第二章 钢结构的材料 Material of Steel Structures ■一、 钢材的主要性能 ·二、影响钢材性能的主要因素 ■三、钢材的疲劳 ·四、建筑钢材的规格和选用
第二章 钢结构的材料 Material of Steel Structures ◼ 一、钢材的主要性能 ◼ 二、影响钢材性能的主要因素 ◼ 三、钢材的疲劳 ◼ 四、建筑钢材的规格和选用
钢材的主要性能 ■1、钢材的破坏形式 塑性破坏： 较大的塑性变形、断口呈纤维状，色泽发暗； 有先兆，计算应力o之f 脆性破坏： 塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽 的晶粒状； 没有明显先兆，计算应力σ<≤
一、钢材的主要性能 ◼ 1、钢材的破坏形式 塑性破坏： 较大的塑性变形、断口呈纤维状，色泽发暗； 有先兆，计算应力σ≥fu 脆性破坏： 塑性变形很小，甚至没有，断口平直并呈有光泽 的晶粒状； 没有明显先兆，计算应力σ<<fy
防止钢材脆性断裂的措施 ·加强施焊工艺管理，避免施焊过程产生裂纹、夹渣和 气泡等； 焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生 过大残余应力。低温下发生低应力的脆断，常与残余 应力有关； 进行合理细部构造设计，避免产生应力集中。应力集 中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用 厚钢板； ·选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有 关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。 ■此外，冷加工，加载速度等对钢材脆断性能都有影响
防止钢材脆性断裂的措施 ◼ 加强施焊工艺管理，避免施焊过程产生裂纹、夹渣和 气泡等； ◼ 焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束，避免产生 过大残余应力。低温下发生低应力的脆断，常与残余 应力有关； ◼ 进行合理细部构造设计，避免产生应力集中。应力集 中处会产生同号应力场，使钢材变脆。尽量避免采用 厚钢板； ◼ 选择合理的钢材，钢材化学成分与钢材抗脆断能力有 关，含碳多的钢材，抗脆断性能有所下降。 ◼ 此外，冷加工，加载速度等对钢材脆断性能都有影响
一、 钢材的主要性能 ■2、基本性能要求和指标 强度：比例极限、屈服点f（条件屈服点62)、 抗拉强度（极限强度）无、屈强比 塑性：伸长率、面缩率 冷弯性能：冷弯试验 韧性（度）：冲击韧性（度） 可焊性：施工可焊性、使用可焊性 耐久性：抗腐蚀能力、抗疲劳能力
一、钢材的主要性能 ◼ 2、基本性能要求和指标 强度：比例极限 fp、屈服点fy （条件屈服点f0 .2）、 抗拉强度（极限强度） fu 、屈强比 塑性：伸长率、面缩率 冷弯性能：冷弯试验 韧性（度）：冲击韧性（度） 可焊性：施工可焊性、使用可焊性 耐久性：抗腐蚀能力、抗疲劳能力
二、影响钢材性能的主要因素 ■化学成分：Fe,C,Si,Mn,S(0),P(N),其它 ·治金过程：冶炼、浇铸、轧制和热处理 ·时效：钢材硬化 ■温度：高温300℃600℃ 低温冲击韧性的温度转变区 ·应力集中：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢 材应力不均匀的状况称为应力集中。 应力集中系数om/o, 应力集中与同号应力场 应力集中程度与缺陷几何的关系
二、影响钢材性能的主要因素 ◼ 化学成分：Fe，C，Si，Mn，S（O），P（N），其它 ◼ 冶金过程：冶炼、浇铸、轧制和热处理 ◼ 时效：钢材硬化 ◼ 温度：高温3000C 6000C 低温 冲击韧性的温度转变区 ◼ 应力集中：因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢 材应力不均匀的状况称为应力集中。 应力集中系数 σm/ σ0 应力集中与同号应力场 应力集中程度与缺陷几何的关系
化学成分对钢材（普通碳素钢）性能的影响 强度 塑性 冷弯 冲击 性能 韧性 可焊性 抗锈性 含量控制 碳C 0.22%(0.2%) 硅Si 0.1%0.3% 锰Mn 0.3%0.8% 钒V + + 硫S 0.05%(0.045%) 磷P 0.05%(0.045%) 氧0 0.05% 氨N 0.008%
化学成分对钢材（普通碳素钢）性能的影响 强度 塑性 冷弯 性能 冲击 韧性 可焊性 抗锈性 含量控制 碳 C + - - - - - 0.22%(0.2%) 硅 Si + 0.1%～0.3% 锰 Mn + 0.3%～0.8% 钒 V + + 硫 S - - - - - 0.05%(0.045%) 磷 P + - - - - + 0.05%(0.045%) 氧 O - - - - - 0.05% 氮 N + - - - - - 0.008%
三、钢材的疲劳 ■疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏； ■钢材的疲劳强度与反复荷载引起的应力种类 (拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等)、 应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度 和残余应力等有着直接关系
三、钢材的疲劳 ◼ 疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏； ◼ 钢材的疲劳强度与反复荷载引起的应力种类 （拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、 应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度 和残余应力等有着直接关系
三、钢材的疲劳 ■1、常幅疲劳 应力比： 应力比p-Cm(拉应力取正号，压应力取负号) 应力幅： 应力幅△O=Ox一Omm 疲劳强度计算公式： Ao=Ox-kon≤△o] Ao]= n 式中k一当为焊接结构时k=1; 当为非焊接结构时k=0.7
三、钢材的疲劳 ◼ 1、常幅疲劳 应力比： 应力幅： 疲劳强度计算公式： 式中 k－当为焊接结构时k=1；当为非焊接结构时k=0.7 ( ) max 应力比 ＝ min 拉应力取正号，压应力取负号 应力幅＝ max − min = − max min k 1 = n C
式中[△g]一容许应力幅； C和B是与构件和连接分类的构造有关的系数，见下表 n一循环次数 参数C、B值 构件 和 2 3 5 6 8 连接 类别 1940 861 3.26 2.18 1.47 0.96 0.65 0.41 X102 X102 X102 X102 X102 X1012 X1012 X102 3
式中 [Δσ]－容许应力幅； C和β是与构件和连接分类的构造有关的系数，见下表 n－循环次数 参数 C、β值 构件 和 连接 类别 1 2 3 4 5 6 7 8 C 1940 X101 2 861 X101 2 3.26 X101 2 2.18 X101 2 1.47 X101 2 0.96 X101 2 0.65 X101 2 0.41 X101 2 β 4 4 3 3 3 3 3 3
三、钢材的疲劳 ·2、变幅疲劳和起重机梁的欠载效应系数 ajAo≤[△on-2x1o 口一变幅荷载的欠载效应系数，对重级工作制硬钩 起重机a=1.0;重级工作制软钩起重机a=0.8; 中级工作制起重机a=0.5
三、钢材的疲劳 ◼ 2、变幅疲劳和起重机梁的欠载效应系数 αf—变幅荷载的欠载效应系数，对重级工作制硬钩 起重机αf =1.0；重级工作制软钩起重机αf =0.8； 中级工作制起重机αf =0.5。 6 f n=210