《金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》第一章金屬結(jié)構(gòu)材料和性能

1、1. 金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1. 1. 金屬結(jié)構(gòu)材料和性能金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.11.1鋼材的性能鋼材的性能1.21.2影響鋼材性能的主要因素影響鋼材性能的主要因素1.31.3鋼材的疲勞鋼材的疲勞1.41.4鋼材的種類(lèi)、標(biāo)號(hào)、規(guī)格及選用鋼材的種類(lèi)、標(biāo)號(hào)、規(guī)格及選用1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.11.1鋼材的性能鋼材的性能 1.1.1鋼材在單向均勻拉力作用下的性能 1.1.2鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的性能 1.1.3鋼材的塑性 1.1.4鋼材的韌性 1.1.5鋼材的可焊性 1.1.6鋼材的冷彎性能 1.1.7鋼材的耐久性 1.1.8鋼材的破壞形式1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 鋼材在單向均勻拉力作用下的性能常用靜力

2、拉伸試驗(yàn)曲線，即應(yīng)力應(yīng)變曲線表示。 1.1.1鋼材在單向均勻拉力作用下的性能低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線 從圖上可看出，整個(gè)拉伸過(guò)程，鋼材經(jīng)歷了如下四個(gè)階段： (1)彈性階段（OE段） (2)屈服階段（ECF段） (3)強(qiáng)化階段（FB段） (4)緊縮階段（BD段）1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 在曲線OE段，鋼材處于彈性階段，即荷載增加時(shí)變形也增加，荷載降低到零則變形也降低到零。(1)彈性階段（OE段） OA段：荷載與伸長(zhǎng)成比例（應(yīng)力與應(yīng)變成比例），完全符合虎克定律，fp為比例極限。 AE段：荷載與伸長(zhǎng)不成成比例，fe為彈性極限。低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 當(dāng)荷載超過(guò)Ne( )后變

3、形與荷載不成正比，變形增加很快，曲線呈鋸齒形波動(dòng)，甚至荷載不增加時(shí)，變形繼續(xù)發(fā)展，這就是鋼材的屈服。屈服階段（ECF段）ef低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線 屈服階段曲線上下波動(dòng)，波動(dòng)曲線的下限，稱(chēng)為屈服極限或屈服點(diǎn)，用fy E-F點(diǎn)的應(yīng)變幅度稱(chēng)為流幅，流幅越大鋼材的塑性越好。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 屈服階段后鋼材的晶粒重新排列，使之能抵抗更大的荷載，曲線略有上升，達(dá)到頂點(diǎn)B，這個(gè)階段稱(chēng)為強(qiáng)化階段。(3)強(qiáng)化階段（FB段）低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線 對(duì)應(yīng)于B點(diǎn)的荷載Nu試件所能能承受的最大荷載，叫極限荷載，相應(yīng)的應(yīng)力fu稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度或強(qiáng)度極限。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 (4)緊縮階段（BD段

4、）低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線 當(dāng)荷載達(dá)到極限值時(shí)，在試件材料質(zhì)量較差處的截面出現(xiàn)局部橫向收縮，截面面積開(kāi)始明顯縮小，塑性變形迅速增大，這種現(xiàn)象叫頸縮現(xiàn)象。 鋼材頸縮后，荷載不斷減少，變形卻繼續(xù)發(fā)展，直到D點(diǎn)試件斷裂。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能由鋼材受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線得出的結(jié)論由鋼材受拉時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線得出的結(jié)論 由于比例極限fp 、彈性極限fe 和屈服極限fy 很接近，在計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)時(shí)可以認(rèn)為剛材在屈服極限之前是彈性體。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限后，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生很大的、使用上不允許的殘余變形，因此，設(shè)計(jì)時(shí)取屈服極限為鋼材可達(dá)到的最大應(yīng)力。 鋼材在屈服極限之前接近理想的彈性體，屈服極限之后的流幅現(xiàn)象又接近理

5、想的塑性體，因此可認(rèn)為鋼材最符合理想的彈性塑性材料。 強(qiáng)度極限fu是材料抗拉的最大承載力，但材料破壞時(shí)塑性變形太大，故強(qiáng)度極限不能作為計(jì)算依據(jù)，只能作為強(qiáng)度儲(chǔ)備。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 對(duì)于接近理想彈塑性體的鋼材，采用米塞斯準(zhǔn)則較好，該準(zhǔn)則認(rèn)為：材料的形狀改變比能達(dá)到某一極限值時(shí)，材料開(kāi)始屈服。即所謂第四強(qiáng)度理論。1.1.21.1.2鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的性能鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的性能 鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件：yzsfyzsf彈性狀態(tài) 塑性狀態(tài) 2222223zxyzxyxzzyyxzyxzs21323222121zs 即剪應(yīng)力達(dá)到屈服極限的0.58倍時(shí)，鋼材進(jìn)入塑性狀態(tài)，所以鋼材的抗

6、剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv取為0.58f。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 在同號(hào)平面主應(yīng)力作用下，鋼材極限強(qiáng)度和彈性工作范圍有所提高，塑性下降。在異號(hào)平面主應(yīng)力作用下，情況正好相反。 在三向主應(yīng)力作用下，情況同上。前者如裂紋尖端處應(yīng)力集中，后者如受局部擠壓區(qū)域。 鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下的性能發(fā)生的變化鋼材在復(fù)雜應(yīng)力作用下的性能發(fā)生的變化 1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 1.1.31.1.3鋼材的塑性鋼材的塑性 當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。 塑性好壞可用伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 和斷面收縮率斷面收縮率 表示。通過(guò)靜力拉伸試驗(yàn)得到。l l1為試件拉斷后標(biāo)距間長(zhǎng)度。為試件拉斷后標(biāo)距間長(zhǎng)度。 l

7、l0為試件拉斷前標(biāo)距間長(zhǎng)度。為試件拉斷前標(biāo)距間長(zhǎng)度。 伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 %100001lll 斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分率。斷面收縮率斷面收縮率 A0 試件原來(lái)的斷面面積；試件原來(lái)的斷面面積； A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積%100010AAA 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受力時(shí)（尤其承受動(dòng)力荷載時(shí)）材料塑性好壞往往決定了結(jié)構(gòu)是否安全可靠，因此鋼材塑性指標(biāo)比強(qiáng)度指標(biāo)更為重要。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.1.41.1.4鋼材的韌性鋼材的韌性 鋼材在塑性變形和斷裂的過(guò)程中吸收能量的能力，也是表示鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它是強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)。它是

8、判斷鋼材在沖擊荷載作用下是否出現(xiàn)脆性破壞的重要指標(biāo)之一。 鋼材的韌性指標(biāo)用沖擊韌性ak表示。式中 試驗(yàn)機(jī)刻度盤(pán)上直接讀出的沖 擊功（單位N或J）。 試件缺口處的凈截面面積（單 位c2）。nkkAAa KAnA 新標(biāo)準(zhǔn)GB70088（碳素結(jié)構(gòu)鋼）和GB159188（低合金結(jié)構(gòu)鋼）規(guī)定，沖擊試驗(yàn)用夏比V型缺口試件。沖擊韌性指標(biāo)直接用沖擊功（J）表示，即kkAa 1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.1.51.1.5鋼材的可焊性鋼材的可焊性 可焊性：可焊性： 鋼材的可焊性可焊性是指在一定工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過(guò)焊接能夠獲得良好的焊接接頭的性能。 施工上的可焊性：施工上的可焊性： 指在一定的焊接工藝條件下焊縫金

9、屬和焊縫影響區(qū)對(duì)產(chǎn)生裂紋的敏感性。 使用性能上的可焊性：使用性能上的可焊性： 是指焊接接頭和焊縫的沖擊韌性及近焊區(qū)的塑性等力學(xué)性能指標(biāo)不低于母材。 可焊性試驗(yàn)得出的結(jié)果只有參考意義,因試驗(yàn)條件與實(shí)際情況總有一定距離。 鋼材中含C量增加，將惡化可焊性，故焊接結(jié)構(gòu)所用鋼材的含C量不超過(guò)0.20。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.1.61.1.6鋼材的冷彎性能鋼材的冷彎性能 指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能指鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵抗能力。力。 冷彎性能用試驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)定彎曲程度的彎曲變形性能，通冷彎性能用試驗(yàn)方法來(lái)檢驗(yàn)鋼材承受規(guī)定彎曲

10、程度的彎曲變形性能，通過(guò)檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面是否有裂紋、裂斷和分層，判斷試過(guò)檢查試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面是否有裂紋、裂斷和分層，判斷試件冷彎性能是否合格，并顯示其缺陷的程度。件冷彎性能是否合格，并顯示其缺陷的程度。冷 彎 試 驗(yàn) 示 意 圖1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.1.71.1.7鋼材的耐久性鋼材的耐久性 影響鋼材使用壽命的因素是多方面的，主要是腐蝕、時(shí)效和疲勞的影響。 鋼材易被腐蝕，對(duì)此主要依靠油漆和加強(qiáng)定期維護(hù)措施來(lái)解決。 鋼材的“時(shí)效”現(xiàn)象，即鋼材的力學(xué)性能隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而改變的現(xiàn)象。這就要根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用要求和條件，必要時(shí)可測(cè)定快速應(yīng)變失效的沖擊韌性，以鑒定鋼材是否適

11、用。 鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期連續(xù)的重復(fù)荷載或交變荷載的作用下，可能當(dāng)應(yīng)力低于屈服點(diǎn)fy 便發(fā)生的破壞。 所以對(duì)某些結(jié)構(gòu)要計(jì)算其疲勞強(qiáng)度。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.1.81.1.8鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式 兩種破壞形式：塑性破壞和脆性破壞兩種。 塑性破壞：因很大的塑性變形而斷裂。特點(diǎn)：破壞前有明顯的塑性變形，應(yīng)力很大，斷裂時(shí)斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。 脆性破壞：脆性斷裂。破壞前無(wú)預(yù)兆，應(yīng)力較低，斷裂時(shí)斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險(xiǎn)性大。 影響脆性的因素：化學(xué)成分 冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋、起層） 溫度（熱脆、低溫冷脆） 冷作硬化 時(shí)效硬化 應(yīng)力集中 同號(hào)三向主應(yīng)力狀態(tài) 1.金屬結(jié)構(gòu)材料

12、和性能1.21.2影響鋼材性能的主要因素影響鋼材性能的主要因素 1.2.1化學(xué)成分的影響 1.2.2冶金和軋制過(guò)程的影響 1.2.3時(shí)效的影響 1.2.4溫度的影響 1.2.5冷作硬化的影響 1.2.6應(yīng)力集中的影響 1.2.7殘余應(yīng)力的影響1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.2.11.2.1化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 鋼的基本元素為鐵（Fe），普通碳素鋼中占99%，此外還有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）等雜質(zhì)元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，這些總含量約1%，但對(duì)鋼材力學(xué)性能卻有很大影響。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能碳（碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、錳（）、錳（MnMn）

13、雜質(zhì)元素的影響）雜質(zhì)元素的影響碳：碳：除鐵以外最主要的元素。 一般建筑用鋼要求含碳量在0.22%以下，焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)限制在0.20%以下。C鋼材強(qiáng)度塑性韌性（特別是低溫沖擊韌性）惡化鋼材可焊性，增加低溫脆斷的危險(xiǎn)性。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能碳（碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、錳（）、錳（MnMn）雜質(zhì)元素的影響）雜質(zhì)元素的影響硅：硅：作為脫氧劑加入普通碳素鋼。 一般鎮(zhèn)靜鋼的含硅量為0.10%0.30% 。適量Si塑性沖擊韌性冷彎性能可焊性無(wú)顯著的不良影響。Si過(guò)高(達(dá)1%)塑性沖擊韌性抗銹性可焊性1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能碳（碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、錳（）、錳（MnMn）雜質(zhì)元素的

14、影響）雜質(zhì)元素的影響錳：錳：是一種弱脫氧劑。 素鋼中錳的含量約為0.3%0.8%。適量Mn有效提高鋼材強(qiáng)度；消除硫、氧對(duì)鋼材的熱脆影響；改善鋼材熱加工性能和鋼材的冷脆傾向；不顯著降低鋼材的塑性、沖擊韌性。Si過(guò)高(達(dá)1.0%1.5%以上)脆性硬度抗銹性可焊性1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能硫（硫（S S）、磷（）、磷（P P）有害元素的影響）有害元素的影響硫：硫：極為有害元素。硫與鐵的化合物為硫化鐵（FeS），散布在 純鐵體晶粒的間層中。 含硫量增加時(shí)會(huì)降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和抗銹性等。 高溫（8001200）時(shí)，例如在焊、鉚及熱加工時(shí)，硫化鐵即溶化而使鋼材變脆（熱脆）和發(fā)生裂縫。 應(yīng)嚴(yán)格控

15、制鋼材中的含硫量，一般應(yīng)不超過(guò)0.055，在焊接結(jié)構(gòu)中則應(yīng)不超過(guò)0.050。 磷：磷：極為有害元素。引起鋼材熱脆，降低鋼材的塑性、沖擊韌 性、疲勞強(qiáng)度和抗銹性等。一般建筑用鋼含硫量要求不超 0.055%，在焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)不超過(guò)0.050%。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能氧：氧：有害元素。引起熱脆。一般要求含量小于0.05%。氮：氮：能使鋼材強(qiáng)化，但顯著降低鋼材塑性、韌性、可焊性和冷彎 性能，增加時(shí)效傾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。氧（氧（O O）、氮（）、氮（N N）有害元素的影響）有害元素的影響 為改善鋼材力學(xué)性能，可適量增加錳、硅含量，還可摻入一定數(shù)量的鉻、鎳、銅、釩、鈦、鈮等合金元素，

16、煉成合金鋼。金屬結(jié)構(gòu)常用合金鋼中合金元素含量較少，稱(chēng)為普通低合金鋼。 1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.2.21.2.2冶金和軋制過(guò)程的影響冶金和軋制過(guò)程的影響 按爐種分： 對(duì)于結(jié)構(gòu)用鋼我國(guó)主要有三種冶煉方法：堿性平爐煉鋼法、頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法和堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。 平爐鋼和頂吹轉(zhuǎn)爐鋼的力學(xué)性能指標(biāo)較接近。(而堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼的沖擊韌性、可焊性、時(shí)效性、冷脆性、抗銹性能等都較差，故這種煉鋼法已逐步淘汰。) 按脫氧程度分為：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。 沸騰鋼脫氧程度低，氧、氮和一氧化碳?xì)怏w從鋼液中逸出，形成鋼液的沸騰。沸騰鋼的時(shí)效、韌性、可焊性較差，容易發(fā)生時(shí)效和變脆，但產(chǎn)量較高、成本較低；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程

17、度較高些，上述性能都略好；而鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度最高，性能最好，但產(chǎn)量較低，成本較高。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能時(shí)效：隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，純鐵體中殘留 的碳、氧固溶物質(zhì)逐步析出，形 成自由的碳化物或氮化物微粒， 約束純鐵體發(fā)展塑性變形。1.2.31.2.3時(shí)效的影響時(shí)效的影響 時(shí)效將提高鋼材的強(qiáng)度，降低塑性，特別是沖擊韌性大大降低（變脆）。故是不利因素之一。時(shí)效的過(guò)程從幾天到幾十年。 交變荷載、重復(fù)荷載和溫度變化等情況下，容易引起時(shí)效。雜質(zhì)多、晶粒粗而不均勻的鋼材對(duì)時(shí)效最敏感。鋼材的時(shí)效現(xiàn)象1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.2.41.2.4溫度的影響溫度的影響 以上所討論的，都是鋼材在常溫時(shí)的工作性能。當(dāng)溫度升高

18、時(shí)，開(kāi)始是強(qiáng)度和彈性模量基本不變，塑性的變化也不大。但在250左右時(shí)，鋼材的抗拉強(qiáng)度提高而塑性和沖擊韌性下降，這種現(xiàn)象叫做藍(lán)脆現(xiàn)象(表面氧化膜呈現(xiàn)藍(lán)色)。應(yīng)避免鋼材在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工。當(dāng)溫度超過(guò)300以后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度顯著下降，達(dá)到600時(shí)強(qiáng)度幾乎等于零。 溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響溫度對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能鋼材溫度從常溫下降時(shí)的情況鋼材溫度從常溫下降時(shí)的情況 當(dāng)鋼材的溫度從常溫下降時(shí)，鋼材的強(qiáng)度略有提高而塑性和沖擊韌性有所降低(變脆)。特別是當(dāng)溫度下降到某一數(shù)值時(shí)，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬于脆性破壞。這種現(xiàn)象稱(chēng)為低溫冷脆現(xiàn)象，鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀

19、態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度叫冷脆轉(zhuǎn)變溫度(或叫冷脆臨界溫度)。 沖擊韌性和溫度關(guān)系示意圖沖擊韌性和溫度關(guān)系示意圖1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.2.51.2.5冷作硬化的影響冷作硬化的影響 0 e 間斷重復(fù)荷載下的拉伸試驗(yàn)曲間斷重復(fù)荷載下的拉伸試驗(yàn)曲 在重復(fù)荷載作用下，鋼材比例極限有所提高的現(xiàn)象稱(chēng)為硬化。金屬結(jié)構(gòu)在冷（常溫）加工過(guò)程中引起的鋼材硬化現(xiàn)象稱(chēng)為冷作硬化。 在加載fy后卸載再加載，此時(shí)強(qiáng)度（比例極限、屈服極限）提高、塑性和沖擊韌性降低。這增加了出現(xiàn)脆性破壞的危險(xiǎn)性，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)是有害的。在冷（常溫）加工時(shí)易產(chǎn)生冷作硬化，因此在剪切鋼板邊緣和沖孔等引起冷作硬化的部分去掉35mm，去掉冷作硬化的部分。1.金屬

20、結(jié)構(gòu)材料和性能 金結(jié)構(gòu)構(gòu)件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內(nèi)部缺陷等使一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，此謂應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材塑性越差。1.2.61.2.6應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能應(yīng)力流示圖1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 殘余應(yīng)力為鋼材在冶煉、軋制、焊接、冷加工等過(guò)程中，由于不均勻的冷卻、組織構(gòu)造的變化而在鋼材內(nèi)部產(chǎn)生的不均勻的應(yīng)力。殘余應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)部自相平衡而與外力的作用無(wú)關(guān)。殘余應(yīng)力的存在可能使鋼材發(fā)生脆性破壞。1.2.71.2.7殘余應(yīng)力的影響殘余應(yīng)力的影響1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 鋼材的疲勞：鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成、擴(kuò) 展以致斷

21、裂破壞的現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞或疲勞 破壞。 1.31.3鋼材的疲勞鋼材的疲勞1.3.1鋼材疲勞破壞的特征 1.3.2鋼材的疲勞強(qiáng)度 1.3.3金屬結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算 1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.3.11.3.1鋼材疲勞破壞的特征鋼材疲勞破壞的特征 疲勞破壞的特點(diǎn)疲勞破壞的特點(diǎn) 疲勞破壞的原因疲勞破壞的原因1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能疲勞破壞的特點(diǎn)疲勞破壞的特點(diǎn)荷載多次反復(fù)作用在構(gòu)件上；破壞是突然發(fā)生的，破壞發(fā)生前無(wú)明顯的 塑性變性；破壞發(fā)生時(shí)，應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極 限），甚至低于屈服極限；疲勞破壞的斷口上，通常呈現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域， 一個(gè)光滑區(qū)域，一個(gè)是粗粒狀區(qū)域。其 表面有較清楚的疲勞紋理。 1.金屬結(jié)構(gòu)材料和

22、性能 由此可見(jiàn)，鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻和應(yīng)力分布不均勻所引起的。應(yīng)力集中可以使個(gè)別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化等，從而大大降低了鋼材的疲勞強(qiáng)度。 疲勞破壞的原因疲勞破壞的原因局部缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中(循環(huán)載荷的反復(fù)作用)出現(xiàn)塑性變形,并硬化而逐漸形成一些微觀裂紋細(xì)微裂紋隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷擴(kuò)展逐漸發(fā)成為鋼材內(nèi)部宏觀裂紋截面減弱，應(yīng)力集中現(xiàn)象急速加劇，最后晶體內(nèi)的結(jié)合力終于抵抗不住高峰應(yīng)力，鋼材突然斷裂1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.3.21.3.2鋼材的疲勞強(qiáng)度鋼材的疲勞強(qiáng)度應(yīng)應(yīng)力力循循環(huán)環(huán)次次數(shù)數(shù)1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能幾個(gè)概念幾個(gè)概念循環(huán)荷載結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的隨時(shí)間變化的荷載；應(yīng)力

23、幅（）在循環(huán)荷載作用下，應(yīng)力從最大到最小重 復(fù)一周為一次循環(huán)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力 之差為應(yīng)力幅。=max - min 。應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（n）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力變 化次數(shù)。常幅循環(huán)荷載所有應(yīng)力循環(huán)中，應(yīng)力幅保持常量。變幅循環(huán)荷載在應(yīng)力循環(huán)過(guò)程中，應(yīng)力幅是變量。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能常幅應(yīng)力循環(huán)形式常幅應(yīng)力循環(huán)形式1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.3.31.3.3金屬結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算金屬結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算 本節(jié)所述疲勞計(jì)算只適用于常溫下、無(wú)強(qiáng)烈腐蝕環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)的高周低應(yīng)變疲勞計(jì)算(應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n105)。計(jì)算范圍只限于直接承受重復(fù)作用動(dòng)力荷載的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接。對(duì)構(gòu)件表面溫度大于150、海水腐蝕環(huán)境、

24、低周高應(yīng)變等特殊條件下的疲勞，應(yīng)參照其它有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。 疲勞計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)荷載按容許應(yīng)力幅進(jìn)行。容許應(yīng)力幅與構(gòu)件和連接形式以及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)有關(guān)，在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位不必驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度。 疲勞計(jì)算分常幅疲勞計(jì)算和變幅疲勞計(jì)算兩種情況。1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能常幅疲勞計(jì)算常幅疲勞計(jì)算 所有應(yīng)力循環(huán)中的應(yīng)力幅保持常量時(shí)稱(chēng)為常幅應(yīng)力循環(huán)，其引起的疲勞稱(chēng)為常幅疲勞。 對(duì)常幅疲勞，按下式進(jìn)行疲勞計(jì)算： 式中： 對(duì)焊接部位為應(yīng)力幅 ，對(duì)非焊接部 位為折算應(yīng)幅 ； 計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力(取正值)； 計(jì)算部位每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力或壓應(yīng)力 （拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值）； 常幅疲勞的容

25、許應(yīng)力幅 。 maxminmaxminmax7 . 0min1nc1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能容許應(yīng)力幅容許應(yīng)力幅來(lái)源來(lái)源 焊接鋼構(gòu)件和連接的疲勞試驗(yàn)研究表明，在常幅循環(huán)應(yīng)力作用下，引起試件疲勞破壞的應(yīng)力幅maxmin與其致?lián)p循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線，當(dāng)采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)時(shí)，是一條斜率為1/的直線。直線方程式為：整理得0lglglgcn化簡(jiǎn)，得常幅疲勞的容許應(yīng)力幅計(jì)算公式為： nccnlglglglg1nc1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能變幅疲勞計(jì)算變幅疲勞計(jì)算 對(duì)變幅疲勞，按線性疲勞累積損傷原則，將隨機(jī)變化的應(yīng)力幅折算成等效常應(yīng)力幅 ，然后按常幅疲勞的公式進(jìn)行計(jì)算，即按下式計(jì)算： e e式中： 變幅疲勞的等效應(yīng)力幅，

26、按下式確定： e1iiiennin以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期使用壽命；預(yù)期壽命內(nèi)應(yīng)力幅水平達(dá)到 的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；系數(shù)，按表查??；常幅疲勞容許應(yīng)力幅。 iin1.41.4鋼材的種類(lèi)、標(biāo)號(hào)、規(guī)格及選用鋼材的種類(lèi)、標(biāo)號(hào)、規(guī)格及選用1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能1.4.1鋼材的種類(lèi)和標(biāo)號(hào) 1.4.2鋼材選用的原則 1.4.3鋼材的規(guī)格 1.4.1鋼材的種類(lèi)和標(biāo)號(hào)1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 鋼材的品種繁多，性能各異，金屬結(jié)構(gòu)中常用只是：碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼中的幾種。 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：（GB70088） 碳素結(jié)構(gòu)鋼 （GB/T159194）低合金結(jié)構(gòu)鋼“QXXX ”，例如Q235-AF、Q235-Bb、Q345-EZ

27、 Q ：屈服強(qiáng)度的第一個(gè)拼音字母。 XXX ：屈服強(qiáng)度值，單位為N/mm2，結(jié)構(gòu)用鋼常有235、345、390。 ：質(zhì)量等級(jí)，有A、B、C、D四個(gè)等級(jí)（低合金結(jié)構(gòu)鋼有A、B、 C、D、E五個(gè)等級(jí)）。 其中：A 無(wú)沖擊功規(guī)定； B 20C時(shí)的沖擊功27J（縱向）； C 0C時(shí)的沖擊功27J（縱向）； D 20C時(shí)的沖擊功27J（縱向）。 ：脫氧方法，可分為F、b、Z和TZ，F(xiàn)表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn) 靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，其中Z和TZ可不寫(xiě)。 新舊規(guī)范低合金鋼材牌照對(duì)照表1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能GB/T1591-94GB1591-88Q2950.9MnV,0.9MnNb,0.9Mn2,12Mn等Q34512MnV,14MnNb,16Mn,16MnRe等Q39015MnV,15MnTi,16MnNb等Q42015MnVN,14MnTiRe等1.4.21.4.2鋼材選用的原則鋼材選用的原則1.金屬結(jié)構(gòu)材料和性能 鋼材選用的原則是: 既能使結(jié)構(gòu)安全可靠地滿(mǎn)足使用上的要求，又要盡最大可能節(jié)約材料，降低造價(jià)。 選用鋼材時(shí)需要考慮下列因素：