最新第二章 钢结构的材料.doc

本文由张明正1990贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 黄淮学院 第2 章 钢结构的材料 主要内容： 主要内容： 对钢结构用材的要求 钢材的主要性能及其鉴定 影响钢材性能的因素 建筑钢材的类别及钢材的选用 重点： 重点： 影响钢材性能的因素 建筑钢材的类别及钢材的选用 难点： 难点： 建筑钢材的类别及钢材的选用 2011-3-23 1 黄淮学院 2.1 钢结构对材料的要求 一、用作钢结构的钢必须符合下列要求： 用作钢结构的钢必须符合下列要求： 1、高的强度。即抗拉强度fu和屈服点 y比较高。 、高的强度。即抗拉强度 和屈服点f 比较高。 2、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 3、良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 、良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 4、适应低温、有害介质侵蚀 包括大气锈蚀 以及重复荷载作 包括大气锈蚀)以及重复荷载作 、适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀 用等的性能。 用等的性能。 二、钢结构设计规范具体规定： 钢结构设计规范具体规定： 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、 磷含量的合格保证； 硫、磷含量的合格保证； 焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证； 焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证； 对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接 结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 2011-3-23 2 黄淮学院 第二节 钢材的破坏形式 一、钢材有两种性质完全不同的破坏形式 即塑性破坏和脆性破坏 钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性， 钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性 破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。 破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。 二、塑性破坏 变形大， 变形大，破坏前构件产生较大的塑性变形 三、脆性破坏 脆性破坏前塑性变形很小，破坏前没有明显的预兆甚至没有 脆性破坏前塑性变形很小，破坏前没有明显的预兆甚至没有 没有明显的预兆 塑性变形 2011-3-23 3 2.3 钢材的主要性能及其鉴定 受拉、 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能 2.3.1.1 单向拉伸时的工作性能 条件：常温、 条件：常温、静载条件下一次拉伸 黄淮学院 2011-3-23 钢材的一次拉伸应力 图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线 4 黄淮学院 fy fy 0 0 0.2%残 余 应 变 图2.2 理想弹塑性材 料的-曲线 料的 曲线 图2.3 钢材的条件 屈服点 2011-3-23 5 黄淮学院 1.比例极限P 比例极限 比例极限 这是应力-应变图中直线段的最大应力值 严格地说， 应变图中直线段的最大应力值。 这是应力 应变图中直线段的最大应力值。严格地说， 略高处还有弹性极限，但弹性极限与 极其接近， 比 P略高处还有弹性极限，但弹性极限与 P极其接近， 所以通常略去弹性极限的点， 看做是弹性极限。 所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限。 2.屈服点y 屈服点 屈服点 应变 之后不再与应力成正比，而是渐渐加大， 应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大， 应力-应变间成曲线关系 一直到屈服点。 应变间成曲线关系， 应力 应变间成曲线关系，一直到屈服点。 卸荷后试件中残余应变为0.2 条件屈服点 ：卸荷后试件中残余应变为 所对应的应 力 高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。 高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服 条件是根据试验分析结果而人为规定的， 条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈 服点(或屈服强度 或屈服强度)。 服点 或屈服强度 。 2011-3-23 6 黄淮学院 3.抗拉强度u 抗拉强度 抗拉强度 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长， 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相 最高点。 对地说·应变增加得快 呈现曲线关系直到最高点 应变增加得快， 对地说 应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。 2.3.1.2 塑性性能 伸长率 伸长率5和10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分 取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度 的五倍或十倍为标定长度， 比。取圆形试件直径 的五倍或十倍为标定长度，其相应的 伸长率用 表示， 伸长率用5和10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性 变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、 变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲 弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。 压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。 屈服点、抗拉强度和伸长率， 屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能 指标。 指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对 这三项力学性能指标的要求。 这三项力学性能指标的要求。 2011-3-23 7 黄淮学院 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性， 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性， 其意义是： 其意义是 1作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应 作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。 力达到y时的应变与P时的应变较接近，可以认为应力 力达到 时的应变与 时的应变较接近， 达到 时为弹性变形的终点。同时，达到 达到y时为弹性变形的终点。同时，达到y 后在一个较 大的应变范围内应力不会继续增加， 大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失 继续承担更大荷载的能力，故此以 继续承担更大荷载的能力，故此以y作为弹性计算时强 度的标准。 度的标准。 2形成理想弹塑性体的模型， 2形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提 供基础。 之前，钢材近于理想弹性体， 之后， 供基础。 y之前，钢材近于理想弹性体， y之后，塑 性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性 性应变范围很大而应力保持不增长， 因此， 体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的 应力-应变模型 钢结构设计规范对塑性设计的规定， 应变模型。 应力 应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定， 就以材料是理想弹塑性体的假设为依据， 就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬 化的有利作用。 化的有利作用。 2011-3-23 8 黄淮学院 2.3.2 冷弯性能 根据试样厚度， 根据试样厚度，按规定的 弯心直径将试样弯曲180 弯心直径将试样弯曲 度，其表面及侧无裂纹或 分层则为“ 分层则为“冷弯试验合格 ”。 冷弯性能是判别钢材塑性 变形能力及冶金质量的综 合指标。 合指标。 图2.4 钢材的冷弯试验 2011-3-23 9 黄淮学院 2.2.3 冲击韧性 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢 韧性 材断裂时吸收机械能能力的量度。 材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的 钢材，是韧性好的钢材。 钢材，是韧性好的钢材。 钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用 钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量， 单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力-应变曲线下 单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力 应变曲线下 的面积。 的面积。 然而，实际工作中， 然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性 而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能， ，而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中 脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺 脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺 口高峰应力的地方 的地方， 口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉 的应力状态。 的应力状态。 2011-3-23 10 黄淮学院 由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的 由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的 结构不但要求钢材具有常温(20)冲击韧 常温(20) 结构不但要求钢材具有常温(20)冲击韧 性指标，还要求具有负温(o (o、 20或一40)冲击韧性 或一40) 性指标，还要求具有负温(o、一20或一40)冲击韧性 指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。 指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。 图2.5钢材的冲击试验 钢材的冲击试验 2011-3-23 11 黄淮学院 2.2.4 可焊性 与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无 与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的 无 裂纹的)焊缝的性能 焊缝的性能。 裂纹的 焊缝的性能。 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含 量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量 量在 范围内的碳素钢，可焊性最好。 再高可使焊缝和热影响区变脆。 再高可使焊缝和热影响区变脆。 2011-3-23 12 黄淮学院 2.2.5 钢材性能的鉴定 与根据钢结构工程施工质量验收规范 与根据钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205-2001)的规定，对进入钢结构工程实施 的规定， 的规定 现场的主要材料需进行进场验收， 现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的 质量合格证明文件、中文标识及检验报告， 质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认 钢材的品种、规格、 钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准 和设计要求。 和设计要求。 2011-3-23 13 黄淮学院 2.4 影响钢材性能的因素 2.4.1 化学成分的影响 钢是含碳量小于 的铁碳合金， 大于2 钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于 小于 时则为铸铁。 时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结 构钢中的低碳钢及低合金结构钢。 构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢 由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占 纯铁约占99 由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占 碳及杂质元素约占1。 ，碳及杂质元素约占 ，碳及杂质元素约占 。 低合金结构钢中， 低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金 元素，后者总量通常不超过3。 。碳及其他元素 元素，后者总量通常不超过 。碳及其他元素 虽然所占比重不大， 虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影 响。 2011-3-23 14 黄淮学院 碳（C） ） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素， 仅次于铁的主要元素 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影 钢材强度的主要因素 的主要因素。 响钢材强度的主要因素。 C，塑性和韧性 、尤其 ，塑性和韧性、 是低温冲击韧性，可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能。 是低温冲击韧性 ，可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能 。 因此结构用钢的含碳量一般不应超过 一般不应超过0.22%，对焊 因此结构用钢的含碳量一般不应超过 ， 接结构应低于0.2%。 接结构应低于 。 锰（Mn） ） 锰是一种弱脱氧剂， 锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地 提高钢材的强度，又能消除硫、 提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影 响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。 而不显著降低钢材的塑性和韧性。 2011-3-23 15 黄淮学院 硅（Si） ） 硅是一种强脱氧剂 脱氧剂， 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材 的强度，而对塑性、韧性、 的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性 无明显不良影响，但硅含量过大时， 无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢 材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。 材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。 钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 、 、 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的 钛都能使钢材晶粒细化。 低合金钢都含有这三种元素， 低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合 金元素，既可提高钢材强度， 金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑 韧性。 性、韧性。 2011-3-23 16 黄淮学院 铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni) 、 、 铝是强脱氧剂 用铝进行补充脱氧， 强脱氧剂， 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进 一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。 一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。 铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390 铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于 钢和Q420钢。 钢和 钢 硫（S） ） 硫是一种有害元素 降低钢材的塑性、韧性、 有害元素， 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、 可焊性、抗锈蚀性等， 可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆即 热脆。 热脆。 2011-3-23 17 黄淮学院 磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。 有害元素也是能利用的合金元素 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷 是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆， 是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这 种现象称为冷脆 冷脆。 种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 氧(O)、氮(N) 、 氧和氮也是有害杂质， 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下 可以从空气中进入。氧能使钢热脆， 可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比 硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。 硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。 2011-3-23 18 黄淮学院 2.4.2冶金缺陷 2.4.2冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及 偏析 裂纹等等 这些缺陷都将影响钢的力学性能。 等等。 裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。 偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、 偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、 是钢中化学成分不一致和不均匀性 磷偏析严重恶化钢材的性能。 磷偏析严重恶化钢材的性能。 非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质 是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。 非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。 气孔是浇注钢锭时 是浇注钢锭时， 气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧 化碳气体不能充分逸出而形成的。 化碳气体不能充分逸出而形成的。 分层 浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分 会严重降低钢材的冷弯性能。 层，会严重降低钢材的冷弯性能。 2011-3-23 19 黄淮学院 钢材硬化 2.4.3 钢材硬化 1.冷加工硬化 应变硬化 冷加工硬化(应变硬化 冷加工硬化 应变硬化) 在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、 在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、 机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形 等加工使钢材产生很大塑性变形， 机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形，由于 减小了塑性和韧性性能， 减小了塑性和韧性性能，普通钢结构中不利用硬 化现象所提高的强度。 化现象所提高的强度。 重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨 去。 2011-3-23 20 黄淮学院 此外， 此外，还有性质类似的 时效硬化与应变时效。 时效硬化与应变时效。 时效硬化指钢材仅随时 时效硬化指钢材仅随时 间的增长而转脆。 间的增长而转脆。 应变时效指应变硬化又 应变时效指应变硬化又 加时效硬化由于这些是使钢 材转脆的性质， 材转脆的性质，所以有些重 要结构要求对钢材进行人工 时效，然后测定其冲击韧性 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。 脆性破坏能力。 2011-3-23 图 钢材的硬化 21 黄淮学院 2.4.4温度影响 温度影响 正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低， 正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低， 变形增大。 变形增大。 约在200oC以内钢材性能没有很大变化，430-540oC之间 以内钢材性能没有很大变化， 约在 以内钢材性能没有很大变化 之间 则强度(f 急剧下降； 则强度 y与fu)急剧下降；到600oC时强度很低不能承担荷 急剧下降 时强度很低不能承担荷 此外， 附近有兰脆现象， 附近有兰脆现象 时有徐变 载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260-320oC时有徐变 现象。 现象。 兰脆现象指温度在 oC左右的区间内，fu有局部性提高 指温度在250 左右的区间内 左右的区间内， 兰脆现象指温度在 也有回升现象，同时塑性有所降低， ，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向 在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。 。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。 徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速 徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速 度继续变形的现象。 度继续变形的现象。 设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需加 为适宜， 设计时以规定 为适宜 设隔热保护层。 设隔热保护层。 2011-3-23 22 黄淮学院 负温范围 fy与fu都增 高但塑性变形能力减小， 高但塑性变形能力减小， 因而材料转脆， 因而材料转脆，对冲击韧 性的影响十分突出。 性的影响十分突出。材料 由韧性破坏转到脆性破坏 叫该种钢材的转变温度， 叫该种钢材的转变温度， 在结构设计中要求避免完 全脆性破坏， 全脆性破坏，所以结构所 处温度应大于脆性转变温 度。 值随温度T的变化 图2.7 Cv值随温度 的变化 2011-3-23 23 黄淮学院 2.4.5应力集中 应力集中 当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面 当截面完整性遭到破坏，如有裂纹 内部的或表面 裂纹 的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突 、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突 然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。 然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺 陷或截面变化处附近，应力线曲折 密集、 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。 应力的现象称为应力集中。 孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。 孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因 为材料的某一点在x方向伸长的同时 方向伸长的同时， 方向(横向 为材料的某一点在 方向伸长的同时，在y方向 横向 方向 横向) 将要收缩，当板厚较大时还将引起z方向收缩 方向收缩。 将要收缩，当板厚较大时还将引起 方向收缩。 2011-3-23 24 黄淮学院 由力学知识知道， 由力学知识知道，三向 同号应力且各应力数值接近 材料不易屈服。 时，材料不易屈服。当为数 值相等三向拉应力时， 值相等三向拉应力时，直到 材料断裂也不屈服。 材料断裂也不屈服。没有塑 性变形的断裂是脆性断裂 脆性断裂。 性变形的断裂是脆性断裂。 所以，三向应力的应力状态， 所以，三向应力的应力状态， 使材料沿力作用方向塑性变 形的发展受到很大约束， 形的发展受到很大约束，材 料容易脆性破坏。因此， 料容易脆性破坏。因此，对 于厚钢材应该要求更高的韧 性。 2011-3-23 孔洞、 图2.8 孔洞、缺口处的应力集中 25 黄淮学院 2.4.6反复荷载作用 2.4.6反复荷载作用 在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验， 在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材 的强度将降低， 的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验 钢的疲劳。 的极限强度，这种现象称为钢的疲劳 的极限强度，这种现象称为钢的疲劳。疲劳破坏表现为 突然发生的脆性断裂 突然发生的脆性断裂。 为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、 为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、制造及使 用中注意下列各点： 用中注意下列各点： (1)合理的设计 合理的设计 (2)正确的制造 正确的制造 (3)正确的使用 正确的使用 2011-3-23 26 黄淮学院 2.4.7 复杂应力作用下钢材的屈服条件 在复杂应力如双向或三向应力作用下（ ），钢材由 在复杂应力如双向或三向应力作用下（图2.9），钢材由 ）， 弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论 能量强度理论（ 弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论（或第 四强度理论）计算的折算应力 折算应力与单向应力作用下的屈服 四强度理论）计算的折算应力与单向应力作用下的屈服 点相比较来判断。 点相比较来判断。 当时， 为弹性状态； 时为塑性状态。 当时， rcd < f y 为弹性状态； 时为塑性状态。 red = + + ? ( x y + y z + z x ) + 3( + + ) 2 x 2 y 2 z 2 xy 2 yz 2 zx 平面应力状态， (2.1)成为 1. 平面应力状态，式(2.1)成为 2 2 2 rcd = x + y ? x y + 3 xy 2011-3-23 (2.1) （2.2） 27 黄淮学院 2.在一般的梁中，只存在正应力和剪应力，则 在一般的梁中，只存在正应力和剪应力， 在一般的梁中 rcd = 2 + 3 2 当只有剪应力时， 当只有剪应力时 =0 （2.3） rcd = 3 2 = 3 = f y = fy 3 = 0.58 f y （2.4） 当平面或立体应力皆为拉应力时， 当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明显的 塑性变形产生， 塑性变形产生，即材料处于脆性状态。 2011-3-23 28 黄淮学院 由式（ ）可以看出，如果三向应力同号 三向应力同号， 由式（2-2）可以看出，如果三向应力同号，且 绝对值又接近时，即使三向应力都很大， 绝对值又接近时，即使三向应力都很大，远远大 于屈服点，但由于差值不大，折算应力小， 于屈服点，但由于差值不大，折算应力小，材料 就不易进入塑性状态，可能直至材料破坏还未进 就不易进入塑性状态， 入塑性状态，因此同号应力状态容易产生脆断。 入塑性状态，因此同号应力状态容易产生脆断。 相反，如果存在异号应力，且同号的两个应力又 相反，如果存在异号应力， 相差较大时，就容易进入塑性状态， 相差较大时，就容易进入塑性状态，可能最大应 力尚未达到fy时 材料就已进入塑性了， 力尚未达到 时，材料就已进入塑性了，说明钢 材处于异号应力状态时，容易发生塑性破坏。 材处于异号应力状态时，容易发生塑性破坏。 2011-3-23 29 黄淮学院 2.6 钢材的疲劳 钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断 钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断 扩展至断裂的脆性破坏。 扩展至断裂的脆性破坏 钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应） 钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力 应力集中 循环次数。 2.6.1 常幅疲劳 应力谱（如图2.11中的实线所示） 2.11中的实线所示 应力幅 ? 应力谱（如图2.11中的实线所示）中最 大应力与最小应力之差， 大应力与最小应力之差，即 = max ? min 2011-3-23 30 式中： 式中： 黄淮学院 每次应力循环中的最大拉应力（取正值）； 每次应力循环中的最大拉应力（取正值）； 每次应力循环中的最大拉应力 min 每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或 每次应力循环中的最小拉应力（ 每次应力循环中的最小拉应力 取正值） 压应力（取负值）。 压应力（取负值）。 常幅疲劳如果重复作用的荷载数值不随时间变化， 常幅疲劳如果重复作用的荷载数值不随时间变化，则在所有 如果重复作用的荷载数值不随时间变化 应力循环内的应力幅将保持常量，称为常幅疲劳。 应力循环内的应力幅将保持常量，称为常幅疲劳。 + r=fy max + max r=fy min t m ax t - + = m in - + = m in / -1 / m ax =0 (a ) r=fy (b ) r=fy max min min - 2011-3-23 0>= m in / m ax > -1 - 0>= m ax / m in > -1 t max t (c ) (d ) 31 黄淮学院 图2.11(a)的，称为完全对称循环； 的 称为完全对称循环； 图2.11(b)的，称为脉冲循环； 的 称为脉冲循环； 的在0与 之间 称为不完全对称循环， 之间， 图2.11(c)、(d)的在 与-1之间，称为不完全对称循环，但图 、 的在 2.11(c)为以拉应力为主，而图 为以拉应力为主， 则以压应力为主。 为以拉应力为主 而图2.11(d)则以压应力为主。 则以压应力为主 对轧制钢材或非焊接结构 +max(拉) = +1 D C B 图2.11为次的疲劳图。 2.11为次的疲劳图。 为次的疲劳图 当时的疲劳度分别为 = 0和 = ?1 ，由此便可决定两点， 由此便可决定两点， 并通过B 并通过B、C两点得直线 ABCD。 32 A 图2.12 非焊接结构的疲劳图 2011-3-23 -1 -min(压) o -1 = +min (拉) 黄淮学院 max ? k min = 0 或 max (1 ? k ) = 0 从上面的推导可知， 从上面的推导可知，对轧制钢材或非焊接结 疲劳强度与最大应力、应力比、 构，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数 和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。 和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。 2011-3-23 33 黄淮学院 - n 曲线 根据试验数据可以画出构件或连接的应力幅 。 的关系曲线（ ）。这种曲 与相应的致损循环次数 n 的关系曲线（图a ）。这种曲 线是疲劳验算的基础。致损循环次数也叫做疲劳寿命。 线是疲劳验算的基础。致损循环次数也叫做疲劳寿命。 目前国内外都常用双对数坐标轴的方法使曲线改为 直线以便于分析（ ）。在双对数坐标图中 在双对数坐标图中， 直线以便于分析（图b ）。在双对数坐标图中，疲劳方 程就是直线式（图中实直线） 程就是直线式（图中实直线） 2011-3-23 图2.12 - n 曲线 34 黄淮学院 疲劳验算及容许应力幅 直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、 直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、输 送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接， 送栈桥和某些工作平台梁等以及它们的连接，当应力循 时应进行疲劳验算。 环次数 n > 105时应进行疲劳验算。 时应进行疲劳验算 永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。 永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力 幅只由重复作用的可变荷载产生， 幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变 荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数， 荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，常 幅疲劳按下式进行验算。 幅疲劳按下式进行验算。 式中 对焊接结构为应力幅 max-min； 对非焊接部位为计算 应力幅 max-min ，应力以拉为 正，压为负； 常幅疲劳的 容许应力幅。 2011-3-23 式中C，系数。焊接结构 中根据各种不同的构造细部使 疲劳强度不同程度地降低，详 见第 8 章。 35 黄淮学院 2.5.2 变幅疲劳和吊车梁的欠载效应系数 a f ? ? N = 2 ×10 6 ? N = 2 ×10 6 循环次数 N = 2 × 106 的容许应力幅，应按式（ ） 的容许应力幅，应按式（2.9）计算 a f a = 0.5 欠载效应系数。 对重级工作制硬钩吊车 欠载效应系数。 f 。 a f = 1.0 ；重级工作制软钩吊车 a f = 0.8 ；中级工作制吊车 a f = 0.5 36 2011-3-23 黄淮学院 进行疲劳强度计算时，有下列问题予注意： 进行疲劳强度计算时，有下列问题予注意： 按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处于 按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算， 研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法， 研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载 应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数， 应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且 应力按弹性工作计算。 应力按弹性工作计算。 根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只 根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力， 要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。但由于裂纹形 要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。 成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力（ 成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力（不出现 拉应力）循环中，裂纹不会继续发展， 拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种 情况可不予验算。 情况可不予验算。 疲劳容许应力幅与钢种无关。 疲劳容许应力幅与钢种无关。 2011-3-23 37 黄淮学院 2.7 建筑钢材的类别及钢材的选用 2.7.1钢的种类 2.7.1钢的种类 1、钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢 钢按用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢( 可分为结构钢 结构钢又分建筑用钢和机械用钢。 等)。结构钢又分建筑用钢和机械用钢 按冶炼方法，钢可分为 钢可分为转炉钢和平炉钢 2、按冶炼方法 钢可分为转炉钢和平炉钢 按脱氧方法，钢又分为沸腾钢(代号为F) 钢又分为沸腾钢 F)、 3、按脱氧方法 钢又分为沸腾钢(代号为F)、半镇静钢 代号为b) 镇静钢(代号为Z)和特殊镇静钢(代号为TZ) b)、 Z)和特殊镇静钢 TZ)， (代号为b)、镇静钢(代号为Z)和特殊镇静钢(代号为TZ)， 镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分， 镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。镇静钢脱氧充分， 沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。 沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。 一般采用镇静钢， 一般采用镇静钢，尤其是轧制钢材的钢坯推广采用连续 铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。若采用沸腾钢， 铸锭法生产，钢材必然为镇静钢。若采用沸腾钢，不但 质量差、价格并不便宜，而且供货困难。 质量差、价格并不便宜，而且供货困难。 2011-3-23 38 黄淮学院 4、按成型方法分类，钢又分为轧制钢 热轧、冷轧 、锻钢 、按成型方法分类 钢又分为轧制钢 热轧、冷轧)、 钢又分为轧制钢(热轧 和铸钢 5、按化学成分分类 钢又分为碳素钢和合金钢。在建筑工 钢又分为碳素钢和合金钢 、按化学成分分类，钢又分为碳素钢和合金钢。 程中采用的是碳素结构钢、 程中采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质 碳素结构钢。 碳素结构钢。 (1)碳素结构钢，其国家标准 碳素结构钢， 碳素结构钢 其国家标准(GB/T700-2006) 。 按质量等级将钢分为A、 、 、 四级 四级。 按质量等级将钢分为 、B、C、D四级。 A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可 级钢只保证抗拉强度、 级钢只保证抗拉强度 屈服点、伸长率， 附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、 附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交 货条件。 货条件。 B、C、D级钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷 级钢均保证抗拉强度、 、 、 级钢均保证抗拉强度 屈服点、伸长率、 弯和冲击韧性等力学性能。 弯和冲击韧性等力学性能。 钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、 由代表屈服点的字母 钢的牌号由代表屈服点的字母 、屈服点数值、质量 等级符号(A、 、 、 、 等级符号 、B、C、D)、脱氧方法符号等四个部分按 顺序组成。 顺序组成。 根据钢材厚度 直径)16mm时的屈服点数值，分为 厚度(直径 时的屈服点数值， 根据钢材厚度 直径 时的屈服点数值 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 、 、 、 、 2011-3-23 39 (2)低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢 黄淮学院 国家标准(GBT159194)代替 代替(GBl59188)于1995年1 国家标准 代替 于 年 日实施。 直径)16mm时的屈服点大小，分为 时的屈服点大小， 月1日实施。钢材厚度 直径 日实施 钢材厚度(直径 时的屈服点大小 Q295、Q345、Q3