大工17秋《钢结构》辅导资料四

钢结构辅导资料四

主题：第二章钢结构的材料

学习时间：10月23日－10月29日

内容：

这周我们将学习本门课的第二章钢结构的材料，通过本周的学习，掌握钢结构材料的相关性能的知识。

一、学习要求

1、掌握钢材的两种破坏形态；

2、掌握钢材的（机械）性能；

3、掌握影响钢材性能的因素；

4、熟识钢材在复杂应力状态下的屈服条件；

5、了解钢材的种类及选用。

二、主要内容

基本概念：钢材的塑性和脆性破坏，屈服点和屈服强度，时效硬化和冷作硬化。

知识点：钢材的主要性能，影响钢材性能的因素，脆性破坏的危害，复杂应力状态下的工作性能，钢材的选用。

（一）钢材的两种破坏形态

钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。钢结构用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。

1、塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度允后才发生。破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。在塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。

2、脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性交形，计算应力可能小于钢材

f，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特的屈服点

y

别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。

图4.1单向拉伸构件的两种破坏形式

图4.2单向拉伸试件破坏面

图4.3疲劳引起的脆性破坏

图4.4疲劳引起的脆性破坏破坏面

（二）钢材的（机械）性能

1、钢结构对材料的要求

钢结构的原材料是钢，钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢只是其中的一小部分。用作钢结构的钢材必须符合下列要求：

（1）较高的抗拉强度u f 和屈服点y f ：y f 是衡量结构承裁能力的指标，y f 高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。u f 是衡量钢材经过较大变形后的抗

拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时u f 高可以增加结构的安全保障。

（2）较高的塑性和韧性：塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。

（3）良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)：良好的工艺性能不但要易于加工成各种形式的结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。

此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。

按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷裁的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。

2、强度-单项拉伸试验

钢材的力学性能指标是钢结构设计的重要依据，而这些指标主要是通过试验来测定的。

钢材的拉伸试验是用规定形状和尺寸的标准试件，在常温 20℃±5℃的条件下，按规定的加载速度在拉力试验机上进行。

拉伸时的应力——应变曲线（σ—ε曲线）：

图4.5 低碳钢应力应变曲线 低碳钢在常温下静力拉伸的应力—应变曲线。图中纵坐标为应力0

F A σ=

，

F 、0A 是试件的受拉荷载和原横截面面积；横坐标为应变0

l l ε∆=，0l 为试件原标距长度，l ∆为标距段的伸长量。该曲线分为五个阶段，如图所示；

（1）弹性阶段——图中OAB 段。OA 段为线弹性，应力与应变成正比，完全符合虎克定律，卸载后无残余变形。A 点的应力p f 称为比例极限。AB 段为非线

弹性，呈曲线状，B 点的应力e f 称为弹性极限，由于p f 与e f 非常接近，实际应

用中认为二者相同。

（2）弹塑性阶段——图中BC 段。当施加应力σ超过弹性极限e f 后，试件变

形包含有弹性变形与塑性变形两部分。

（3）屈服阶段——图中CD 段。当施加应力达到y f 后，曲线上下波动，y f 称为屈服点或屈服强度。钢材的应力达到y f 后应变将急剧增长，使钢材产生了不

容许的残余变形，以致不能正常使用。在C 点时卸载残余变形0.2%y ε≈，到达D 点时其残余变形为 2.5%y ε≈。

（4）强化阶段——图中DG 段。钢材经塑性变形后,曲线回升到G 点，应力达到最大值u f ，称为抗拉强度，它反映了钢材承受荷载的极限能力。

（5）颈缩阶段——图中GH 段，当应力达到抗拉强度u f 后，试件中部截面变细，形成颈缩现象，σε-曲线下降直到HG ，试件拉断。

3、塑性

试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d （圆形试件）之比为10时，以10δ表示；当该比值为5时，以5δ表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。 衡量钢材的塑性指标有两个：

(1)断面收缩率：在拉伸试验中，试件拉断后截面面积的缩小值与原截面面积的比值；即010

100%A A A ψ-=⨯ 式中：2

004d A π=——试件原截面面积；1A ——试件拉断后颈缩处的截面面

积ψ值越大，钢材的塑性越好。

(2)伸长率：在拉伸试验中，试件拉断后的伸长量与原标距之比值，即：