第二章-结构钢材及其性能

§2.1 钢结构对材料的要求
§2.1 结构钢材一次拉伸时的力学性能
1.试验条件
（a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽 等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20℃左右。
钢材拉伸试验
§2.2 钢材的主要性能
不能完全恢复原来的长
s
度。不能恢复的这一部
E
分变形称为塑性变形。
屈服点fy（屈服强度）：
屈服阶段曲线波动部分 的最低值。
su sy sA
B
A CD
流幅：从屈服阶段的开 始到曲线再度上升的应
O
e
s Ee
变幅度称为流幅。
§2.2 钢材的主要性能
（c）强化阶段(DE段)
钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加σ缓慢增
复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:
Δσ=σmax-σmin
此处σmax为最大拉应力，取正值，σmin为最小拉应力或压应 力。（拉应力取正号而压应力取负号）
+σ
常幅循环：s 为常量
s s
变幅循环：s 为变量
t
-σ 图2.8
2.常幅疲劳的计算
当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。
① 屈服点fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈 服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确 定钢材强度设计值的重要指标。（作为钢结构设计可以达到的最 大应力）
② 抗拉强度fu 应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破
坏前所能承受的最大应力。（强度的安全储备）
③ 钢材的塑性 当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变 形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率
载后变形消失, e=0 B点对应的应力： se （弹性极限）
O
e
s Ee
单调拉伸应力-应变曲线
§2.2 钢材的主要性能
（b）屈服阶段（BCD)
特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变增加很快，
应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。
塑性变形：卸载后试件
大,但ε增加较快，最终应力达到最高点E——抗拉强度（极限强
度）fu
试件所能承受的最大拉应力
s
（d）颈缩阶段(EF段)
截面出现了横向收缩，
E
截面面积开始显著缩 小，塑性变形迅速增
B
A CD
F
大，应力不断降低， 变形却延续发展，直
su sy sA
至F点试件断裂。
O
e
s Ee
§2.2 钢材的主要性能
B.对无明显屈服点的钢材
和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。
a) 伸长率δ 试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。
l1 - l0 100 %
N
Lo
N
l0
d
l0— 原标距长
N
L
N
l1 —拉断后标距长度
d0 —试件直径
d
试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用δ5
和δ10表示。伸长率δ
引入几个概念
循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。
应力循环——构件截面应力随时间的变化。
应力循环次数——结构或构件破坏时所经历的应力变 化次数。
应力比——循环应力中最小拉应力或压应力σmin与最大拉 应力σmax之比。 ρ= σmin /σmax(拉应力取正号而压应力取负号)
应力幅Δσ——在循环荷载作用下，应力从最大到最小重
（3）疲劳对缺陷十分敏感。
▪疲劳破坏的原因：钢材中总存在着一些局部缺陷，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、孔 洞和裂纹等。当循环荷载作用时，在这些缺陷的截面上应力
分布不均匀，产生应力集中现象。
钢材的疲劳过程：
裂纹形成
裂纹稳定扩展
裂纹失稳 扩展断裂
疲劳破坏的实例
§2.5 钢材的疲劳
实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。
§2.2 钢材的主要性能
b) 断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩
小值与原断面面积比值的百分比。
A0 - A1 100 %
A1
A1
式中：
A0 ——试件原来的断面面积
A0
A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积
断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易
四、 钢材的疲劳
1 疲劳破坏的特征
定义：钢材在循环荷载作用下，经历一定时间的损伤积累，构件和连接
部位出现裂纹，直到最后断裂破坏。称为疲劳破坏。
破坏特点：
（1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开， 属于脆性破坏。危险性大。
（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口 不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽 的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特 征是放射和年轮状花纹。
(2.12)
（b) s e计算
1

s e
ni s
i


ni
(2.11)
Σni 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni 预期寿命内应力幅水平达到si的应力循环次数
4.吊车梁疲劳验算
对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：
f
s

[s
] n
2106
第2章 结构钢材及其性能
§2-1 结构钢材一次拉伸时的力学性能 §2-2 结构钢材的力学性能指标 §2-3 结构钢材的脆性破坏 §2-4 钢材种类和规格
第1章 概 述
通过本章的学习要求
1.了解钢结构的两种破坏形式； 2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；
3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变 脆的主要因素； 4.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法；
韧性越好，不容易发
图2.7
生脆断。
影响冲击韧性的因素：
冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型
和梅氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅
氏U型。 冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我
国钢材标准中将试验分为四档，即+20℃, 0℃，-20℃ 和-40℃时的冲击韧性。
温度越低，冲击韧性越低。
接近理想的弹性体。
2）屈服点之后的流幅现象又
接近理想的塑性体，并且流幅
的范围（e≈0.15％-2.5％）
已足够用来考虑结构或构件的
塑性变形的发展。 钢材是符合理想中的弹性-塑性材料
ε0
ε
ε
0.15% 2.5%
塑性设计
简化的应力－应变曲线
§2.2 钢材的主要性能
§2.2 结构钢材的力学性能指标
一、 单向拉伸时钢材的机械性能指标
f 材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度 c
提高，但是塑性下降。
y
(b) (a) (c)
（2）主应力同号时，不易屈服，塑性
下降，越接近越明显。
0
（3）主应力异号时，易屈服，破坏呈 塑性，差别越大越明显。
ε
双向应力作用下对 钢材材性的影响
钢材在多轴应力状态下，当处于同号应力场时，钢材易产 生脆性破坏；而当处于异号应力场时，钢材将发生塑形破坏。
§2.3 钢材的其它性能
2.Z向收缩率
• 当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的 收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。
3.冲击韧性
4.可焊性
好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头 和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。
二、 多轴应力状态（复杂应力状态）下的钢材屈服条件
第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时 单位体积中积聚的能量来表达
Z
sz
zx
zy yz
xz
sy
xy yx
sx
s3 s2
s1 s2
X
o单元体受复杂应力Y
状态下的分量
s1
s3
单元体受
主应力
钢材单元体上的复杂应力状态
在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件， 可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
三、 钢材的韧性指标
冲击韧性——钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性
指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Akv 表示，单位为J。
冲击试验实际上
是测定钢材抵抗脆性
断裂的能力，称为冲
击韧性。钢材材质越
好，击断试件所耗的
功就越大，说明钢材
表2-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数αf
吊车梁类别
f
(2 -12)
重级工作制硬钩吊车
1.0
重级工作制软钩吊车
0.8
中级工作制吊车
0.5
表2-3 n=2×106的容许应力幅值（N/mm²）
连接形式类别
1
2
3
4
5
6
7
8
[s]n=2×106
N/mm2 176 144 118 103 90
78 69
59
（3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强 度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。
（4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施 （ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中； （ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸； （ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。
产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。
§2.2 钢材的主要性能
钢材的其它性能
1.冷弯性能
钢材在冷加工（常温下加工） 产生塑性变形时，对发生裂缝 的抵抗能力。 鉴别指标：当试件弯曲至180°时， 试件表和侧面，无裂纹、断裂或 分层，即认为试件冷弯性能合格。
冷弯性能是判别钢材塑性变形 能力和冶金质量的综合指标。
s zs 3 2 3 f y （2.3.5）

1 3
f y 0.58 f y
即钢材的剪切屈服点是拉伸屈
服点fy的0.58 倍
§2.3 钢材的其它性能
不同受力状态对钢材材性的影响
σ （a）—单向拉伸
（b）—双向拉伸
（c）—双向异号应力
分析结果：
f
b y
（1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢 f y
5.了解结构用钢材的种类、牌号、规格； 6.理解钢材选择的依据，做到正确选择钢材。
§补充 钢结构对材料的要求
（1） 较高的强度
强度——材料抵 抗外力作用时不 致破坏的能力。
（2） 足够的变形能力——良好塑性和韧性
（3） 良好的加工性能——适应冷、热加工，可焊性好 （4） 对环境的良好适应性——耐腐蚀、耐火、耐疲劳
常幅疲劳验算公式
s [s ](2 -10)
式中： Δσ—计算部位的应力幅
对于焊接结构: Δσ=σmax-σmin 对于非焊接结构：Δσ=σmax-0.7σmin(折算应力幅） σmax、σmin —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（压应力取负值）。 [Δσ]—常幅疲劳的容许应力幅
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的 设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂， 目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 采用荷载标准值计算。
（2）对于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，不必进行疲劳计算。
设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力 作为屈服点 ——“条件屈服点”或“名义屈服点”
没有明显屈服点的钢 材在拉伸过程中没有 屈服阶段，塑性变形 小，破坏突然。
s
fu fy=f0.2
0.2%
εp
e
无屈服点钢材的应力-应变曲线
§2.2 钢材的主要性能
3 应力应变曲线的简化
曲线简化的依据： 1）钢材在屈服点之前的性质 fy
2 钢材的应力-应变关系
A. 有屈服点钢材s---e曲线可以分为四个阶段：
(a)弹性阶段(OB段)
s
OA段：纯弹性阶段
s=Ee
E
A点对应的应力：
sp（比例极限）
AB段：有一定的塑性 变形, 但整个OB段卸
su
sy
sA
B
A CD
弹性阶段(OB段)
屈服阶段（BCD) 强化阶段(DE段) 颈缩阶段(EF段)
当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这 时三向应力状态可以简化为平面应力状态：
s zs
s
2 x

s
2 y
-s xs y

3
2 xy

fy
（2.3.3）
一般梁中只存在正应力σ和剪应力τ，则上式可写为：
s zs s 2 3 2 f y
纯剪时σ=0 则有：
（2.3.4）
此时的[Δσ]即为容许应力幅：
1
[s
]


C N


(2 - 9)
式中：系数β、C—为不同构件和连接类别的试验 参数，称疲劳特征参数。
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3.变幅疲劳
——当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。
（a）检算公式
s e s
se—等效常幅疲劳应力幅。 [s]—常幅疲劳的容许应力幅。
seq
s
2 x

s
2 y

s
2 z
-
s xs y
s
ys z
s zs x

3

2 xy

2 yz

2 zx
（2.4）
用主应力 s 1 、s 2 、s 3表示时，有:
或 seq
1 2
[(s 1
-s
2
)2

(s
2
-s
3)2

(s
3
-s1)2
]
当 s eq f y 时钢材处于弹性阶段， s eq f y 时钢材处于塑性阶段。