第02章材料

1、第二章第二章 钢结构的钢结构的材料材料21:282 ch.2 钢结构的钢结构的材料材料2.1钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能2.2钢材的两种破坏形式及微观破坏机理钢材的两种破坏形式及微观破坏机理 2.3 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 2.4 应力集中对钢材性能的影响应力集中对钢材性能的影响 2.5 钢材的疲劳破坏及疲劳计算钢材的疲劳破坏及疲劳计算 2.6 钢的种类、代号与技术标准钢的种类、代号与技术标准 2.7 钢材的选用原则钢材的选用原则 21:283大纲要求大纲要求1.了解了解钢材与钢结构的破坏形式钢材与钢结构的破坏形式；2.掌握掌握结构钢的主要结构钢的主要性能性能及其

2、机械及其机械性能指标性能指标；3.掌握掌握影响影响钢材性能的主要钢材性能的主要因素因素（特别是导致（特别是导致钢材钢材变脆变脆的主要因素）的主要因素）4.了解了解结构用钢材的种类、牌号、规格结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握掌握钢材钢材疲劳疲劳的概念和的概念和疲劳计算疲劳计算方法。方法。21:2842.2 混凝土2.1 钢材的主要机械性能钢材的主要机械性能钢材的钢材的机械性能机械性能也称也称力学性能力学性能，指钢材在各种作用下，指钢材在各种作用下所表现出的各种特性。所表现出的各种特性。钢材的钢材的力学性能指标力学

3、性能指标（物理指标）是钢结构物理指标）是钢结构设计的基设计的基本依据本依据，主要由试验确定。，主要由试验确定。拉伸试验、冷弯试验、冲击韧性拉伸试验、冷弯试验、冲击韧性试验等试验等21:2851、： 屈服点较高屈服点较高fy和抗拉强度和抗拉强度fu 设计承载力设计承载力与与屈后承载力屈后承载力2、：塑性、韧性性能好：塑性、韧性性能好 静、动载下的变形能力静、动载下的变形能力 减轻脆性破坏，抵抗重复荷载减轻脆性破坏，抵抗重复荷载 3、：适合冷、热加工及可焊性：适合冷、热加工及可焊性 加工后材料性能没有较大影响加工后材料性能没有较大影响 单向拉伸单向拉伸21:286建筑规范建筑规范推荐钢材推荐钢材：

4、Q235，Q345，Q390, Q420推荐用钢材推荐用钢材桥梁规范桥梁规范推荐钢材：推荐钢材：16q，16Mnq，15MnVNq 21:2872.2 混凝土一、一次拉伸时的性能一、一次拉伸时的性能1.1.条件：条件：标准试件标准试件（GB228GB2286363），常温（），常温（2020） 下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.1%0.3%0.3%。 标准试件：标准试件：l lo o/d=5/d=5、1010；l lo o- -标距；标距； d -d - -直径直径Lod d21:28821:28921:2810a低碳钢和低合金钢一次拉伸的应力低碳钢和低合

5、金钢一次拉伸的应力-应变曲线应变曲线21:2811图图b 典型低碳钢的应力典型低碳钢的应力-应变曲线应变曲线21:28122A. .有屈服点有屈服点钢材钢材-曲线曲线可以分为可以分为五个阶段五个阶段： （1）弹性阶段弹性阶段( (OA段段) )OA段材料处于纯弹性段材料处于纯弹性即即: :E卸载时，卸载时，=0=0；E=206E=20610103 3NMPaNMPauOAEBCDAEy（2）弹塑性阶段（）弹塑性阶段（AB)该段很短该段很短, ,表现出钢材的非弹性性质表现出钢材的非弹性性质; ; 21:2813屈服台阶或流幅段屈服台阶或流幅段, 基本保持不变基本保持不变, 急剧增大，急剧增大，变

6、形模量变形模量 E = 0；B屈服上限屈服上限; C屈服下限屈服下限 (屈服点屈服点)uOAEBCDAEy（3）塑性阶段（）塑性阶段（BCD)21:2814 钢材的钢材的塑性阶段塑性阶段十分重要十分重要屈服之前的原始晶格结构屈服阶段之后的晶格结构截面材料屈服，截面材料屈服，铁素体晶粒之间发生滑移铁素体晶粒之间发生滑移，钢材内，钢材内部部晶粒重新排列晶粒重新排列，从而从而使构件截面使构件截面应力的重新分布应力的重新分布成为可能成为可能:21:2815（4）强化阶段）强化阶段(DE段段)由于晶粒已经重由于晶粒已经重新排列，新排列，钢材承钢材承载能力载能力有不同程有不同程度的度的提高提高。该阶段末尾

7、对应该阶段末尾对应的应力值为的应力值为极限极限抗拉强度抗拉强度fu ；随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大,但但增加较快。增加较快。uOAEBCDAEy21:2816（5）颈缩阶段）颈缩阶段(EF段段)uOAEBCDAEy试件最试件最薄弱截面薄弱截面的的应力达到应力达到fu时，该时，该截面将出现横向收截面将出现横向收缩，同时塑性变形缩，同时塑性变形迅速增大，这种现迅速增大，这种现象称为象称为颈缩颈缩。该阶段中，曲线给该阶段中，曲线给出的出的名义应力名义应力不断不断下降，而下降，而实际应力实际应力值仍在不断上升，值仍在不断上升，并出现较为复杂的应力状态。并出现较为复杂的应力状态。21:281

8、72B. 对对无明显屈服点无明显屈服点的钢材的钢材该种钢材在拉伸过程该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然性变形小，破坏突然 设计时设计时取相当于取相当于 残余变形残余变形为为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为作为屈服点屈服点 条件屈服点条件屈服点fy=f0.20.2%fup21:28183. 应力应力-应变曲线的简化应变曲线的简化1)fy与与fb （比例极限）及（比例极限）及fe （弹性（弹性极限）极限）相差很小相差很小；2)超过超过 fy到屈服台阶终止的变形到屈服台阶终止的变形约为约为2.5%-3%，足以满足考虑，足以满足考虑结构的结构的

9、塑性变形发展塑性变形发展的要求。的要求。 （1 1）钢材钢材可以简化为可以简化为理想弹塑性体理想弹塑性体2.5%-3%2.5%-3%fy 0 00.15%0.15%21:2819例如：例如：设计时通常以设计时通常以屈服强度屈服强度作为强度设计的作为强度设计的标准值标准值。 （2）钢材在）钢材在静载作用静载作用下：强度计算以下：强度计算以fy为依据为依据;fu为结为结构的安全储备。构的安全储备。21:2820断裂时变形约为弹性断裂时变形约为弹性变形的变形的200200倍，在破倍，在破坏前产生明显可见的坏前产生明显可见的塑性变形，可及时补塑性变形，可及时补救。救。O0.15%22%fufyf fu

10、 u-f-fy y21:28214. 单向拉伸单向拉伸时钢材的机械性能指标时钢材的机械性能指标 （1）屈服点屈服点fy- 衡量钢材的衡量钢材的承载能力承载能力和确定钢材和确定钢材强度设计值强度设计值的重要的重要指标。无论是极限状态法还是容许应力法，屈服点指标。无论是极限状态法还是容许应力法，屈服点都是确定材料抗力的依据。都是确定材料抗力的依据。（2）抗拉强度抗拉强度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。的抗拉强度。21:2822LodNNNLdN（3 3）伸长率）伸长率)12(%10000- - - - lll )22(%10001

11、0- - - - AAA （4 4）断面收缩率）断面收缩率它是衡量钢材它是衡量钢材塑性应变能力塑性应变能力的重要指标。的重要指标。当当l l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，表示，当当l l0 0/d=10/d=10时，用时，用1010表示。表示。A0A121:2823同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。二、受压时的性能二、受压时的性能 采用短试件采用短试件l l0 0/d=3, /d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。屈服点同单向拉伸时的屈服点。三、受弯时的性能三、受弯时的性能四、受剪时的性能四、受剪时的性能231079)32(3mmNGf

12、fyvy - - 抗剪强度可由折算应力计算公式得到：抗剪强度可由折算应力计算公式得到：21:2824 塑性性能塑性性能-荷载作用下钢材的变形能力荷载作用下钢材的变形能力塑性塑性是结构钢是结构钢最重要最重要的指标。的指标。如果钢材的强度偏低如果钢材的强度偏低?可以用增大截面尺寸，降低设计应力的措可以用增大截面尺寸，降低设计应力的措施予以弥补；施予以弥补；如果钢材的塑性差，则不能用作结构钢如果钢材的塑性差，则不能用作结构钢（例如铸铁、生铁）。（例如铸铁、生铁）。为什么？为什么？21:2825 应力集中不可避免：冶金、轧制过程中产生的钢应力集中不可避免：冶金、轧制过程中产生的钢材内部缺陷、构造缺陷、

13、焊接等等原因，材内部缺陷、构造缺陷、焊接等等原因，局部区域的应力高于局部区域的应力高于截面的截面的平均应力平均应力，高应力区，高应力区域的范围以及应力集中程度几乎域的范围以及应力集中程度几乎无法准确预测。无法准确预测。如果钢材塑性差如果钢材塑性差，材料势必在高应力区域率先破，材料势必在高应力区域率先破坏，继而导致全截面的破坏。坏，继而导致全截面的破坏。而对而对塑性好的钢材塑性好的钢材，应力值达到屈服点的区域，应力值达到屈服点的区域，应力值不再增加，构件内部应力重新分布，不应力值不再增加，构件内部应力重新分布，不会发生因局部应力高而导致全截面破坏现象。会发生因局部应力高而导致全截面破坏现象。应力

14、集中应力集中21:2826 )12(%10000- - - - lll )22(%100010- - - - AAA 塑性性能塑性性能衡量指标衡量指标：单向拉伸试验确定的单向拉伸试验确定的伸长（延伸）率伸长（延伸）率和断面收缩率和断面收缩率21:2827冷弯性能冷弯性能: :衡量钢材衡量钢材塑性性能和冶金质量塑性性能和冶金质量优劣的优劣的综合指标。综合指标。add+2.1a根据试件厚度，根据试件厚度，按规定的弯心按规定的弯心直径将试件弯直径将试件弯曲曲180度度，其表，其表面及侧面面及侧面无裂无裂纹或分层纹或分层则为则为“冷弯试验合冷弯试验合格格”。21:282821:282921:2830冲

15、击韧性：冲击韧性：韧性指标由冲击试验获得。韧性指标由冲击试验获得。钢材抵抗冲击荷载能力，用材料在钢材抵抗冲击荷载能力，用材料在断裂时所吸收断裂时所吸收的总能量的总能量（包括弹性和非弹性能）来度量（包括弹性和非弹性能）来度量21:2831试件摆锤试件R=0.25R=1.0梅氏试件夏比试件 图 3-4 冲击试验示意 图 3-5 冲击试验试件 冲击实验示意图冲击实验示意图 由试件断由试件断裂吸收的裂吸收的能量能量CvCv来来衡钢材的衡钢材的冲击韧性，冲击韧性， 单位单位：J J21:2832试件：梅氏试件：梅氏U型缺口、夏比型缺口、夏比V型缺口型缺口试件摆锤试件R=0.25R=1.0梅氏试件夏比试件

16、21:2833 为了产生为了产生较复杂的应力状态较复杂的应力状态，由于夏比试件的，由于夏比试件的缺口更为尖锐因而可产生更复杂的应力状态，缺口更为尖锐因而可产生更复杂的应力状态，所得的冲击韧性指标也更所得的冲击韧性指标也更 严格、科学。严格、科学。冲击韧性值冲击韧性值 K槽口处的断面面积槽口处的断面面积 An KKn()vACaA 3-3 开槽口的目的：开槽口的目的：21:2834冲击韧性试验装置冲击韧性试验装置21:2835温度对韧性的影响：温度对韧性的影响：当温度低于某值时，缺口韧性值将急剧降低。当温度低于某值时，缺口韧性值将急剧降低。设计处于低温环境的重要结构，尤其受动载作用的结设计处于低

17、温环境的重要结构，尤其受动载作用的结构时，不但要求保证常温（构时，不但要求保证常温（205）冲击韧性，还）冲击韧性，还要保证负温（要保证负温（-20C或或-40C）冲击韧性。）冲击韧性。（判断动荷载作用下发生脆性断裂危险大小的重要依据）（判断动荷载作用下发生脆性断裂危险大小的重要依据）21:2836可焊性可焊性 经过焊接后保持原有机械性能的能力经过焊接后保持原有机械性能的能力可焊性检验方法：可焊性检验方法：（1）抗裂性试验：）抗裂性试验： 按一定工艺要求焊接后，立刻将焊接后的钢料按一定工艺要求焊接后，立刻将焊接后的钢料制成研片进行观察，判断裂纹数量和大小是否制成研片进行观察，判断裂纹数量和大小

18、是否在规定范围之内在规定范围之内（2）侧重使用性能的可焊性试验：）侧重使用性能的可焊性试验： 焊接后的构件经过规定数量的加载，再从指定焊接后的构件经过规定数量的加载，再从指定部位取一定数量的小试件，进行冲击韧性试验，部位取一定数量的小试件，进行冲击韧性试验，看钢材是否变脆。看钢材是否变脆。21:2837钢材的锈蚀、时效以及疲劳均属耐久性问题钢材的锈蚀、时效以及疲劳均属耐久性问题耐久性耐久性 （保持钢材各项性能持久性的能力）（保持钢材各项性能持久性的能力）21:2838钢材的力学性能钢材的力学性能1 1、强度、强度；2 2、塑性、塑性；3 3、冷弯性能、冷弯性能；4 4、冲击韧性；、冲击韧性；5

19、 5、可焊性、可焊性6 6、耐久性、耐久性21:28392.22.2 钢材的两种破坏形式钢材的两种破坏形式及及微观破坏机理微观破坏机理 一、塑性破坏一、塑性破坏二、脆性破坏二、脆性破坏 单向拉伸试验的试件颈缩破坏是典型的单向拉伸试验的试件颈缩破坏是典型的塑性破坏塑性破坏折断一根铸铁棒是典型的折断一根铸铁棒是典型的脆性破坏脆性破坏21:2840一、塑性破坏一、塑性破坏特征特征：破坏历时长，材料变形大，破坏断口参差不齐，破坏历时长，材料变形大，破坏断口参差不齐，色暗，因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维状；色暗，因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维状；微观实质微观实质：铁素体晶粒被铁素体晶粒被剪坏剪坏。二、脆

20、性破坏二、脆性破坏特征特征：破坏发生突然、无预兆，材料变形小，破坏断破坏发生突然、无预兆，材料变形小，破坏断口平齐，晶粒往往在一个面断裂而呈光泽晶粒状；口平齐，晶粒往往在一个面断裂而呈光泽晶粒状；微观实质：微观实质：铁素体晶粒被铁素体晶粒被拉断拉断。破坏特征及微观实质破坏特征及微观实质可以采取补救措施可以采取补救措施无机会补救无机会补救21:2841以结构的某一个（或某些）以结构的某一个（或某些）局部构件破坏为标志局部构件破坏为标志破坏形式破坏形式表现为多种形态表现为多种形态: :强度破坏、稳定破坏、疲劳破坏及脆性断裂（简称强度破坏、稳定破坏、疲劳破坏及脆性断裂（简称“脆断脆断”）结构的破坏结

21、构的破坏均源自均源自钢材的两种基本破坏钢材的两种基本破坏形式形式钢结构钢结构的破坏的破坏！钢材破坏形式钢材破坏形式不同于不同于钢结构的破坏形式钢结构的破坏形式 本章的后继学习中总结导致钢材脆性的主要因素！本章的后继学习中总结导致钢材脆性的主要因素！21:28422.3 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 化学成分，冶金及轧制缺陷、时效、冷加工、化学成分，冶金及轧制缺陷、时效、冷加工、温度、应力集中等温度、应力集中等 21:2843钢：含碳量小于钢：含碳量小于2%的铁碳合金，碳大于的铁碳合金，碳大于2%为铸铁。为铸铁。碳素钢：纯铁（占碳素钢：纯铁（占99%）、碳、杂质（约）、碳、杂质（

22、约1%）组成。）组成。一、化学成分一、化学成分含碳量()1.70.60.10.250工低碳钢中碳钢高碳钢生铁业纯铁工业用钢范围钢结构材料：钢结构材料：低碳钢、低合金结构钢低碳钢、低合金结构钢21:2844有害元素有害元素：氧、氮、硫等非金属元素显著降低钢材：氧、氮、硫等非金属元素显著降低钢材的塑性和韧性；的塑性和韧性；有益元素有益元素：硅、锰、铜、钒、钛、铬、镍、铌等元：硅、锰、铜、钒、钛、铬、镍、铌等元素，在提高钢材强度的同时，并不显著降低钢材素，在提高钢材强度的同时，并不显著降低钢材的塑性和韧性；的塑性和韧性；磷：磷：提高钢材抗锈蚀性能，但显著降低塑性、韧性提高钢材抗锈蚀性能，但显著降低塑

23、性、韧性研究出特殊的冶金工艺，在增加磷含量的同时，减研究出特殊的冶金工艺，在增加磷含量的同时，减少含碳量，以得到强度高、塑性韧性均指标有标准、少含碳量，以得到强度高、塑性韧性均指标有标准、同时具有良好耐腐性能的同时具有良好耐腐性能的高磷钢高磷钢。低合金结构钢低合金结构钢21:2845常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；非金属夹杂；气孔；气孔；裂纹等。裂纹等。（一）冶金（炼）过程（一）冶金（炼）过程二生产过程二生产过程21:2846根据脱氧程度根据脱氧程度镇静钢、半镇静钢和沸腾钢镇静钢、半镇静钢和沸腾钢 脱氧程度依次降低

24、，钢材质量依次下降。脱氧程度依次降低，钢材质量依次下降。3 3种钢材的种钢材的强度强度没有太大差别没有太大差别，相同的冶金工艺条件下，相同的冶金工艺条件下，3 3号镇静钢比号镇静钢比3 3号沸腾钢的屈服点约高号沸腾钢的屈服点约高40Mpa40Mpa；塑性和韧性塑性和韧性的的差别很大差别很大，镇静钢最好，沸腾钢最差。，镇静钢最好，沸腾钢最差。（二）浇铸过程（二）浇铸过程钢结构规范规定钢结构规范规定： 对对Q235钢材宜选用镇静钢和半镇钢材宜选用镇静钢和半镇静钢。对规定情况的结构和构件不应采用沸腾钢。静钢。对规定情况的结构和构件不应采用沸腾钢。21:2847 钢材的热轧在摄氏钢材的热轧在摄氏120

25、01300高温下进行。高温下进行。热轧不仅改变钢的形状及外形，同时改变钢材热轧不仅改变钢的形状及外形，同时改变钢材的内部组织，热压可使钢锭中的气泡、裂纹、的内部组织，热压可使钢锭中的气泡、裂纹、疏松等缺陷焊合，使钢材的金相组织更加致密，疏松等缺陷焊合，使钢材的金相组织更加致密，同时细化钢的晶粒。同时细化钢的晶粒。 轧制次数轧制次数越多，越多，钢材质量钢材质量越好，越好，各项力学性能各项力学性能指标均可得到明显提高。指标均可得到明显提高。（三）轧制过程（三）轧制过程21:2848厚度大的钢材辊轧次数较少而晶粒较粗，与同条厚度大的钢材辊轧次数较少而晶粒较粗，与同条件的较薄钢材比，力学性能指标低些，

26、焊接性能件的较薄钢材比，力学性能指标低些，焊接性能也差。也差。 钢规钢规根据钢板厚度和型钢尺寸，将钢材分根据钢板厚度和型钢尺寸，将钢材分为为3 3组，每组给出不同的设计强度。第一组最薄，组，每组给出不同的设计强度。第一组最薄，设计强度也最高。设计强度也最高。钢规钢规对相同材料的钢材对相同材料的钢材强度进行分组强度进行分组21:2849 冷作硬化冷作硬化当荷载超过材料比例极限卸载后，出现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）提高的残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，称为现象，称为“硬化硬化” ” 。冷加工经常引起硬化现象，。冷加工经常引起硬化现

27、象，也称也称“应变硬化应变硬化” ” 。 时效硬化时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使中析出，使材料硬化的现象材料硬化的现象。三、钢材的硬化三、钢材的硬化冷加工硬化（应变硬化）、时效硬化冷加工硬化（应变硬化）、时效硬化21:2850 钢材的钢材的强度强度会有不同程度的会有不同程度的提高提高， 而而塑性、韧性下降塑性、韧性下降。重要结构重要结构要求：要求：1、对钢材进行、对钢材进行人工时效人工时效，然后测定其冲击韧性，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以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力2、把钢板因剪切而硬化的边缘刨去、把钢板因

28、剪切而硬化的边缘刨去冷作硬化、时效硬化冷作硬化、时效硬化的结果的结果：21:2851 1 1正温范围正温范围 200200以内以内对对钢材性能无大钢材性能无大影响，该范围影响，该范围内随内随温度升高温度升高总的趋势是总的趋势是强强度、弹性模量度、弹性模量降低，塑性增降低，塑性增大。大。8006004002000N/mm2Efufy200400600温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响20406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C)四、温度影响四、温度影响21:2852250左右，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性左右，钢材抗拉强度提高，塑性

29、、韧性下降，下降，-为蓝脆现象。为蓝脆现象。蓝脆现象蓝脆现象当温度继续上升时，钢材的强度开始下降，至当温度继续上升时，钢材的强度开始下降，至600左右钢材的弹性模量几乎下降为左右钢材的弹性模量几乎下降为021:2853当温度低于常温时，当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温钢材的脆性倾向随温度降低而增加，度降低而增加，材料材料强度略有提高，但其强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该塑性和韧性降低，该现象称为现象称为低稳冷脆低稳冷脆。脆性破坏脆性破坏转变过渡区段转变过渡区段塑性破坏塑性破坏反弯点反弯点试验温度试验温度T T0 0C C冲击断裂功冲击断裂功C Cv vT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲

30、线冲击韧性与温度的关系曲线2负温范围负温范围21:2854钢材由钢材由韧性状态韧性状态向向脆性状态脆性状态转变的温度叫转变的温度叫冷脆转变冷脆转变温度温度。工程实践中一般以工程实践中一般以=1525J对应的温度作为冷脆转对应的温度作为冷脆转变温度。该温度值在变温度。该温度值在-80-60之间。之间。冷脆转变温度：冷脆转变温度：21:2855 加载速度过快会导致晶粒间的滑移来不加载速度过快会导致晶粒间的滑移来不及实现，使钢材塑性、韧性下降。如岩及实现，使钢材塑性、韧性下降。如岩石。石。 五、加载速度五、加载速度 六、应力集中六、应力集中七、反复荷载作用（疲劳问题）七、反复荷载作用（疲劳问题）21

31、:28562.4 应力集中对钢材性能的影响应力集中对钢材性能的影响 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力缺陷处有高峰应力缺 口 产 生 的 应 力 集 中点 单 元 体 所 受 正 应 力xxyyzz应力集中程度应力集中程度与与缺口缺口边缘的边缘的尖锐程度尖锐程度密切相关密切相关21:28572.2 影响钢材力学性能的因素缺口产生的应力集中点单元体所受正应力xxyyzz 缺口导致的构件截面应力集中缺口导致的构件截面应力集中 应力集中导致应力集中导致多向拉应力场多向拉应力场21:285

32、82.2 影响钢材力学性能的因素a：在：在x方向应力最大作方向应力最大作用下，单元体沿用下，单元体沿水平方水平方向向有伸长趋势，有伸长趋势， 同时，同时，径向径向有较大的收有较大的收缩趋势，缩趋势，但截面上各点但截面上各点的收缩趋势并不相同。的收缩趋势并不相同。b：A点单元体的收缩趋点单元体的收缩趋势势明显大于明显大于全截面的径全截面的径向收缩趋势向收缩趋势c：单元体的：单元体的径向径向收缩受到收缩受到周边单元的周边单元的约束约束，故故 A点单元体在点单元体在径向径向受到受到拉应力拉应力作用。作用。缺口产生的应力集中点单元体所受正应力xxyyzz x xA点单元体应力分析点单元体应力分析三向受

33、拉三向受拉21:28592.2 影响钢材力学性能的因素根据材力能量强度理论根据材力能量强度理论 ，计算钢材，计算钢材折算应力折算应力塑性状 态弹性状态zszs：yyff)( 3)(2zx2y2xyxzzyyx2z2y2xzs-z三向拉应力三向拉应力使得使得A点的点的折算折算应力应力低于屈服强度，从而处低于屈服强度，从而处于弹性阶段，不能产生塑性于弹性阶段，不能产生塑性变形，使得变形，使得钢材变脆钢材变脆！2zx2zy2yx5 . 0-21:28602.2 影响钢材力学性能的因素高度应力集中高度应力集中多向拉应力场多向拉应力场钢材变脆钢材变脆钢结构钢结构发生脆断或疲劳破坏发生脆断或疲劳破坏通过通

34、过构造措施构造措施最大限度地最大限度地减小应力集中程度减小应力集中程度 综上所述，对于存在拉应力的钢构件：综上所述，对于存在拉应力的钢构件：21:2861粗纹钢筋垫板螺母22粗纹钢筋垫板2螺母2钢套管锚固材料（a）（b）（a）对接焊缝对接焊缝圆弧（c）对接焊缝（b）过渡坡例：对接焊缝连接等厚不等宽钢板例：对接焊缝连接等厚不等宽钢板3种接头种接头 实际工程常采用实际工程常采用（b）形式接头，）形式接头，特殊情况采用特殊情况采用(c）21:28622.5 钢材的疲劳破坏及疲劳计算钢材的疲劳破坏及疲劳计算 21:28631、疲劳破坏？、疲劳破坏？钢材在反复荷载作用下、钢材在反复荷载作用下、“低应力状

35、态低应力状态”下的破坏现下的破坏现象象2、疲劳断裂过程、疲劳断裂过程?微观裂纹形成微观裂纹形成本身具有、高应力区形成本身具有、高应力区形成裂纹缓慢扩展（稳定）裂纹缓慢扩展（稳定）裂缝扩展，应力集中严重裂缝扩展，应力集中严重最后迅速断裂（不稳定）最后迅速断裂（不稳定）截面削弱过多，发生截面削弱过多，发生脆性断裂脆性断裂一、疲劳破坏现象一、疲劳破坏现象裂纹源裂纹扩展区最后脆断区21:28642.2 影响钢材力学性能的因素裂纹源裂纹扩展区最后脆断区裂纹源裂纹源 裂纹扩展区：裂纹扩展区：平滑平滑，有迹线；，有迹线；脆性脆性破坏区：破坏区：平齐，晶粒状。平齐，晶粒状。 3、断口特征：、断口特征：21:2

36、8652.2 影响钢材力学性能的因素受反复荷载作用受反复荷载作用循环次数循环次数N105(10万次万次)，4、发生条件？、发生条件？应力循环次数应力循环次数N5104，不需要进行疲劳计算不需要进行疲劳计算。应力集中程度较高应力集中程度较高材料冶金、轧制缺陷：材料冶金、轧制缺陷：构件缺口处：内部孔洞、边缘切口、截面突变处构件缺口处：内部孔洞、边缘切口、截面突变处焊接过程中的几何缺陷：微观裂缝、孔洞、夹渣焊接过程中的几何缺陷：微观裂缝、孔洞、夹渣存在拉应力存在拉应力 只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易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

37、算。开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。21:2866 “缺口缺口”处处高应力区局部点塑变硬化导致高应力区局部点塑变硬化导致疲劳微裂疲劳微裂纹纹，微裂纹在反复拉应力作用下发展为，微裂纹在反复拉应力作用下发展为宏观裂纹宏观裂纹，并不断扩展削弱构件截面，当截面削弱至某一程度，并不断扩展削弱构件截面，当截面削弱至某一程度，构件在新的一次加载中因强度不足而破坏。构件在新的一次加载中因强度不足而破坏。宏观裂纹发展微裂纹宏观裂纹缺口塑变硬化脆性破坏应力集中不断加剧高应力集中缺陷缺陷 微观裂纹微观裂纹 宏观裂纹宏观裂纹 脆性破坏脆性破坏5、破坏机理：、破坏机理：21:28672、疲劳强度的大小与应力

38、循环次数、疲劳强度的大小与应力循环次数N 有关。当循环有关。当循环次数为无穷大时，所对应的疲劳强度称为次数为无穷大时，所对应的疲劳强度称为。 工程实践上一般将工程实践上一般将N2106所对应的疲劳强度称所对应的疲劳强度称为为疲劳强度极限疲劳强度极限。1、对应某特定的应力循环次数，构件截面所能承受、对应某特定的应力循环次数，构件截面所能承受的最大应力称为的最大应力称为二、 钢材的疲劳强度钢材的疲劳强度21:2868（1 1）应力循环）应力循环（2 2）应力循环特征）应力循环特征应力比应力比)92(maxmin- - )102(1- - -构件截面应力构件截面应力随时间的变化。随时间的变化。三、

39、几个基本概念几个基本概念21:2869)112(minmax- - - 在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，次循环，最大应力最大应力与与最小应力最小应力之差之差为应力幅为应力幅: :为常量为常量 常幅循环：常幅循环：为变量为变量 变幅循环：变幅循环： +-t t（3）应力幅）应力幅21:2870(b)(b)脉冲循环脉冲循环(a)(a)完全对称循环完全对称循环(c)(c)不完全对称循环不完全对称循环(d)(d)不完全对称循环不完全对称循环21:2871-切割，轧制边）残余应力（焊接，火焰应力集中构造缺陷材料内部缺陷缺陷四四.影响钢材

40、疲劳的主要因素影响钢材疲劳的主要因素2、循环次数、循环次数N： 疲劳强度与疲劳强度与N N 成反比；成反比；N N值越大，疲劳强度越低值越大，疲劳强度越低；与与：反映荷载变化情况反映荷载变化情况1、应力集中应力集中程度越高，程度越高，疲劳强度越低；疲劳强度越低；21:2872（1 1）构件和连接的分类）构件和连接的分类规范将构件和连接的种类分为规范将构件和连接的种类分为 8类类，第第1类类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第第8类类为角焊缝应力集中最严重，疲劳强度最低。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详见钢结构设计规范“疲

41、劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类（附录（附录7）”。缺陷不同缺陷不同21:2873（2 2）应力幅（应力幅（）和应力循环特征（应力比）和应力循环特征（应力比）fyfyfyfyfyfy21:2874ffyy maxminmax焊缝附近主体金焊缝附近主体金属的应力由：属的应力由：实际应力循环实际应力循环均形成在均形成在拉应力拉应力范围范围min - - yfA. 对于焊接结构：对于焊接结构： 应力幅应力幅对焊接结构的疲劳强度有对焊接结构的疲劳强度有很大很大影响影响，而焊接结构的疲劳强度与名义最大，而焊接结构的疲劳强度与名义最大应力应力maxmax和应力比和应力比关系不密切关系不密切。

42、21:2875B. 对于对于非焊接结构非焊接结构和轧制钢材和轧制钢材对于非焊接结构和轧制钢材，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度疲劳强度与与最大应力、最大应力、应力比、循环次数和缺口效应应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集（构造类型的应力集中情况）有关。中情况）有关。21:2876 由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与与构件和连接分类构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应（内部缺陷、应力集中、残余应力）、力）、应力循环次数应力循环次数和和应力幅应力幅有关。有关。 焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度焊接部位的疲劳强度与钢材的静

43、力强度(屈服点屈服点fy)基本无关。基本无关。钢材的疲劳强度影响因素钢材的疲劳强度影响因素 小结小结21:2877五、疲劳强度计算五、疲劳强度计算（一）常幅疲劳（一）常幅疲劳 根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅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与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回的关系曲线，按试验数据回归的归的-N-N曲线为平均曲线曲线为平均曲线( (图图a)a)，取对数坐标，取对数坐标( (图图b)b)。1.1.容许应力幅容许应力幅容许应力幅容许应力幅21:2878-N-N曲线曲线(a)0N)142()lg(lg1- - - bN )152(10:11-

44、 - CNb 即即式中：式中：-直线对纵坐标的斜率；直线对纵坐标的斜率； b b1 1-直线在横轴坐标上的截距；直线在横轴坐标上的截距； N-循环次数。循环次数。(b)0NlgN=5104N=5X106 lg.b b1 121:2879 考虑试验数据的离散性，取平均值减去考虑试验数据的离散性，取平均值减去2 2倍倍lgNlgN的标准差的标准差 s s 作为疲劳强度下限，当作为疲劳强度下限，当lglg为正态分为正态分布时，保证率为布时，保证率为97.7%97.7%。下限值的直线方程为：下限值的直线方程为：)lg(2)lg(lg21 - - - - - bsbN2S2S 2S2S(b)0NlgN=

45、5104N=5X106 lg.b b1 1 )162(10:2- - CNb 即即)172(1- - NC系数系数、c c根据钢结构设计规范根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类疲劳计算的构件和连接分类”查查得得21:288021:28812.2.疲劳强度计算疲劳强度计算)182(- - 式中：式中：-计算部位的应力幅；计算部位的应力幅； 对于焊接部位对于焊接部位: : =maxmax-minmin； 对于其他部位：对于其他部位：=maxmax-0.7-0.7minmin( (计算应力幅）计算应力幅）maxmax、minmin-计算部位每次应力循环中的最大拉应力和计算部位每次应力循环中的

46、最大拉应力和 最小拉应力或压应力（取负值）。最小拉应力或压应力（取负值）。说明：说明： 1 1）计算时用荷载的标准值；）计算时用荷载的标准值； 2 2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算 时不再考虑动力系数；时不再考虑动力系数；21:2882（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数（二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数maxmin0t)192(6102- - nf 欠载效应系数欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车。重级工作制硬钩吊车1.01.0；重；重级工作制软钩吊车级工作制软钩吊车0.80.8；中级工作制吊车；中级工作制吊车0.50.5。 f -循环次数循环次数 N=2

47、X10N=2X106 6 的容许应力幅。的容许应力幅。6102 n 式中：式中：对于吊车梁：对于吊车梁：21:2883 1 1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉、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，例如应力的部位，例如maxmax=140N/mm=140N/mm2 2,minmin=-10N/mm=-10N/mm2 2和和maxmax=10N/mm=10N/mm2 2,minmin=-140N/mm=-140N/mm2 2 两种应力循环的应力两种应力循环的应力幅都是幅都是150N/mm150N/mm2 2 ，疲劳强度相同，显然不合理。，疲劳强度相同，显然不合理。 2

48、 2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很、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，应予低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。补充。思考思考:21:2884桥梁规范桥梁规范（TB10002.2-2005TB10002.2-2005）应力幅准则）应力幅准则焊接构件和连接疲劳检算公式：焊接构件和连接疲劳检算公式：1）疲劳应力为拉-拉构件或以拉为主的拉-压构件，1maxmin-， 0minmaxtndrrr- （2-9） 式中 max，min最大、最小计算应力，拉力为正，压力为负； 0疲劳容许应力幅；dr双线桥的双线系数； nr损伤修正系数

49、；tr板厚修正系数。 21:2885对于非焊接结构及连接：对于非焊接结构及连接：1） 疲 劳 应 力 为 拉 -拉 构 件 ，0maxmin， 0minmaxtndrrr- （ 2-11） 式 中 符 号 含 义 同 式 （ 2-9） 。 2） 疲 劳 应 力 为 拉 -压 的 构 件 ，0maxmin 0maxptndrrrr （ 2-12） 式 中 符 号 含 义 同 式 （ 2-10） 。 21:2886钢规钢规疲劳检算公式（应力幅）疲劳检算公式（应力幅）)182(- - 式中：式中： -计算部位的应力幅；计算部位的应力幅； 对于焊接部位对于焊接部位: : =maxmax-minmin；

50、 对于其他部位：对于其他部位：=maxmax-0.7-0.7minmin( (计算应力幅）。计算应力幅）。 maxmax、minmin-计算部位每次应力循环中的最大拉应力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）。和最小拉应力或压应力（取负值）。21:2887一、钢的种类一、钢的种类 1 1、碳素结构钢（、碳素结构钢（GB/T 700-88GB/T 700-88）-低碳钢牌号低碳钢牌号 Q235-Q235-质量等级（质量等级（A A、B B、C C、D D） 浇注方法（浇注方法（F F、b b、Z Z、TzTz） A-A-保证保证f fu u、f fy y、，P P、S

51、S含量含量 B-B-保证保证f fu u,f,fy y, ,冷弯，常温时冷弯，常温时C Cv v，P P，S S，C C含量；含量； C-C-保证保证 f fu u,f,fy y, ,冷弯冷弯,0,0o oC C时时C Cv v，P P，S S，C C含量含量; ; D- D-保证保证f fu u,f,fy y, ,冷弯冷弯,-20,-20o oC C时时C Cv v，P P，S S，C C含量含量; ;2.6 钢材的种类和规格钢材的种类和规格21:28882.2.低合金钢低合金钢(GB/T 1591-94)(GB/T 1591-94)GB/T 1591-94GB/T 1591-94Q295Q

52、390Q345Q420相应的钢材品种相应的钢材品种（GB/T 1591-94)GB/T 1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTiRE 低合金钢的质量等级分低合金钢的质量等级分A A、B B、C C、D D、E E，其中，其中E E主要是要求主要是要求-40-400 0 C C 的冲击韧性。的冲击韧性。21:2889 某种某种合金元素的含量合金元素的含量1.5，则只注明元素，不注含，则只注明元素，不注含量量; 当含量分别大于当含量分别大于1.5、2.5，则元

53、素后分别标注，则元素后分别标注2、3等数字。等数字。低合金钢号的前面数字表示低合金钢号的前面数字表示平均含碳量平均含碳量的万分数。如：的万分数。如：15MnV（15锰钒钢）：平均含碳量锰钒钢）：平均含碳量0.15，锰、钒含量，锰、钒含量均小于均小于1.5。16Mn（16锰钢）：平均含碳量锰钢）：平均含碳量0.16，锰含量小于，锰含量小于1.5。低合金钢低合金钢 标注：标注：21:2890 16Mn（16锰钢，屈服点锰钢，屈服点340Mpa）、）、15MnV（屈服点（屈服点450Mpa）。桥梁结构由于承受荷载较大，已基本不）。桥梁结构由于承受荷载较大，已基本不用碳素钢，而用强度更高的低合金钢。可

54、节约钢材用碳素钢，而用强度更高的低合金钢。可节约钢材和减小结构自重和减小结构自重1525。n桥梁、船体、压力容器、锅炉桥梁、船体、压力容器、锅炉等结构等结构 因荷载的特因荷载的特殊性、自身安全性等原因，对钢材有更高的质量要殊性、自身安全性等原因，对钢材有更高的质量要求，需专门供料。在钢号末尾加添汉字求，需专门供料。在钢号末尾加添汉字“桥桥”、“船船”、“容容”、“锅锅”的汉语拼音第的汉语拼音第1个字母，就个字母，就形成了上述专用钢材的钢号。例如，形成了上述专用钢材的钢号。例如，16Mnq表示桥表示桥梁用梁用16锰钢。锰钢。应用：应用：21:2891二、钢材的选择二、钢材的选择（一）选择钢材的原

55、则一）选择钢材的原则1 1结构或构件的类型与重要性结构或构件的类型与重要性21:2892静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235Q235钢材。钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。2荷载性质（静力荷载，动力荷载）；荷载性质（静力荷载，动力荷载）；3连接方法（焊接连接、螺栓连接）；连接方法（焊接连接、螺栓连接）；焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。的要求可降低一些。21:28934结构所处的工作条件（环境温度

56、，腐蚀等）；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低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢5. 结构形式与钢材的厚度；结构形式与钢材的厚度；厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。6、结构的受力性质。、结构的受力性质。21:2894物尽其用物尽其用尽量避免大材小用尽量避免大材小用绝对不可小材大用绝对不可小材大用 选材总原则：选材总原则：21:2895（二）钢材选择建议（二）钢材选择建议1 1、承重结构的钢材宜采用、承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢钢和和Q4

57、20Q420钢，其质量应分别符合国家标准钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构碳素结构钢钢GB/T700GB/T700和和低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关规定。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。标准的规定和要求。 2 2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服、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。碳量的合格保证。21:2896 应具有常温冲击韧性的合格保证应具有常温冲击韧性的

58、合格保证；当结构工作温度等当结构工作温度等于或低于于或低于00但高于但高于2020时，时，Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具钢应具有有00冲击韧性合格的保证冲击韧性合格的保证； 对于对于Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应钢应具有具有2020冲击韧性的合格保证冲击韧性的合格保证。 当结构工作温度当结构工作温度等于或低于等于或低于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证；冲击韧性的合格保证； 对对Q390Q390和和Q420Q420钢应具有钢应具有4040冲击韧性的合格保证冲击韧性的合格保证。 3、对于需要验算疲劳

59、的焊接结构、对于需要验算疲劳的焊接结构21:2897亦应具有常温冲击韧性的合格保证亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度当结构工作温度等于或低于等于或低于2020时，对时，对Q235Q235钢和钢和Q345Q345钢应具有钢应具有00冲击韧性合格的保证；冲击韧性合格的保证；对对Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢应具有钢应具有2020冲击韧性的合格保证。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、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材21:28985 5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。的钢材应具有常温冲