钢结构基本原理课件(陈以一)2

钢结构材料

Material of Steel Structures

第1节结构钢对材料基本性能的要求第2节影响钢材性能的一般因素

第3节复杂应力与应力集中

第4节疲劳破坏

第5节钢材分类、规格和选用

第6节结构钢材的新发展

思考与课堂提问 — 材料3
钢结构基本原理 材料
1 什么是塑性破坏？什么是脆性破坏？ 2 那些因素导致钢材易发生脆性破坏？ 3*材料脆性性质和结构脆性性质是否同一概念？ 4 为什么结构设计应避免脆性破坏？ 5 疲劳破坏的特点是什么？ 6 提高钢结构耐腐蚀能力有哪些措施？ 7 什么叫型钢？采用型钢的意义在哪里？局限性在哪里？ 8*一块平板经冷加工成为方管，拐角处钢材经历了什么变化，成型 后未加外力时钢管内是否有应力？什么样的应力？ 9*一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，焊 接前后钢材各经历了什么变化？

思考与课堂提问 — 连接1
钢结构基本原理 连接
1 焊缝按构造区分有哪两种基本形式？（§8.2） 2 焊接对钢材性质和钢构件会造成哪些影响？(§8.2 §8.5） 3 一块钢板受拉强度和两块钢板用焊缝对接起来后的强度计算 有什么差别？

单向拉伸曲线
第1节 结构钢对材料基本性能的要求
N/ A→ σ
fu fy fu
从单向拉伸曲线得到哪些信息？
线弹性、弹性、屈服、强化、颈缩、断裂 f y , fu ,ε y ,δ , E
σ p , f y / fu , Et = dσ / d ε , E c = σ / ε
σ,ε
fy
σ
p
0.2%
Δ/
0
→ε

第2节 影响钢材性能的一般因素
冶炼和轧制过程

时效与冷作硬化
第1节 结构钢对材料基本性能的要求
N/ A→ σ
碳氮从纯铁体中析出， 碳化物、氮化物阻碍晶 格滑移 材料经历过塑性变形， 再次加载时屈服点提高
p
fu fy
σ
Δ/
0
→ε

温度对钢材的影响
第2节 影响钢材性能的一般因素
σ
fu
Ak
脆性破坏
fy
转变过渡 区域
塑性破坏
T T

多轴应力对屈服强度的影响
σ1
fy
第3节 复杂应力与应力集中
多轴同号应力 单轴应力 多轴异号应力
ε1
以平面应力场为例，设存在任意 σ x , σ y ,τ xy 经转轴可以化为仅有两个主应力 σ 1 , σ 2 若 σ 1σ 2 > 0 证明满足Mises屈服条件时
2 ∵ σ σ ≥ σ 证： 1 2 2 2 2 2 ∴ f y = σ zs = σ 12 + σ 2 − σ 1σ 2 ≤ σ 12 + σ 2 −σ2 = σ 1 证毕
2 σ zs = σ 12 + σ 2 − σ 1σ 2 = f y
σ1 ≥ fy
试证若 σ 1 ≥ σ 2 且 σ 1σ 2 < 0 则满足Mises屈服条件时 σ 1 ≤ f y

理想弹塑性模型
第3节 复杂应力与应力集中
σ
fu
fy
ε

应力集中与同号应力场
第3节 复杂应力与应力集中
等厚度钢板，中间段宽度小于两端，即
An < A
x
A, σ x , ε x An , σ nx , ε nx A, σ x , ε x
设两端沿 x 方向作用均匀拉力，有
σ nx > σ x ,
ε nx > ε x
根据弹性力学，可知横向应变为
ε ny = − με nx < − με x = ε y
即中间段横向收缩大于两端横向收缩， 因此中间段横向应力必为拉应力
σ nx > 0,
σ ny > 0
y
中间段截面突变，产生较大应力集中， 同时产生同号应力场

截面改变程度与应力集中关系
第3节 复杂应力与应力集中
σ
截面改变越突然 应力集中程度越大 材料强度提高越大 塑性变形能力越差
10
0.4 10 25
10 10 18 100
ε

材料塑性对应力集中的缓解
第3节 复杂应力与应力集中
p1
1 1-1 2 2-2
σo1
1
σo2 σ
σm2 ≈ fy
ε
p2
σm1
2
在具有理想弹塑性本构关系的材料中， 当峰值应力达到屈服点后，应力保持该 水平不再增加，表现出应力集中系数降 低
σm1 σm2 k1 = > = k2 σo1 σo2

Goodman图
第4节 钢材疲劳破坏
σ
ρ = −1
+σ
σ max = σ min
t
应力比定义中何者是 σ max
P σ（疲劳强度）
ρ = Const.
疲劳强度极限（门槛值）
σ
+σ
−1 < ρ < 0
σ1
σ min
N
σ σ
ρ =0
t
σ max 设计时
针对某一特定构造
+σ
σ max σ max σ min σ max
t
ρ = −1
N 为定值
ρ =1
fy
σ1
0 < ρ <1
+σ
σmax = σ P
σ
σ min
+σ
t t
σ 0 − σ −1 K= σ −1
σ0 σ −1
ρ =1
σ
σ P = σ max = σ 0 + Kσ min σ0 P σ = σ max = 1− Kρ
σmin
σ min