钢结构的材料课件.pdf

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1、第第 二二 章章 一、塑性破坏一、塑性破坏 特征特征： 破坏历时长破坏历时长，材料变形大材料变形大，破坏断口参差不破坏断口参差不 齐齐，色暗色暗，因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维 状状,破坏前有明显的破坏前有明显的塑性变形塑性变形，可以采取补救措可以采取补救措 施施; 微观实质：微观实质： 铁素体晶粒被剪坏铁素体晶粒被剪坏。 单向拉伸试验的试件颈缩破坏是典型的塑性破坏单向拉伸试验的试件颈缩破坏是典型的塑性破坏 2.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 二、脆性破坏二、脆性破坏 特征特征： 破坏发生突然破坏发生突然、无预兆无预兆，材料变形小材料变形小，破坏破坏 断口平齐断

2、口平齐，晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的 晶粒状；晶粒状； 微观实质：微观实质： 铁素体晶粒被拉断铁素体晶粒被拉断。 折断一根铸铁棒是典型的脆性破坏。 2.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 一、一、单向均匀受拉（一次拉伸）时的性能单向均匀受拉（一次拉伸）时的性能 Lo d d 2.22.2钢材的钢材的主要性能主要性能 1 1. .条件：条件：标准试件标准试件（GBGB2282286363），常温常温（2020）下缓慢加下缓慢加 载载，一次完成一次完成。含碳量为含碳量为0 0. .1 1% %0 0. .3 3% %。 标准试件：标准试件：lo o/d=/d=5 5、

3、1010；lo o- -标距；标距；d d - - -直径直径 2.2.阶段划分阶段划分 A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为曲线可以分为五个阶段五个阶段： (1)(1)线性弹性阶段线性弹性阶段(OA(OA段段) ) OAOA段材料处于线性弹性，即段材料处于线性弹性，即: :E 卸载时，卸载时，=0=0； E=206E=20610103 3N/mmN/mm2 2 u O A E B C D A E y ( (2 2) )非线性弹性阶段非线性弹性阶段 (AB(AB段段) ) 该段很短该段很短, ,表现出非表现出非 线性弹性性质线性弹性性质; ; 图2-2 （3 3）屈服阶段屈服阶段（B

4、CD)BCD) u O A E B C D A E y 该段称为屈服该段称为屈服 台阶或流幅段台阶或流幅段, , 基本保持不基本保持不 变变（水平水平),), 急剧增大急剧增大，变变 形模量形模量E E = = 0 0； B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限 ( (屈服点屈服点) ) 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，钢材内部钢材内部 晶粒重新排列晶粒重新排列，原晶格结构中的空位在晶粒滑移中被原晶格结构中的空位在晶粒滑移中被 逐渐补齐逐渐补齐。一个更为完善的晶格结构取代了原有的一个更为完善的晶格结构取代了原有的、 有缺陷的晶格结构有缺陷的晶

5、格结构。 （4 4）强化阶段强化阶段(DE(DE段段) ) 由于晶粒已经重由于晶粒已经重 新排列新排列，钢材以钢材以 新的内部结构形新的内部结构形 式抵抗外力式抵抗外力，承承 载能力有不同程载能力有不同程 度的提高度的提高。该阶该阶 段末尾对应的应段末尾对应的应 力值为极限强度力值为极限强度 极限抗拉强度极限抗拉强度 f fu u；随荷载的增；随荷载的增 加加缓慢增大缓慢增大, ,但但 增加较快增加较快。 u O A E B C D A E y （5 5）颈缩阶段颈缩阶段(EF(EF段段) ) u O A E B C D A E y 当试件最薄弱截面的应力达到极限强度时当试件最薄弱截面的应力达

6、到极限强度时，该截面将该截面将 出现横向收缩出现横向收缩，同时塑性变形迅速增大同时塑性变形迅速增大，这种现象称为颈这种现象称为颈 缩缩。该阶段中该阶段中，曲线给出的名义应力不断下降曲线给出的名义应力不断下降，而实际应而实际应 力值仍在不断上升力值仍在不断上升，并出现较为复杂的应力状态并出现较为复杂的应力状态。 B.B.对无明显屈服点的钢材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。形小，破坏突然。 设计时取相当于设计时取相当于 残余变形为残余变形为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点作为屈服点条条

7、 件屈服点件屈服点 fy=f0.2 0.2% fu p 3.3.钢材的工作特性钢材的工作特性(P18)(P18) 1)f1)fy y与与f fb b （比例极限）相差 （比例极限）相差 很小；很小； 2)2)超过超过 f fy y到屈服台阶终止到屈服台阶终止 的变形约为的变形约为2.5%2.5%-3%3%，足以，足以 满足考虑结构的塑性变形发满足考虑结构的塑性变形发 展的要求。展的要求。 A A：应力应变曲线的简化：应力应变曲线的简化钢材可以简化为钢材可以简化为理想理想 弹塑性体，原因有二：弹塑性体，原因有二： 2.5%-3% fy 0 0.15% B B：钢材在静载作用下：钢材在静载作用下：

8、 强度计算以强度计算以f fy y为依据；为依据；f fu u为结构的安全储备。为结构的安全储备。 f fy y/f/fu u为屈强比，为屈强比， 其值越低，钢材的安全储备愈大。其值越低，钢材的安全储备愈大。 C C：断裂时变形约为弹：断裂时变形约为弹 性变形的性变形的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，塑性变形， 可及时补可及时补 救，不致引发严重的救，不致引发严重的 后果。后果。 O 0.15% 22% fu fy f fu u- -f fy y 4.4.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 （1 1）屈服点屈服点f fy y-

9、应力应变曲线开始产生塑性流动应力应变曲线开始产生塑性流动 时对应的应力时对应的应力，它是衡量钢材的它是衡量钢材的承载能力承载能力和确定钢和确定钢 材材强度设计值强度设计值的重要指标的重要指标。无论是极限状态法还是无论是极限状态法还是 容许应力法容许应力法，屈服点都是确定材料抗力的依据屈服点都是确定材料抗力的依据。 （2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u-应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应 力力，它是钢材最大的抗拉强度它是钢材最大的抗拉强度。 Lo d NN N L d N （3 3）伸长率）伸长率 )12(%100 0 0 l ll )22(%100 0 10 A AA （4

10、 4）断面收缩率）断面收缩率 它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。 当当l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，当表示，当l0 0/d=10/d=10时，用时，用10 10表示。 表示。 A0 A1 （b b）重复加载前有一定间歇时期重复加载前有一定间歇时期，屈服点提高屈服点提高，韧性韧性 降低降低，极限强度稍有提高极限强度稍有提高时效现象时效现象。 1 1：反复应力：反复应力y f 材料处于弹性阶段，材性无变化，没有残余变形。材料处于弹性阶段，材性无变化，没有残余变形。 2 2：反复应力：反复应力y f 材料处于弹塑性阶段材料处于弹塑性阶段， 重复

11、应力和反复应力引起塑性变形增长重复应力和反复应力引起塑性变形增长 （a a）重复加载是在卸载后马上进行，应力应变曲线不变。）重复加载是在卸载后马上进行，应力应变曲线不变。 （c c）反复反复加载，钢材的强度下降加载，钢材的强度下降钢材疲劳钢材疲劳。 二、单轴反复应力作用下的工作性能 222222 3 zxyzxyxzzyyxzyxzs 在三向应力在三向应力（立体应力立体应力）作用下作用下，用用折算应力折算应力 (Mise应力应力)和钢材在单向应力时的屈服点相比较来和钢材在单向应力时的屈服点相比较来 判断是否由弹性状态变为塑性状态判断是否由弹性状态变为塑性状态（屈服屈服）。 yzs f 钢材处于

12、弹性阶段钢材处于弹性阶段 yzs f 钢材处于塑性阶段钢材处于塑性阶段 三、钢材在复杂应力作用下的工作性能 说明：说明： 纯剪状态下，当剪应力达到屈服点的0.58倍时，钢材 进入塑性。各国规范以此为据确定钢材的抗剪强度。 钢规：抗剪设计强度fv=0.58fy 不同应力条件下不同应力条件下，应力应力应变曲线不应变曲线不同：同： 曲线曲线（1）双向受拉；双向受拉； 曲线曲线（2）单向受拉；单向受拉； 曲线曲线（3）为一向受拉为一向受拉， 一向受压；一向受压； 可见不同应力条件可见不同应力条件， 对材性影响不同对材性影响不同，三向受三向受 拉作用下拉作用下，钢材的伸长率钢材的伸长率 比双向受拉还进一

13、步下降比双向受拉还进一步下降， 甚至趋向于零甚至趋向于零，表现为脆表现为脆 性破坏性破坏。 为最大主应力，为最大主应力， 为为主应变主应变 定性来讲：定性来讲： 1.1.较高的抗拉强度较高的抗拉强度fu u和屈服点和屈服点fy y； 2.2.足够的变形能力：较好的足够的变形能力：较好的塑性、韧性塑性、韧性； 3.3.良好的加工性能：即良好的加工性能：即工艺性能工艺性能（冷、（冷、 热加工，可焊性）；热加工，可焊性）； 4.4.对环境的良好适应性。对环境的良好适应性。 四、四、钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 （一）、强度（一）、强度 （1 1）屈服点屈服点f fy y-衡量钢材的衡量钢材的

14、承载能力承载能力和确定钢材和确定钢材强强 度设计值度设计值的重要指标。的重要指标。 （2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u-钢材最大的抗拉强度。钢规规钢材最大的抗拉强度。钢规规 定结构钢材必须有定结构钢材必须有的强屈比。的强屈比。 2 . 1 yu ff 各项衡量指标各项衡量指标 （二）、塑性性能（二）、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） 塑性塑性是结构钢最重要的指标。是结构钢最重要的指标。 如果钢材的强度偏低，可以用增大截面尺寸，如果钢材的强度偏低，可以用增大截面尺寸， 降低设计应力的措施予以弥补；降低设计应力的措施予以弥补； 如果钢材的塑性差，则不能用作结构钢

15、（例如如果钢材的塑性差，则不能用作结构钢（例如 铸铁、生铁）。铸铁、生铁）。 （二）、塑性性能（二）、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） 衡量指标衡量指标： 单向拉伸试验确定的伸长伸长（延伸延伸）率和断面收缩率率和断面收缩率： %100 0 0 l ll %100 0 10 A AA （三）、冷弯性能（三）、冷弯性能 衡量钢材塑衡量钢材塑 性性能和冶性性能和冶 金质量优劣金质量优劣 的综合指标。的综合指标。 a d d+2.1a （四）、冲击韧性（四）、冲击韧性（钢材在破坏过程中消耗机械功的能力）（钢材在破坏过程中消耗机械功的能力） 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复

16、杂应力作用衡量钢材在动力（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）来表示，称为韧性。（弹性和非弹性）来表示，称为韧性。 韧性指标由冲击试验获得韧性指标由冲击试验获得 ：梅氏试件梅氏试件、夏比试件夏比试件 二者二者的区别是槽口的形状：的区别是槽口的形状： 前者为前者为U形形槽口槽口， 后者是后者是V形形槽口槽口。 由试件断裂吸收的能量由试件断裂吸收的能量CvCv来衡量钢材的冲击韧性，来衡量钢材的冲击韧性， 是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力， 是强度和塑

17、性的综合表现。韧性指标用冲击韧性是强度和塑性的综合表现。韧性指标用冲击韧性 值值k表示。表示。 (a)(a)梅氏梅氏U U型缺口型缺口(b)(b)夏氏夏氏V V型缺口型缺口 开槽口的目的：开槽口的目的： 为了产生较复杂的应力状态，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，所得 的冲击韧性指标也更严格、科学。 冲击韧性值K 槽口处的断面面积An 冲击功AK 21 hhWK W为摆锤重 h1为冲断前摆锤高度 h2为冲断后摆锤高度 K受温度的影响受温度的影响，故冲击韧性指故冲击韧性指 标根据温度分四档标根据温度分四档。+ +2020 ，0 0， - -2020 ，- -4040 n K

18、 K 焊接相当于一个局部冶金过程，钢材的金相组织将 在这一过程中发生某些变化，可能影响钢材的性能。 要求钢材具有可焊性可焊性：钢材经过焊接后，仍能具有 必需的塑性和韧性（强度一般不会降低）。 可焊性好指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊 接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的延伸性 （塑性）和力学性能都不低于母材。 （五）、可焊性（五）、可焊性 钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力钢材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： 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 在规定范围之内。 （2）侧重使用性能的可焊

19、性试验： 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， 看钢材是否变脆。 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 （六）、耐久性（六）、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） 时效的概念：时效的概念： 在纯铁体中常留有一些数量极少的碳和氮的在纯铁体中常留有一些数量极少的碳和氮的 固熔物质固熔物质，随着时间的增加随着时间的增加，这些固熔物质逐渐这些固熔物质逐渐 从纯铁体中析出从纯铁体中析出， 并形成自有的碳化物和氮化并形成自有的碳化物和氮化 物微粒物微粒， 散布在晶粒的滑移面上散布在

20、晶粒的滑移面上，起着阻碍滑起着阻碍滑 移的强化作用移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形约束纯铁体发展塑性变形，称为称为 时效现象时效现象。 时效使钢材强度时效使钢材强度（屈服点和抗拉强度屈服点和抗拉强度）提高提高， 塑性降低塑性降低，特别是冲击韧性大大降低特别是冲击韧性大大降低，钢材变脆钢材变脆。 在交变荷载在交变荷载（振动荷载振动荷载）、重复荷载和温度重复荷载和温度 变化等情况下变化等情况下，容易引起时效容易引起时效。 钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标 1 1：强度：强度屈服点，抗拉强度（屈强比）屈服点，抗拉强度（屈强比） 2 2：塑性：塑性（伸长率和断面收缩率）（伸长率和断面收缩率）

21、3 3：冷弯性能：冷弯性能通过冷弯试验检测其塑性和冶通过冷弯试验检测其塑性和冶 金质量；金质量； 4 4：冲击韧性：冲击韧性冲击韧性值冲击韧性值= =冲击功冲击功/ /断面面积断面面积 5 5：可焊性：可焊性抗裂性试验（裂纹数量和大小）抗裂性试验（裂纹数量和大小） 或焊接构件的冲击韧性试验（是否变脆）或焊接构件的冲击韧性试验（是否变脆） 6 6：耐久性：耐久性 抗锈蚀、时效和疲劳等方面抗锈蚀、时效和疲劳等方面 一一、化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中FeFe约占约占9999% %，此外还有其他元素此外还有其他元素；其；其 中有益的碳中有益的碳、硅硅、锰等锰等，以及合金元素如矾以及合金元

22、素如矾，其总量其总量 1 1. .5 5% %，有害的硫有害的硫、磷磷、氧氧、氮等总量不超过氮等总量不超过1 1。 1. 1. 碳（碳（C C）：钢材强度的主要来源，：钢材强度的主要来源，随其含量增加，随其含量增加， 强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一一 般控制在般控制在0.22%0.22%以下，以下， 在在0.20.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。 钢结构常用的钢结构常用的Q235Q235属低碳钢，含碳量为属低碳钢，含碳量为0.140.140.220.22。 含碳量()1.70.60.10.250 工 低碳钢中碳钢高碳钢生

23、铁 业 纯 铁 工业用钢范围 2.3 2.3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2 2. .硫硫（S S）：有害元素有害元素，热脆性热脆性。不得超过不得超过0 0. .0505% %。 3 3. .锰锰（MnMn）：合金元素合金元素。弱脱氧剂弱脱氧剂。与与S S形成形成MnSMnS， 熔点熔点16001600，可以消除一部分可以消除一部分S S的有害作用的有害作用。 4 4. .硅硅（SiSi）：合金元素合金元素。强脱氧剂强脱氧剂。 5 5. .磷磷（P P）：具有冷脆性具有冷脆性。一般不得超过一般不得超过0 0. .045045% %。 对钢材具有十分显著的强化作用对钢材具有

24、十分显著的强化作用，同时可以提高钢材同时可以提高钢材 抗锈蚀性能抗锈蚀性能，但也显著降低钢材的塑性但也显著降低钢材的塑性、韧性和可焊韧性和可焊 性性。为利用磷的这一特点为利用磷的这一特点，国外已研究出特殊的冶金国外已研究出特殊的冶金 工艺工艺，在增加磷含量的同时在增加磷含量的同时，减少含碳量减少含碳量，以得到强以得到强 度高度高、塑性韧性均满足指标塑性韧性均满足指标、同时具有良好耐腐性能同时具有良好耐腐性能 的高磷钢的高磷钢。 7 7. .氧氧（O O）：有害杂质：有害杂质，与与S相似相似。 8 8. .氮氮（N N）：有害杂质：有害杂质，与与P相似相似。 9 9. .铜铜（CuCu）：提高抗

25、锈蚀性：提高抗锈蚀性，提高强度提高强度，对可对可 焊性有影响焊性有影响。 6.6.钒（钒（V V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，：合金元素。细化晶粒，提高强度， 其碳其碳化物化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的具有高温稳定性，适用于受荷较大的 焊接结构。焊接结构。 有害元素：有害元素： 氧、氮、硫氧、氮、硫等非金属元素显著降低钢材的塑性和韧性等非金属元素显著降低钢材的塑性和韧性； 适量适量添加可有效提高钢材强度的元素：添加可有效提高钢材强度的元素： 硅、锰、铜、钒、钛、铬、镍、铌硅、锰、铜、钒、钛、铬、镍、铌等元素在提高钢材等元素在提高钢材 强度的同时，并不显著降低钢材的塑性和韧性强度的同时

26、，并不显著降低钢材的塑性和韧性； 了解一下各化学成分的对钢材了解一下各化学成分的对钢材 性能的影响以及大致含量性能的影响以及大致含量 二冶金过二冶金过程（程（P372.8.2） 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。 冶金方法有：冶金方法有： 碱性平炉炼钢碱性平炉炼钢法（平炉钢）法（平炉钢） 顶吹氧气转炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法（转炉钢，生（转炉钢，生产效率高，原产效率高，原 料适应性强）；料适应性强）； 碱性侧吹转炉炼钢法（质量碱性侧吹转炉炼钢法（质量差，淘汰）；差，淘汰

27、）； 根根据据浇铸浇铸过程中脱氧程度：过程中脱氧程度： 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，钢材质量依次下降。 沸腾钢用锰作为脱氧剂，一氧化碳气体逸出的同时沸腾钢用锰作为脱氧剂，一氧化碳气体逸出的同时 带走热量，使钢在钢锭模中冷却很快；成品率高；带走热量，使钢在钢锭模中冷却很快；成品率高； 镇静钢用硅作为脱氧剂，硅还原氧化铁，脱氧充分，镇静钢用硅作为脱氧剂，硅还原氧化铁，脱氧充分， 钢液缓慢冷却，液面平静，组织致密，但成品率低；钢液缓慢冷却，液面平静，组织致密，但成品率低； 此此外，特殊镇静钢进一步减少钢中的有害氧化物，外，特殊镇静钢进一步减少钢中的有害氧化物，

28、 明显改善各种力学性能，提高钢材的可焊性。明显改善各种力学性能，提高钢材的可焊性。 3种钢材的强度强度没有太大差别，相同的冶金工艺条件 下，3号镇静钢比3号沸腾钢的屈服点约高40Mpa； 塑性和韧性的差别很大，镇静钢最好，沸腾钢最差。 三、轧制过程三、轧制过程 钢材的热轧在摄氏12001300高温下进行。 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、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。 轧制次数越多轧制次数越多，钢材质量越好钢材质量越好，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。 厚度大的钢材辊轧次数较

29、少而晶粒较粗厚度大的钢材辊轧次数较少而晶粒较粗，与同与同 条件的较薄钢材比条件的较薄钢材比，力学性能指标低些力学性能指标低些，焊接性焊接性 能也差能也差。 三、轧制过程三、轧制过程 钢结构规范钢结构规范根据钢板厚度和型钢尺寸，将根据钢板厚度和型钢尺寸，将 钢材分为钢材分为3 3组，每组给出不同的设计强度。第一组，每组给出不同的设计强度。第一 组最薄，设计强度也最高。组最薄，设计强度也最高。 四、钢材的硬化四、钢材的硬化 时效硬化时效硬化随时间的随时间的 增长增长，碳和氮的化合物从晶碳和氮的化合物从晶 体中析出体中析出，形成自由的碳化形成自由的碳化 物和氮化物微粒物和氮化物微粒，散布在晶散布在晶

30、 粒的滑移面上粒的滑移面上，起着阻碍滑起着阻碍滑 移的强化作用移的强化作用，约束塑性变约束塑性变 形形， 使使材料硬化的现象材料硬化的现象， 称时效硬化称时效硬化。 冷作硬化冷作硬化当荷载超过当荷载超过 材料比例极限卸载后材料比例极限卸载后，出出 现残余变形现残余变形，再次加载则再次加载则 比例极限比例极限（或屈服点或屈服点）提提 高的现象高的现象，也称也称“应变硬应变硬 化化”。冷加工过程中常发冷加工过程中常发 生冷作硬化现象生冷作硬化现象。 弹性阶段，重复荷载不影响钢材的工作性 能（疲劳问题除外）； 塑性阶段，重复加载将改变钢材的性能。 冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、冷加工包括剪、冲、

31、辊、压、折、钻、 刨、铲、撑、敲等，分为二种基本情况：刨、铲、撑、敲等，分为二种基本情况： 第一种情况第一种情况是作用于钢材的外是作用于钢材的外 力力超过超过屈服点而屈服点而小于小于极限强度，只使其极限强度，只使其 产生永久变形而不破坏钢材的连续性产生永久变形而不破坏钢材的连续性， 如辊压、折、轧、矫正等；如辊压、折、轧、矫正等； 第二种情况第二种情况是作用于钢材上的是作用于钢材上的 外力外力超过超过极限强度，使钢材极限强度，使钢材产生断裂产生断裂， 如剪、冲、刨、钻等。如剪、冲、刨、钻等。 冷作硬化、冷作硬化、时效硬化、时效硬化、应变时效应变时效的结果： 钢材的强度会有不同程度的提高， 而塑

32、性、韧性下降。 重要结构要求：重要结构要求： 1、对钢材进行人工时效对钢材进行人工时效，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、重要结构把钢板因剪切而硬化的边缘刨去；重要结构把钢板因剪切而硬化的边缘刨去； 应变时效硬化应变时效硬化钢材先产生塑性变形钢材先产生塑性变形，同时碳同时碳、 氮化合物更易析出氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速即冷作硬化的同时可以加速 时效硬化时效硬化，因此也称因此也称“人工时效人工时效”具体：具体： 10%塑性变形，250 oC，保温1小时，空气中冷却，做成 试件，测定人工时效后的性能

33、。 五、温度影响五、温度影响 1 1正温范围正温范围 200200以内对以内对 钢材性能无大钢材性能无大 影响，该范围影响，该范围 内随温度升高内随温度升高 总的趋势是强总的趋势是强 度、弹性模量度、弹性模量 降低，塑性增降低，塑性增 大。大。 800 600 400 200 0 N/mm2 E fu fy 200 400 600 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响 20 40 60 80 % 220 210 200 190 180 170 160 E Ex10x103 3 T(0C) 图2-26 600600 左 右 强 度左 右 强 度 下 降 为 原 来 的下 降 为 原

34、来 的 1 1/ /3 3，弹性模量弹性模量 几乎趋于零几乎趋于零 ， 承载能力几乎完承载能力几乎完 全丧失全丧失。 250250左右抗拉强度略有提高左右抗拉强度略有提高，塑性降低塑性降低，脆性增脆性增 加加热脆热脆（蓝脆表面氧化膜呈蓝色蓝脆表面氧化膜呈蓝色）现象现象，该温该温 度区段称为度区段称为“蓝脆区蓝脆区”。260260320320产生徐变现象产生徐变现象。 800 600 400 200 0 N/mm2 E fu fy 200 400 600 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响 20 40 60 80 % 220 210 200 190 180 170 160 E Ex

35、10x103 3 T(0C) 当温度低于常温时，当温度低于常温时， 钢材的脆性倾向随钢材的脆性倾向随 温度降低而增加，温度降低而增加， 材料强度略有提高，材料强度略有提高， 但其塑性和韧性降但其塑性和韧性降 低，该现象称为低，该现象称为低低 温冷脆温冷脆。 2 2负温范围负温范围 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 T1T2T0 冲击韧性与温度的关系曲线冲击韧性与温度的关系曲线 冷脆转变温度：冷脆转变温度： 钢材由韧性状态向 脆性状态转变的温度，是一段温度区 间而不是某一定值，但实际应用上仍 取某一定值，叫冷脆转变温度冷脆

36、转变温度。 工程实践中一般以冲工程实践中一般以冲 击功（夏比击功（夏比V V形缺口）形缺口） 为为27J27J或取或取0.4A0.4Akmaxkmax时时 对应的温度作为冷脆对应的温度作为冷脆 转变温度。该温度值转变温度。该温度值 在在- -8080- -6060之间之间。 试件取样要注意钢试件取样要注意钢 材轧制方向。冷脆材轧制方向。冷脆 转变温度越低的钢转变温度越低的钢 材其韧性越好。材其韧性越好。 六、应力集中六、应力集中 1 1. .应力集中的概念应力集中的概念 构件表面不平整构件表面不平整，有刻槽有刻槽、缺口缺口，厚度突变时厚度突变时， 应力不均匀应力不均匀，力线变曲折力线变曲折，缺

37、陷处有高峰应缺陷处有高峰应 力力应力集中应力集中。 2.2.应力集中的影响应力集中的影响 3 3、应力集中程度与缺口边缘的尖锐程度密切相关、应力集中程度与缺口边缘的尖锐程度密切相关 在削弱面积相同的情况下，微裂纹造成的应力集中 要比机械孔大的多。对于存在拉应力的钢构件，治理 源头是关键，通过构造措施构造措施最大限度地减小应力集中 程度，这一点至关重要。 4.4.减小应力集中现象的措施减小应力集中现象的措施 0 0时时，为同号应力循环为同号应力循环， = =1 1时时，为静荷载为静荷载。 压应力取负号）压应力取负号） （拉应力取正号，（拉应力取正号， max min 应应力幅力幅 在循环荷载作用

38、下在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次应力从最大到最小重复一次 为一次循环为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅最大应力与最小应力之差为应力幅: : 为常量为常量 常常幅幅 循循 环 ：环 ： 为变量为变量 变变幅幅 循循环：环： + + - - t t minmax 疲劳性能直接与疲劳性能直接与 应力幅有关应力幅有关 疲劳强度的大小与应力循环次数疲劳强度的大小与应力循环次数N N 有关。有关。 工程实践上一般将N2106所对应的 疲劳强度称为疲劳强度极限。 当循环次数为无穷大时，所对应的疲劳强度 称为疲劳强度极限疲劳强度极限。 疲疲劳强度与劳强度与N N成反比成反比； N N值越大

39、，疲值越大，疲劳强劳强度越低度越低； 从断裂力学观点，疲从断裂力学观点，疲劳破坏与裂纹发展速率劳破坏与裂纹发展速率 有有关关；于是提出公式：；于是提出公式： 应力幅应力幅与应力循环次数与应力循环次数N关系关系 其中：其中：c、为与结构连接形式有关的系数为与结构连接形式有关的系数， 该式也反映了该式也反映了容许容许应力幅与循环次数应力幅与循环次数N的关系的关系， 所以疲劳强度的验算转换成了应力幅不超过所以疲劳强度的验算转换成了应力幅不超过 容许应力幅的比较：容许应力幅的比较： 1 N c 1：化学成分： 有害元素？有益元素？如何影响？ 2：冶金过程： 冶金方法决定冶金过程，冶金过程中形成缺陷，

40、浇筑过程决定脱氧程度，影响了钢材质量； 3：轧制过程： 改善钢材的内部组织，轧制的钢材愈小、愈薄， 其强度越高，塑性和冲击韧性愈好。 但轧制后的不均匀冷却会产生残余应力； 4：钢材的硬化： 钢材的强度会有不同程度的提高，而塑性、韧 性下降。 各种因素对各种因素对钢材钢材性能的影响：性能的影响： 5：温度的影响： 正温几个温度段的划分？蓝脆现象？ 低温冷脆现象？ 6：应力集中： 靠近高峰应力区域同号平面或立体应力场，促 使钢材变脆，其他区域的异号的平面或立体应力场， 提前出现塑性变形；且构件形状变化愈急剧，高峰 应力就越大，钢的塑性也降低愈厉害。 7：加载速度： 影响材料的韧性； 8：板厚直径：

41、 内部组织的差别和受力状态的区别； 9：残余应力： 引起材料的脆性破坏； 10：疲劳问题 一、钢的种类一、钢的种类 1 1、碳素结构钢（、碳素结构钢（GB/T 700GB/T 700- -8888）-低碳钢牌号低碳钢牌号 Q235Q235-质量等级：（质量等级：（A A、B B、C C、D D） 浇注方法或脱氧方法：（浇注方法或脱氧方法：（F F、b b、Z Z、TzTz） 数字表示屈服强度的大小，单位为数字表示屈服强度的大小，单位为N/mmN/mm2 2；数字越；数字越 大，表示含碳量越大，强度和硬度越大，塑性越低；大，表示含碳量越大，强度和硬度越大，塑性越低； 交货时提供力学性能保证书和化

42、学成分保证书；交货时提供力学性能保证书和化学成分保证书； A A-保证保证f fu u、f fy y、，P P、S 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A Ak k，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A Ak k ， ，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, ,- -2020o oC C时时A Ak k ， ，P P，S S，C C含量含量; ; Q235BbQ235Bb：屈服强度为：屈服强度为235 N/mm235

43、N/mm2 2 ， ，B B级半镇静钢级半镇静钢 2.52.5钢材的种类和规格钢材的种类和规格 2.2.低合金钢低合金钢(GB/T 1591(GB/T 1591- -94)94) GB/T 1591GB/T 1591- -9494 Q295 Q390 Q345 Q420 相应的钢材品种相应的钢材品种（GB/T 1591GB/T 1591- -88)88) 09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn 12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb 15MnV、15MnTi、16MnNb 15MnVN、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

44、 D、E E，不，不 同等级对冲击韧性（夏比同等级对冲击韧性（夏比V V型缺口试验）的要求型缺口试验）的要求 有区别，其中有区别，其中E E主要是要求主要是要求- -40400 0 C C 的冲击韧性。的冲击韧性。 常 用 Q345B屈服强度为345N/mm2，B级镇静钢； 附录1 附表1-4和1-5； 在低合金钢号中：在低合金钢号中： 某种合金元素的含量某种合金元素的含量60mm)60mm) 扁钢扁钢： 厚度厚度4 4- -60mm60mm， 宽度宽度2020- -200mm200mm。 热轧成型的热轧成型的钢板、型钢和圆钢；钢板、型钢和圆钢； 冷弯（或冷压）成型的冷弯（或冷压）成型的薄壁型

45、钢；薄壁型钢； 热轧成型热轧成型钢管和钢管和冷弯成型冷弯成型焊接钢管。焊接钢管。 ( (二）热轧型钢二）热轧型钢 1.1.工字钢（普通和轻型）工字钢（普通和轻型） 2.2.槽钢（普通和轻型）槽钢（普通和轻型） 工字钢根据截面高度工字钢根据截面高度h h及厚及厚 度分类度分类a(a(或或b b、c)c) I32aI32a：截面高度为：截面高度为320mm320mm， 腹板厚度为腹板厚度为a a类类 QI40QI40：截面高度为：截面高度为400mm400mm的的 轻型工字钢轻型工字钢 槽钢根据截面高度槽钢根据截面高度h h及厚度及厚度 分类分类a(a(或或b b、c)c) Q22aQ22a：轻型

46、槽钢，截面高：轻型槽钢，截面高 度为度为220mm220mm，a a类（腹板较类（腹板较 薄）薄） 3.3.角钢（等边和不等边）角钢（等边和不等边） 肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等肢角钢等肢角钢 1001001010 长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不等肢角钢不等肢角钢 10010080808 4.4.H型钢（热轧和焊接）型钢（热轧和焊接） 热轧分为：热轧分为： 宽翼缘宽翼缘HW、中翼缘、中翼缘HM、窄翼缘、窄翼缘HN、H型钢柱型钢柱HP b h t1 t2 表示方法：表示方法： H高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度 如：如： Hh hb bt t1 1t t2 2 HM340250914：高度：高度340mm，宽度宽度250mm，腹腹 板厚度板厚度9mm，翼缘厚度翼缘厚度14mm，中翼缘中翼缘H型热轧钢型热轧钢。 H340250914：高度：高度340mm，宽度宽度250mm，腹腹 板厚度板厚度9mm，翼缘厚度翼缘厚度14mm，焊接焊接H型钢型钢。 5.T5.T型钢型钢 分为：分为： 宽翼缘宽翼缘T TW、中翼缘、中翼缘T TM、窄翼缘、窄翼缘T TN B h t1 t2 表示方法：表示方法： T高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚度翼缘厚度 如：如： Th hBt t1 1t t2 2 T TN 248199914：高度：高度248mm，宽度宽