叶见曙结构设计原理第四版第17章

检验钢材能否适应构件制作中的冷 加工工艺过程，暴露钢材的内部冶金和 轧制缺陷，是钢材在复杂应力状态下塑 性变形能力和质量的一项综合指标。
图17-2 钢材冷弯试验
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17.2.3 钢材的冲击韧性 钢材的冲击韧性是钢材在冲击荷载作用下吸收机械能的
能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击作用而 导致脆性断裂的一项力学性能指标。
钢结构的疲劳破坏是反复变化的应力使钢材存在的内部微 小缺陷和应力集中，或结构的构造细节引起的应力集中造成 的。
反复应力（荷载）
疲劳强度
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1）应力比与应力幅
对于反复荷载的作用，一般采用反复荷载引起钢结构和 构件构造细节某点上应力的重复变化，即循环应力[图17-5] 来描述。
①应力比 ρ
ρ = σmin/σmax , 其中 σmax 和 σmin 分别为循环应力中绝对值最 大的峰值应力和绝对值最小的峰值应力，拉应力时取正号、 压应力时取负号，带入求解得到应力比 ρ。
①钢结构及构件的构造细节疲劳强度与使用的钢材牌号 关系不大；
②钢结构及构件的构造细节疲劳强度有两种主要表达方 式：
④当温度超过400℃时，钢材的强度和弹性模量都开始 急剧降低，当温度达到600℃时其强度几乎完全丧失。
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17.3.5 应力集中的影响
在钢结构构件中不可避免地存在孔洞、槽口、裂缝、厚 度变化以及内部缺陷等，致使构件截面突然改变。
在外力作用下，这些截面突变的某些部位将产生局部峰 值应力，同一截面其余部位的应力却较低且分布极不均匀， 这种现象称为应力集中。
（1）采用应力比 ρ 时
图17-7 a)的BCD直线 为N=2×106次的疲劳强度 曲线示意图。
以循环应力的最大应力σmax为纵坐标，疲劳强度曲线BCD 上任一点 E 的纵坐标σmax值即为相应的疲劳强度，B点纵坐标 σ-1和C点纵坐标σ0分别代表ρ= -1 和 ρ = 0时的疲劳强度，而D 点纵坐标值为屈服强度 fy，疲劳强度曲线BCD方程为
（1）浇铸过程 钢罐内投入脱氧剂。
沸腾钢采用锰作为脱氧剂； 镇静钢采用硅作为脱氧剂。
半镇静钢是在钢液中加入少量强脱氧剂，其脱氧程度和 性能均介于沸腾钢和镇静钢之间；
特殊镇静钢是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行 补充脱氧。
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(2) 轧制 轧制是在高温（1200～1300℃）和压力作用下将钢 锭热轧成钢板和型钢的生产工艺。 轧制工艺不仅改变钢的形状及尺寸，而且能消除钢锭 中的小气泡、裂纹、疏松等缺陷，使金属组织更加致密， 改善了钢材的内部组织，从而改善钢材的力学性能。 ①钢材的力学性能与轧制方向有关，沿轧制方向比垂 直轧制方向的强度高。 ②经轧制的钢材，钢材内部的非金属夹杂物被压成薄 片，在较厚的钢板中会出现夹层现象，夹层使钢材沿厚度 方向的受拉性能大大降低。
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17.2 钢材的主要力学性能
17.2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能 钢材的拉伸试验是采用规定形状和尺寸的标准试件，在
常温20℃左右下以规定的应力或应变速度施加荷载进行的。
a）
b）
图17-1 碳素结构钢（Q235钢）单向拉伸曲线
a)试件拉伸的应力—应变曲线；b)局部放大
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伸长率越大，表示钢材破断前产生的永久塑性变形和吸 收能量的能力越强。
③ 钒的化合物具有高温稳定性，可使钢材高温硬度提含量过大不利于钢材的焊接和热加工，使钢材塑性、 冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性能大大降低。 应严格控制钢材中硫的含量，一般不应超过0.05%，在焊 接结构中不超过0.045%。 ⑤磷也是钢材中的一种有害元素。 磷的含量过高将严重地降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯 性能和可焊性能等。 对磷含量要严格控制，一般不应超过0.05%，在焊接结构 中不超过0.045%。但磷能提高钢材的强度和抗锈蚀性能。
②应力幅∆σ，∆σ=σmax— σmin，其中σmax为最大拉应力， 取正值；σmin为最小拉应力或压应力（为拉应力时取正值， 压应力时取负值）。
2）疲劳应力与应力循环次数的关系
疲劳应力范围 Sr 是指常幅循环应力的应力幅∆σ或最大应 力水平σmax，而把钢结构构造细节在循环应力下产生疲劳裂 纹，直到疲劳破坏所承受的循环次数称为应力循环次数N, N 又称为钢结构构造细节的疲劳寿命。
在双向或三向同号应力状态下，钢材不易进入塑性状态 而导致脆性增加，截面变化越急剧，应力集中就愈严重，钢 材变脆的程度也就愈厉害。
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应力集中现象在实际结构中是不可能完全避免的。 应力集中一般不影响截面的静力极限承载力，只要在构 造上尽可能使截面的变化比较平缓，设计时可不予考虑。 但在动力荷载和反复荷载作用下，应力集中是钢结构发 生脆性破坏的重要原因之一。
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17.3.3 冷作硬化和时效硬化的影响
钢结构制造时，在冷（常温）加工过程中引起的钢材硬 化现象，称为冷作硬化。
主要表现在钢材的屈服强度和抗拉强度提高、塑性和伸 长率降低、冲击韧性下降。
钢材在冷弯、冲孔、剪切等冷加工时，都存在较大的塑 性变形，因此产生冷作硬化。
钢材随时间的进展而产生的屈服强度和抗拉强度提高、 伸长率和冲击韧性降低的效应，称为时效硬化。
直线BCD的斜率，k=(σ0- σ-1)/ σ-1
max
0 1 k
ρ=0时的疲劳强度，由试验取得。
（17-4）
（2）采用应力幅∆σ时
图17-7 b)所示斜直线及水 平直线为不同构造细节（又称 疲劳构造细节类别）的疲劳强 度曲线（两段线）示意图。
图17-7 b)在双对数坐标系下的构造细节疲劳强度曲线可 看作前述的疲劳S－N 曲线。在给定的构造细节和要求满足 的应力循环次数（疲劳寿命）Ni下，可得到相应构造细节疲 劳强度曲线上一点，其纵坐标即为相应的疲劳强度∆σi；也 可以在给定的构造细节和已知的应力幅∆σi下，可得到相应 构造细节疲劳强度曲线上一点，其横坐标为相应的应力循环 次数（疲劳寿命）Ni。
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①当温度升高时，钢材的屈服强度、抗拉强度和弹性模 量等均随着降低，但在150℃以下时变化不大。
②当温度在250℃左右时，钢材的抗拉强度反而有较大 的提高，但伸长率和冲击韧性变差，呈脆性破坏特征，称 为“蓝脆”。
③当温度超过300℃时，钢材的屈服强度、抗拉强度和 弹性模量开始显著下降，而伸长率明显增大。
0
0
1
1
1
1
沿1-1纵向应力 沿1-1横向应力
图17-4 孔洞及槽孔处的应力集中现象
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应力集中的严重程度取决于构件截面形状变化的急剧程
度，以应力集中系数 ξ 来表示， ξ 的表达式为：
max
轴向拉力 除以构件的净
0
截面面积 的平均应力
孔洞边缘的最大应力
(17-3)
由于应力集中处应力线曲折，应力的方向与构件受力的 方向不一致，故除产生纵向应力 sx 外，还产生横向应力 sy ； 若构件较厚，还将产生垂直于xy平面的横向应力 sz 。
钢材的抗拉强度 fu 是钢材抗破断能力的极限。 钢材的屈服强度 fy、抗拉强度 fu 以及伸长率δ是桥梁结构 用钢材的三项主要力学性能指标。
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17.2.2 钢材的冷弯性能 钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变
形时对出现裂纹的抵抗能力的一项指标。
用具有弯心直径 d 的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯 曲180°，要求弯曲部位不出现裂纹或分层现象。钢材的冷弯性 能取决于钢材的质量和弯心直径 d 对钢材厚度 a 的比值。
时效硬化会造成钢材变脆。
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17.3.4 温度的影响
当温度下降时，钢材的强度略有提高而塑性和冲击韧性 有所降低，即钢材的脆性倾向逐渐增大。
当温度降低到某一数值时（冷脆临界温度），钢材的冲 击韧性急剧下降，钢材的破坏特征明显地由塑性破坏变为脆 性破坏，这种现象称为钢材的低温冷脆现象。
冷脆临界温度与钢材的韧性有关，韧性越好的钢材冷脆 临界温度越低。
③疲劳S－N 曲线的水平直线段是钢结构构造细节S－N 曲线的一个重要特征，它意味着常幅应力循环的最大应力低 于该应力水平，钢结构构造细节就可以承受无限多次的应力 循环而不发生疲劳破坏，因此，将此水平段相应的最大应力 值称为疲劳强度极限，简称疲劳极限。
3）疲劳强度曲线 在工程上，根据疲劳S－N 曲线可以得到更方便使用的 疲劳强度曲线。
结构使用优点： （1）材质均匀，可靠性高； （2）材料强度高； （3）钢材塑性和韧性性能较好； （4）工厂制造与现场安装方便； （5）可焊性较好。
结构使用的缺点： （1）耐火性差； （2）耐腐蚀性差； （3）维修养护费用高。
钢结构是土木工程的主要结构类型之一，在房屋建筑、 地下建筑、桥梁、塔桅、海洋平台等都得到广泛采用。
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17.3 影响钢材性能的因素
17.3.1 化学成分的影响 碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能有着决定性
的影响。 ① 适量的硅可提高钢材的强度，且对其塑性、冷弯性能、
冲击韧性和可焊性能无明显的不良影响。 ②适量的锰能显著改善钢材的冷脆性能，并可提高其屈服
强度和抗拉强度，且对钢材的塑性和冲击韧性无明显影响。 可减少钢材热加工时因为硫而产生裂纹的“热脆”现象。
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17.3.6 反复荷载的影响
钢材在连续反复荷载作用下，应力没有达到抗拉强度，甚 至还低于屈服强度，也可能发生突然破坏，称为疲劳破坏。
钢材在疲劳破坏之前，没有明显的变形，是一种突然发生 的断裂，所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏。
破坏过程分为三个阶段：疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹缓慢 扩展、最后钢材迅速断裂而破坏。
给定为常幅循环应力时的疲劳应力范围与应力循环次数
的关系曲线称为“S－N 曲线”，它表示常幅循环应力与钢
结构构造细节的疲劳寿命之间的关系。
图17-6是由钢结构构造细 节相关疲劳试验资料绘制的疲 劳S－N 曲线示意图
图17-6 疲劳强度与应力循环次数的关系