第2章 复习思考题答案

第2章复习思考题答案1.Q235钢的应力—应变曲线可以分为哪4个阶段，可得到哪些强度指标？（1）弹性阶段。

钢材在此阶段，当荷载降为零时（完全卸载），变形也降为零（回到原点）。

Q235钢的比例极限f p≈200N/mm2,对应的应变εp≈0.1%。

（2）弹塑性和屈服阶段。

当应力超过弹性极限后，应力与应变不再成正比，应变增大加快，材料进入弹塑性阶段。

随后，应力呈锯齿状波动，甚至出现应力不增加而应变仍在继续发展的现象，卸载后试件不能完全恢复原来的长度，这个阶段称之为屈服阶段。

Q235钢的屈服点f y≈235N/mm2,对应的应变εp≈0.15%，流幅ε≈0.15%～2.5%。

（3）强化阶段。

屈服阶段之后，曲线再度上升，但应变的增加快于应力的增加，塑性特征明显，这个阶段称为强化阶段。

对应于最高点的应力为抗拉强度或极限强度fu。

（4）颈缩阶段。

到达极限强度后，试件出现局部截面横向收缩，塑性变形迅速增大，即颈缩现象。

此时，只要荷载不断降低，变形能继续发展，直至试件断裂。

2.什么叫屈强比，它对结构设计有何意义？钢材的屈服强度（屈服点）f y与抗拉强度fu的比值，称为屈强比。

屈强比是衡量钢材强度储备的一个系数。

屈强比越低，结构零件的可靠性越高，一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75，合金结构钢为0.84-0.86。

屈强比愈低钢材的安全储备愈大，但屈强比过小时，钢材强度的利用率太低，不够经济；屈强比过大时，安全储备太小，且构件变形能力小。

3.什么叫塑性破坏和脆性破坏？各有什么特征？钢材在静力单向均匀拉伸下，试件破坏前有很大的塑性应变，这种破坏称为塑性破坏。

钢结构中的钢材因受各种因素的影响还会发生另一种破坏，即脆性破坏，两者的破坏特征有明显的区别。

塑性破坏是指构件产生明显的变形、应力达到材料的极限强度后而发生的破坏，破坏断口呈纤维状，色泽发暗，破坏前有较大的塑性变形，且变形持续时间长，容易及时发现并采取有效补救措施，通常不会引起严重后果。

脆性破坏是在塑性变形很小，甚至没有塑性变形的情况下突然发生的，破坏时构件的计算应力可能小于钢材的屈服点fy，破坏的断口平齐并呈有光泽的晶粒状。

由于脆性破坏前没有明显的征兆，不能及时觉察和补救，破坏后果严重。

4.钢结构对钢材有哪些要求？为了保证结构的安全，钢结构所用的钢材应满足以下要求：（1）强度钢材的强度指标主要有屈服强度(屈服点)fy和抗拉强度fu，可通过钢材的静力单向拉伸试验获得。

屈服强度fy和抗拉强度fu是承重结构所用钢材应具有的基本保证项目，对一般非承重结构构件所用钢材只要保证抗拉强度即可。

（2）塑性塑性是指钢材在应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。

衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率δ和截面收缩率ψ，它由钢材的静力单向拉伸试验得到。

承重结构用的钢材，不论在静力荷载或动力荷载作用下，以及在加工制作过程中，除了应具有较高的强度外，尚应要求具有足够的伸长率，对抗震结构伸长率应大于20％，对非承重结构构件所用钢材也要保证其伸长率。

（3）冲击韧性冲击韧性是指钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指标，它是强度和塑性的综合表现，是判断钢材在动力荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。

冲击韧性的好坏用冲击韧性值Cv表示，它是对带有夏比V形缺口(Charpy)试件进行冲击试验测得的试件断裂时的冲击功。

对需要验算疲劳的结构所用钢材应具有在不同试验温度下的冲击韧性的合格保证。

对其他重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于16ram的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。

（4）冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下加工发生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力结构构件在制作、安装过程中要进行冷加工，尤其是焊接结构焊后变形的调直等工序都需要钢材有合格的冷弯性能。

而非焊接的重要结构(如吊车梁、大跨度重型桁架等)以及需要弯曲成型的构件等，亦都要求具有冷弯性能合格的保证。

（5）可焊性钢材的可焊性是指在一定的焊接工艺条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。

可分为施工上的可焊性和使用上的可焊性。

施工上的可焊性好是指在一定的焊接工艺下，焊缝金属及其附近金属均不产生裂纹；使用上的可焊性好是指焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。

5.试述引起钢材发生脆性破坏的因素。

（1）化学成分的影响。

硫、氧在高温时使钢材变脆即热脆，磷、氮在低温时使钢材变脆即冷脆。

（2）冶炼和轧制过程的影响。

沸腾钢含有较多的氧、氮等元素，其塑性、韧性和可焊性较差，容易发生时效和变脆。

冶金中的非金属夹杂物使钢材发生热脆。

（3）钢材硬化的影响。

冷作硬化降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加了发生脆性破坏的可能性。

（4）温度的影响。

在250℃左右时，钢材出现抗拉强度反而提高，塑性和冲击韧性下降的蓝脆现象。

当温度低于正常温度时，总的趋势是温度降低，钢材强度略有提高，塑性、韧性降低而变脆。

特别是当温度下降到某一值时，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件发生脆性破坏，这种现象称为低温冷脆现象。

（5）应力集中的影响。

应力集中现象中，靠近高峰应力的区域总是存在着同号平面或立体应力场，因而促使钢材变脆。

6.解释以下名词：（1）韧性；（2）可焊性；（3）蓝脆；（4）时效硬化。

（1）韧性表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指标。

韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。

（2）可焊性钢材的可焊性是指在一定的焊接工艺条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。

（3）蓝脆指由形变时效引起钢材的机械性能变化中，在250℃左右时，钢材出现抗拉强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象。

（4）时效硬化时效硬化是指钢材随时间的增长，钢材强度（屈服点和抗拉强度）提高，塑性降低、特别是冲击韧性明显降低的现象。

其过程一般很长。

7.试述碳、硫、磷对钢材性能的影响。

（1）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要因素，是形成钢材强度的主要来源，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。

（2）硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。

（3）磷是一种有害元素，磷的存在可使钢材的强度和抗锈蚀性提高，但严重降低钢材的塑性、韧性、可焊性、冷弯性能等，特别是在低温时使钢材变脆，即冷脆。

8.温度对钢材性能有什么影响？温度对钢材性能的影响：在正常温度范围内，钢材的力学性能基本不随温度的变化而变化。

当温度高于正常温度时，总的趋势是温度升高，钢材强度、弹性模量降低，塑性增大。

但在250℃左右时，钢材出现抗拉强度反而提高，塑性和冲击韧性下降的蓝脆现象；温度超过300℃后，屈服点和极限强度显著下降；600℃时强度很低，几乎不能承担外力，钢结构耐火性差。

当温度低于正常温度时，总的趋势是温度降低，钢材强度略有提高，塑性、韧性降低而变脆。

特别是当温度下降到某一值时，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件发生脆性破坏。

9.试述应力集中产生的原因及后果。

在钢结构构件中不可避免地存在着孔洞、槽口、凹角、形状变化和内部缺陷等，此时，轴心受力构件在截面变化处应力不再保持均匀分布，而是在一些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。

在靠近高峰应力的区域总是存在着同号平面或立体应力场，因而促使钢材变脆。

在低温下或动力荷载作用下的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，设计时应采取措施避免或减小应力集中。

10.什么是疲劳破坏？简述其特点。

钢材的疲劳破坏：钢材在连续反复荷载作用下，虽然应力还低于极限抗拉强度，甚至低于屈服强度，仍然会发生突然地脆性断裂，称为疲劳破坏。

疲劳破坏的特点：（1）钢材的疲劳破坏过程经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。

对于钢结构和钢构件，由于制作或构造的原因，总会存在缺陷，成为裂缝的起源，实际上只有裂纹扩展和最后断裂两个阶段。

（2）结构钢材在连续反复荷载作用下的破坏，疲劳破坏前，塑性变形极小，没有明显的破坏预兆。

（3）疲劳破坏的断口一般可分为光滑区和粗糙区两部分。

光滑区的形成是因为裂纹多次开合的缘故，最后突然断裂的截面，类似于拉伸试件的断口，比较粗糙。

11.影响疲劳断裂的因素有哪些？疲劳破坏是由于裂纹的不断扩展引起的，因此应力循环中不出现拉应力的部位一般不会发生疲劳破坏。

（1）应力循环特征和应力幅。

应力循环特征常用应力比ρ表示，它是绝对值最小应力与绝对值最大应力之比，拉应力取正值，压应力取负值。

当ρ=-1时称为完全对称循环，疲劳强度最小；ρ=0时称为脉冲循环；ρ=1时为静荷载；当0<ρ<1时称为同号应力循环，疲劳强度较大；当-1<ρ<0时称为异号应力循环，疲劳强度较小。

应力幅是决定焊接结构疲劳的关键。

（2）循环次数与疲劳寿命。

应力循环次数愈少，产生疲劳破坏的应力幅愈大，疲劳强度愈高。

当应力循环次数少到一定程度，就不会产生疲劳破坏。

反之，应力循环次数愈多，产生疲劳破坏的应力幅要愈小，疲劳强度愈低。

但当应力幅小到一定程度，不管循环多少次都不会产生疲劳破坏，这个应力幅称为疲劳强度极限。

（3）应力集中。

应力集中是影响疲劳性能的重要因素，应力集中越严重，钢材越容易发生疲劳破坏。

对于相同的连接形式，构造细节的处理不同，也会对疲劳强度有较大的影响。

12.试说明对焊接结构采用应力幅作为疲劳计算准则的原因。

对焊接结构，不管循环荷载下的名义应力比为何值，只要应力的幅度相同，应力比就相同，对构件的实际作用效果就相同。

应力幅是决定焊接结构疲劳的关键，因此焊接结构的疲劳计算宜以应力幅为准。

13.指出下列各符号的意义：（1）Q235-BF；（2）Q235-D；（3）Q345-C（1）Q235-BF表示屈服强度为235N/mm2的B级沸腾钢;（2）Q235-D表示屈服强度为235N/mm2的D级特殊镇静钢；（3）Q345-C表示屈服强度为345N/mm2的C级特殊镇静钢。

14、下列钢材出厂时，哪些化学成分和力学性能有合格保证？（1）Q390-B；（2）Q235-AF；（3）Q420-E（1）Q390-B：钢材的屈服强度为390N/mm2的B级镇静钢，要求保证20ºC时夏比V形缺口冲击功Cν不小于27J（纵向），要求提供冷弯试验的合格保证，以及碳、锰、硅、和磷等含量的质保；并且要提供屈服点、极限强度、和伸长率等的力学性能的质保。

（2）Q235-AF：钢材的屈服强度为235N/mm2的A级沸腾钢，无冲击功规定，对冷弯试验只有在需方有要求时才进行；要提供屈服点、极限强度和伸长率等的力学性能保证。