第2章钢结构材料
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料力学强度理论用折算应力σeq和钢材在单向应力下的屈服点相比较来
判别。研究表明，对均匀性和塑性较好的钢材，适合采用第四强度理论
即能量强度理论，折算应力σeq按计算如下：
13 第2章钢结构材料
图2-7复杂应力状态
14 第2章钢结构材料
当用主应力表示时
eq 1 2 [( 12 )2 (23 )2 (31 )2 （]2-1）
15 第2章钢结构材料
平面应力状态
eq 122212
σeq σx 2σy 2σxσy3τx 2y
普通梁
σeq σ2 3τ2
受纯剪时
σeq 3τ2
fy 3
0.58fy
第2章钢结构材料
（2-3） （2-4） （2-5） （2-6） （2-7）16
第二节 钢结构对钢材性能的要求 一、强度
屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈 服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度 是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全
保障。屈强比fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越
大。
17 第2章钢结构材料
二、变形能力 (一)塑性
塑性是材料承受达到屈服点的应力后，能够产
生显著的变形而不立即断裂的性能。
伸长率δ
l1 l0 100%
l0
（2-8）
截面收缩率ψ
A0 A1 100%
A0
（2-9）
δ和ψ数值越大，表明钢材塑性越好。
钢材在受拉产生塑性变形后， 卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈 服强度会降低，如图2-5所示，应力 —应变曲线形成滞回环（滞回曲线）， 滞回环所围面积代表荷载循环一次单 位体积的钢材所吸收的能量。
图2-5 钢材滞回曲线
10 第2章钢结构材料
三、复杂应力状态下钢材的性能
钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的 突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀， 在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如 图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近 总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定 次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏 反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，
反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
9 第2章钢结构材料
(三)包辛格（Bauschinger）效应
5 第2章钢结构材料
(3)阶段Ⅲ：塑性阶段（屈服阶段、BC段） 屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系 呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全 塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为 0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。
(4) 阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段） 抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新 排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的 能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至 应力达到最大值，称为抗拉强度fu。
第2章钢结构材料
图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
7
高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类 钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为 条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余 应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。
图2-4高强度钢的应力-应变曲线
8 第2章钢结构材料
二、反复荷载作用下钢材的性能 (一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)
常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件单向一次拉伸试验得 到的简化光滑应力-应变曲线如图2-2所示，钢材历经五个阶段 :
3 第2章钢结构材料
图2-1 静力拉伸试验 的标准试件
图2-2钢材一次单向拉伸 简化应力-应变曲线
4 第2章钢结构材料
(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段）
比例极限fp: E
E=2.06×105N/mm2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。 (2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段） σ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的 应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑 性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy 称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为 0.15%。
第2章 钢结构的材料
1 第2章钢结构材料
本章内容
第一节 钢材的工作性能 第二节 钢结构对钢材性能的要求 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节钢材的种类、规格和选用原则
2 第2章钢结构材料
第一节 钢材的工作性能 一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能
钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（20±5°）、静载条件 下标准试件一次拉伸试验确定。
屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力
学性能指标。
第2章钢结构材料
18
(二)冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能
力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能 力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时吸收 的能量越多，其韧性愈好。
当用应力分量表示时
（2-2） e q x 2 y 2 z 2 (xy xz yz ) 3 (x 2 y x 2 zy 2 ) z
当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段； 当σeq≥ fy时，钢材处于塑性阶段。
三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。 有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
11 第2章钢结构材料
图2-6 孔洞的应力集中
（a）钢板开圆孔 （b）钢板开长圆孔
12 第2章钢结构材料
钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当σ=fy时，
材料开始屈服，进入塑性状态。实际钢结构中，钢材常是在双向或三向 复杂应力状态下工作，如图2-7所示，这时钢材的屈服并不取决于某一 个方向的应力，从而不能用实验得到普遍适用的表达式，而是应利用材
6 第2章钢结构材料
(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段） 在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩—— 颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。
wk.baidu.com
对于没有缺陷和残余应力 影响的试件,可认为钢材是图23所示理想弹-塑性体，经历两 个阶段，即假定钢材应力小于 fy时是完全弹性的，应力超过 fy后则是完全塑性的。设计时 ，取fy作为强度限值，而取fu 作为材料的强度储备。
判别。研究表明，对均匀性和塑性较好的钢材，适合采用第四强度理论
即能量强度理论，折算应力σeq按计算如下：
13 第2章钢结构材料
图2-7复杂应力状态
14 第2章钢结构材料
当用主应力表示时
eq 1 2 [( 12 )2 (23 )2 (31 )2 （]2-1）
15 第2章钢结构材料
平面应力状态
eq 122212
σeq σx 2σy 2σxσy3τx 2y
普通梁
σeq σ2 3τ2
受纯剪时
σeq 3τ2
fy 3
0.58fy
第2章钢结构材料
（2-3） （2-4） （2-5） （2-6） （2-7）16
第二节 钢结构对钢材性能的要求 一、强度
屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈 服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度 是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全
保障。屈强比fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越
大。
17 第2章钢结构材料
二、变形能力 (一)塑性
塑性是材料承受达到屈服点的应力后，能够产
生显著的变形而不立即断裂的性能。
伸长率δ
l1 l0 100%
l0
（2-8）
截面收缩率ψ
A0 A1 100%
A0
（2-9）
δ和ψ数值越大，表明钢材塑性越好。
钢材在受拉产生塑性变形后， 卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈 服强度会降低，如图2-5所示，应力 —应变曲线形成滞回环（滞回曲线）， 滞回环所围面积代表荷载循环一次单 位体积的钢材所吸收的能量。
图2-5 钢材滞回曲线
10 第2章钢结构材料
三、复杂应力状态下钢材的性能
钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的 突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀， 在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如 图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近 总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定 次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏 反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，
反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
9 第2章钢结构材料
(三)包辛格（Bauschinger）效应
5 第2章钢结构材料
(3)阶段Ⅲ：塑性阶段（屈服阶段、BC段） 屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系 呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全 塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为 0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。
(4) 阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段） 抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新 排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的 能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至 应力达到最大值，称为抗拉强度fu。
第2章钢结构材料
图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
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高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类 钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为 条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余 应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。
图2-4高强度钢的应力-应变曲线
8 第2章钢结构材料
二、反复荷载作用下钢材的性能 (一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)
常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件单向一次拉伸试验得 到的简化光滑应力-应变曲线如图2-2所示，钢材历经五个阶段 :
3 第2章钢结构材料
图2-1 静力拉伸试验 的标准试件
图2-2钢材一次单向拉伸 简化应力-应变曲线
4 第2章钢结构材料
(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段）
比例极限fp: E
E=2.06×105N/mm2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。 (2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段） σ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的 应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑 性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy 称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为 0.15%。
第2章 钢结构的材料
1 第2章钢结构材料
本章内容
第一节 钢材的工作性能 第二节 钢结构对钢材性能的要求 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节钢材的种类、规格和选用原则
2 第2章钢结构材料
第一节 钢材的工作性能 一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能
钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（20±5°）、静载条件 下标准试件一次拉伸试验确定。
屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力
学性能指标。
第2章钢结构材料
18
(二)冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能
力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能 力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时吸收 的能量越多，其韧性愈好。
当用应力分量表示时
（2-2） e q x 2 y 2 z 2 (xy xz yz ) 3 (x 2 y x 2 zy 2 ) z
当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段； 当σeq≥ fy时，钢材处于塑性阶段。
三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。 有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
11 第2章钢结构材料
图2-6 孔洞的应力集中
（a）钢板开圆孔 （b）钢板开长圆孔
12 第2章钢结构材料
钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当σ=fy时，
材料开始屈服，进入塑性状态。实际钢结构中，钢材常是在双向或三向 复杂应力状态下工作，如图2-7所示，这时钢材的屈服并不取决于某一 个方向的应力，从而不能用实验得到普遍适用的表达式，而是应利用材
6 第2章钢结构材料
(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段） 在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩—— 颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。
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对于没有缺陷和残余应力 影响的试件,可认为钢材是图23所示理想弹-塑性体，经历两 个阶段，即假定钢材应力小于 fy时是完全弹性的，应力超过 fy后则是完全塑性的。设计时 ，取fy作为强度限值，而取fu 作为材料的强度储备。