清华大学钢结构课程精品资料第二版

四、钢板厚度方向性能试验 钢板厚度方向性能试验
在焊接承重结构中，当钢板或型钢的厚度较厚 当钢板或型钢的厚度较厚 时，在焊接过程中或在厚度方向受拉力作用时 在焊接过程中或在厚度方向受拉力作用时，在 厚度中部常会产生与厚度方向垂直的裂纹，即出现 厚度中部常会产生与厚度方向垂直的裂纹 层状撕裂。 防止钢材层状撕裂需要采用厚度方向性能钢 材。按照《厚度方向性能钢板》 》(GB/T5313)规定， 有三个级别：Z15、Z25、Z35。 。
钢 材 在 复 杂 应 力 作 用 下 的 性 能
对于图2-9b所示的平面应力状态 所示的平面应力状态，式(2-3)中σz=0， yz= yz =0，则Mises应力可化为： ：
2.3
钢 (2-4) 222 3 xyyxyxzs ⌠⌠⌠⌠⌠ 材 在纯剪时， σx= σy=0， 将xy记为 记为，则Mises应力可进 在 一步化为： 复 杂 (2-6) 23⌠ =zs 应 在纯剪状态下，材料处于弹性状态的条件为 材料处于弹性状态的条件为： 力 ⌠zs = 3 2 < f y (2-6a) 作 1 用 < yy (2-6b) ff 58.0= 或 3 下 即剪应力达到屈服点的0.58倍时 倍时，钢材屈服。故钢材的 的 抗剪屈服点为抗拉屈服点的0.58倍 倍。 性 能
2.2 钢 材 单 向 拉 伸 时 的 性 能
屈服强度、伸长率和抗拉强度是钢材的三个重要力学性能指标 伸长率和抗拉强度是钢材的三个重要力学性能指标
屈服强度(Yield Strength) 结构计算中材料强度标准； 形成理想弹塑性体模型。
伸长率(Percentage Elongation)
=
l1 l0 × 100% l0
的 各 种 性 能
钢 材 冷 弯 试 验
2.4
三、钢材的可焊性 钢材的可焊性
钢
钢材焊接后在焊缝附近将产生热影响区，同时产生 钢材焊接后在焊缝附近将产生热影响区 焊接应力，这些均影响结构的实际工作性能 这些均影响结构的实际工作性能。可焊性好 是指焊接安全、可靠、无焊接裂缝 无焊接裂缝，焊接接头和焊缝的 冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能不低于母材。 冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能不低于母材 钢材的可焊性与钢材的化学成分含量有关。普通碳 钢材的可焊性与钢材的化学成分含量有关 素钢要求C、Si、Mn、S及P的含量满足相应要求 的含量满足相应要求；低合 金钢要求碳当量(衡量普通低合金钢中各元素对焊后母材 衡量普通低合金钢中各元素对焊后母材 的碳化效应的综合性能指标，按各元素的重量百分比计 按各元素的重量百分比计 算)小于某限值。 钢材的可焊性可通过试验来鉴定。由于可焊性试验 钢材的可焊性可通过试验来鉴定 方法都有其特定约束程度和冷却速度，而它们与实际施 方法都有其特定约束程度和冷却速度 焊条件又有一定差别，因此可焊性试验结果的评定仅有 因此可焊性试验结果的评定仅有 相对比较的参考意义，而不能代表实际情况 而不能代表实际情况。
2 钢 结 构 材 料
Material of Steel Structure
2.1 钢结构对钢材的要求 2.2 钢材单向拉伸时的性能
2 钢
2.3 钢材在复杂应力作用下的性能 2.4 钢材各种性能 2.5 钢材的各种破坏形式
结 构
2.6 影响钢材性能的一般因素 2.7 钢结构用钢的分类 2.8 钢材的规格
=
01
ll
× 100%
截面收缩率ψ:试件拉断后 试件拉断后，颈缩区的断面 面积缩小值与原断面面积比值的百分率。 面积缩小值与原断面面积比值的百分率
2.2 钢 材 单 向 拉 伸 时 的 性 能
=
10
AA
A0
× 100%
试件原来的断面面积 A0-试件原来的断面面积 A1-试件拉断后颈缩区的断面面积 试件拉断后颈缩区的断面面积 伸长率是钢材沿长度的均匀变形和颈缩区的 集中变形的总和所确定，不能代表钢材的最大 不能代表钢材的最大 塑性变形能力；断面收缩率是表示钢材在颈缩 断面收缩率是表示钢材在颈缩 区的应力状态下，所能产生的最大塑性变形 所能产生的最大塑性变形， 是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指 标，不过在测量时容易产生较大的误差 不过在测量时容易产生较大的误差。因而 钢材塑性指标仍然采用伸长率。 钢材塑性指标仍然采用伸长率
显著的残余变形而不立即断裂的性质。 显著的残余变形而不立即断裂的性质
2.2 钢 材 单 向 拉 伸 时 的 性 能
钢材塑性指标:伸长率δ、截面收缩率 截面收缩率ψ
伸长率δ等于试件拉断后的原标距间 等于试件拉断后的原标距间 长度的伸长值和原标距比值的百分率。 长度的伸长值和原标距比值的百分率
l0 ； 0— 试件原标距长度； 1—试件拉断后标距间长度 试件拉断后标距间长度。 试件有两种标距:0/d0=5和 0/d0=10 和 相应的伸长率用δ5 和δ10 表示
材 的 各 种 性 能
钢 材 冲 击 韧 性 试 验
2.4
二、冷弯试验表现的性能 冷弯试验表现的性能
钢 材
冷弯试验：常温下按规定的弯心直径在试验机上 常温下按规定的弯心直径在试验机上 用冲头加压，使试件弯成180度， ，如试件表面及侧面 无裂纹或分层，即为“冷弯试验合格”。 “冷弯试验合格” 1、检验弯曲变形能力或塑性性能 检验弯曲变形能力或塑性性能； 2、检验钢材的冶金质量（颗粒结晶及非金属夹 颗粒结晶及非金属夹 杂分布等）； 3、检验钢材焊接质量，能揭示焊件在受弯表面 能揭示焊件在受弯表面 存在的未熔合、微裂纹和夹杂物等 微裂纹和夹杂物等。
材 的 各 种 性 能
2.4
四、钢材的抗腐蚀性能 钢材的抗腐蚀性能
钢
干腐蚀 钢材 腐蚀 湿腐蚀
材 的 各
涂层
防腐 措施 耐候钢
种 性 能
一、塑性破坏(Plastic Failure)
塑性破坏，也称延性破坏 称延性破坏，其特征是构件 应力超过屈服点fy，并达到抗拉极限强度 u 并达到抗拉极限强度f 后，构件产生明显的变形并断裂 构件产生明显的变形并断裂；塑性破坏的 断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗 色泽发暗。塑性破 坏在破坏前有很明显的变形， ，并有较长的变形 持续时，便于发现和补救。 从力学观点分析，钢材的塑性破坏是由于 钢材的塑性破坏是由于 剪应力超过晶粒抗剪能力而产生。 剪应力超过晶粒抗剪能力而产生
(2-1)
2.3
用主应力1、 2和 3表示 表示Mises应力时，可 得 1 ⌠zs = [(⌠1 ⌠2 )2 + (⌠2 ⌠3 )2 + (⌠3 ⌠1)2 (2-3a) ] 2 利用Mises应力和钢材在单向应力时的屈服点 和钢材在单向应力时的屈服点 fy相比较来判断材料是否屈服， ，即： 当zs< fy，钢材处于弹性阶段 钢材处于弹性阶段 当zs≥ fy，钢材处于塑性阶段 钢材处于塑性阶段
二、钢材的工作特性 钢材的工作特性
比例极限(Proportional Limit)、弹性极限(Elastic Limit)和 弹性极限 屈服点(Yielding Point)很接近，而在屈服点前的应变又 而在屈服点前的应变又 很小，可以认为钢材在弹性工作阶段以屈服点为上 可以认为钢材在弹性工作阶段以屈服点为上 限。当应力达到屈服点后，将产生很大的变形 将产生很大的变形。在设 计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力。 计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力 钢材在屈服点前的性质接近理想的弹性体，屈服点后 钢材在屈服点前的性质接近理想的弹性体 的流幅现象又接近理想的塑性体，可以认为钢材是理 的流幅现象又接近理想的塑性体 想的弹-塑性材料(Elasto-plastic Material)。 plastic 钢材破坏前的变形很大，使得结构的破坏容易及时被 使得结构的破坏容易及时被 发现并可采取补救措施，不致引发严重后果 不致引发严重后果。 抗拉强度是钢材破坏前能承受的最大应力，抗拉强度 抗拉强度是钢材破坏前能承受的最大应力 高则可增加结构的安全储备。
2.5 钢 材 的 各 种 破 坏 形 式
三、疲劳破坏(Fatigue Failure)
疲劳破坏 材料在连续反复荷载作用下，应力虽然还 材料在连续反复荷载作用下 低于极限强度，甚至还低于屈服点 甚至还低于屈服点，也会发生 破坏，这种破坏称为疲劳破坏 这种破坏称为疲劳破坏。 钢材在疲劳破坏之前，并没有明显变形 并没有明显变形， 是一种突然发生的断裂，断口平直 断口平直，属于反复 荷载作用下的脆性破坏。
2.5 钢 材 的 各 种 破 坏 形 式
二、脆性破坏(Brittle Failure)
2、防止脆性破坏的措施 加强施焊工艺管理，避免焊接缺陷的产生 避免焊接缺陷的产生； 焊缝不宜过分集中，施焊时不宜过强约束 施焊时不宜过强约束 (Boundary Condition)，避免产生过大残余应力 避免产生过大残余应力 (Residual Stress)； 进行合理细部构造设计， ，避免产生应力集中 (Stress Concentration)，尽量避免采用厚钢板 尽量避免采用厚钢板； 选择合理的钢材。
Байду номын сангаас
2.4
一、冲击韧性试验表现的性能 冲击韧性试验表现的性能
钢
韧性是材料抵抗冲击荷载的能力， ，它用材料在断裂时所吸 收的总能量（包括弹性和非弹性能）来度量 来度量，是材料强度和塑 性的综合指标。 冲击试验：测量材料的冲击韧性(Impactive Tenacity) (Impactive Tenacity)，以 冲击韧性值ak作为考核指标 。 缺口韧性值受温度影响，当温度低于某值时将急剧降低 当温度低于某值时将急剧降低。
2.1 钢 结 构 对 钢 材 的 要 求
一、钢材的荷载-变形曲线 变形曲线
常温、静载之下钢材的一次拉伸所表现的性能最具有代表性 静载之下钢材的一次拉伸所表现的性能最具有代表性。 低碳钢的一次拉伸试验
2.2 钢 材 单 向 拉 伸 时 的 性 能
低碳钢的应力应变曲线
高碳钢的应力应变曲线
钢 材 拉 伸 试 验
2.2 钢 材 单 向 拉 伸 时 的 性 能
2.2 钢 材 单 向 拉 伸 时 的 性 能
理想的弹-塑性材料 塑性材料 本构关系(Constitutive Relation) (Constitutive Relation)图
三、钢材的塑性(Plasticity)
钢材的塑性：当应力超过屈服点后 当应力超过屈服点后，能产生
代表材料在单向拉伸 时的塑性变形能力
抗拉强度(Tensile Strength)
材料的强度储备； 塑性设计的基础。
屈强比(Yield-tensile Ratio)
R = f y fu
一、钢材的屈服准则(Yield Criterion) 钢材的屈服准则
2.3
钢 材 在 复 杂 图2-9 复杂应力状态 应 钢材在单向均匀应力作用下，当应力达到屈服点 y时，钢 当应力达到屈服点f 力 材进入塑性状态。当钢材处于复杂应力状态时 当钢材处于复杂应力状态时(如图2-9所示)， 就不能按其中某个应力是否达到屈服点来判定，而应找个综合 就不能按其中某个应力是否达到屈服点来判定 作 指标，即采用第四强度理论作为判定钢材屈服的条件 即采用第四强度理论作为判定钢材屈服的条件。 用 由材料力学第四强度理论知，折算应力 zs (也称Mises应力) 折算应力⌠ 为： 下 的 ⌠zs = ⌠x2 +⌠ y2 +⌠z2 (⌠x⌠ y +⌠ y⌠z +⌠z⌠x )+ 3( xy2 + yz2 + zx2 ) 性 能
材 料
较高的强度 抗拉强度(Tensile Strength) 屈服点(Yield Point) 足够的变形能力(Capacity of Deformation) 良好的塑性(Plasticity) 良好的韧性(Tenacity) 良好的加工性能 冷、热加工 可焊性能 耐久性好(Durability) 其它 适应低温、高温、耐腐蚀性环境等 耐腐蚀性环境等
2.5 钢 材 的 各 种 破 坏 形 式
二、脆性破坏(Brittle Failure)
1、脆性破坏的特征 脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力 脆性破坏在破坏前无明显变形 也不大(一般小于屈服点fy)，没有任何预兆 没有任何预兆，破 坏断口平直和呈现光泽的晶粒状。由于其突然 坏断口平直和呈现光泽的晶粒状 发生，危害性较大，应尽量避免 应尽量避免。 从力学观点分析，钢材的脆性性破坏是由 钢材的脆性性破坏是由 于拉应力超过晶粒抗拉能力而产生。 于拉应力超过晶粒抗拉能力而产生