第2章钢结构材料

(1)弹性阶段(OB段)

E
O A AB段有一定的 u y A 段 塑性变形, 但 材 整个OB段卸载 料 时，ε=0； 处 E=206×103N/mm2 于
B D A C
O
E

（2）弹塑性阶段（BC)
该段很短,表现出钢材的非弹性性质;
σB—屈服上限; σC—屈服下限(屈服点)
（3）塑性阶段（CD) 该段σ基本 保持不变（水 平), ε急剧 增大,称为屈 服台阶或流 u y A 幅段,变形模 量 E = 0
无关。
B. 对于非焊接结构和轧制钢材 在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以 绘出N次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。 当ρ=0和ρ=-1时的疲劳强度分别为σ0 和σ-1， 连接BC并延长至A、D。

f
1
B(
A
min （压）
max
(拉）
0
D
当坐标为 max , min ) ( 的点落在直线 ABCD 上
普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；
普通低合金钢中合金元素＜5%。
1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，
强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。
一般控制在0.22%以下， 在0.2％以下时，可焊性良好。
2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提 高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔 点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳 化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
260～320℃产生徐变现象。
600℃左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全
丧失。
2．负温范围
当温度低于常 温时，钢材的脆性
脆性破坏
转变过渡区段 塑性破坏
反弯点
倾向随温度降低而
增加，材料强度略 有提高，但其塑性 和韧性降低，该现 象称为低稳冷脆。
T
试验温度T0C
T0
T
1 2 冲击韧性与温度的关系曲线
（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，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。
（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应
力，它是钢材最大的抗拉强度。
Lo
（3）伸长率
l l0 100% l0 ( 2 1)
N d L N d
N
N
当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。
（3）应力循环次数N（疲劳寿命） 应力幅越低，作用循环次数越多，

fy
1 2

b
疲劳寿命越高；
应力幅相同，作用的循环次数越
多，疲劳寿命越高。
0
1
N1
N2 2 3
4
5
6
NX105
应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。
由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度
ε0
0.15%
ε
ε
构的塑性变形发展的 要求。
2.5%--3%
（2）钢材在静载作用下： 强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。 （3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前 产生明显可见的塑性 变形， 可及时补救， 故几乎不可能发生。
fu fy

fu-fy
O 0.15%
22%

4.单向拉伸时钢材的机械性能指标
由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发
生脆性破坏。
能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形
式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的， 只是实 际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。
对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。 图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力
1 A P P X

O
E
B
D A C
E

（4）强化阶段(DE段) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快
（5）颈缩阶段(EF段)
极限抗拉强度fu

E
B
u
D A C
y A
O
E
Байду номын сангаас
3.应力应变曲线的简化
（1）钢材可以简化为理想弹塑性体 1)fy与fb相差很小；
fy
2)超过 fy到屈服台阶终
止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结
A

x
y
1
Y V M M
2 2
1-1
red x y x y 3 xy f y
2
( 2 6)
一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：
2 A Y 2 q
X

A

x
V
2-2 M
red x 3 xy f y
2 2
( 2 7)
3-3 截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该
2.以主应力表示
red
1 ( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2 f y 2


( 2 5)
red
f
材料处于弹性状态
y
red
f
y
材料处于塑性状态
讨论：
（1）三向受压时(静水压力)
————不破坏;
（2）三向受拉时 ——一定破坏;
由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响
冲击韧性试验装置
小 节
钢材的机械性能指标
1、屈服点fy； 2、伸长率δ； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。
§2.4 各种因素对钢材性能的影响
一、化学成分
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
A0 A1 100% （4）断面收缩率 A0
A1
( 2 2)
A0
（二）受压时的性能
采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。
（三）受弯时的性能 同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。 （四）受剪时的性能
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
现象，也称“应变硬化”。 时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体 中析出，使材料硬化的现象。 应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更 易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此 也称“人工时效”。
四、温度影响 1．正温范围
N/mm2 800 600 fu 400 δ 200 fy 0 20 170 160 600 T(0C)
δ% Ex103
80
60 40 220 210 E 200 190 180
200
400
温度对钢材机械性能的影响
200℃以内对 钢材性能无大 影响，该范围 内随温度升高 总的趋势是强 度、弹性模量 降低，塑性增 大。
250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性
增加—兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。
1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；
2.较好的塑性、韧性；
3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。
§2.2 钢材的破坏形式
一、塑性破坏
破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，
断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变 形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断
（1）构件和连接的分类
材料内部缺陷 缺陷构造缺陷 应力集中 残余应力（焊接，火焰 切割，轧制边）
规范将构件和连接的种类分为 8类，第1类为轧 制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角
焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设
计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。
五、应力集中
1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时， 应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应 力—应力集中。
2.应力集中的影响
3.减小应力集中现象的措施
<1:2.5
由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷 载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要 求，可以不考虑应力集中的影响。
f
v y

f
y
( 2 3)
G 79 10 3 N
3
mm 2
二、冷弯性能
d
衡量钢材塑
性性能和质
a
量优劣的综
合指标。
d+2.1a
三、冲击韧性
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时 吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。
(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口
六、反复荷载作用（疲劳问题）
七、板厚、直径的影响
八、焊接残余应力
§2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件
假定：
１）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；
２）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形
能时，钢材即由弹性转入塑性。
Z

z


o
X


zy

3
1
zx


yz
截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。
3 3 Y V M M P P
X

A
3-3
red 3 f y

fy 3