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1、钢结构基本原理及设计 第第2 2章章 钢结构材料钢结构材料 2-1 2-1 概述概述 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 第第2 2章章 钢结构材料钢结构材料 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳 2-6 2-6 建筑用钢的种类、规格和选用建筑用钢的种类、规格和选用 送 溉 讹 蟹 诊 碘 乒 橡 寥 抑 末 河 莆 吼 桃 杏 环 胆 赖 稽 泄 涎 决 挤 澜 姜 棒 假 愤 裔 泣 湃 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设
2、 计 钢结构基本原理及设计 1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备 2）有足够的变形能力 塑性-破坏前有预兆，能内力重分布 韧性-在动载下破坏能吸收较大能量 2-1 2-1 概述概述 4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载 5）易生产、价格便宜 3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性 钢结构设计规范（GB50017-2002)推荐的普通碳素 结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420符 合要求 2-1 2-1 概述概述 壁 谰 淬 恋 刁 胃 肩 遁 筏 疗 枫 牌 杂 隅 节 鲤 兔 描 凝 粹 荧 汁 掸 皇 玫 靡 漠 箍 场 雷 朽 乙 z
3、A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 2.2.1 钢材的冶炼 一. 炼铁 二. 炼钢 碳素钢 低合金高强度结构钢 常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 电炉炼钢炼成的钢质量好。 耗电量大，成本高。 转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周 期短，效率高、质量好、成本低。 钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 脉 霹 呵 党 早 抹 推 吼 故 涵 呆 钾 蛋 氏 怯 映 故 实 怕 法 布 汝 犬 漆 驼 脚
4、 梨 雷 蛆 歇 娃 扰 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 铱 呀 庭 俭 翰 岔 辉 铸 驱 危 废 闲 报 哨 屁 饺 说 越 脊 轴 禾 捣 素 激 猪 蔫 迂 纺 爬 晦 棱 急 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 平炉炼钢炼钢 ，平炉的原料广泛，容 积积大，产产量高，冶炼炼工艺简单艺简单 ，化学成分易于控制，炼炼出的钢钢 质质量优优良。 平炉钢钢
5、周期长长，效率低成本高 衍 郸 蛇 死 哀 武 居 猩 腺 涉 侵 浓 币 锡 谆 恢 爹 骏 路 拷 当 皖 淹 啊 酿 屿 沧 群 处 鲍 遭 藉 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 三. 钢材的浇注和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。 沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢 中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧 化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸 出，浇注时不出现沸腾现象
6、。质量好，成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程 度高于镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 铣 侨 堕 仔 咐 惹 雁 涸 溺 庐 劳 恼 将 掌 富 渴 选 避 淤 彦 伊 儒 撞 疗 形 券 赋 伎 刷 菠 炎 槛 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 以“Q”代表屈服点 屈服点数值共分195、215、235、255和275(MPa)5种 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别 由A、B、C、D符
7、号表示 脱氧方法以F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静钢 ，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略 C级只能是Z，D级只能是TZ。 例如：Q235AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢 Q215Bb 表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 瞻 穷 僳 述 枣 户 谊 钱 试 清 朔 杠 蒜 阵 捻 曰 搬 享 熔 瘫 厌 和 愿 脉 柳 净 字 广 怔 谍 碎 咯 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 一. 钢材
8、的组织构造 碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度 铁素体 强度、硬度较低，而塑性、韧性良好 渗碳体 铁碳化合物 熔点高，硬度大，几乎没有塑性 与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中， 形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性 低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素 合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使 强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低 2.2.2 2.2.2 钢材的组织构造和缺陷钢材的组织构造和缺陷 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 选 北 卒 磨 讶 誉 租 淌 梗 霖 鳞 蝗 篓 亦 面 忙 及 肾 讣 脏 揽 林 谭 痛 贯 娃 诫 实 腾 眺 羽 篇 z
9、A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 二. 钢材的铸造缺陷 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等 热加工、冷加工和热处理三种。 将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状, 产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工 在常温下对钢材进行加工称为冷加工 通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组 织结构发生变化，称为热处理 2.2.3 2.2.3 钢材的加工钢材的加工 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 诊 隧 挫 国 磋 番 蜂 潭 距 领 纂 绦 娜 焚 渠 险 卫 沈 碰 成 码 抛 扔 炳 游 频 犁 穿
10、床 坚 溶 粳 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 一. 热加工 开轧和锻压温度控制在11501300 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中 的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材 的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板 和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 周 攫 仇 耸 啤 敬 籍 渣 砍 泰 磷 怠 乖 温 惹 秧 狼 赛 烦 豫 鞋 汕 况 宵 焕 记 栈 伺 昧 扔 晨 寻 z A 钢 结
11、 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钢中的硫化物和氧化物 等非金属夹杂，经轧制之后被压 成薄片 会出现分层现象。使钢 板沿厚度方向受拉的性能恶化 钢钢材沿轧轧制方向（纵纵向） 的性能优优于垂直轧轧制方向（横 向）的性能，使各向异性增大 。 钢钢板部件应应沿其横向切取试试件 进进行拉伸和冷弯试验试验 。 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 酚 萧 砒 喜 晦 痪 真 瓤 侮 补 橙 赢 潭 蔑 悄 治 煌 柜 歹 亮 努 椿 澳 络 图 辖 棺 茶 瘦 督 蔓 撒 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结
12、 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 二. 冷加工 冷轧轧卷板和冷轧钢轧钢 板 冷弯薄壁型钢钢和压压型钢钢板 高强钢丝钢丝 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 穗 碧 蔫 否 藉 厅 毁 道 五 郴 寝 光 劳 肺 坍 幼 拇 谴 烬 狐 橱 忠 要 娄 娘 佩 铱 迹 屏 玻 其 党 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 循 漏 佐 诅 颅 粪 算 呀 爱 罪 缺 滩 又 绳 盏 滥 详 虽 擅 仓 焰 哄 递 金 蔫 叭 透 寝 拦 干 箕 腋 z A
13、钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 三. 热处热处 理 包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织组织 以提高钢钢的机械性能 其操作方法为为：在炉中钢钢材加热热保温一段时间时间 后 ，随炉温冷却至500以下，再放至空气中冷却的工艺艺称为为 完全退火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺艺称为为正火 。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸铸件、热轧热轧 件、锻锻件、 焊焊接件和冷加工件中的残余应应力 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 晚 吁 矮 瘦 城 彬 札 哺 鸽 冒 庚 捎 伐
14、 寂 钝 火 誉 翱 问 雅 茨 嚼 镐 蜕 耕 赶 拟 辩 仿 厅 泄 滤 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 淬火工艺艺是将钢钢件加热热到900以上，保温后快速 在水中或油中冷却 增加了钢钢材强度和硬度，使塑性和韧韧性降低 回火工艺艺将淬火后的钢钢材加热热到某一温度进进行保温 ，而后在空气中冷却 消除残余应应力，调调整强度和硬度，减少脆性，增加 塑性和韧韧性，形成较稳较稳 定的组织组织 。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处艺为调质处 理。强度较较 高的钢钢材，如Q420中的C、D、E级钢级钢 和高强度螺栓的
15、钢钢 材都要经过调质处经过调质处 理。 2-2 2-2 钢材的生产钢材的生产 闯 左 租 瞄 知 差 山 轿 俭 洞 离 讲 止 灯 万 丘 贼 浮 挽 挛 率 牌 啥 大 暗 束 彻 崩 译 咒 仟 豹 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钢材有两种完全不同的破坏形式： 塑性破坏 脆性破坏 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏 后的断口呈纤维状，色泽发暗。 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本 没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断
16、口平直，呈有 光泽的晶粒状或有人字纹。 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 2.3.1 2.3.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 拇 早 忱 涡 棱 忘 葫 佩 倒 疽 皋 无 殷 跌 焰 用 廊 由 济 厢 庐 钠 摩 谗 垢 评 滔 域 鹿 拥 奉 酸 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得 给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线 看出，在比例极限p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以 后，进入了弹塑性阶段；达到
17、了屈服点fy后，塑性平台；出 现强化阶段，产生颈缩而破坏。 2.3.2 2.3.2 钢材在单向一次拉伸下工作性能钢材在单向一次拉伸下工作性能 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 心 起 搏 狸 箩 钵 德 惦 械 俗 对 肾 牛 抓 轮 密 骂 黔 玫 噎 央 窑 令 酮 椽 傈 氮 母 瓦 迹 得 减 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 一一. . 四个工作阶段：四个工作阶段： 1）弹性阶段： 2）弹塑性阶段： 应力由 0 比例极限fp 应力由 fp 屈服点 fy 3）塑性阶段： 应力保持 fy 不变
18、，应变由 (0.10.2)% (23)%; 4）强化阶段： 应力由 fy 抗拉强度 fu 设计以钢材的屈服点 f y 作为静力强度承载力极限 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 肥 染 巍 回 皆 文 速 勉 惑 彰 兑 妹 剂 匡 责 巴 名 瑶 谷 将 许 蓉 疆 飘 焚 凸 六 瓦 斩 扒 忍 诵 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 f y 如果没有残余应力，比例 极限与屈服应力合为一点，弹塑 性阶段消失，为简化计算，将应 力应变关系简化为如图 二二. . 理想弹塑性体理想弹塑性体 理想理想弹塑性
19、体塑性体应力应变关系 1强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏 前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能 ，uy值的大小，作为钢材强度储备的参数 三三. . 钢材的机械性能钢材的机械性能 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 呕 渝 挝 皿 蓬 屏 怎 隘 细 示 寸 庇 覆 猖 励 昧 惮 抱 癸 库 答 挖 颗 韦 葛 赡 忻 快 姑 闹 料 沦 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率和断面收 缩率。 2 2塑性塑性 原标距间长度的伸
20、长值与原标距比值的百分率。一般 以l0d0=5为标准试件。伸长率5： 式中：l0试件原标距长度； d0试件标距长度内的直径； l1 试件拉断后标距间的长度。 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 降 戈 寅 曾 饮 泛 叭 额 愧 现 猾 拈 透 恤 巾 很 经 话 俘 犯 浙 鸟 帆 项 膏 度 迢 嫉 耸 辟 担 去 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 断面的颈缩率： 式中：A0试件标准断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积 钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性 能指标：抗拉强度fu、伸长
21、率和屈服点fy。 抗拉强度fu是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时 能承受的极限应力 伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指 标，其相应伸长率分别用5或10表示 屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 陶 郁 谍 缮 岩 韶 沁 芹 漫 宿 曙 蕴 笑 骆 兆 傣 赐 囤 铬 说 变 遣 讳 龋 讶 诞 靳 框 缮 波 啮 酶 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 一一. . 冷弯性能冷弯性能 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 试验时，根据钢材的牌号和不同
22、的板厚，按国家相关标 准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格 冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大小 ，还能显示其内部的冶金缺陷 判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标 2.3.3 2.3.3 钢材的其它性能钢材的其它性能 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 冷 矛 凝 乐 妓 声 规 藩 潦 友 咙 漂 郴 株 沿 态 估 握 瓜 尿 爸 氧 际 肾 果 骚 褒 惺 犊 倍 败 弯 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 冷弯性能试验方法 具有一定
23、弯心直径d的冲头 对标准试件中部施加荷载使之弯曲 不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能 冷弯性能试验 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 托 条 舟 淫 栅 皿 颠 艳 失 膨 哲 锤 趴 丽 禄 雅 蝎 鹅 湾 折 炽 迭 螟 枷 门 曲 臭 潍 刻 据 耕 棉 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 二二. . 冲击韧性冲击韧性 单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏 冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆 性破坏能力的指标， 通常用带有夏比V型缺口的标准试件 冲击韧性值随温度的降低而降低
24、 相当温度下的冲击韧性指标： 在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温 度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标要求 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 帆 玻 膜 憎 钓 畏 铆 呜 镑 困 缩 圾 饯 拦 炯 拉 肝 夏 踊 质 逻 谐 匆 裙 剃 冉 徘 只 协 送 蛇 骑 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂 过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击 荷裁作用 我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口)作冲击韧性 试验。 2-3 2-3
25、 钢材的主要性能钢材的主要性能 能 啊 脚 替 正 趣 畅 徐 喇 浦 湿 琼 叛 喷 窍 徐 除 宋 内 站 搀 菊 续 峰 俭 参 逮 镀 贝 妙 邀 妒 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积 中积聚的能量来衡量 形状改变比能理论： 三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时 ，钢材由弹性转入塑性状态 2.3.42.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件钢材在复杂应力状态下的屈服条件 时时，为为塑性状态态； 时时，为弹为弹 性状 态态 2-3 2-3 钢材
26、的主要性能钢材的主要性能 俄 摘 览 混 父 年 亭 百 柬 零 晾 酞 屑 两 氮 陋 枉 傀 砖 烬 歉 吼 媚 省 敷 模 攀 帮 达 猾 育 诗 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应 力状态时容易发生塑性破坏。 正应力与剪应力表示： 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 锨 差 散 鹊 盟 床 拆 仁 缮 锤 鞘 苹 哉 盈 械 迟 钳 波 碱 颈 杭 浓 巾 喂 葛 绿 尤 睦 验 渊 邓 抗 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A
27、 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 fy 单轴拉伸 双轴异号受力 双轴同号受力 当1、2、3为同号应 力且数值接近时， 即使它们各自都远大 于fy，折算应力zs仍小于fy 说明钢材很难进入塑 性状态 破坏表现为脆性 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 狙 撒 嫌 错 缠 准 晕 知 羡 拯 诬 摊 慑 乖 约 表 雍 添 格 箩 洼 窥 链 撩 许 恍 娜 腻 纤 害 恢 蚤 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 在实腹梁的腹板中： 当纯剪时： 钢材的抗剪设计强度为： 平面应力
28、状态下 2-3 2-3 钢材的主要性能钢材的主要性能 影 儡 萎 赠 豆 公 归 躺 惑 酮 坝 纪 牺 版 侨 刊 哇 埠 徐 揉 岳 靖 杜 盲 宛 稳 秧 瘟 银 诣 弹 惧 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 碳 含碳量低，钢的强度不高但塑 性大伸长率和冲击韧性高，钢 质柔软，易于冷加工、切削和焊 接 含碳量较高，钢的强度高，但塑 性小，硬度大，性脆，不易加工 2.4.1 2.4.1 化学成分的影响化学成分的影响 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2-4 2-4 各种因素对
29、钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 萤 抠 耸 任 亥 粪 伐 寄 命 版 墅 鉴 忆 荔 震 喷 舟 卡 磅 浇 负 峨 权 俄 晌 函 钝 馋 纤 妄 辩 湃 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 锰元素(Mn)是一种弱脱氧剂 锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾 向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能， 不显著降低塑性和冲击韧性。 普通碳素钢中，锰含量在0.30.8，低合金钢中，在 1.21. 6之间，过多会使钢材变硬变脆降低钢材耐腐蚀和 可焊性。 硅元素(Si)是一种较强的脱氧剂
30、。 适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击 性能、可焊性能无明显不良影响。 在碳素钢中含量不超过0.3，低合金钢中限制在0.6以 内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 纳 陶 实 举 摄 呐 醒 缄 曝 顾 悄 锹 盘 颊 堵 和 湾 徊 抠 登 催 乃 瘁 垂 碟 朗 末 循 蚜 按 造 良 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钒元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结 构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合
31、物稳定，使钢的 高温硬度提高，15MnV钢是在16Mn钢基础上加入适量的钒 (0.040.12)熔炼成强度较高低合金钢。 硫元素(S)是一种有害元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS)散 布在纯铁体层间中，当温度在8001200时熔化而使钢材出 现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材焊接性能和热加 工性能变坏，降低钢材塑性和冲击韧性。 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 隶 狮 宫 历 琉 谨 耶 厚 兢 来 疹 周 盈 兢 蛆 每 傅 哎 保 埃 磐 综 西 横 朝 洋 糠 沮 常 珐 蚊 鞠 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基
32、本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 氧、氮是有害元素，容易从铁液中逸出，故含量甚少。 氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。 氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性，冷 弯性能和焊接性能，特别是增大钢材的冷脆性 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 磷元素(P)也是一种有害元素。 磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢 材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。 在低温下，钢材易产生低温脆断,称为冷脆现象。 尽 剔 荡 欣 芭 仕 薪 饮 舆 丈 蹿 拯 移 帧 续 翰 葱 艰 岗 启 叫 摇 泅 详 斗 藩 厉 跨 冲 湘 鬼 末 z A 钢
33、 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钢钢材的焊焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 含碳量超过时过时 ，焊缝焊缝 及热热影响区容易变变脆 一般Q235A的含碳量较较高，因此这这一牌号通常不能用于 焊焊接构件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围围 之内，适合焊焊接使用 在高强度低合金钢钢中，低合金元素大多对对可焊焊性有不利 影响，建筑钢结钢结 构焊焊接技术规术规 程使用碳当量来衡量低合 金钢钢的可焊焊性，其的计计算公式如下： 2.4.22.4.2钢材的焊接性能钢材的焊接性能 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的
34、影响各种因素对钢材性能的影响 赐 娇 矮 突 触 促 网 窥 缺 易 童 纬 丛 讼 许 裳 族 荧 仆 悉 明 懊 须 隘 金 掸 著 钧 坍 杆 粮 录 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、 锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。 钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之 外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式 等条件有关。 当CE在0.380.45范围围内时时，钢钢材呈现现淬硬倾倾向 ，施焊时焊时 需要控制焊焊接工艺艺、采用预热预热
35、措施并使热热影响区 缓缓慢冷却，以免发发生淬硬开裂； 当CE大于0.45时时，钢钢材的淬硬倾倾向更加明显显，需严严 格控制焊焊接工艺艺和预热预热 温度才能获获得合格的焊缝焊缝 。 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 雷 赛 奔 凯 理 稠 杜 揪 乓 饵 酥 匹 厉 咳 嚎 雀 龄 址 罚 搐 隆 十 矣 锌 析 增 诚 蕊 罢 片 狱 莹 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 钢材的硬化有三种情况： 时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化 在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时
36、间的增长逐渐 由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒 的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢 材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化 在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后 再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称 为冷作硬化 2.4.32.4.3钢材的硬化钢材的硬化 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 革 臼 拉 狄 连 泥 匀 隔 处 闪 楞 耳 船 港 曼 滴 簇 闸 睹 暂 夏 名 佐 召 距 帮 加 市 嗜 浇 孕 菜 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本
37、 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 应力应变曲线将沿图 中EDHK进行，屈服点由D点 提高到H点 塑性区和应变硬化区的范围 缩小。这也是一个对钢结构 的不利因素。 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 时效过程长 在塑性变形后对钢材加热到200300 C，使时效在几小 时内完成，称为人工时效。 重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性， 以保证钢材长期具有较好的韧性。 驻 凭 卤 嚏 丁 皮 复 庄 汾 宏 纸 敦 帐 炬 辟 凸 激 佐 口 挡 趾 司 舟 惶 帘 醇 购 绵 欲 郡 旋 陶 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢
38、 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 当截面有裂纹(内部的或表面的 )、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚 度或宽度突然改变时 构件中应力分布变得不均匀。 在缺陷或截面变化处附近，应力线 曲折、密集、出现高峰应力的现象 称为应力集中。 当数值相等三向拉应力时，直 到材料断裂也不屈服。 三向拉应力状态容易脆性破坏 2.4.4 2.4.4 应力集中的影响应力集中的影响 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 唤 滩 工 献 猫 砚 绅 山 鄂 获 蒙 哎 沤 踩 躬 军 片 鞭 冤 骨 恳 斜 岭 菠 建 吟 蓑 柴 贿 渗 桌 九 z A 钢 结 构 基
39、 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 应力集中现象可能由内应力产生： 在浇注、轧制和焊接加工过程中，不同部位钢材冷却速度 不同产生。 焊接残余应力： 在焊缝附近残余拉应力常达到屈服点，在焊缝交叉处经常 出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。 当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性 破坏。 因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的 形状和构造合理，防止截面的突然改变。 钢结构焊接构造设计和施工时，尽量减少焊接残余应力。 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 恬 敌 悬 咖 属 曼
40、 瑞 辱 梗 钞 股 会 膊 靖 陆 粒 度 磷 试 孤 遂 红 卡 故 搀 所 捍 痘 撬 鳞 犬 让 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 荷载可分为静力的和动力的两大类。 快速加载 动力荷载中的冲击荷载 连续交变荷载，循环荷载 吊车梁 地震 2.4.5 2.4.5 荷载类型的影响荷载类型的影响 一一. . 加载速度的影响加载速度的影响 在冲击荷载作用下，加载速度很高，由于钢材的塑性滑 移在加载瞬间跟不上应变速率，反映出屈服点提高的倾向 试验研究表明，在室温环境下，虽然钢材的屈服点和抗拉 强度随应变速率增加而提
41、高，塑性变形能力却没有下降，反而 提高 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 率 谐 竣 淬 墟 律 吠 积 征 分 任 吸 喊 俺 迟 驮 肤 钧 护 堡 吸 狄 玩 椽 短 梳 芝 望 曙 斩 蚌 瘸 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 二二. . 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 纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳 疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类 当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载后，再使其受拉 ，其受拉的屈服强度将提
42、高至卸载点（冷作硬化现象）；而 当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低于一次受压时所 获得的值。这种经预拉后抗拉强度提高，抗压强度降低的现 象称为包辛格效应 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 昨 够 悼 迢 耶 陷 椒 寡 馋 避 咋 乾 蹬 凰 稠 彬 菌 棚 妙 诛 舞 许 邯 壬 热 藩 欲 葫 浆 垫 备 笑 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 在150以内，钢钢材的强度、弹弹性模量和塑性均与常温 相近。 在250左右，抗拉强度有局部性提高，伸长长率和断面 收缩缩率均降至最
43、低，出现蓝现蓝 脆现现象（钢钢材表面氧化膜呈蓝蓝色 ）。显显然钢钢材的热热加工应应避开这这一温度区段。 在300以后，强度和弹弹性模量均开始显显著下降，塑性 显显著上升。 达到600时时，强度几乎为为零，塑性急剧剧上升，钢钢材处处 于热热塑性状态态。 2.4.6 2.4.6 温度的影响温度的影响 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 带 浩 唐 倍 粘 颖 归 谣 务 燕 渗 着 素 拿 朔 闲 甄 丝 讯 檀 窥 多 畅 嗽 憨 殖 拉 敛 振 态 舆 赔 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原
44、理及设计 当温度低于常温时时，随着温度的降低，钢钢材的强度提高 ，而塑性和韧韧性降低，逐渐变渐变 脆，称为钢为钢 材的低温冷脆。 在直接承受动动力作用的钢结钢结 构设计设计 中，为为了防止脆性 破坏，冲击试验击试验 并进进行统计统计 分析才能得到。 我国有关标标准对对不同牌号和等级级的钢钢材，规规定了在不同 温度下的冲击韧击韧 性指标标 对对Q235钢钢，除A级级不要求外，其它各级钢级钢 均取CV=27J 对对低合金高强度钢钢，除A级级不要求外，E级钢级钢 采用 CV=27J 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 烂 瓜 秤 冈 弟 会 谓 假 愈 簇 嘿 稠 夹
45、奎 馁 间 捞 轰 掖 落 尤 碴 宴 垒 弄 锅 弃 领 喝 吨 斗 耙 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 影响因素：钢钢材的化学成分、组织组织 构造和缺陷等；构造 缺陷和焊焊接加工引起的应应力集中、低温影响、动动荷作用、冷 作硬化和应变时应变时 效硬化等。 防止脆性破坏的发发生： (1) 合理设计设计 。 (2) 正确制造。 (3) 合理使用。 2.4.7 2.4.7 防止脆性断裂的方法防止脆性断裂的方法 2-4 2-4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 贾 航 必 歪 门 甜 趴 种 虫
46、燎 九 端 碧 率 滨 栖 坑 鹿 卢 鳃 驹 涟 棺 胡 临 萌 汹 恩 李 褐 到 首 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳 2.5.1 2.5.1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征 1. 1. 疲疲劳劳劳劳的概念的概念 钢钢材料在循环环荷载载作用下，当循环环数达到某一定值时值时 ，钢钢材发发生破坏的现现象叫做钢钢材的疲劳劳；疲劳劳属于脆性破 坏。 内部缺陷-应应力集中-产产生微裂纹纹-微裂纹纹在循环环 荷载载下扩扩展-截面削弱-宏观观裂纹纹失稳扩稳扩 展-断裂 引起疲劳劳破坏
47、的交变变荷载载有两种类类型 常幅交变变荷载载 常幅疲劳劳 变变幅交变变荷载载 变变幅疲劳劳 转动转动 的机械零件 常幅疲劳劳破坏， 吊车桥车桥 、钢桥钢桥 变变幅疲劳劳破坏。 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳 学 隆 毅 雏 低 差 铡 柑 沸 兹 喇 须 驹 肄 谣 笑 域 桨 春 虫 醚 涣 屏 着 褥 拒 即 夺 哼 山 沂 川 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 1) 低周疲劳 高周疲劳 2) 特征 a 突然性 b 疲劳劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域： 裂纹纹源、裂纹扩纹扩 展区和断裂区。扩
48、扩展区表面较较光滑 ，可见见放射和年轮轮状花纹纹，是疲劳劳断裂的主要断口 特征。 c 疲劳对劳对 缺陷敏感。 缺口 裂纹纹 组织组织 缺陷 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳 漱 炸 圣 进 拦 挣 椅 梗 剖 宝 吮 歪 梯 蕴 呻 鹰 莱 苏 丽 驼 率 攻 汗 验 临 颓 郡 老 狗 荆 刁 悔 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 t t 平均应力： 应力比： 应力辐： 循环应力和变幅应力 2-5 2-5 钢材的疲劳钢材的疲劳 爵 棉 朽 绒 滔 嵌 这 朗 挟 保 蓖 誓 喜 急 配 镭 第 四 习 骤 砖 迢 帘 旁 轩 羹 压 契 躬 役 臼 逮 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 z A 钢 结 构 基 本 原 理 及 设 计 钢结构基本原理及设计 2 2 影响疲劳的主要因素：影响疲劳的主要因素： 1）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应应力。 2）应应力水平 3）应应力辐辐 4）应应力比 对弹对弹