童乐为《钢结构基本原理》讲稿第2章材料
口才演讲-童乐为《钢结构基本原理》讲稿第2章材料
拉伸过程中各阶段的特性（一）
弹性阶段 OAE
• 应力应变成线性比例关系σ= Eε，
卸载后变形消失。
• 该阶段变形很小（Q235的εp＝
0.1%） ，是荷载作用下结构计算采
o
用叠加原理的基础。
屈服阶段 ECF
• 应力应变进入非线性的弹塑性阶段，有明显的水平状的屈服平台，
应力基本保持不变（暂时丧失承载力）应变不断发展。
9使结构破坏前出现明显的变形，减少突然破坏的危险性。 9调整局部高峰应力，使应力平缓。
• 衡量塑性好坏的指标
9 伸长率（延伸率）δ 9 断面收缩率ψ
• 屈强比（fy/fu)越小，反映塑性变形的能力越强。 • 屈服点fy 、抗拉强度fu、伸长率δ、是钢材最基本、最重要的三
个力学性能指标，须满足钢结构设计规范对它们的要求。
构发生脆性破坏。
疲劳断裂(Fatigue fracture)
• 疲劳 — 固体力学的一个分支，研究材料和结构在循环荷
钢材强度(Strength)特性的要点
1. 屈服强度 fy 用作为钢结构设计的可达到的
最大应力，原因： （1）fe、fp、fy非常接近，三者合一，可认
为弹性与塑性的分界点； （2）fy以后，塑性变形很大，一旦超载，易
被发现加固补救； （3）fy 发展到fu，有很大一段区域，可作为
强度储备，称fu/fy为强屈比，要求大于1.2
韧性(Toughness)及其指标
• 韧性－反映钢材抵抗冲击荷载、动
力荷载的能力，是钢材在变形和断 裂过程中吸收能量的度量。
• 良好的韧性使结构抗震能力提高 • 韧性衡量的指标
摆锤冲击 冲击韧性试验
（a）
梅氏U型缺口 ak= Ak / An (单位J/cm2) Ak－冲击功 An－试件缺口截面积
钢结构设计原理 第2版课件第2章
2.2.2 冶金过程
冶炼：平炉、转炉 浇铸：钢水—钢锭—初轧—成材（传统工艺）
钢水—连铸机—钢坯—成材（新工艺） 轧制：改善内部组织结构 热处理：显著提高强度
2.2.3 钢材硬化
冷加工硬化：强度提高，塑性、韧性降低。 自然时效、人工时效 应变时效
2.2.4 温度
正温 在200℃以内钢材性能没有很大变化， 430～540℃强度急剧下降。
同外增加一个等级E，主要是要求-40℃的冲击韧性。钢的牌号如：
Q345-B、Q390-C等等。
3、高强钢丝及钢索：主要用于抗拉构件中，如： 斜拉结构、悬索结构、桅杆结构等。高强钢丝分 光面钢丝和镀锌钢丝，由碳素结构钢多次冷拔而 成，其主要指标为抗拉强度fu，且有“松弛”现象。 多根钢丝可组成“平行钢丝束”和“钢绞线”； 多根钢绞线可组成“钢绞线束”和“钢丝绳”。
2.4.4 钢材的规格：
热轧钢板：薄板、厚板
热轧型钢：角钢、槽钢、工字钢、钢管、H型 钢、T型钢
冷弯薄壁型钢：
工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和H型钢。普通工字钢和轻型工字钢用号数 表示，号数即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数有三种 腹板厚度分别为a、b、c三类。如I30a、I30b、I30c，a类腹板较薄用作受弯构 件较为经济，c类腹板较厚。轻型工字钢的腹板和翼缘均较普通工字钢薄，因 而在相同重量下其截面模量和回转半径均较大。H型钢是世界各国使用很广泛 的热轧型钢，与普通工字钢相比，其翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相 连。它可分为宽翼缘H型钢，代号HW，翼缘宽度B与截面高度H相等；中翼缘 H型钢，代号HM，B＝(1/2～2/3)H；窄翼缘H型钢，代号HN，B=(1/3—1/2)H。 各种H型钢均可剖分为T型钢供应，代号分别为TW、TM和TN。H型钢和剖分 T型钢的规格标记均采用：高度H×宽度B×腹板厚度t1
大学本科《钢结构设计原理》课件 第2章钢结构材料2
(拉） max
0
f
D
y
1 C(o,o)
1
当坐标为( max , min )
的点落在直线ABCD上 或上方，则这组应力循
B( 1, 1)
A
（
min
压
）
（
min
拉
）
非焊接结构的疲劳图
环达到N次时，将发生 疲劳破坏。
lg .
. . . .. .
.. .
. .
N
b1
0
0 N=5×104
N=5X106 lg N
(a)
Δσ-N曲线
(b)
考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的 标准差 s 作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时， 保证率为97.7%。下限值的直线方程为：
lg N b1 lg( ) 2s b2 lg( )
1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉 应力的部位，例如σmax=140N/mm2,σmin=-10N/mm2和 σmax=10N/mm2,σmin=-140N/mm2 两种应力循环的应力 幅都是150N/mm2 ，疲劳强度相同，显然不合理。
2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很 低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予 补充。
2.低合金钢(GB/T 1591-94)
GB/T 1591-94
相应的钢材品种（GB/T 1591-94)
Q29509Mn、09Mnb09Mn2、12MnQ345
12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb
Q390
15MnV、15MnTi、16MnNb
《钢结构》第二章钢结构的材料资料
主 编
素结构钢，属于低碳钢，含碳量小于0.25%；工程所用低合
） 金钢，其含碳量小于0.52%。
第2章 钢结构的材料
钢 ⑵ 锰（Mn)、硅(Si)
结 构
是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。能提高钢
基 材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。
本 原
⑶ 硫(S)、磷(P)
理
硫、磷是钢中十分有害的元素。硫的存在会加大钢材的
结 构
指钢材在冷加工时，对产生裂缝
基 的抵抗能力。
本 将试件弯曲成规定的角度后,检查
原 理
试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂
（ 断、分层等，没有即为合格。
黄 冷弯试验是鉴定钢材质量的一种
呈 伟
良好方法，常作为静力拉伸试验和
主 冲击试验的一种补充试验，是一项
编 ）
衡量钢材力学性能的综合指标。
a
d a
d+2.1a
（ 耐老化性：“老化”使钢材变脆。 黄 呈 耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强
伟 主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷 ） 载作用下，应力低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
第2章 钢结构的材料
钢 结
2.1.6 钢构件的两种破坏形式
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结 构
冲击韧性是衡量钢材强度、
基 塑性及材质的一项综合指标。
本 原
冲击韧性由冲击试验测定。
理 冲击韧性：
（ 黄
α
k
(NA•km/cm2)
A
第2章钢结构材料及其性能
冷加工
指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象） 指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象） 。（冷作硬化现象
热处理
指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组 指通过加热、保温、冷却的操作方法， 织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、 。（退火 织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、 正火、淬火和回火） 正火、淬火和回火）
同济大学 建筑工程系
沈德洪
第二章 钢结构材料
§2.3 钢材的主要性能
钢材的破坏形式 单向拉伸时的工作性能 钢材的其它性能 在复杂应力作用下钢材的屈服条件
2011-3-18
同济大学 建筑工程系
沈德洪
第二章 钢结构材料
2.3.1 钢材的破坏形式 特
塑性破坏
（延性破坏） 延性破坏）
征
断
口
后
果
常为杯形， 构件应力超过屈 常为杯形，呈纤 在破坏前有很明 维状，色泽发暗。显的变形， 服点， 服点，并且达到 维状，色泽发暗。显的变形，并有 抗拉极限强度后， 抗拉极限强度后， 较长的变形持续 时间， 构件产生明显的 时间，便于发现 变形并断裂。 和补救。 变形并断裂。 和补救。 在破坏前无明显 平直和呈有光泽 突然发生的，危 突然发生的， 变形，平均应力 的晶粒。 变形， 险性大，应尽量 险性大， 的晶粒。 避免。 避免。 也小（一般都小 也小（ 于屈服点），没 于屈服点），没 ）， 有任何预兆。 有任何预兆。
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沈德洪
第二章 钢结构材料
（2）钢材的应力-应变关系 钢材的应力有屈服点钢材σ−−−ε曲线可以分为四个阶段： A. 有屈服点钢材σ−−−ε曲线可以分为四个阶段： σ (a)弹性阶段(OB段) )弹性阶段( 段
高等钢结构 童乐为
1．焊接钢结构的缺点及其原因(1)焊接钢结构对焊接工艺质量难以控制，在焊缝附近会出现，裂纹、欠焊、夹渣等缺陷，这些缺陷将有可能引起断裂破坏。
(2)焊接过程中高温使焊缝附近形成热影响区,钢材的金相组织和机械性能发生变化,材质变脆。
(3)焊接过程中，局部区域受到高温作用，引起不均匀的加热和冷却，使构件产生焊接变形。
在冷却时，焊缝和焊缝附近的钢材不能够自由收缩，受到约束而产生焊接应力。
(4)焊接使结构形成一个连续整体，一旦开裂有可能扩展到整体。
(5)随着钢材强度提高，其断裂韧性和可焊性都有不同程度下降，高强度钢材对缺陷敏感。
(6)焊接连接相对于螺栓连接，工艺要求高，质量难以控制，现场工作量大。
2．焊接结构可能出现哪些类似裂纹的缺陷气孔：焊缝中产生气孔是由于高温时金属溶解了较多的气体(如氢、氮)；另外，熔池中进行的冶金反应也产生了相当多的气体(如CO,H20）此时，气体在焊缝结晶过程中来不及逸出，就产生气孔。
错边：指两个相同的物件焊接后没有处在同一个平面，一边高一边低，平板叫错边，管口叫错口。
咬边：指焊缝与母材交界部位被烧熔形成凹陷或沟槽的现象。
当焊缝与母材交界处被熔去一定深度，而填充金属又未能及时补充，即形成咬边。
焊接时电流过大且焊速高时，以及焊条角度不当时，都可能产生这种缺陷。
未焊透：指熔焊时，焊接接头根部未完全焊透的现象，包括焊道间未熔合、焊缝金属与坡口面未熔合、熔深不足。
未焊透意味着焊接接头受力截面减少，严重影响焊接接头强度，而且，它是应力最容易集中的地方。
形成未焊透的主要原因，是焊接电流太小、焊速过高（或坡口角度太小）、钝边太厚及焊条直径过大等。
焊瘤：指在焊趾或焊跟外的焊接金属的凸起。
焊瘤能在焊件表面引起尖锐的缺口，掩盖由于其应力集中而导致的裂纹扩展。
焊瘤的出现通常是由于焊工使用了不适当的焊接技术，如果焊接时移动速度太慢，熔化的填充金属就将过多地填入接头。
结果过多的熔化的填充金属溢出，并留在母材表面而没有熔合。
钢结构基本原理优秀课件
手册（见附表1.1）。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。
抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强 度fu值高，可以增加结构的安全保障。
伟
主
编 ）
第2章 钢结构的材料
钢 另外，Q235钢材在屈服
结 构 基 本 原 理
图2.3 理想弹－塑性的应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
钢 结
高强度钢材没有明显的屈服
构 台阶，这类钢的屈服点是根据
σ
基 实验分析结果人为规定的，称 f0.2 S
本 原 理
为条件屈服（用f0.2表示，定 义为试件卸载后其残余应变为
E
（ 2%时所对应的应力）。这类
黄 钢材在设计中不宜利用塑性。 呈 伟 主 编 ）
伟 主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷
） 载作用下，应力虽低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
呈 良好方法，常作为静力拉伸试验和
伟 主 编
冲击试验的一种补充试验，是一项 衡量钢材力学性能的综合指标。
）
a
d
a
d+2.1a
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结
构 冲击韧性是衡量钢材强度、
基 塑性及材质的一项综合指标。
本 钢材的韧性与轧制方法、环境
原 温度有关。冲击韧性由冲击试
0 0.2
ε
图2.4 高强度钢的应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
钢 结 构 钢材在单向受压时（短试件） ，抗压强度与单向受拉时 基 相同。钢材受扭转时的应力－应变曲线也与受拉时相似，但 本 剪切屈服点和抗剪强度低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模 原 量E。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数α 理 和质量密度ρ列于表2.1。
同济大学沈祖炎钢结构基本原理课后习题全套答案
第二章 钢结构材料2.1 如图2-34所示钢材在单向拉伸状态下的应力－应变曲线，请写出弹性阶段和非弹性阶段的σε-关系式。
tgα'=E'f 0f 0tgα=E 图2-34 σε-图（a ）理想弹性－塑性 （b ）理想弹性强化解：由题意得：（1）弹性阶段：tan E σεαε==⋅非弹性阶段：y f σ=（应力不随应变的增大而变化） （2）弹性阶段：tan E σεαε==⋅ 非弹性阶段：'()tan '()tan y y y y f f f E f Eσεαεα=+-=+-2.2如图2-35所示的钢材在单向拉伸状态下的σε-曲线，试验时分别在A 、B 、C 卸载至零，则在三种情况下，卸载前应变ε、卸载后残余应变c ε及可恢复的弹性应变y ε各是多少？2235/y f N mm = 2270/c N mm σ= 0.025F ε= 522.0610/E N mm =⨯2'1000/E N mm =f 0σF图2-35 理想化的σε-图解：分三种情况： （1）A 点：卸载前应变：52350.001142.0610y f Eε===⨯卸载后残余应变：0c ε=可恢复弹性应变：0.00114y c εεε=-=（2）B 点： 卸载前应变：0.025F εε== 卸载后残余应变：0.02386y c f Eεε=-=可恢复弹性应变：0.00114y c εεε=-=（3）C 点： 卸载前应变：0.0250.0350.06'c yF f E σεε-=-=+=卸载后残余应变：0.05869cc Eσεε=-=可恢复弹性应变：0.00131y c εεε=-=2.3试述钢材在单轴反复应力作用下，钢材的σε-曲线、钢材疲劳强度与反复应力大小和作用时间之间的关系。
答：钢材σε-曲线与反复应力大小和作用时间关系：当构件反复力y f σ≤时，即材料处于弹性阶段时，反复应力作用下钢材材性无变化，不存在残余变形，钢材σε-曲线基本无变化；当y f σ>时，即材料处于弹塑性阶段，反复应力会引起残余变形，但若加载－卸载连续进行，钢材σε-曲线也基本无变化；若加载－卸载具有一定时间间隔，会使钢材屈服点、极限强度提高，而塑性韧性降低（时效现象）。
钢结构上第二章学习课件
(2)弹塑性阶段(BC段): Et
(3)屈服阶段(CD段)： fy
(4)强化阶段(DG段)： fu
(5)颈缩阶段(GH段)：
d,
<4>
主要力学指标：
弹性模量E 屈服强度fy 抗拉强度fu
伸长率d
建筑钢材取屈服强度fy 为静力强度标准值。
E为常量，低碳钢有明显屈服点，对无明显屈服阶段 的钢材，以 f0.为2 名义（条件）屈服点。 fy作为破坏标志， fu/fy为强度储备，
图 3-4 冲击试验示意
试件
图 3-5 冲击试验
<8>
GB50017-2003规定: (1)对于需要验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击
韧性的合格保证。对结构工作温度不高于0℃ 但高于-20℃ 时 ，Q235钢和Q345钢应具有0℃ 冲击韧性的合格保证；对 Q390钢和Q420钢应具有 -20℃冲击韧性的合格保证。当结构 工作温度不高于-20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有-20℃冲 击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有 -40℃冲击韧 性的合格保证。
d表示塑性变形能力。
<5>
钢材设计强度的取用：
极限状态法设计强度：
f fy / R ， R 为材料分项系数
容许应力法中，容许应力
[ ] f y / K ，
K 为安全系数
理想弹塑性体的曲线
<6>
2．冷弯性能：指钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时 对产生裂纹的抵抗能力。是衡量钢材质量和塑性的综合 指标。 冷弯试验—冷弯角a
S热脆； P冷脆； O类似S; N类似P； H氢脆。 2．金属缺陷：
土木《钢结构基本原理》教案
课题名称（含教材章节）第一章绪论教学目的和要求：⏹掌握钢结构设计方法，⏹理解钢结构特点、应用及组成原理，⏹了解钢结构的发展。
教学内容（包括基本内容、重点、难点）：⏹钢结构的特点和应用——重点⏹钢结构的建造过程和内在缺陷⏹钢结构的组成原理⏹钢结构的极限状态和概率极限状态——难点⏹钢结构的发展第一节钢结构的特点及应用一、钢结构的特点1、强度高、强重比大；塑性、韧性好；2、材质均匀，符合力学假定，安全可靠度高；3、工厂化生产，工业化程度高，施工速度快；4、钢结构耐热不耐火；易锈蚀，耐腐性差。
二、钢结构的应用1、重型结构及大跨度建筑结构；2、多层、高层及超高层建筑结构；3、轻钢结构；4、塔桅等高耸结构；5、钢－混凝土组合结构。
第二节钢结构的设计原理与方法⏹结构设计首层规范《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）规定：结构的可靠度应采用以概率论为基础的极限状态设计方法分析确定。
⏹钢结构和其他建筑结构一样，遵循“统一标准”要求，采用的也是以概率论为基础，用分项系数表达的极限状态设j计方法。
⏹极限状态设计方法，在前序课程（如钢混结构、地基与基础等），对此以作详细介绍，此课就不再讲述，认真进行复习。
⏹通过复习应掌握以下概念：结构的极限状态；结构的基本功能要求；结构的可靠度；失效概率；荷载及强度的标准值与设计值。
第三节钢结构的发展⏹我国是最早应用钢结构的国家，但是历史的原因致使现代建筑钢结构的应用及发展与发达国家相比，已有相当大的差距，最大的差距在于建筑钢结构。
⏹97年新发布的《中国建筑技术政策》中强调要重点发展建筑钢结构，国家相关部门也多次发布文件，要求扩大钢结构住宅的市场占有率。
⏹96年我国钢产量已开始超亿吨，居世界首位，为钢结构发展奠定物质基础，对钢材的使用已由“节约使用”变为“合理用钢”、“加大建筑用钢”。
⏹当今我国建筑业中发展最快的就是钢结构，最缺的人才也是钢结构专业，发展钢结构以带动其它相关产业的发展，已成为建筑业发展的重要任务。
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钢结构对用材的基本要求
• 较高的强度(Strength) － 轻质高强 • 足够的变形能力(Deformation) － 优良的塑性韧加工，可焊性好 • 胜任恶劣环境的耐久性(Endurance) － 适应低温、
第2章 钢结构材料
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主要内容
• 结构钢对材料性能的基本要求 • 钢材塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏 • 影响钢材性能的一般因素 • 钢材种类、牌号、规格和选用 • 结构钢材的新发展
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