1234pfyfO 塑性阶段塑性阶段 （塑流阶段）（塑流阶段）： B - C B - C 屈服平台，屈服平台，不变，不变，不断增长。不断增长。 强化阶段强化阶段 （

4、自强阶段）（自强阶段）： 钢材恢复承载能力，当钢材恢复承载能力，当ffu u时，发生颈缩现象而破时，发生颈缩现象而破坏坏 为塑性破坏。为塑性破坏。 ABCD 32 2010. %1234pfyff fu u ( (抗拉强度抗拉强度) ) ：衡量经巨量变形后的抗拉能力衡量经巨量变形后的抗拉能力；f fy y（屈服强度）：（屈服强度）：衡量结构承载能力的指标衡量结构承载能力的指标； 均为钢材的静力强度指标。均为钢材的静力强度指标。注意：注意：f fy y是材料的标准强度，非设计强度，是材料的标准强度，非设计强度，通过分析：通过分析：钢材的工作性能可以看出钢材的工作性能可以看出理想弹性理想弹性塑性体

5、，塑性体，以以f fy y作弹作弹性、塑性工作的分界点，如此就可用弹性理论进行强度性、塑性工作的分界点，如此就可用弹性理论进行强度计算。计算。设设计计强强度度为为：Ryff 式中：式中： ：材料抗力分项系数。：材料抗力分项系数。R 11110871.R 钢钢235Q 420390345QQQ、fyO 以以f fy y作弹性设计时的强度指标作弹性设计时的强度指标 依据：依据：a.a. 以以f fy y作弹性、塑性工作的分界点，屈作弹性、塑性工作的分界点，屈 服后，服后，（2 23 3），易察觉；若），易察觉；若过大，过大， 产生的变形过大，不允许。产生的变形过大，不允许。 b.b. 从从f fy

6、 yf fu u ，塑性工作区很大，有足，塑性工作区很大，有足 够的变形保证截面上的应力不超过够的变形保证截面上的应力不超过 f fu u，f fy yf fu u 作为强度储备。作为强度储备。 f fy y/ /f fu u ：屈强比：屈强比受压、受剪、受弯时的受压、受剪、受弯时的关系如何？关系如何？受压、受剪、受弯时的受压、受剪、受弯时的关系基本同受拉，关系基本同受拉，受压、受弯的强度指标取受拉时的数值受压、受弯的强度指标取受拉时的数值，受剪的强度指标受剪的强度指标f fyvyv( (或或y y)=0.58 )=0.58 f fy y钢材屈服点钢材屈服点f fy y 的高低和钢材晶粒的粗细

7、有关，轧制次数的高低和钢材晶粒的粗细有关，轧制次数多，钢材就薄，晶粒细，材质好，屈服点就高。多，钢材就薄，晶粒细，材质好，屈服点就高。 由此可以得出，相同种类不同厚度的钢材，设计强度由此可以得出，相同种类不同厚度的钢材，设计强度是不一样的。是不一样的。 据此，据此，规范规范将不同厚度的钢材分组，不同组取不将不同厚度的钢材分组，不同组取不同的强度设计值。同的强度设计值。牌号牌号厚度或直径厚度或直径/mm/mm抗拉、抗压和抗拉、抗压和抗弯抗弯f f抗剪抗剪f fv v端面承压（刨端面承压（刨平顶紧平顶紧f fceceQ235Q235161621521512512532532516164040205

8、205120120404060602002001151156060100100190190110110钢材强度设计值钢材强度设计值N/mmN/mm2 2有屈服点的钢材有屈服点的钢材 碳碳素素结结构构钢钢低低合合金金高高强强度度结结构构钢钢%.C.C250%062 量量建建筑筑用用钢钢含含量量含含的的合合金金结结构构钢钢加加入入小小于于%5 无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定屈服点？屈服点？ 以卸载后残余应变为以卸载后残余应变为0.20.2时所对应的应力为屈时所对应的应力为屈服点。以服点。以0.2 0.2 表示，又称为条件屈服点。表示，又称为条件

9、屈服点。fu0.2%0.2通过单向拉伸试验，得到通过单向拉伸试验，得到三个机械性能指标三个机械性能指标 f fu u、f fy y、 %lll100001 ：试件的标距长度：试件的标距长度 ：拉断后的标距长度：拉断后的标距长度0l1l0lv（伸长率伸长率）：）：衡量塑性变形能力的指标衡量塑性变形能力的指标。（二）塑性 %AAA100010 v 衡量塑性变形能力的另一指标：衡量塑性变形能力的另一指标：（截面收缩率截面收缩率）。）。（三）冲击韧性 衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就就是冲击韧性。是冲击韧性。韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能

10、韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，吸收能量多，韧性好。力，吸收能量多，韧性好。 确定冲击韧性的方法就确定冲击韧性的方法就是冲击试验，试验采用夏比是冲击试验，试验采用夏比V V 型缺口试件。型缺口试件。Q235Q235钢钢A AKVKV27J (2027J (20、00、-20)-20)Q345Q345钢钢 A AKVKV34J (2034J (20、00、-20)-20)Q390Q390钢钢 A AKVKV27J (-40)27J (-40) 实际结构中，脆断总是发生在实际结构中，脆断总是发生在缺口应力集中缺口应力集中处，因处，因为该处存在同号拉应力场，使塑性变形受到限制。为该处

11、存在同号拉应力场，使塑性变形受到限制。（四）冷弯性能 更严格的衡量塑性变形能力的指标更严格的衡量塑性变形能力的指标，通过冷弯试，通过冷弯试验确定。验确定。 冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状，冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状，作作180180冷弯，以弯曲处的外面、侧面不起层、不开裂冷弯，以弯曲处的外面、侧面不起层、不开裂为合格。为合格。 不同厚度的钢材，不同厚度的钢材，d d不同。不同。add+2.1a注意：注意：焊接承重结构以及重要焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材的非焊接承重结构采用的钢材必须具有冷弯性能的合格保证。必须具有冷弯性能的合格保证。 (五)、钢材的

12、焊接性能钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。：当：当0.120.12C0.20%C0.20%时，焊接性能好，含碳量超时，焊接性能好，含碳量超 过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。：焊接性能用：焊接性能用碳当量碳当量C CE E 来衡量，来衡量， 式中化学符号表示该化学元素含量的百分数。式中化学符号表示该化学元素含量的百分数。 C CE E0.380.38时，焊接性能好，可直接施焊；时，焊接性能好，可直接施焊； 0.380.38CCE E0.45%0.3%C0.3%或或C0.1%C0.1%时，钢材无时，钢材无

13、 明显屈服点。明显屈服点。 CC强度强度、塑性、塑性、冲击韧性、冲击韧性、焊接性能、焊接性能 脆性脆性、低温脆断危险、低温脆断危险。 钢结构采用低碳钢，钢结构采用低碳钢，C0.22%，焊接结构焊接结构C0.2% : : 有害元素，有害元素，80080010001000时，硫化铁熔化使钢材变时，硫化铁熔化使钢材变 脆，因此热加工或焊接时，有可能引起热裂纹，称脆，因此热加工或焊接时，有可能引起热裂纹，称 为为“热脆热脆”。 SS冲击韧性冲击韧性、焊接性能、焊接性能疲劳强度疲劳强度 所以，所以，S S0.045%（Q235以上钢材）以上钢材） S S0.05%（Q235钢材）钢材） : : 有益元素

14、，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑有益元素，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑 性和韧性，消除热脆，改善冷脆；性和韧性，消除热脆，改善冷脆； MnMn过多，降低焊接性能。过多，降低焊接性能。 : : 提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、焊提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、焊接性能。接性能。 所以，所以，P P0.04%（Q235以上钢材）以上钢材） P P0.045%（Q235钢材）钢材） : : 强脱氧剂。强脱氧剂。SiSi0.2%时，时，提高强度，而不显著影提高强度，而不显著影 响塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能；响塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能； SiSi含量达含量达1%1%

15、，则不然。，则不然。 : : 提高强度、抗锈蚀能力，不显著降低塑性。提高强度、抗锈蚀能力，不显著降低塑性。 、: : 有害元素，有害元素，O O热脆，热脆，N冷脆。冷脆。 缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等 偏析：化学杂质元素分布的不均匀性，偏析：化学杂质元素分布的不均匀性， 主要的偏析是主要的偏析是S S 、P P的偏析，的偏析， 偏析偏析塑性塑性、韧性、韧性、焊接性能、焊接性能、疲劳强度、疲劳强度。 非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材 变脆变脆, ,降低机械性能和工艺性能。降低机械性

16、能和工艺性能。 气孔：气孔：COCO气体没有逸出形成。气体没有逸出形成。 1:1:钢材中，钢材中，C C、N N的固溶物存在于存的固溶物存在于存铁体的结晶体中，随时间增长，它铁体的结晶体中，随时间增长，它们析出，存在于晶粒之间的间层中，们析出，存在于晶粒之间的间层中，对纯铁体的塑性变形起到抑制作用，对纯铁体的塑性变形起到抑制作用，使钢材的使钢材的强度上升强度上升，塑性降低塑性降低，此，此种现象称种现象称“时效硬化时效硬化”。 时效硬化时效硬化 加热使此过程迅速完成，称加热使此过程迅速完成，称“人工时效人工时效”。 加荷载加荷载:2弹性阶段：弹性阶段：不影响钢材性能不影响钢材性能弹塑性阶段：弹塑

17、性阶段：冷冷作作硬硬化化后后的的塑塑性性区区钢材经冷作硬化后又发生时效硬化，称钢材经冷作硬化后又发生时效硬化，称“应变时效应变时效”应应变变时时效效“冷作硬化”“冷作硬化”称称塑塑性性降降低低现现象象变变形形区区域域扩扩大大屈屈服服强强度度提提高高，即即弹弹性性, 时效硬化时效硬化( (人工时效人工时效) )与冷作与冷作硬化的区别：硬化的区别： 时时效效硬硬化化冷冷作作硬硬化化后后的的塑塑性性区区应应变变时时效效相同点：相同点：扩大了弹性工作范围，减少扩大了弹性工作范围，减少 了塑性。了塑性。不同点：不同点：前者在扩大弹性范围的同前者在扩大弹性范围的同 时，还提高了抗拉强度，时，还提高了抗拉强

18、度， 而后者没有提高抗拉强度而后者没有提高抗拉强度 冷作硬化通常是在经过冷加工后产生的，冷加工区域冷作硬化通常是在经过冷加工后产生的，冷加工区域的边缘会产生冷作硬化，成为产生裂缝的根源。的边缘会产生冷作硬化，成为产生裂缝的根源。 冷加工：在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机冷加工：在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机械的力量使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的械的力量使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺。如冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。薄板或型钢的工艺。如冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。 所以，所以，要消除冷作硬化区域（受动荷的重要构件，要消除冷作硬化区域（受动荷

19、的重要构件，冷作硬化区域必须除去）。冷作硬化区域必须除去）。 当试件表面不平整，有缺口存在时，在轴心荷载作当试件表面不平整，有缺口存在时，在轴心荷载作用下，截面上应力分布不均匀，缺口附近的应力特别用下，截面上应力分布不均匀，缺口附近的应力特别高，称应力集中。高，称应力集中。NN112233 缺口尖端缺口尖端maxmax 净截面平均应力：净截面平均应力： 0 0N /AN /An n A An n：净截面面积：净截面面积 应力集中系数：应力集中系数： k =k =maxmax / / 0 0 缺口处，缺口处，方向与轴向不一致，力线方向与轴向不一致，力线倾斜，因而产生横向剪力倾斜，因而产生横向剪力

20、y y 。 在孔边缘形成双向拉应力场（若考在孔边缘形成双向拉应力场（若考虑厚度，三向拉应力场），这就是脆断虑厚度，三向拉应力场），这就是脆断的原因。的原因。NN112233应力集中现象产生的原因：构件的不正确造型（设计时避免）构件的不正确造型（设计时避免）残余应力（研究不够）残余应力（研究不够）非金属夹杂非金属夹杂 快速拉伸，沿快速拉伸，沿0B0B线变化，此时线变化，此时试件的温度有所降低，持荷保持不试件的温度有所降低，持荷保持不变，试件吸收热量，产生变，试件吸收热量，产生BABA，称，称“弹性后效弹性后效”。 若突然快速卸荷，沿若突然快速卸荷，沿ACAC线变化，线变化，试件温度上升，随后放热

21、后冷却，回试件温度上升，随后放热后冷却，回到到O O点。点。 加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，故试验时按规定的速度加荷。故试验时按规定的速度加荷。 通常做法，加载后持荷五分钟后读数，得到准确通常做法，加载后持荷五分钟后读数，得到准确的试验值。的试验值。 ABCO 温度从常温下降温度从常温下降f fy y稍有稍有、脆性、脆性、塑性、塑性、韧性、韧性。 当温度降到某一数值时，冲击当温度降到某一数值时，冲击韧性韧性A AKVKV突然显著下降，钢材易产生突然显著下降，钢材易产生脆性断裂，称脆性断裂，称“低温冷脆低温冷脆”。 所以，应针对结构所处的温度

22、对钢材提出所以，应针对结构所处的温度对钢材提出A AKVKV要求。要求。 温度从常温上升，温度从常温上升，200200以下，强度以下，强度、塑性、塑性，250250左右，强度左右，强度、塑性、塑性、A AKVKV，钢材变脆，称为，钢材变脆，称为“蓝脆现象蓝脆现象”。 所以，经常受高温时，应采取隔热措施。所以，经常受高温时，应采取隔热措施。 以上介绍影响钢材性能因素的目的是了解钢材在什以上介绍影响钢材性能因素的目的是了解钢材在什么条件下发生脆性破坏从而采取措施预防。么条件下发生脆性破坏从而采取措施预防。KVAt温温度度脆脆性性区区O 为了防止脆性破坏的发生，需注意以下三点：为了防止脆性破坏的发生

23、，需注意以下三点：合理的设计合理的设计：构造应合理，应能均匀、连续地传递应力，：构造应合理，应能均匀、连续地传递应力， 避免构件截面剧烈变化，合理的选用材料。避免构件截面剧烈变化，合理的选用材料。正确的制造正确的制造：应严格按照设计要求进行制作，如避免材料：应严格按照设计要求进行制作，如避免材料 出现硬化，要通过扩孔或刨边除掉硬化区，出现硬化，要通过扩孔或刨边除掉硬化区， 选择合理的焊接工艺，对制作和安装过程中选择合理的焊接工艺，对制作和安装过程中 所造成的缺陷应进行清理和修复。所造成的缺陷应进行清理和修复。正确的使用正确的使用：不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结：不得随意改变结构使用用途

24、或超负荷使用结 构，不在主要结构上焊接附加的零件、悬挂构，不在主要结构上焊接附加的零件、悬挂 重物，避免在运输和安装过程中对结构造成重物，避免在运输和安装过程中对结构造成 撞击。撞击。本节开始时所述事故原因：本节开始时所述事故原因： 前者：应力集中、残余应力、低温前者：应力集中、残余应力、低温A AKVKV值太小。值太小。 后者：大部分板件不满足冲击韧性要求。后者：大部分板件不满足冲击韧性要求。2.42.4 复杂应力条件结构钢材的屈服条件复杂应力条件结构钢材的屈服条件 双向、三向受力时，不能以单向受力时的双向、三向受力时，不能以单向受力时的f fy y为为屈服点，采用第四强度理论较为合适。屈服

25、点，采用第四强度理论较为合适。oxzyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力（应力分量（应力分量）112233单元体受主应力单元体受主应力 单向拉伸达单向拉伸达塑性塑性状态时，积聚于状态时，积聚于单位体积中的形状改变能为：单位体积中的形状改变能为： 231yfEU 三向主应力作用下，单位体积形状改变能为：三向主应力作用下，单位体积形状改变能为：112233 13322123222131 EU式中：式中：泊桑比：泊桑比 能量理论认为：能量理论认为：U U= U U 时，多向应力状态下的时，多向应力状态下的钢材进入塑性钢材进入塑性。 即由即由弹性转为塑性弹性转为塑性状态的工

26、作条件为：状态的工作条件为： yf 133221232221 133221232221q E令令 当折算应力当折算应力eqeqf fy y时，弹性；时，弹性； 当折算应力当折算应力eqeqf fy y时，塑性。时，塑性。 21323222121 qE分析：分析： 21323222121 qE 有异号应力，且同号应力差较大，就易进入塑性，有异号应力，且同号应力差较大，就易进入塑性，说明异号应力场下易发生塑性破坏。说明异号应力场下易发生塑性破坏。 三个主应力同号且接近，三个主应力同号且接近，eqeq小，不易进入塑性，小，不易进入塑性，直至破坏，也不进入塑性；直至破坏，也不进入塑性； 三向等值压缩时

27、，不会破坏；三向等值压缩时，不会破坏； 同号拉应力场下易脆性破坏。同号拉应力场下易脆性破坏。 用正应力和剪应力表示折算应力：用正应力和剪应力表示折算应力： 2222223zxyzxyxzzyyxzyxE q 2222223zxyzxyxzzyyxzyxE q 钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略，钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略，形成平面应力状态，形成平面应力状态，2223xyyxyxE q即即： 3qE纯纯剪剪时时：yf 3达达到到屈屈服服时时：yyff58.03 即即：因此时屈服，用因此时屈服，用f fyvyv代替代替，即有：，即有：f fyvyv0.58f0.58fy y

28、2.52.5 钢材的破坏形式钢材的破坏形式塑性破坏：变形很大，是在材料塑性破坏：变形很大，是在材料达到达到f fu u以后发生以后发生的，变形的，变形 大且时间长，易发现。断口与作用力方向成大且时间长，易发现。断口与作用力方向成 4545角。角。脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有，脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有，应力低于应力低于f fu u 甚至甚至 可能低于可能低于f fy y，破坏是突然的。断口齐平，破，破坏是突然的。断口齐平，破 坏前无预兆。坏前无预兆。一、塑性破坏一、塑性破坏二、脆性破坏二、脆性破坏1 1、钢材疲劳破坏的特征、钢材疲劳破坏的特征 循环荷载：随时间而变化的荷载，循环荷载：

29、随时间而变化的荷载， 若若为常数，即为常数，即1 12 2n n称为称为。 若若为变数，即为变数，即1 12 2n n称为称为。 应力循环特征用应力循环特征用minmin / /maxmax表示表示 tmax max min min 如吊车梁如吊车梁每一个循环中每一个循环中 称为称为三、疲劳破坏三、疲劳破坏0 0，脉冲循环，脉冲循环-1-1，完全对称循环，完全对称循环1 1，静力荷载作用，静力荷载作用-11-11疲劳破坏：疲劳破坏：钢材在循环荷载作用下，当应力还低于钢材钢材在循环荷载作用下，当应力还低于钢材 的抗拉强度，甚至低于屈服点时，就发生断裂破坏。的抗拉强度，甚至低于屈服点时，就发生断裂

30、破坏。 钢材中存在一些钢材中存在一些局部缺陷局部缺陷（如不（如不均匀的杂质，轧制时形成的微裂纹或加工时造成的刻槽、均匀的杂质，轧制时形成的微裂纹或加工时造成的刻槽、孔洞、裂纹等）在荷载作用下，缺陷处的截面上应力分孔洞、裂纹等）在荷载作用下，缺陷处的截面上应力分布不均，布不均，形成应力集中现象形成应力集中现象，在应力高峰附近，在应力高峰附近出现微观出现微观裂纹裂纹，而在循环荷载作用下，微观裂纹不断扩展，而在循环荷载作用下，微观裂纹不断扩展，逐渐逐渐形成宏观裂纹形成宏观裂纹，这时截面被削弱，这时截面被削弱，裂纹处的应力集中现裂纹处的应力集中现象更严重，在应力高峰附近形成双向或三向同号拉应力象更严重

31、，在应力高峰附近形成双向或三向同号拉应力场场，使钢材的塑性变形受到限制，荷载循环到一定次数，使钢材的塑性变形受到限制，荷载循环到一定次数时，削弱处的截面就会发生脆性断裂破坏。时，削弱处的截面就会发生脆性断裂破坏。:疲疲劳劳破破坏坏的的原原因因 疲劳破坏过程一般经历疲劳破坏过程一般经历三个阶段三个阶段，即裂纹的萌生、裂，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。 破坏前无明显的宏观塑性变形，属于破坏前无明显的宏观塑性变形，属于。 钢材的疲劳强度由试验确定。钢材的疲劳强度由试验确定。 影响疲劳强度的最主要因素影响疲劳强度的最主要因素是是（应力集中程（应力集中程度、残余

32、应力），度、残余应力），及，及实验证明疲劳强度与静力强度无明显关系。实验证明疲劳强度与静力强度无明显关系。2 2、常幅疲劳破坏、常幅疲劳破坏 大量疲劳试验证明，应力幅与疲劳大量疲劳试验证明，应力幅与疲劳寿命寿命n n 之间呈右图所示关系：之间呈右图所示关系： n1 2 1n2n当应力幅为当应力幅为1 1时，循环荷载达时，循环荷载达n n1 1次时，试件破坏；次时，试件破坏；即：循环荷载循环即：循环荷载循环n n1 1次时，极限应力幅为次时，极限应力幅为1 1； 循环荷载循环循环荷载循环n n2 2次时，极限应力幅为次时，极限应力幅为2 2 。规范规范规定：规定：当应力循环次数当应力循环次数n5

33、n510104 4时，应进行时，应进行 疲劳计算。疲劳计算。根据试验数据，按统计理论得到的回归方程为：根据试验数据，按统计理论得到的回归方程为：考虑安全系数后，得对应于考虑安全系数后，得对应于n n次循环的容次循环的容许应力幅为：许应力幅为：0lglglg Cn 1nlglg-lg1lg CnC变变形形 1 nC 从式中看出，知道循环荷载的循环次数，就可求得容从式中看出，知道循环荷载的循环次数，就可求得容许应力幅许应力幅 1 nC若不发生疲劳破坏，应满足若不发生疲劳破坏，应满足 ：计算部位的设计应力幅。：计算部位的设计应力幅。 焊接结构焊接结构 非焊接结构非焊接结构 计算计算maxmax 、m

34、inmin 时，按时，按计算，不考计算，不考虑动力系数，同时不考虑恒载。虑动力系数，同时不考虑恒载。 注意：注意：以上计算，只适用于常温下，且无强烈腐以上计算，只适用于常温下，且无强烈腐蚀性环境中，否则，应按有关规定执行。蚀性环境中，否则，应按有关规定执行。3 3、变幅疲劳计算、变幅疲劳计算 实际结构中作用的实际结构中作用的循环循环荷载一般都是变幅循环荷载，荷载一般都是变幅循环荷载，而不是常幅循环荷载，而不是常幅循环荷载， 如吊车梁、振动台等，就是受变幅循环荷载作用。如吊车梁、振动台等，就是受变幅循环荷载作用。按常幅疲劳计算如何？按常幅疲劳计算如何？取变幅荷载的最大应力幅，按常幅疲劳计算，但太

35、保守。取变幅荷载的最大应力幅，按常幅疲劳计算，但太保守。 已知变幅荷载循环规律已知变幅荷载循环规律 按线性累积损伤法则，将变按线性累积损伤法则，将变幅疲劳折算成常幅疲劳计算。幅疲劳折算成常幅疲劳计算。推导出：变幅疲劳的推导出：变幅疲劳的等效应力幅等效应力幅e 1 iiienn 若变幅荷载作用下不发生疲劳破坏，应满足：若变幅荷载作用下不发生疲劳破坏，应满足： e e ：按常幅循环预期寿命次的容许应力幅。：按常幅循环预期寿命次的容许应力幅。 吊车梁疲劳计算吊车梁疲劳计算( (未知未知变幅荷载循环规律变幅荷载循环规律) ) 受变幅循环荷载作用，若没有测到或无法预测荷载受变幅循环荷载作用，若没有测到或

36、无法预测荷载循环规律，按常幅疲劳计算，循环规律，按常幅疲劳计算， f f2 210106 6 说明：此计算适合于重级工作制吊车梁，重级、中级说明：此计算适合于重级工作制吊车梁，重级、中级 工作制吊车桁架的疲劳计算。工作制吊车桁架的疲劳计算。 对于轻级工作制吊车梁和吊车桁架、大多数中级对于轻级工作制吊车梁和吊车桁架、大多数中级工作制吊车梁，据经验，可不作疲劳计算。工作制吊车梁，据经验，可不作疲劳计算。注意：注意： 疲劳极限状态的概念还不清楚，只能沿用疲劳极限状态的概念还不清楚，只能沿用 容许应力设计法容许应力设计法。 以上讲的疲劳为以上讲的疲劳为高周疲劳高周疲劳，此类疲劳的断裂寿命，此类疲劳的断

37、裂寿命 长，应力循环次数长，应力循环次数5510104 4，断裂应力水平低，断裂应力水平低， f fy y，故又称，故又称低应力疲劳低应力疲劳。另有另有低周疲劳低周疲劳，其特点是寿命短，循环次数少，其特点是寿命短，循环次数少，应力水平高，低周疲劳的内容忽略。应力水平高，低周疲劳的内容忽略。 不出现循环不出现循环拉应力拉应力的部位，不计算疲劳。的部位，不计算疲劳。2.62.6 结构钢材的种类、规格及其选用结构钢材的种类、规格及其选用一、结构钢材的种类一、结构钢材的种类1 1、按用途分类：、按用途分类： 结构钢（建筑用钢和机械用钢）、工具钢、特殊钢结构钢（建筑用钢和机械用钢）、工具钢、特殊钢2 2

38、、按冶炼方法分类：、按冶炼方法分类： 平炉钢、转炉钢平炉钢、转炉钢3 3、按成型方法分类：、按成型方法分类： 轧制钢、锻钢和铸钢轧制钢、锻钢和铸钢4 4、按化学成分分类：、按化学成分分类： 碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢建筑上：碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。建筑上：碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。按脱氧方法分类：按脱氧方法分类：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢钢（1 1）碳素结构钢）碳素结构钢 碳素结构钢的牌号是按碳素结构钢的牌号是按屈服点的字母、屈服点数值、屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法质量等级符号、脱氧

39、方法符号的顺序排列。符号的顺序排列。如如 Q235AQ235AF F屈服点的字母屈服点的字母： Q Q屈服点数值屈服点数值： 195 195 、215215、235 235 、255 255 、275275质量等级符号：质量等级符号：A A：供方保证：供方保证f fy y、f fu u 、5 5及及SiSi、S S 、P P含量，含量，C C 、MnMn含含 量不作为交货条件，一般量不作为交货条件，一般C0.2% C0.2% ，不能作为焊接结构，不能作为焊接结构供方保证供方保证f fy y、f fu u 、5 5 、冷弯性能冷弯性能及及C C 、S S 、MnMn、SiSi、P P含量，含量，

40、C0.20%C0.20% DCB另另+20+20的的A AKVKV另另00的的A AKVKV另另-20-20的的A AKVKV 不同质量等级的同一类钢材，力学性能指标基本相不同质量等级的同一类钢材，力学性能指标基本相同，化学成分和同，化学成分和A AKVKV不同，不同，A A级钢不保证冷弯性能级钢不保证冷弯性能。脱氧方法：脱氧方法：沸腾钢（沸腾钢（ ）：）：MnMn为脱氧剂，脱氧不完全，质量差为脱氧剂，脱氧不完全，质量差; ;镇静钢（镇静钢（ ）：）：MnMn、SiSi为脱氧剂，脱氧完全，质量好为脱氧剂，脱氧完全，质量好; ;半镇静钢（半镇静钢（ ）：脱氧程度及质量介于以上两者之间）：脱氧程度

41、及质量介于以上两者之间; ;特殊镇静钢（特殊镇静钢（）：外加铝脱氧，质量更好。）：外加铝脱氧，质量更好。 A A、B B级钢：脱氧方法有级钢：脱氧方法有F F 、Z Z 、b b C C 级钢：脱氧方法只有级钢：脱氧方法只有Z Z D D 级钢：脱氧方法只有级钢：脱氧方法只有TZTZ Z Z、TZ TZ 可省略。可省略。（2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢 在碳素结构钢中加入少量几种合金元素形成，合金元在碳素结构钢中加入少量几种合金元素形成，合金元素的总量低于素的总量低于5 5，C0.2%C0.2%，质量好。，质量好。 如如Q295 Q295 、Q345 Q345 、Q390 Q3

42、90 、Q420 Q420 、Q460Q460 分为分为A A、B B 、C C 、D D 、E E五个质量等级，五个质量等级， 每一级的质量保证项目类似碳素结构钢，每一级的质量保证项目类似碳素结构钢， A A级钢应进行冷弯试验，级钢应进行冷弯试验， E E级质量保证项目同级质量保证项目同B B、C C 、D D ，另外还要保证，另外还要保证- -4040的的A AKVKV 。 A A、B B级为镇静钢，级为镇静钢，C C、D D 、E E 级为特殊镇静钢，不标级为特殊镇静钢，不标注脱氧方法注脱氧方法。（3 3）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢 与碳素结构钢相比，杂质少，与碳素结构钢相比，杂质少

43、，S S、P P含量小于含量小于0.0350.035 钢号：如钢号：如45 45 或或45Mn 45Mn ， 前面两位数表示含前面两位数表示含C C量的万分数，前者表示含量的万分数，前者表示含MnMn量量较少，后者表示含较少，后者表示含MnMn量较多。量较多。 钢结构中较少应用优质碳素结构钢。钢结构中较少应用优质碳素结构钢。二、钢材的规格二、钢材的规格 厚钢板厚钢板4.54.560mm 60mm 宽宽600 600 3000mm 3000mm 长度长度4 4 12m12m 薄钢板薄钢板0.350.354mm 4mm 宽宽500 500 1500mm 1500mm 长度长度0.5 0.5 4m

44、4m 轻型轻型 钢结构钢结构 扁钢扁钢4 460mm 60mm 宽宽12 12 200mm 200mm 长度长度3 3 9m9m （）。）。 如如1001006 610001000钢板钢板l 角钢：分为等边角钢和不等边角钢，长度角钢：分为等边角钢和不等边角钢，长度4 419m19m， 表示方法：表示方法： 如如 20020012512514 14 。2. 2. 型钢型钢l 工字钢：它的编号以截面高度（工字钢：它的编号以截面高度（cmcm）表示，）表示， 长长5 519m19m， 根据腹板厚度分为根据腹板厚度分为a a 、b b 、c c三类，三类， a a 类腹板较薄，用于受弯经济，类腹板较薄

45、，用于受弯经济， c c类腹板较厚，不经济，生产较少。类腹板较厚，不经济，生产较少。l 槽钢：编号规则同工字钢，槽钢：编号规则同工字钢，根据截面高度根据截面高度h h及厚度及厚度分类分类a(a(或或b b、c)c) 如如28b 28b l 钢管：表示方法：钢管：表示方法：外径外径壁厚，长度壁厚，长度3 312m12m， 无缝钢管：壁厚，经济性差，最大可达无缝钢管：壁厚，经济性差，最大可达219219焊接卷管：经济性好。焊接卷管：经济性好。 分为分为tDH H型钢：表示方法：型钢：表示方法：代号代号+ +高度高度宽度宽度b b腹板厚腹板厚t t1 1翼缘厚翼缘厚t t2 2HW HW ：表示宽翼

46、缘：表示宽翼缘H H型钢型钢 代代号号HM HM ：表示中翼缘：表示中翼缘H H型钢型钢HN HN ：表示窄翼缘：表示窄翼缘H H型钢型钢特点：翼缘较宽且翼缘板的内外表面平行。特点：翼缘较宽且翼缘板的内外表面平行。如如:HW400:HW40040040013132121H H型钢可剖分为型钢可剖分为T T型钢，代号为型钢，代号为TWTW、TM TM 、TN TN bht1t2（三）冷弯薄壁型钢（三）冷弯薄壁型钢壁厚壁厚1.55mm压型钢板壁厚压型钢板壁厚0.41.6mm五、钢材的选用五、钢材的选用 应根据应根据、和和等因素综合考虑，既要满等因素综合考虑，既要满足结构安全可靠，又要尽可能节约钢材

47、、降低造价。足结构安全可靠，又要尽可能节约钢材、降低造价。 选材的要求选材的要求 选材原则选材原则1. 1. 承重结构钢材应具有承重结构钢材应具有的合格保证；的合格保证； 焊接结构应具有焊接结构应具有； 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构钢材应焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构钢材应具有具有的合格保证。的合格保证。2. 2. 主要焊接结构不能采用主要焊接结构不能采用Q235AQ235A级钢。级钢。 因含碳量不作为交货条件，无法保证含碳量。因含碳量不作为交货条件，无法保证含碳量。3. Q235B3. Q235BF F钢，选用厚度不大于钢，选用厚度不大于25mm25mm， 因厚度大，质量不易保

48、证。因厚度大，质量不易保证。4. 4. 需验算疲劳的结构钢材，应具有常温需验算疲劳的结构钢材，应具有常温A AKVKV的保证。的保证。非焊接结构、工作温度非焊接结构、工作温度-20-20 00的的A AKVKV(Q235(Q235、Q345)Q345)-20-20的的A AKVKV(Q390(Q390、Q420)Q420) 焊焊接接结结构构-20-20工作温度工作温度00 工作温度工作温度-20 -20 00的的A AKVKV(Q235(Q235、Q345) Q345) -20-20的的A AKVKV(Q390(Q390、Q420)Q420)-40-40的的A AKVKV(Q390(Q390、

49、Q420)Q420)-20-20的的A AKVKV（Q235Q235、Q345)Q345)5. 5. 下列情况不能采用下列情况不能采用Q235Q235沸腾钢，沸腾钢， 焊焊接接结结构构 直接受动荷，且需验算疲劳；直接受动荷，且需验算疲劳； 直接受动荷，不需验算疲劳，但工作温直接受动荷，不需验算疲劳，但工作温 度度-20-20；及受静载的受弯和受拉的；及受静载的受弯和受拉的 重要承重结构；重要承重结构； 工作温度工作温度-30-30的所有承重结构。的所有承重结构。非焊接结构：工作温度非焊接结构：工作温度-20-20的直接受动载，且需的直接受动载，且需 验算疲劳的结构。验算疲劳的结构。6. 6.

50、吊车起重量不小于吊车起重量不小于50t50t的中级工作制吊车梁，对的中级工作制吊车梁，对A AKVKV的要求与需验算疲劳的结构相同。（结合前面吊车梁的要求与需验算疲劳的结构相同。（结合前面吊车梁疲劳验算）。疲劳验算）。针对结构选材来说：针对结构选材来说： 受受拉拉构件的材性要较受压构件为高；构件的材性要较受压构件为高； 焊接结构焊接结构的材性要较非焊接结构为高；的材性要较非焊接结构为高； 受动荷结构受动荷结构的材性要较受静载结构为高；的材性要较受静载结构为高； 低温地区结构低温地区结构的材性要较高温地区为高。的材性要较高温地区为高。第二章第二章 小结小结一、钢结构的钢材必须具备以下性能：一、钢

51、结构的钢材必须具备以下性能：较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能对环境的良好适应性对环境的良好适应性二、破坏形式二、破坏形式脆性破坏脆性破坏 如疲劳破坏如疲劳破坏塑性破坏塑性破坏三、三、关系关系有屈服点的钢材有屈服点的钢材无屈服点的钢材无屈服点的钢材f fy y取值？取值？受压受压受弯受弯受剪受剪同受拉同受拉f fyvyv=0.58=0.58f fy yf fy y取决于？取决于？多向应力下多向应力下 21323222121 qE同号？同号？异号？异号？脆性破坏脆性破坏塑性破坏塑性破坏四、机械性能指标四、机械性能指标f fu u：衡量经巨量变形后

52、的抗拉能力；衡量经巨量变形后的抗拉能力；f fy y：衡量钢材承载能力的指标；衡量钢材承载能力的指标；伸长率：伸长率：衡量钢材塑性变形能力的指标；衡量钢材塑性变形能力的指标；冷弯性能：冷弯性能：更严格衡量塑性变形能力的指标；更严格衡量塑性变形能力的指标；Z Z向收缩率：向收缩率：衡量钢材抗层状撕裂能力的指标；衡量钢材抗层状撕裂能力的指标；冲击韧性：冲击韧性：衡量钢材抵抗动荷能力的指标。衡量钢材抵抗动荷能力的指标。五、影响钢材性能的因素五、影响钢材性能的因素化学元素化学元素: : C C、S S、MnMn、SiSi、 P P 、V V、O O、N N钢材的焊接性能钢材的焊接性能冶金缺陷：冶金缺陷

53、：偏析等偏析等构造缺陷：构造缺陷：应力集中应力集中钢材硬化：钢材硬化：时效硬化、冷作硬化等时效硬化、冷作硬化等加荷速度；加荷速度；温度影响：温度影响：蓝脆、低温冷脆蓝脆、低温冷脆七、七、 钢材的选用钢材的选用编号及不同质量编号及不同质量等级的保证项目等级的保证项目六、钢材种类六、钢材种类碳素结构钢碳素结构钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢简答题简答题1 1、钢材中碳的含量与钢材的强度、塑性、韧性及可焊性、钢材中碳的含量与钢材的强度、塑性、韧性及可焊性有什么关系？有什么关系？2 2、常见的冶金缺陷有哪些？、常见的冶金缺陷有哪些？3 3、冷作硬化对钢材的强度、塑性及

54、韧性有什么影响？、冷作硬化对钢材的强度、塑性及韧性有什么影响？4 4、什么是时效硬化？、什么是时效硬化？5 5、钢材的力学性能与温度之间有什么关系？、钢材的力学性能与温度之间有什么关系？6 6、什么情况下会发生应力集中？它对构件有什么影响？、什么情况下会发生应力集中？它对构件有什么影响？填空及选择填空及选择1 1、冷作硬化会改变钢材的性能，将使钢材的、冷作硬化会改变钢材的性能，将使钢材的 提提高，高， 降低。降低。2 2、钢材中氧的含量过多，将使钢材出现、钢材中氧的含量过多，将使钢材出现 现象。现象。3 3、时效硬化会改变钢材的性能，将使钢材的、时效硬化会改变钢材的性能，将使钢材的 提高，提高， 降低。降低。 4 4、钢材的冲击韧性值越大、钢材的冲击韧性值越大, ,表示钢材抵抗脆性断裂的能表示钢材抵抗脆性断裂的能力越力越 。 5 5、冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下、冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下 和和 的的综合指标。综合指标。 6 6、在钢材所含化学元素中，均为有害杂质的一组是、在钢材所含化学元素中，均为有害杂质的一组是（ ）A A 碳磷硅碳磷硅 B B 硫磷锰硫磷锰 C C 硫氧氮硫氧氮 D D 碳锰矾碳锰矾7 7、钢材的性能因温度而变化，在负温范围内钢材的塑性、钢材的性能因温度而变