第一章概论 第一节钢结构的特点和应用 钢结构的特点: 钢结构构件较小,质量较轻,便于运输和安装,便于装拆、扩建。 适用于跨度大、高度高,承载重的结构 1.钢材的材质均匀,质量稳定,可靠度高 2.钢材的强度高,塑性和韧性好,抗冲击和抗振动能力强 3.钢结构工业化程度高,工厂制造,工地安装,加工精度高,制造周期短,生产效率 高,建造速度快 4.钢结构抗震性能好 耐腐蚀和耐火性差 第二节钢结构的应用范围 、大跨度结构: 体育场、馆、会展中心、会堂、剧场、飞机库、机车库等。 高层建筑: 纽约的西尔斯大厦共110层,总高443m 深圳的地王商业大厦总高368m; 上海金茂大厦共88层,总高420.5m。 、工业建筑 设有大吨位吊车,炼钢车间,船体车间,水压机车间 四、轻钢结构 后面重点讲解。 五、高耸结构(塔槍结构) 高压输电塔,微波站,雷达站,火箭发射塔,海洋石油平台。 随着现代建筑技术发展,塔桅结构由单一功能向多功能方向发展,如加拿大多伦多的 电视塔为全钢结构,我国黑龙江省336m高的全钢结构多功能电视塔 六、活动式结构 水工钢闸门,升船机,三峡的升船机120×18×3.5m,最大提升高度113m,重11800T。 七、可拆卸或移动的结构 钢栈桥、移动式平台,发挥钢结构重量轻,便于运输和安装的优点
- 1 - 第一章 概论 第一节 钢结构的特点和应用 钢结构的特点： 钢结构构件较小，质量较轻，便于运输和安装，便于装拆、扩建。 适用于跨度大、高度高，承载重的结构。 1.钢材的材质均匀，质量稳定，可靠度高； 2.钢材的强度高，塑性和韧性好，抗冲击和抗振动能力强； 3.钢结构工业化程度高，工厂制造，工地安装，加工精度高，制造周期短，生产效率 高，建造速度快； 4.钢结构抗震性能好； 5.耐腐蚀和耐火性差。 第二节 钢结构的应用范围 一、大跨度结构： 体育场、馆、会展中心、会堂、剧场、飞机库、机车库等。 二、高层建筑： 纽约的西尔斯大厦共 110 层，总高 443m； 深圳的地王商业大厦总高 368m； 上海金茂大厦共 88 层，总高 420.5m。 三、工业建筑 设有大吨位吊车，炼钢车间，船体车间，水压机车间。 四、轻钢结构 后面重点讲解。 五、高耸结构(塔桅结构) 高压输电塔，微波站，雷达站，火箭发射塔，海洋石油平台。 随着现代建筑技术发展，塔桅结构由单一功能向多功能方向发展，如加拿大多伦多的 电视塔为全钢结构，我国黑龙江省 336m 高的全钢结构多功能电视塔。 六、活动式结构 水工钢闸门，升船机，三峡的升船机 120×18×3.5m，最大提升高度 113m，重 11800T。 七、可拆卸或移动的结构 钢栈桥、移动式平台，发挥钢结构重量轻，便于运输和安装的优点
加拿大已建成120多万吨,可容纳5000多人的海上采油平台 八、高压容器和大直径管道 三峡水利枢纽工程中的发电机组压力钢管内径达12.4m,钢管壁厚60m。 九、抗震要求高的结构 十、特种结构 钢烟囱、钢水塔,纪念性建筑(北京的中华世纪坛)城市大型雕塑(南海大佛)。 第三节现代建筑钢材的发展 、高强度钢材 随着人们对结构性能要求的提高,硏制和应用高强度钢材、优质钢和各种低合金钢 Q345(16锰钢)、Q390(15锰钒钢)、Q420(15锰钒氮钢),有些西方国家已把钢材的 屈服强度为700~800Mpa或更高强度的低合金钢列入设计规范。 、耐候钢 美国在优质碳素钢或低合金钢中加入铜铬镍等合金元素试制耐大气腐蚀的用钢,其抗 腐蚀性能可提高2~4倍。 我国在80年代开始研制成功可焊接耐候钢 三、耐火钢 美国在优质碳素钢中加入铜等其他合金元素,研制成耐火钢,耐火可达600℃ 我国宝钢武钢都已生产耐火钢,主要应用在列车上 四、不锈钢 1.不锈钢的分类 不锈钢的定义是各式各样的,因此不锈钢钢种的范围也是不固定的,根据比较标准的 定义,不锈钢是指在钢中加铬元素,且形成钝化状态,具有不锈钢特性的钢材。另一种定 义是根据塔曼耐酸法而作出的,认为不锈钢是含铬量在13%(严格讲,是11.74%)以上的 钢材 对不锈钢的分类,因上述定义的关系,也不是十分清楚的,通常,根据不锈钢的成份, 将大致地分为铬系和铬镍系两类。 提高耐蚀性一降低含碳量一低碳铬13 铬系一铬13 (铁素体系)一增加含铬量一低碳铬18 提高淬火硬度一增加含碳量一高碳铬13 同时提高耐蚀性(马氏体系)一增加含碳量一高碳铬18 镍铬系一18-8—提高耐蚀性一降低含碳量一低碳18-8 无磁性(奥氏体系)一添加其他元素-18-8Mg 但更为常用和具有实用意义的,是根据不锈钢在经900-1100℃高温淬火处理后的反应 和微观组织。将其分为三类:即淬火后硬化的马氏体系,淬火后不硬化的铁素体系,高镍
- 2 - 加拿大已建成 120 多万吨，可容纳 5000 多人的海上采油平台。 八、高压容器和大直径管道 三峡水利枢纽工程中的发电机组压力钢管内径达 12.4m，钢管壁厚 60mm。 九、抗震要求高的结构 十、特种结构 钢烟囱、钢水塔，纪念性建筑（北京的中华世纪坛）城市大型雕塑（南海大佛）。 第三节 现代建筑钢材的发展 一、高强度钢材 随着人们对结构性能要求的提高，研制和应用高强度钢材、优质钢和各种低合金钢， 如 Q345（16 锰钢）、Q390（15 锰钒钢）、Q420（15 锰钒氮钢），有些西方国家已把钢材的 屈服强度为 700～800Mpa 或更高强度的低合金钢列入设计规范。 二、耐候钢 美国在优质碳素钢或低合金钢中加入铜铬镍等合金元素试制耐大气腐蚀的用钢，其抗 腐蚀性能可提高 2～4 倍。 我国在 80 年代开始研制成功可焊接耐候钢。 三、耐火钢 美国在优质碳素钢中加入铜等其他合金元素，研制成耐火钢，耐火可达 600℃。 我国宝钢武钢都已生产耐火钢，主要应用在列车上。 四、不锈钢 1.不锈钢的分类 不锈钢的定义是各式各样的，因此不锈钢钢种的范围也是不固定的，根据比较标准的 定义，不锈钢是指在钢中加铬元素，且形成钝化状态，具有不锈钢特性的钢材。另一种定 义是根据塔曼耐酸法而作出的，认为不锈钢是含铬量在 12%（严格讲，是 11.74%）以上的 钢材。 对不锈钢的分类，因上述定义的关系，也不是十分清楚的，通常，根据不锈钢的成份， 将大致地分为铬系和铬镍系两类。 提高耐蚀性—降低含碳量—低碳铬 13 （铁素体系）—增加含铬量—低碳铬 18 提高淬火硬度—增加含碳量—高碳铬 13 同时提高耐蚀性（马氏体系）—增加含碳量—高碳铬 18 镍铬系—18-8—提高耐蚀性—降低含碳量—低碳 18-8 无磁性（奥氏体系）—添加其他元素—18-8Mg 但更为常用和具有实用意义的，是根据不锈钢在经 900-1100℃高温淬火处理后的反应 和微观组织。将其分为三类：即淬火后硬化的马氏体系，淬火后不硬化的铁素体系，高镍 铬系—铬 13
系不锈钢所具有的奥氏组织。这三类不锈钢的成份与性能见下表 三类不锈钢的成份与性能 大致成份(%) 分类 淬硬性耐腐蚀性加工性可焊性磁性 马氏体系11~25 1.2以下 不可 铁素体系 16~2 0.35以下 有一无无 尚佳 有一有无 奥氏体系16以上7以上0.25以下 优 优 可一优 2.不锈钢的性能 不锈钢的性能与普通碳素钢的性能不同。各种类型不锈钢的性能也不完全相同。在物 理性能方面,马氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢的线膨胀系数接近低碳钢的数值(12 10°),而奥氏体系不锈钢大约是碳素钢的150%(8×10°)。铁素体系不锈钢和马氏体系不 锈钢导热系数纸为普通低碳素钢的1/2左右,而奥氏体系不锈钢的导热系数仅达普通低碳 钢的1/3左右。不锈钢的弹性模量、密度及比热等方面与普通低碳钢基本上是同等程度的 由此可看出,不锈钢的这些特点会对其机械性能和加工性能产生直接或间接的影响。从机 械性能角度来看,铁素体系不锈钢与马氏体系不锈钢具有与低碳钢较类似的性能。这两种 不锈钢的抗拉强度要较普通低碳钢高,而其屈服点一般不像低碳钢那样明显。这两种不锈 钢的抗冲击能力是不一样的,铁素体系不锈钢的抗冲击能力较差,而马氏体系不锈钢在常 温下则有着优良的韧性。奥氏体系不锈钢在机械性能方面的特点是其屈服强度比较低,而 伸长率与断面收缩率先及抗击值比较高,具有优良的韧性。对焊接来说,马氏体系不锈钢 与铁素体系不锈钢在焊接时冷却速度要普通钢慢得多;而奥氏体系不锈钢焊接时,其变形 的增大要比普通低碳钢大得多 对不锈钢的耐腐蚀性能要有正确的认识。不锈钢肯有优良的耐腐性,是以在耐腐蚀方 面的应用为其目的和特点的钢种。为了在工程中安全地使用不锈钢,建立起不锈钢并不 定都具有优良的耐腐蚀性这一观点是十分必要的。应该清楚地认识到,现实中存在着各式 各样的腐蚀,不同类型的不锈钢对于不同类型的腐蚀的耐蚀性是很不相同的。因此,根据 腐蚀的具体类型来判断不锈钢的耐蚀性是十分重要的。 一般来说,不锈钢是依靠其表面的钝化膜来发挥其耐蚀性能的。因此,不锈钢的耐蚀 性能的好坏与其表面的钝化情况有关。从这种观点出发,对于强氧化性的酸来说,即使是 像硝酸那样的强酸,不锈钢也能具有优良的耐蚀性能,甚至耐蚀性能较差的铁素体不锈钢 也可被允许使用。但是对于像稀硫酸、醋酸之类非氧化性或还原性的酸来说,由于此时不 能发挥上述钝化膜的作用,而不锈钢与铁的电极度电位几乎是相同的,所以表现出不锈钢 不能耐腐蚀,即使是耐蚀性最好的奥氏体不锈钢,其耐腐蚀性能也是不够好的。在这种情 况下,应动用含镍量较高(标准型奥氏不锈钢为0Cr18Ni18),或含有铜等添加元素的不锈 钢,这些添加元素改善了不锈钢的耐蚀性。另外,选择含有钼和硅元素的不锈钢也能取得
- 3 - 系不锈钢所具有的奥氏组织。这三类不锈钢的成份与性能见下表 三类不锈钢的成份与性能 分类 大致成份（%） 淬硬性 耐腐蚀性 加工性 可焊性 磁性 Cr Ni C 马氏体系 11～25 — 1.2 以下 有 可 可 不可 有 铁素体系 16～27 — 0.35 以下 无 佳 尚佳 尚可 有 奥氏体系 16 以上 7 以上 0.25 以下 无 优 优 优 无 2.不锈钢的性能 不锈钢的性能与普通碳素钢的性能不同。各种类型不锈钢的性能也不完全相同。在物 理性能方面，马氏体系不锈钢和铁素体系不锈钢的线膨胀系数接近低碳钢的数值（12× 10-6），而奥氏体系不锈钢大约是碳素钢的 150%（8×10-6）。铁素体系不锈钢和马氏体系不 锈钢导热系数纸为普通低碳素钢的 1/2 左右，而奥氏体系不锈钢的导热系数仅达普通低碳 钢的 1/3 左右。不锈钢的弹性模量、密度及比热等方面与普通低碳钢基本上是同等程度的。 由此可看出，不锈钢的这些特点会对其机械性能和加工性能产生直接或间接的影响。从机 械性能角度来看，铁素体系不锈钢与马氏体系不锈钢具有与低碳钢较类似的性能。这两种 不锈钢的抗拉强度要较普通低碳钢高，而其屈服点一般不像低碳钢那样明显。这两种不锈 钢的抗冲击能力是不一样的，铁素体系不锈钢的抗冲击能力较差，而马氏体系不锈钢在常 温下则有着优良的韧性。奥氏体系不锈钢在机械性能方面的特点是其屈服强度比较低，而 伸长率与断面收缩率先及抗击值比较高，具有优良的韧性。对焊接来说，马氏体系不锈钢 与铁素体系不锈钢在焊接时冷却速度要普通钢慢得多；而奥氏体系不锈钢焊接时，其变形 的增大要比普通低碳钢大得多。 对不锈钢的耐腐蚀性能要有正确的认识。不锈钢肯有优良的耐腐性，是以在耐腐蚀方 面的应用为其目的和特点的钢种。为了在工程中安全地使用不锈钢，建立起不锈钢并不一 定都具有优良的耐腐蚀性这一观点是十分必要的。应该清楚地认识到，现实中存在着各式 各样的腐蚀，不同类型的不锈钢对于不同类型的腐蚀的耐蚀性是很不相同的。因此，根据 腐蚀的具体类型来判断不锈钢的耐蚀性是十分重要的。 一般来说，不锈钢是依靠其表面的钝化膜来发挥其耐蚀性能的。因此，不锈钢的耐蚀 性能的好坏与其表面的钝化情况有关。从这种观点出发，对于强氧化性的酸来说，即使是 像硝酸那样的强酸，不锈钢也能具有优良的耐蚀性能，甚至耐蚀性能较差的铁素体不锈钢 也可被允许使用。但是对于像稀硫酸、醋酸之类非氧化性或还原性的酸来说，由于此时不 能发挥上述钝化膜的作用，而不锈钢与铁的电极度电位几乎是相同的，所以表现出不锈钢 不能耐腐蚀，即使是耐蚀性最好的奥氏体不锈钢，其耐腐蚀性能也是不够好的。在这种情 况下，应动用含镍量较高（标准型奥氏不锈钢为 OCr18Ni18），或含有铜等添加元素的不锈 钢，这些添加元素改善了不锈钢的耐蚀性。另外，选择含有钼和硅元素的不锈钢也能取得
良好的效果,钼和硅元素的存在,不仅使不锈钢的总体耐腐蚀性提高,而且还使不锈钢发 生腐蚀的可能性大大降低。对于奥氏不锈钢的使用,尚需特别注意晶间腐蚀和应力腐蚀问 题的发生 3.不锈钢的机械性能 不锈钢应按不同分类不同牌号根据机械性能和合金元素进行设计和选用相应的焊条 (1)机械性能 屈服强度 抗拉强度 伸长率 o(MPa) 65(%0) 480~520 35~40 (2)物理性质 弹性模量 剪变模量 线胀系数 泊松比 E(MPa) G(MPa) a(每℃计) 180×103 1.8×10°(奥氏体) 0.3 第二章钢结构的材料 第一节钢结构对所用材料的要求 、钢材的破坏形式 要深入了解钢结构的性能,首先要从钢结构的材料开始,掌握钢材在各种应力状态 不同生产过程和不同使用条件下的工作性能,从而能够选择合适的钢材,不仅使结构安 全可靠和满足使用要求,以能最大可能地节约钢材和降低造价 钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生的,可分为塑性破坏和脆性破坏两种方式 钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏,也称为延性破坏。破坏发生时 应力达抗拉强度∫构件有明显的劲缩现象。由于塑性破坏发生前有明显的变形,并且有较 长的变形持续时间,因而易及时发现和补救。在钢结构中未经发现和补救而真正发生的塑 性破坏是很少见的。钢材在变形很小的情况下,突然发生断裂破坏称为脆性破坏。脆性破 坏发生时的应力常小于钢材的屈服强度∫断口平直,呈有光泽的晶粒状。由于破坏前变 形很小且突然发生,事先不易发现,难以采取补救措施,因而危险性很大。 、钢结构对所有材料的要求 钢材的种类繁多,碳素钢有上百种,合金钢有300余种,性能差别很大,符合钢结
- 4 - 良好的效果，钼和硅元素的存在，不仅使不锈钢的总体耐腐蚀性提高，而且还使不锈钢发 生腐蚀的可能性大大降低。对于奥氏不锈钢的使用，尚需特别注意晶间腐蚀和应力腐蚀问 题的发生。 3.不锈钢的机械性能 不锈钢应按不同分类不同牌号根据机械性能和合金元素进行设计和选用相应的焊条。 (1)机械性能 屈 服 强 度 抗 拉 强 度 伸 长 率 牌 号 ( ) 0.2 MPa (MPa) b (%) S 177～275 480～520 35～40 (2)物理性质 弹性模量 剪变模量 线胀系数 泊松比 E(MPa) G(MPa) （每℃计） 180×103 1．8×105（奥氏体） 0.3 第二章 钢结构的材料 第一节 钢结构对所用材料的要求 一、钢材的破坏形式 要深入了解钢结构的性能，首先要从钢结构的材料开始，掌握钢材在各种应力状态， 不同生产过程和不同使用条件下的工作性能，从而能够选择合适的钢材，不仅使 结构安 全可靠和满足使用要求，以能最大可能地节约钢材和降低造价。 钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生的，可分为塑性破坏和脆性破坏两种方式。 钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。破坏发生时 应力达抗拉强度 u f 构件有明显的劲缩现象。由于塑性破坏发生前有明显的变形，并且有较 长的变形持续时间，因而易及时发现和补救。在钢结构中未经发现和补救而真正发生的塑 性破坏是很少见的。钢材在变形很小的情况下，突然发生断裂破坏称为脆性破坏。脆性破 坏发生时的应力常小于钢材的屈服强度 y f 断口平直，呈有光泽的晶粒状。由于破坏前变 形很小且突然发生，事先不易发现，难以采取补救措施，因而危险性很大。 二、钢结构对所有材料的要求 钢材的种类繁多，碳素钢有上百种，合金钢有 300 余种，性能差别很大，符合钢结
构要求的钢材只是其中的小部分。用以建筑钢结构的钢材称为结构钢,它必须满足下列要 (1)抗拉强度∫和屈服强度f,较高。钢结构设计把f作为强度承载力极限状态的标 志。∫高可减轻结构自重,节约钢材和降低造价。J是钢材抗拉断能力的极限,f高可 增加结构的安装保障。 (2)塑性和韧性好。塑性和韧性好的钢材在静载和动载作用下有足够的应变能力,即 可减轻结构脆性破坏的倾向,又能通过较大的塑性变形调整局部应力,使应力得到重分布 提高构件的延性,从而提高结构的抗震能力和抵抗重复荷载作用的能力 (3)良好的加工性能。材料应适合冷、热加工,具有良好的可焊性,不致因加工而对 结构的强度、塑性和韧性等造成较大的不利影响。 (4)耐久性好。 (5)价格便宜。 此外,根据结构的具体工作条件,有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能 力 根据上述要求,结合多年的实践经验,《钢结构设计规范》(GB50017-)主要推荐碳素 结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢(16锰钢)、Q390钢(15锰钒钢)和Q20 钢(15MnWN钢),可作为结构用钢。随着研究的深入,必将有一些满足要求的其他种类材 可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时,需有可靠的依据,以确保钢结构的 质量。 第二节钢材的主要机械性能 钢材的主要机械性能(也称力学性能)通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉 伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到,试验采用的 试件制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行 一、单向拉伸时的性能 钢材单向拉伸试验按照《金属拉伸试验方法》(GB228)的有关要求进行。钢结构所在 用钢材的标准试件在室温(10℃~35℃),以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材 的应力~应变曲线,简化光滑曲线。由此曲线显示的钢材机械性能。(详见附图一)。 (1)弹性阶段(附图一(b)中OA段):试验表明,当应力小于比例极限厂(A点)时, σ与E呈线性关系,称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中,对所有钢 材统一取E=2.06×103N/m2。当应力不超过某一应力值∫时,卸除荷载后试件的 变形将完全恢复。钢材的这种性质称为弹性,称∫为弹性极限。在σ达到∫之前钢材处 于弹性变形阶段,简称弹性阶段。∫略高于J二者极其接近,因而通常取比例极限厂
- 5 - 构要求的钢材只是其中的小部分。用以建筑钢结构的钢材称为结构钢，它必须满足下列要 求： (1)抗拉强度 u f 和屈服强度 y f 较高。钢结构设计把 y f 作为强度承载力极限状态的标 志。 y f 高可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。 u f 是钢材抗拉断能力的极限， u f 高可 增加结构的安装保障。 (2)塑性和韧性好。塑性和韧性好的钢材在静载和动载作用下有足够的应变能力，即 可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，使应力得到重分布， 提高构件的延性，从而提高结构的抗震能力和抵抗重复荷载作用的能力。 (3)良好的加工性能。材料应适合冷、热加工，具有良好的可焊性，不致因加工而对 结构的强度、塑性和韧性等造成较大的不利影响。 (4)耐久性好。 (5)价格便宜。 此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能 力。 根据上述要求，结合多年的实践经验，《钢结构设计规范》(GB50017-)主要推荐碳素 结构钢中的 Q235 钢、低合金结构钢中的 Q345 钢（16 锰钢）、Q390 钢（15 锰钒钢）和 Q420 钢（15MnVN 钢），可作为结构用钢。随着研究的深入，必将有一些满足要求的其他种类材 可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的 质量。 第二节 钢材的主要机械性能 钢材的主要机械性能（也称力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉 伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的 试件制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 钢材单向拉伸试验按照《金属拉伸试验方法》（GB228）的有关要求进行。钢结构所在 用钢材的标准试件在室温（10℃～35℃），以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材 的应力～应变曲线，简化光滑曲线。由此曲线显示的钢材机械性能。(详见附图一)。 (1)弹性阶段（附图一(b)中 OA 段）：试验表明，当应力 小于比例极限 p f （A 点）时， 与 呈线性关系，称该直线的斜率 E 为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢 材统一取 5 2 E = 2.06 10 N / mm 。当应力 不超过某一应力值 e f 时，卸除荷载后试件的 变形将完全恢复。钢材的这种性质称为弹性，称 e f 为弹性极限。在 达到 e f 之前钢材处 于弹性变形阶段，简称弹性阶段。 e f 略高于 p f ，二者极其接近，因而通常取比例极限 p f
和弹性极限厂值相同,并用比例极限厂,表示 (2)弹塑性阶段(图2-1(b)中AB段):在AB段,变形由弹性变形和塑性变形组成,其 中弹性变形在卸载后恢复为零,而塑性变形则不能恢复,成为残余变形。称此阶段为弹塑 性变形阶段,简称弹塑性阶段。在此阶段,σ与E呈非线性关系,称E1=do/d为切线 模量。E随应力增大而减小,当σ达到厂,时,E,为零。 (3)屈服阶段(图2-1(6)中BC段):当σ达到厂,后,应力保持不变而应变持续发展, 形成水平线段,即屈服平台BC。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载,故称为屈服阶段。实 际上,由于加载速度及试件状况等试验条件的不同,屈服开始时总是形成曲线上下波动, 波动最高点称上屈服点,最低点称下屈服点。下屈服点的数值对试验条件不敏感,所以计 算时取下屈服点作为钢材的屈服强度∫。对碳含量较高的钢或高强度钢,常没有明显的 屈服点,这时规定取对应于残余应变E,=0.2%时的应力σ2作为钢材的屈服点,常称为 条件屈服点或屈服强度为简单划一,钢结构设计中常不区分钢材的屈服点或条件屈服点 而统一称作屈服强度∫,。考虑达到J,后钢材暂时不能承受更大的荷载,且伴随产生很 大的变形,因此钢结构设计取厂,作为钢材的强度承载力极限 (4)强化阶段(图2-1(b)中CD段):钢材经历了屈服阶段较大的塑性变形后,金属内 部结构得到调整,产生了继续承受增长荷载的能力,应力~应变曲线又开始上升,一直到 D点,称为钢材的强化阶段。称试件能承受的最大拉应力∫为钢材的抗拉强度。在这个阶 段的变形模量称为强化模量,它比弹性模量低很多。取f作为强度极限承载力的标志,f 就成为材料的强度储备。 对于没有缺陷和残余应力影响的试件,f与∫比较接近,且屈服点前的应变很小。 在应力达到∫,之前,钢材近于理想弹性体,在应力达到,之后,塑性应变范围很大而应 力保持不增长,接近理想塑性体。因此可把钢材视为理想弹塑性体,取其应力~应变曲线 (详见附图二)。钢结构塑性设计是以材料为理想弹塑性体的假设为依据的,虽然忽略了 强化阶段的有利因素,但却是以应高出∫多少为条件的。设计规范要求f/J≥12, 来保证塑性设计应有的储备能力 (5)颈缩阶段(D点以后区段):当应力达到∫后,在承载能力最弱的截面处,横截面 急剧收缩,且荷载下降直至拉断破坏。试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百 分数称为伸长率δ。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力 钢材的f,f和δ被认为是承重钢结构对钢材要求所必须的三项基本机械性能指标 、钢材的冷弯性能 钢材的冷弯性能由冷弯试验来确定,试验按照《金属弯曲试验方法》(GB232)的要求 进行。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压(详见附图三),使试件弯曲
- 6 - 和弹性极限 e f 值相同，并用比例极限 p f 表示。 (2)弹塑性阶段（图 2-1(b)中 AB 段）：在 AB 段，变形由弹性变形和塑性变形组成，其 中弹性变形在卸载后恢复为零，而塑性变形则不能恢复，成为残余变形。称此阶段为弹塑 性变形阶段，简称弹塑性阶段。在此阶段， 与 呈非线性关系，称 E d d t = / 为切线 模量。 Et 随应力增大而减小，当 达到 y f 时， Et 为零。 (3)屈服阶段（图 2-1(b)中 BC 段）：当 达到 y f 后，应力保持不变而应变持续发展， 形成水平线段，即屈服平台 BC。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载，故称为屈服阶段。实 际上，由于加载速度及试件状况等试验条件的不同，屈服开始时总是形成曲线上下波动， 波动最高点称上屈服点，最低点称下屈服点。下屈服点的数值对试验条件不敏感，所以计 算时取下屈服点作为钢材的屈服强度 y f 。对碳含量较高的钢或高强度钢，常没有明显的 屈服点，这时规定取对应于残余应变 y = 0.2% 时的应力 0.2 作为钢材的屈服点，常称为 条件屈服点或屈服强度为简单划一，钢结构设计中常不区分钢材的屈服点或条件屈服点， 而统一称作屈服强度 y f 。考虑 达到 y f 后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很 大的变形，因此钢结构设计取 y f 作为钢材的强度承载力极限。 (4)强化阶段（图 2-1(b)中 CD 段）：钢材经历了屈服阶段较大的塑性变形后，金属内 部结构得到调整，产生了继续承受增长荷载的能力，应力～应变曲线又开始上升，一直到 D 点，称为钢材的强化阶段。称试件能承受的最大拉应力 u f 为钢材的抗拉强度。在这个阶 段的变形模量称为强化模量，它比弹性模量低很多。取 y f 作为强度极限承载力的标志， u f 就成为材料的强度储备。 对于没有缺陷和残余应力影响的试件， p f 与 y f 比较接近，且屈服点前的应变很小。 在应力达到 y f 之前，钢材近于理想弹性体，在应力达到 y f 之后，塑性应变范围很大而应 力保持不增长，接近理想塑性体。因此可把钢材视为理想弹塑性体，取其应力～应变曲线 （详见附图二）。钢结构塑性设计是以材料为理想弹塑性体的假设为依据的，虽然忽略了 强化阶段的有利因素，但却是以 u f 应高出 y f 多少为条件的。设计规范要求 f u / f y 1.2 ， 来保证塑性设计应有的储备能力。 (5)颈缩阶段（D 点以后区段）：当应力达到 u f 后，在承载能力最弱的截面处，横截面 急剧收缩，且荷载下降直至拉断破坏。试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百 分数称为伸长率 。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力。 钢材的 y f ， u f 和 被认为是承重钢结构对钢材要求所必须的三项基本机械性能指标。 二、钢材的冷弯性能 钢材的冷弯性能由冷弯试验来确定，试验按照《金属弯曲试验方法》（GB232）的要求 进行。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压（详见附图三），使试件弯曲
180°,若试件外表面不出现裂纹和分层,即为合格。冷弯试验不仅能直接反映钢材的弯 曲变形能力和塑性性能,还能显示钢材内部的冶金缺陷(如分层、非金属夹渣等)状况, 是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工性能 时,应有冷弯合格保证 钢材的冲击韧性 钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力,是衡量钢 抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。在实际 结构中,脆性断裂总是发生在有缺口高峰应力的地方。因此,最有代表性的是钢材的缺口 冲击韧性,简称冲击韧性。钢材的冲击韧性试验采用有V形缺口的标准试件,在冲击试验 机上进行。冲击韧性值用击断试样所需的冲击功Ax表示,单位为J。 冲击韧性与温度有关,当温度低于某一负温值时,沖击韧性值将急剧降低。因此在寒 冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构,除应有常温冲击韧性的保证外,还应依钢材的 类别,使其具有-20℃或-40℃的冲击韧性保证。(详见附图四)。 四、钢材受压和受剪时的性能 钢材在单向受压(短试件)时,受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似 但抗剪屈服点及抗剪强度均低于∫,和:剪变模量G也低于弹性模量E 钢材的弹性模量E、剪变模量G、线膨胀系数α和质量密度ρ 钢材的物理性能指标 弹性模量 剪变模量 线膨胀系数a 按质量密度 E(N/mm) G(N/mm) (以每℃计) p(kg/m) 2.06×10 7.9×104 1.2×10° 7.85×103 第三节影响钢材性能的主要因素 在一般情况下,钢结构常用的结构钢既有较高的强度,又有很好的塑性和韧性,是理 想的承重结构材料。但是,有很多因素会影响钢材的力学性能,可显著降低塑性和韧性, 促使发生脆性破坏。主要影响因素如下: 化学成分的影响 钢由多种化学成分组成,化学成分及含量直接影响钢材的结晶组织,导致钢材的力学 性能改变。钢的主要化学成分是铁和少量的碳,此外还有锰、硅等有利元素,以及难以除 尽的有害元素硫和磷等。在合金钢中还有特意添加用以改善钢材性能的某些合金元素,如 锰和钒等。 碳是使钢材获得足够强度的主要元素。碳含量提高,则钢材强度提高,但同时塑性
- 7 - 180°，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接反映钢材的弯 曲变形能力和塑性性能，还能显示钢材内部的冶金缺陷（如分层、非金属夹渣等）状况， 是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工性能 时，应有冷弯合格保证。 三、钢材的冲击韧性 钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力，是衡量钢 抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能。在实际 结构中，脆性断裂总是发生在有缺口高峰应力的地方。因此，最有代表性的是钢材的缺口 冲击韧性，简称冲击韧性。钢材的冲击韧性试验采用有 V 形缺口的标准试件，在冲击试验 机上进行。冲击韧性值用击断试样所需的冲击功 AKV 表示，单位为 J。 冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒 冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，还应依钢材的 类别，使其具有-20℃或-40℃的冲击韧性保证。(详见附图四)。 四、钢材受压和受剪时的性能 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似， 但抗剪屈服点 y 及抗剪强度 u 均低于 y u f 和f ；剪变模量 G 也低于弹性模量 E。 钢材的弹性模量 E、剪变模量 G、线膨胀系数 和质量密度 。 钢材的物理性能指标 弹性模量 E ( / ) 2 N mm 剪变模量 G ( / ) 2 N mm 线膨胀系数 （以每℃计） 按质量密度 ( / ) 3 kg m 2.06×105 7.9×104 1.2×10-5 7.85×103 第三节 影响钢材性能的主要因素 在一般情况下，钢结构常用的结构钢既有较高的强度，又有很好的塑性和韧性，是理 想的承重结构材料。但是，有很多因素会影响钢材的力学性能，可显著降低塑性和韧性， 促使发生脆性破坏。主要影响因素如下： 一、化学成分的影响 钢由多种化学成分组成，化学成分及含量直接影响钢材的结晶组织，导致钢材的力学 性能改变。钢的主要化学成分是铁和少量的碳，此外还有锰、硅等有利元素，以及难以除 尽的有害元素硫和磷等。在合金钢中还有特意添加用以改善钢材性能的某些合金元素，如 锰和钒等。 碳是使钢材获得足够强度的主要元素。碳含量提高，则钢材强度提高，但同时塑性
韧性、冷弯性能、可焊性及抗腐蚀能力下降。为使钢材具有良好的综合性能,结构钢材的 碳含量不能过高。一般碳含量不应超过0.22%,对于焊接结构,应低于0.2%。 锰和硅是钢材中的有利元素,它们都是炼钢时的脱氧剂。加适量的硅可提高钢材的强 度,而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无显著的不良影响。但过量的硅将降低钢材的塑 性、韧性、抗腐蚀能力和可焊性。含适量的锰,要提高钢的强度同时不影响的塑性和冲击 韧性,且可消除硫对钢的热脆影响。但锰含量过高,会使钢材的可焊性降低。故应对锰和 硅含量有限制 钒是熔炼锰钒合金钢时特意添加的一种元素,能提髙钢材的强度和抗腐蚀能力,又不 显著降低钢的塑性。 硫和磷是钢中的两种有害成分,它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。硫 和磷可在高温和低温时使钢材变脆,分别谓之热脆和冷脆。一般硫和磷的含量应不超过 0.05%和0.045%。但是,磷可提高钢材的强度和抗腐蚀性。可使用的高磷钢,其磷含量可 达0.12%,这时应减少钢材中的含碳量,以保持一定的塑性和韧性 、钢材生产过程的影响 生产过程的主要影响包括冶炼时的炉种、浇注时的脱氧方法和轧制及热处理等的影 1.冶炼炉种的影响 《碳素结构钢》(GBˆ00-88)规定:“钢由氧气转炉、平炉或电炉冶炼”。电炉钢质量 最佳,但电耗大,成本高,钢结构一般不采用。钢结构主要采用平炉和氧气转炉钢,二者 质量大体相当。平炉已关停,现无必要强调炉种的影响。 2.钢的脱氧 钢液中残留的氧,将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛 钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同,可把钢分为沸腾钢、半镇静钢、镇 静钢和特殊镇静钢 沸腾钢是采用弱脱氧剂锰铁进行脱氧,浇注钢锭时钢液中仍保留有较多的氧化铁,它 与其中的碳等化合生成一氧化碳等气体大量逸出,致使钢液产生“沸腾”,故称沸腾钢 沸腾钢生产工艺简单,生产周期短,消耗的脱氧剂少,生产成本低。但由于钢液冷却较快, 气体无法从钢锭中全部逸出,冷却后钢内形成许多小气泡,并有较多的氧化铁夹杂,且化 学成分不够均匀(称为偏析),这些都是沸腾钢的缺陷。这些缺陷可降低钢材的冲击韧性、 抗冷脆性能和抗疲劳性能 镇静钢是在钢液中加入适量的强脱氧剂硅和锰等,进行较彻底脱氧。硅与氧化铁起作 用时,产生较多的热量,因而在钢锭模中的钢液冷却较慢,大部分气体可以析出。钢液是 在平静状态下凝固,故称镇静钢。镇静钢的化学成分均匀,组织密实,杂质少,因而冲击 韧性、可焊性、抗冷脆性能和抗疲劳性能等都优于沸腾钢,强度和塑性也略髙。但镇静钢 的生产成本高于沸腾钢 半镇静钢是在钢液中加入少量的强脱氧剂硅,脱氧程序、质量和价格介于沸腾钢和镇
- 8 - 韧性、冷弯性能、可焊性及抗腐蚀能力下降。为使钢材具有良好的综合性能，结构钢材的 碳含量不能过高。一般碳含量不应超过 0.22%，对于焊接结构，应低于 0.2%。 锰和硅是钢材中的有利元素，它们都是炼钢时的脱氧剂。加适量的硅可提高钢材的强 度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无显著的不良影响。但过量的硅将降低钢材的塑 性、韧性、抗腐蚀能力和可焊性。含适量的锰，要提高钢的强度同时不影响的塑性和冲击 韧性，且可消除硫对钢的热脆影响。但锰含量过高，会使钢材的可焊性降低。故应对锰和 硅含量有限制。 钒是熔炼锰钒合金钢时特意添加的一种元素，能提高钢材的强度和抗腐蚀能力，又不 显著降低钢的塑性。 硫和磷是钢中的两种有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。硫 和磷可在高温和低温时使钢材变脆，分别谓之热脆和冷脆。一般硫和磷的含量应不超过 0.05%和 0.045%。但是，磷可提高钢材的强度和抗腐蚀性。可使用的高磷钢，其磷含量可 达 0.12%，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。 二、钢材生产过程的影响 生产过程的主要影响包括冶炼时的炉种、浇注时的脱氧方法和轧制及热处理等的影 响。 1.冶炼炉种的影响 《碳素结构钢》（GB700-88）规定：“钢由氧气转炉、平炉或电炉冶炼”。电炉钢质量 最佳，但电耗大，成本高，钢结构一般不采用。钢结构主要采用平炉和氧气转炉钢，二者 质量大体相当。平炉已关停，现无必要强调炉种的影响。 2.钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛 钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，可把钢分为沸腾钢、半镇静钢、镇 静钢和特殊镇静钢。 沸腾钢是采用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，浇注钢锭时钢液中仍保留有较多的氧化铁，它 与其中的碳等化合生成一氧化碳等气体大量逸出，致使钢液产生“沸腾”，故称沸腾钢。 沸腾钢生产工艺简单，生产周期短，消耗的脱氧剂少，生产成本低。但由于钢液冷却较快， 气体无法从钢锭中全部逸出，冷却后钢内形成许多小气泡，并有较多的氧化铁夹杂，且化 学成分不够均匀（称为偏析），这些都是沸腾钢的缺陷。这些缺陷可降低钢材的冲击韧性、 抗冷脆性能和抗疲劳性能。 镇静钢是在钢液中加入适量的强脱氧剂硅和锰等，进行较彻底脱氧。硅与氧化铁起作 用时，产生较多的热量，因而在钢锭模中的钢液冷却较慢，大部分气体可以析出。钢液是 在平静状态下凝固，故称镇静钢。镇静钢的化学成分均匀，组织密实，杂质少，因而冲击 韧性、可焊性、抗冷脆性能和抗疲劳性能等都优于沸腾钢，强度和塑性也略高。但镇静钢 的生产成本高于沸腾钢。 半镇静钢是在钢液中加入少量的强脱氧剂硅，脱氧程序、质量和价格介于沸腾钢和镇
静钢之间。 特殊镇静钢是用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧,所得钢材的冲击韧性特别是 低温冲击韧性都较高。我国碳素结构钢中的Q235-D钢就属于特殊镇静钢。 我国冶金行业正在推广使用先进的连铸技术,2001年全国生产钢材连铸比达83.5%。 国家经贸委要求2002年全国连铸比达到88%,以后逐年提高。采用连铸技术生产的钢材无 沸腾钢,现沸腾钢产量大减。使用时应注意市场供应情况。 将钢锭加热至1200℃~1300℃,通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材,称为热 轧型钢。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合,并使组织密实。钢材的压缩 比(钢坯与轧成钢材厚度为比)愈大,其强度和冲击韧性也愈高。因此,设计规范对于不 同厚度的钢材,采用不同的强度设计值 轧制后的钢材若再经过热处理可得到调质钢。热处理常采用下列方式。 (1)淬火:把钢材加热到900℃以上,放入水或油中快速冷却。硬度和强度提高,但塑 性和韧性降低。 (2)正火:把钢材加热至900℃以上,在空气中缓慢冷却。可改善组织,细化晶粒,相 当于热轧状态。 (3)回火:把淬火后的钢材加热至500℃~600℃,空气中缓慢冷却。可减少脆性,提 高综合性能。我国结构用钢按照热轧状态交付使用,高强度螺栓要热处理,轨道表面要热 处理 三、温度的影响 钢材的机械性能随温度的变化而有所变化。在正温度范围内(0℃以上),温度升高不 超过200℃时,钢材的性能变化不大;在250℃左右,钢材的f略有提高,但塑性和韧性 均下降,此时钢材破坏常呈脆性破坏特征,钢材表面氧化膜呈现蓝色,称为蓝脆。钢材应 避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260℃~320℃时,钢材有徐变现象。当温度 超过300℃时,钢材的f、和E开始显著下降,而显著增大:当温度超过400℃时, 钢材的f、,和E都急剧降低,达60℃时其承载能力几乎丧失 在负温度范围内(0℃以下),随着温度降低,钢材的强度虽有提高,但塑性和韧性降 低,材料逐渐变脆,这种性质称为低温冷脆。(详见附图五)是钢材冲击韧性与温度的关 系曲线。由图可见,材料由塑性破坏转变为脆性破坏是在一个温度区间T~T2内完成的, 称此温度区间为钢材的脆性转变温度区,其间曲线反弯点所对应的温度T。称为脆性转变温 度。设计选区用钢材时应使其脆性变温度区的下限温度T低于结构所处的工作环境温度 即可保证钢结构低温工作的安全。每种钢材的脆性转变温度区需由大量的试验和统计分析 确定 四、冷加工硬化和时效硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷拉、冷弯、冷压、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材 生很大的塑性变化,从而使提高,但同时降低了钢材的塑性和韧性,这种现象为冷
- 9 - 静钢之间。 特殊镇静钢是用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧，所得钢材的冲击韧性特别是 低温冲击韧性都较高。我国碳素结构钢中的 Q235-D 钢就属于特殊镇静钢。 我国冶金行业正在推广使用先进的连铸技术，2001 年全国生产钢材连铸比达 83.5%。 国家经贸委要求 2002 年全国连铸比达到 88%，以后逐年提高。采用连铸技术生产的钢材无 沸腾钢，现沸腾钢产量大减。使用时应注意市场供应情况。 将钢锭加热至 1200℃～1300℃，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热 轧型钢。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩 比（钢坯与轧成钢材厚度为比）愈大，其强度和冲击韧性也愈高。因此，设计规范对于不 同厚度的钢材，采用不同的强度设计值。 轧制后的钢材若再经过热处理可得到调质钢。热处理常采用下列方式。 (1)淬火：把钢材加热到 900℃以上，放入水或油中快速冷却。硬度和强度提高，但塑 性和韧性降低。 (2)正火：把钢材加热至 900℃以上，在空气中缓慢冷却。可改善组织，细化晶粒，相 当于热轧状态。 (3)回火：把淬火后的钢材加热至 500℃～600℃，空气中缓慢冷却。可减少脆性，提 高综合性能。我国结构用钢按照热轧状态交付使用，高强度螺栓要热处理，轨道表面要热 处理。 三、温度的影响 钢材的机械性能随温度的变化而有所变化。在正温度范围内（0℃以上），温度升高不 超过 200℃时，钢材的性能变化不大；在 250℃左右，钢材的 u f 略有提高，但塑性和韧性 均下降，此时钢材破坏常呈脆性破坏特征，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆。钢材应 避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在 260℃～320℃时，钢材有徐变现象。当温度 超过 300℃时，钢材的 u f 、 y f 和 E 开始显著下降，而 显著增大；当温度超过 400℃时， 钢材的 u f 、 y f 和 E 都急剧降低，达 600℃时其承载能力几乎丧失。 在负温度范围内（0℃以下），随着温度降低，钢材的强度虽有提高，但塑性和韧性降 低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。 (详见附图五)是钢材冲击韧性与温度的关 系曲线。由图可见，材料由塑性破坏转变为脆性破坏是在一个温度区间 T1～T2 内完成的， 称此温度区间为钢材的脆性转变温度区，其间曲线反弯点所对应的温度 T0 称为脆性转变温 度。设计选区用钢材时应使其脆性变温度区的下限温度 T1 低于结构所处的工作环境温度， 即可保证钢结构低温工作的安全。每种钢材的脆性转变温度区需由大量的试验和统计分析 确定。 四、冷加工硬化和时效硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷拉、冷弯、冷压、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材 产生很大的塑性变化，从而使 y f 提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象为冷
加工硬化(应变硬化)。钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高,而且对直接 承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响,如将局部硬化部分用刨边或扩钻 予以消除。 在高温时熔化于纯铁体中的少量氮和碳,随时间的増长逐渐从纯铁体中析出,形成自 由氮化物和碳化物存在于纯铁体晶粒间的滑动面上,阻碍了纯铁体晶粒间的滑移,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。不同种类钢材的时效硬化过 程可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的性能,常先使钢材产生10%的塑性变形, 再加热到200℃~300℃,然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时完成,称为人 工时效。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,以保证结构具有 长期的抗脆性破坏能力。 五、复杂应力状态的影响 在单向拉力作用下,当单向应力达到屈服点f,时,钢材屈服而进入塑性状态。在复 杂应力如平面或立体应力(详见附图六)作用下,钢材的屈服并不只取决于某一方向的应 力,而是由反映各方向应力综合影响的某个“应力函数”,即所谓的“屈服条件”来确定 根据材料强度理论的硏究和试验验证,能量强度理论能较好的阐明接近于理想弹—塑性 体的结构钢材的弹一一塑性工作状态。在复杂应力状态下,钢材的屈服条件可以用折算应 力σ与钢材在单向应力时的届服点厂相比较来判断 o=G+a+:-(,+0:+00,)+3x+n+r2) 当<J,时,为弹性状态;σ≥J,时,为塑性状态(屈服)。 在一般梁中,只存在正应力σ和剪应力r,则上式成为 3r2(2-2) 而在纯剪时,σ=0,取=f,,可得: 0.58f 即剪应力达到0.58J,时,钢材进入塑性状态。所以钢结构设计规范取钢材的抗剪强 度设计值为抗拉强度设计值的0.58。 若复杂应力状态采用主应力G1、a2和σ3来表示,则折算应力为 a四=1{(a1-a2)2+(a2-a3)2+(a3-a1)] 由上式可见,当钢材处于同号三向主应力(G1,a2,3)作用,且彼此相关不大即 当σ1≈a2≈σ3时,即使各主应力很高,材料也很难转入屈服和有明显的变形。但是由于 高应力的作用,聚集在材料内的体积改变应变能很大,因而材料一旦遭致破坏,便呈现出 无明显变形征兆的脆性破坏特征
- 10 - 加工硬化（应变硬化）。钢结构设计一般不利用冷加工硬化造成的强度提高，而且对直接 承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻 予以消除。 在高温时熔化于纯铁体中的少量氮和碳，随时间的增长逐渐从纯铁体中析出，形成自 由氮化物和碳化物存在于纯铁体晶粒间的滑动面上，阻碍了纯铁体晶粒间的滑移，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。不同种类钢材的时效硬化过 程可从几小时到数十年。为加快测定钢材时效后的性能，常先使钢材产生 10%的塑性变形， 再加热到 200℃～300℃，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时完成，称为人 工时效。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，以保证结构具有 长期的抗脆性破坏能力。 五、复杂应力状态的影响 在单向拉力作用下，当单向应力达到屈服点 y f 时，钢材屈服而进入塑性状态。在复 杂应力如平面或立体应力（详见附图六）作用下，钢材的屈服并不只取决于某一方向的应 力，而是由反映各方向应力综合影响的某个“应力函数”，即所谓的“屈服条件”来确定。 根据材料强度理论的研究和试验验证，能量强度理论能较好的阐明接近于理想弹——塑性 体的结构钢材的弹——塑性工作状态。在复杂应力状态下，钢材的屈服条件可以用折算应 力 eq 与钢材在单向应力时的屈服点 y f 相比较来判断 ( ) 3( ) 2 2 2 2 2 2 eq x y z x y y z z x xy yz z x = + + − + + + + + 当 eq y f 时，为弹性状态； eq y f 时，为塑性状态（屈服）。 在一般梁中，只存在正应力 和剪应力 ，则上式成为 2 2 = + 3 eq （2-2） 而在纯剪时， = 0 ，取 eq y = f ，可得： y y = f / 3 = 0.58 f 即剪应力达到 0.58 y f 时，钢材进入塑性状态。所以钢结构设计规范取钢材的抗剪强 度设计值为抗拉强度设计值的 0.58。 若复杂应力状态采用主应力 1、 2 和 3 来表示，则折算应力为 [( ) ( ) ( ) ] 2 1 2 3 1 2 2 3 2 eq = 1 − 2 + − + − 由上式可见，当钢材处于同号三向主应力（ 1， 2 ， 3 ）作用，且彼此相关不大即 当 1 2 3 时，即使各主应力很高，材料也很难转入屈服和有明显的变形。但是由于 高应力的作用，聚集在材料内的体积改变应变能很大，因而材料一旦遭致破坏，便呈现出 无明显变形征兆的脆性破坏特征