高温下钢材力学性能的分析与计算
钢材的力学性能
用金刚石正四棱体压头以 49.03-980.7N 的试验
/
力压力试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，
测压痕对角线长度的计算的硬度值。
用金刚石或钢球冲头一定高度落到试样表面，测
/
冲头回跳高度计算硬度值。用目测型硬度计的硬度符
号为 HSC，指示型硬度计的硬度符号为 HSD。
/
g cm 3
/
相互接触的物体，当作相对移动时就会引起摩 擦，引起摩擦的阻力称为摩擦力。根据摩擦定律，通 常把摩擦力（F）与施加在摩擦部位的垂直载荷（N） 的比值，称为摩擦因数。
Ps MPa
σs=—— Fo
式中 Ps——屈服载荷（N）
Fo——试样原横截面积（mm²）
对某些屈服现象不明显的金属材料，测定屈服点比较 困难，常把产生 0.2%永久变形的应力定为屈服点，称 MPa 为屈服强度或条件屈服极限：
σ0.2/时间 8 持久强度
(h)
温度
蠕变强度 σ —— 9
应变量/时
间
二 弹性
系数。
系数。
（J） AKV ——夏比 V 形缺口试样冲断时所消耗的功
（J）
F——试样缺口处的横截面积（cm²）
五 疲劳
1 疲劳极限
σ-1
2 疲劳强度
σN
六 硬度
1 布氏硬度
HBS
金属材料在极限强度以下，长期承受交变负荷 （即大小、方向反复变化的载荷）的作用，在不发生 显著塑性变形的情况下而突然断裂的现象，称为疲 劳。
金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次（N）
MPa
的应力循环仍不发生断裂时所能承受的最大应力称
为疲劳极限。
金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次
热疲劳对钢结构性能影响分析
热疲劳对钢结构性能影响分析钢结构作为一种常见的建筑结构材料，广泛应用于桥梁、厂房等建设领域。
然而，随着环境温度的变化以及外部热力作用的影响，钢结构在长时间高温环境中会出现热疲劳现象，从而导致结构性能下降甚至失效。
本文将探讨热疲劳对钢结构性能的影响。
1. 温度对钢材力学性能的影响首先，温度对钢材的力学性能具有显著影响。
一般情况下，钢材的屈服强度、抗拉强度和冲击韧性会随温度的升高而下降。
这是因为高温下原子的热振动增加，导致晶格结构弱化，从而降低了材料的力学性能。
2. 热循环对钢结构的影响热循环是指结构在温度变化过程中经历的热胀冷缩过程。
钢结构在长时间热循环作用下，会导致结构的疲劳损伤以及变形。
热循环引起的温度变化会导致结构内部应力的变化，从而导致材料的拉伸、压缩和扭曲等变形。
这些变形可能会导致结构强度和稳定性的下降，甚至引发裂纹和破坏。
3. 线性热膨胀对钢结构的影响钢结构在受热膨胀时会发生线性膨胀，这会引起结构的应变和应力的变化。
当材料温度升高时，结构会发生膨胀，而当温度下降时，结构则会发生收缩。
这些应变和应力的变化会对结构的稳定性和运行性能产生影响。
尤其是在高温环境下，钢结构可能发生较大的膨胀和收缩，从而引起结构的变形和应力集中，进一步影响结构的性能。
4. 高温下的材料退火与氧化高温作用下，钢材容易发生退火和氧化。
退火是指材料在高温下长时间热处理过程中所发生的晶粒细化和杂质析出的现象。
退火过程会导致钢材的硬度降低，从而影响结构的强度和刚度。
与此同时，高温环境中的氧化反应会引起表面的氧化层形成，使钢结构的耐蚀性能下降，进而影响结构的使用寿命。
5. 热疲劳对钢结构的损伤机制热疲劳对钢结构的损伤主要表现为疲劳裂纹的形成和扩展。
当钢结构受到热循环作用时，结构内部会出现温度差异，从而引起应力集中。
这些应力集中会导致结构表面或内部的微裂纹形成，然后在热循环的作用下逐渐扩展，最终导致结构的破坏。
此外，热疲劳还会促进材料的晶界迁移和位错运动，进一步加剧结构的损伤。
高温对高强钢材力学性能的影响研究
高温对高强钢材力学性能的影响研究随着工业生产的不断发展，对高强度材料的需求也与日俱增。
高强钢材以其优良的力学性能，在各个行业中得到广泛应用。
然而，在高温环境下，高强钢材的力学性能可能会发生变化。
因此，研究高温对高强钢材力学性能的影响至关重要。
首先，高温对高强钢材的强度和硬度有明显的影响。
高强钢材通常具有较高的强度和硬度，能够承受更大的负荷。
然而，在高温下，高强钢材的强度和硬度会降低。
这是因为高温会造成钢材中的晶格变化，导致晶粒的长大和晶界的条件恶化。
晶粒长大会导致晶间距增大，晶界条件恶化则会引起晶互相滑移受阻。
这些因素共同作用，使得高温下高强钢材的强度和硬度降低。
其次，高温对高强钢材的韧性也有一定的影响。
韧性是材料在受力下发生塑性变形之前能够吸收的能量，是衡量材料抗断裂能力的指标。
通常情况下，高强钢材具有较高的韧性，能够在受到外界冲击时保持结构的完整性。
然而，在高温下，由于晶粒的长大和晶界条件的恶化，高强钢材的韧性会降低。
这是因为晶粒长大和晶界条件恶化会导致材料的塑性变形能力降低，从而使得高温下高强钢材更容易发生脆断。
另外，高温还会对高强钢材的疲劳性能产生影响。
疲劳是指材料在交变载荷作用下出现断裂的现象，是材料力学性能中的重要指标之一。
高强钢材通常具有较高的疲劳强度和寿命。
然而，在高温下，高强钢材的疲劳性能会下降。
这是因为高温会使材料中的缺陷（如夹杂物和气孔）扩散和扩展，从而进一步弱化材料的力学性能。
此外，高温下材料的塑性变形被加剧，进一步加速了材料的疲劳断裂。
综上所述，高温对高强钢材的力学性能有明显的影响。
高温条件下，高强钢材的强度和硬度降低，韧性减弱，疲劳性能下降。
这些影响将对高强钢材在高温环境下的实际工程应用产生重要的影响。
为了更好地应对这些问题，可以采取一些措施，如合理设计材料的成分、优化材料的热处理工艺和采用先进的涂层技术等，以提高高温下高强钢材的力学性能。
总之，高温对高强钢材力学性能的影响是一个复杂而重要的研究课题。
Q345D钢高温力学性能及凝固特性
摘要低碳低合金钢Q345D具有强度高、韧性高、抗冲击、耐腐蚀等优良特性，因而倍受广泛地应用于各个方面。
，连铸技术因为具有可以大幅提高金属收得率、改善铸坯质量和节约能源等显著优势，因而在生产钢材的各种方法中得到了最为广泛的应用。
本文通过对Q345D钢的高温力学性能热模拟实验及其高温凝固相转变规律的研究，进一步了解该钢种的高温特性，以期为铸坯质量的提高提供理论依据。
对于Q345D高温力学性能的研究主要是通过热模拟试验机模拟金属热变形的整个过程，得到其热变形过程中热强度、热塑性、显微组织以及相变行为并对其进行分析整理总结。
本文通过使用Gleeble-1500D热模拟试验机，对Q345D钢进行高温拉伸实验，获得该钢在800℃~1200℃温度下的屈服强度、抗拉强度及延伸率、断面收缩率等数据。
对以上数据进行分析，可以得出：在800℃~850℃温度区间，随着温度的升高，屈服强度、抗拉强度分别从800℃的39.10MPa、83.61MPa提高到850℃的40.01MPa、93.10MPa；在900℃~1300℃温度区间内，随着温度的升高，其屈服强度和抗拉强度分别从900℃的33.53MPa、91.16MPa降低到1300℃的8.45MPa、19.85MPa。
对于该钢的热塑性，800℃~900℃温度区间内随温度升高，其延伸率、断面收缩率分别从800℃的9.11%、77.7%提高到900℃的23.58%、79.3%升高；在1000℃~1200℃温度区间内，延伸率、断面收缩率变化比较平缓；1200℃以后随温度升高，延伸率、断面收缩率急剧降低，在1300℃时其数值分别为11.75%、48.5%，表明其热塑性下降。
Q345D的高温凝固相转变规律是通过自行研制的可控高温凝固相变实验装置进行的，对于加热到熔化状态下的钢样通过控制冷速冷却到不同温度，然后淬火保留高温组织的方式研究其组织的转变行为。
对所得试样金相组织观测得出：在液态下直接淬火时，冷却速度越快，所得到的晶粒越为细小；在冷速为20℃/min的冷却速度下，Q345D钢的液、固相线温度点分别为1515℃和1460℃，在该区间内，残留高温铁素体的含量随着结束控制冷速冷却温度的降低而升高；在2℃/s的冷却速度下，在1515℃和1460℃温度点仍然有高温铁素体相的存在，但是与同温度下以20℃/min的冷却速度得到的试样相比，高温铁素体相的含量有明显不同。
高温下钢筋混凝土构件力学性能的研究
ｓ ｉ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅｂ ｎ ｉｇ ｒｇｄ ｔ ｎ ｈ ｉ ｈ ｔｔ ｅｍ ｅ ｂ ｒ ｎ ｕ ｅｔ ｅ ｆ ｅｄ ｓ ｓｅ ｓａ ａ ｈ ｐｂ ｔ ｅ ｈ ｅ ｄｎ ｉｉ ｉ ａ ｄ ｔ ｅ ｔ ｙ ｍｅ ｔ ａ ｈ ｍ ｅ ｓｅ ｄ ｒ ｈ ｉ ｉａ ｔ ｒｉ ｎ — ｒ
关键词 ： 钢筋混凝土 ； 防火性 能； 保护层厚度 中图分 类号 ： Ｇ１ １ Ｔ １ 文献标识码 ： Ｂ
Ｔｈ ｈａ ｉ ｕ ｔ ｄ ｆＲｅｎ ｏ ｃ ｄ Ｃｏ ｃ ｅ ｅ Ｍ ｅ ｂ ｒ ｎ Ｆｉｅ ｅ Ｂｅ ｖ ｏ ｒ Ｓ ｕ ｙ ｏ ｉ ｆ ｒ ｅ ｎ ｒ ｔ ｍ ｅ ｓｉ ｒ
土保护层厚度对主筋力学性能的影响 ， 分析 了抗弯 刚度与构件经受火灾作用时间的关系 ， 并与实验结
载力的计算方法。
从静力学角度考虑 ， 火灾后构件的力学性能降 果进行了对 比。对高温后 的构件 ， 研究 了其剩余承
低包括强度下降和刚度减少两个方面。强度受损将 降低构件的承载力 ， 刚度 的变化则会 引起结构各 而 部 分 的 内力 重 分 布 ， 可 能 导 致 较 大 的构件 变 并 形 引。一般来说对火灾下 的构件通常关注的是其 过大的变形和安全性能 ； 鉴于火灾后钢筋 和混凝土 力学特性均有一定程度 的恢复 ， 对火灾 后的构件通
常关注其剩余承载能力 ， 判断构件是否需要加固， 需
评估火灾后混凝土构件力学性能的方法主要有
高强度钢柱高温下承载力数值计算方法
２１ ０ １年 １ 月 ２
木 建 ｕ ｌ＆ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＣ ｖｌ 土 ｃ ｉ ｃ筑 ａ 环 境 ｉｏ 程 ｔ ｌ ｇｎ ｅ ｉｇ ｏ ｒ ａ ｉｉ。Ａｒ ｈｔ ｔ ｒ与 Ｅｎ ｒ ｎ ｅ ａ ｏ ｅ ｖ工 ｍ ｎ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ
Ｖ １３ ｏ ６ ｏ．３Ｎ ．
２ ｔｔ ｙＬａ ｏ ｓ ｓｅ ｄ ｃｉｎ ｉ ｉｉ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ．Ｓ ａｅＫｅ ｂ ｆｒＤｉａ ｔｒＲｅ ｕ ｔｏ ｎ Ｃ ｖｌ ｇｎ ｅｉｇ，Ｔｏ ｇｉ ｉｅｓｔ ｎ ｊ Ｕｎｖ ｒｉ ｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ０ ２ ． Ｃｈｎ ） ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ９ ，Ｐ Ｒ． ｉａ ２
残 余应 力 的分布模 式 和 大 小对 高温 下 高强度 钢 柱 的极 限承 载 力 影 响很 小 ， 而初 始 几 何缺 陷对极 限
承 载力 的影 响较 大 。
关键 词 ： 高强钢 ； 柱 ； 火 钢 抗 中 图分类 号 ： ＴＵ３ ２ ９ 文献标 志码 ： Ａ 文 章编 号 ：６ ４４ ６ （０ １ ０ —０ ３０ １ ７ —７ ４ ２ １ ） ６０ １ —６
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ｅ ｈ ｄ ｆ ｒ Ｌｏ ｄ Ｂｅ ｒ ｎｇ Ｃａ ｃ ｔ ｆ Ｈｉ ｈ Ｓ ｒ ｎｇ ｈ ｍ ｒ ｃ ｌＭ ｔ ｏ ｏ ａ ａ ｉ ｐａ ｉｙ ｏ ｇ ｔ ｅ ｔ
Ｓ ｅ ｌＣｏ ｕ ｎｓ ａ ｅ ａ ｅ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｔ ｅ ｌ ｍ ｔ Ｅｌ ｖ ｔ ｄ Ｔｅ ｅａｕ ｅ
Ｄｅ ． ２ ｅ Ｏ１１
高 强 度 钢 柱 高 温 下 承 载 力数 值 计 算 方 法
王卫 永 李 国强 ，
（ ．重 庆 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 庆 ４ ０ ４ ； ．同 济 大 学 土 木 工 程 防 灾 国家 重 点 实验 室 ， 海 ２ ０ ９ ） １ 重 ００５２ 上 ０ ０ ２
钢筋混凝土的高温性能及其计算
钢筋混凝土的高温性能及其计算混凝土结构在高温下比在常温下的性能要复杂得多，理论分析难度大。
这是因为结构在环境温度变化的情况下形成了动态的不均匀温度场，高温使材料（混凝土和钢筋）的强度和变形性能严重劣化，又使结构产生剧烈的内（应）力重分布；还因为温度和荷载（应力）有显著的耦合效应，使材料的本构关系和构件的受力性能随温度—荷载途径而有较大变化。
为此，需首先通过试验手段展示混凝土的材料、构件和结构在温度与荷载共同作用下的力学性能，然后进行机理分析，总结试验数据，归纳其一般规律，进一步建立准确的理论分析方法，并给出简化的实用计算方法，供工程实践中应用。
一、结构工程中的温度问题结构工程中因为温度变化而发生的工程问题可分为三类：（1）周期性温度超常。
（2）正常工作条件下长期高温。
（3）偶然事故诱发的短时间高温冲击。
例如建筑物火灾的延续时间从数十分钟至数小时不等，在1h内可达1000℃或更高；化学爆炸或核爆炸、核电站事故等。
对于第三类问题，虽有建筑设计防火规范，但并没有解决结构的抗火分析和设计问题。
建筑物遭受火灾后，其结构内部升温，形成不均匀的温度场，材料性能严重恶化，导致结构不同程度的损伤和承载力下降。
作为建筑物的承重和支撑体系，其结构必须在火灾的一定时间期限内保持足够的承载能力，以便受灾人员安全撤离灾场，消防人员进行灭火，救护伤亡人员和抢救重要器物等活动。
当结构达到下述极限状态之一时，即认为结构抗火失效：（1）承载能力极限；（2）阻火极限；（3）隔热极限。
人们从以往的火灾事故中吸取了教训和经验，明确了对付火灾的策略是“预防为上”，但防不胜防，仍须“立足于抗”。
为了提高和解决结构与构件的抗火（高温）能力，曾经历了不同的发展阶段：初期，只是采取经验性的构造措施，例如加大钢筋的保护层厚度，采用耐热混凝土等；其后，建立大型试验设备，对足尺试件进行高温加载试验，直接测定其耐火极限或高温承载力；现今的趋向是在试验研究的基础上，进行全面的理论分析，包括建立材料的高温-力学本构模型，确定火灾的温度试件曲线，进行非线性的瞬态温度场分析，以及构件和结构的高温受力全过程分析。
材料在高温条件下的力学性能
蠕变变形机制及断裂机理
高温下的位错热激活主要是刃型位错的攀移，模型见下图：
8
蠕变变形机制及断裂机理 （2）扩散蠕变
认为蠕变是高温下大量原子
与空位定向移动造成的：
承受拉应力（A、B晶界）的晶界， 空位浓度增加； 承受压应力（C、D晶界）的晶界， 空位浓度减小。 晶体内空位从受拉晶界向受压晶 界迁移，原子朝相反方向运动， 使得晶体伸长－－扩散蠕变。
分子运动
宏观力学性能 强烈地依赖于温度和外力作用时间
29
聚合物的黏弹性与蠕变
虎克定律 Hooke’s law
E
弹性模量 E
Elastic modulus
应变在外力的 瞬时达到平衡 值，除去应力 时，应变瞬时 回复。
形变对时间不存在依赖性
Ideal elastic solid 理想弹性体
30
持久强度极限表示方法：
3
t
－－在规定温度（t）下，达到规定的持续时间τ抵抗断裂 的最大应力。
若σ＞300 MPa或τ＞1000 h，试件均发生断裂。
1700 300Mpa 10
表示材料在700℃经1000小时后发生断裂的应力（即持久强度极 限）为300MPa。
金属高温力学性能指标 （3）持松弛稳定性
材料力学性能
第 7章 材料在高温条件下的力学性能
材料与机电学院 艾建平 E-mail: ai861027@
内容提纲
7.1 材料在高温下力学性能特点
7.2 蠕变的宏观规律及蠕变机制
7.3 金属高温力学性能指标
7.4 影响金属高温力学性能的主要因素
7.5 金属蠕变与疲劳的交互作用
聚合物的黏弹性与蠕变
牛顿定律 Newton’s law
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高温下钢材力学性能的分析与计算
一、引言
随着经济的快速发展和产业结构的调整，钢材作为一种重要的
工业材料，扮演着重要的角色。
然而，在高温下，钢材的力学性
能会发生很大的变化，这会影响到工程的安全和可靠性。
因此，
钢材在高温下的力学性能分析和计算十分重要。
二、高温下钢材力学性能的变化
钢材在高温下，其力学性能会发生很大的变化。
其中，最直观
的是其强度和模量的变化。
在高温下，钢材的强度会不断下降，
而模量则会不断增加。
同时，钢材的延展性和韧性也会随着温度
的升高而下降。
除了这些基本的力学性能变化外，高温下的钢材还会发生很多
复杂的变化。
例如，温度的升高会导致钢材的组织结构发生变化，从而影响到材料的各种力学性能。
同时，温度的升高也会促进钢
材表面的氧化反应，进一步影响到其性能。
三、高温下钢材力学性能的分析方法
为了分析钢材在高温下的力学性能，需要采用一系列的分析方法。
其中，最常用的方法是有限元法。
有限元法是一种基于离散
化的数值分析方法，可以用来模拟复杂的工程结构的力学行为。
在高温下，有限元法通常可以用来模拟钢材在不同温度下的强度、变形和疲劳性能。
另外，还有一些其他的分析方法可以用来研究高温下钢材的力
学性能。
例如，动态力学分析方法可用于研究高温下的冲击和振
动行为。
声学分析方法可用于研究钢材在高温下的声传播特性。
四、高温下钢材力学性能的计算方法
除了分析方法外，还需要采用一些计算方法来计算钢材在高温
下的力学性能。
其中，最常用的方法是基于热力学和热力学相图
的计算方法。
这种方法可以用来计算钢材在不同温度下的相变和
组织结构变化，从而进一步预测材料的力学性能。
另外，还有一些其他的计算方法可以用来研究高温下钢材的力
学性能。
例如，基于分子动力学的计算方法可用于研究钢材微观
结构的变化和演化。
计算流体力学方法可用于研究高温下的材料
流动性质、能量传输和反应动力学等。
五、结论
高温下钢材力学性能的分析和计算是非常重要的。
这种分析和
计算可以帮助工程师和科学家更好地理解钢材在高温下的行为，
并提出更加有效的安全措施。
随着计算机技术的不断发展，特别
是人工智能的逐渐应用，对高温下钢材力学性能的分析和计算将
越来越精细和高效。