第二章-鋼結(jié)構(gòu)材料-§21-結(jié)構(gòu)鋼材的破壞形式

A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為比例極限，而E點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限。Q235鋼的比例極限，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變％?！?.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求1．較高的強(qiáng)度

鋼材的強(qiáng)度指標(biāo)主要有屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）fy和抗拉強(qiáng)度f(wàn)u

，可通過(guò)鋼材的靜力單向拉伸試驗(yàn)獲得。標(biāo)準(zhǔn)試件（GB228—63）l0/d=5或10，常溫（20℃）下緩慢加載，一次完成。標(biāo)準(zhǔn)拉伸曲線可以分為四個(gè)階段：(1)彈性階段（OE段）：材料處于純彈性，卸載后無(wú)殘余應(yīng)變；(4)頸縮階段（BD段）極限強(qiáng)度后，試件出現(xiàn)局部截面橫向收縮，塑性變形迅速增大，即頸縮現(xiàn)象。此時(shí)，只要荷載不斷降低，變形能繼續(xù)發(fā)展，直至D點(diǎn)試件斷裂?！?.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求(2)屈服階段（ECF段）應(yīng)力波動(dòng)的最低值稱為屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度，屈服階段從開(kāi)始（E點(diǎn)）到曲線再度上升(F點(diǎn))的變形范圍較大，相應(yīng)的應(yīng)變幅度稱為流幅。Q235鋼的屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變％，流幅0.15％~2.5％。(3)強(qiáng)化階段（FB段）應(yīng)變的增加快于應(yīng)力的增加，塑性特性明顯。B點(diǎn)的應(yīng)力為抗拉強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求從拉伸曲線可以得到:鋼材的屈服強(qiáng)度f(wàn)y與比例極限fp和彈性極限fe很接近，在屈服強(qiáng)度之前，鋼材應(yīng)變很小，而在屈服強(qiáng)度以后，鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形，常使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了使用上不允許的殘余變形。因此認(rèn)為：屈服強(qiáng)度是設(shè)計(jì)時(shí)鋼材可以達(dá)到的最大應(yīng)力，鋼材可看作為理想的彈塑性。抗拉強(qiáng)度f(wàn)u是鋼材破壞前能夠承受的最大應(yīng)力，屈強(qiáng)比（fy/fu）是衡量鋼材強(qiáng)度儲(chǔ)備的一個(gè)系數(shù)，屈強(qiáng)比愈低鋼材的安全儲(chǔ)備愈大，但屈強(qiáng)比過(guò)小時(shí)，鋼材強(qiáng)度的利用率太低，不夠經(jīng)濟(jì)；屈強(qiáng)比過(guò)大時(shí)，安全儲(chǔ)備太小而不夠安全。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是承重結(jié)構(gòu)所用鋼材應(yīng)具有的基本保證項(xiàng)目，對(duì)一般非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件所用鋼材只要保證抗拉強(qiáng)度即可。

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可根據(jù)不同要求選用計(jì)算模型。理想彈塑性型最為簡(jiǎn)單，一般結(jié)構(gòu)破壞時(shí)鋼材的應(yīng)變(≯1％)尚未進(jìn)入強(qiáng)化段。彈性強(qiáng)化模型為二折線，屈服后的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為很平緩的斜直線，可取E|=0.01Es，優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系的惟一性。三折線或曲線的彈一塑性強(qiáng)化模型較為復(fù)雜些，但可較準(zhǔn)確地描述鋼筋的大變形性能。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求對(duì)高強(qiáng)度鋼材，如碳素鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼材拉伸曲線上沒(méi)有明顯的屈服臺(tái)階。取對(duì)應(yīng)于殘余應(yīng)變?yōu)?.2％時(shí)的應(yīng)力f0.2作為屈服點(diǎn)fy，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得

f0.2=（0.8~0.9）fb第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求硬鋼的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系一般采用Ramberg—Osgood模型。參數(shù)n=7~30，取決于鋼材的種類。黃成若根據(jù)鋼筋的試驗(yàn)結(jié)果建議的計(jì)算式第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求2.良好的塑性塑性是指鋼材在應(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)。一般用伸長(zhǎng)率來(lái)衡量，它由鋼材的靜力單向拉伸試驗(yàn)得到。值愈大，鋼材的塑性愈好。試件l0/d=5和=10時(shí)測(cè)得的伸長(zhǎng)率分別以δ5和δ10表示，d為試件直徑。當(dāng)試件為板材時(shí)，和，F(xiàn)0為試件橫截面面積。

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求

塑性好則結(jié)構(gòu)破壞前變形比較明顯，從而可避免發(fā)生脆性破壞。塑性好還能調(diào)整局部高峰應(yīng)力，使應(yīng)力重分布，趨于平緩，并能提高構(gòu)件的延性和結(jié)構(gòu)的抗震能力。

承重結(jié)構(gòu)用的鋼材，不論在靜力荷載或動(dòng)力荷載作用下，以及在加工制作過(guò)程中，除了應(yīng)具有較高的強(qiáng)度外，尚應(yīng)要求具有足夠的伸長(zhǎng)率，對(duì)非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件所用鋼材也要保證其伸長(zhǎng)率。

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求3.韌性好韌性是指鋼材在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力，是衡量鋼材抵抗動(dòng)力荷載能力的指標(biāo)，它是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，是判斷鋼材在動(dòng)力荷載作用下是否出現(xiàn)脆性破壞的重要指標(biāo)之一。

韌性的好壞用沖擊韌性值表示，它是對(duì)帶有夏比V型缺口（Charpy）試件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)測(cè)得的試件斷裂時(shí)的沖擊功。

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求

韌性好表示在動(dòng)荷載作用下破壞時(shí)能吸收比較多的能量，從而提高結(jié)構(gòu)抵抗動(dòng)力荷載的能力，降低脆性破壞的危險(xiǎn)程度。對(duì)需要驗(yàn)算疲勞的結(jié)構(gòu)所用鋼材應(yīng)具有在不同試驗(yàn)溫度下的沖擊韌性的合格保證。對(duì)其它重要的受拉或受彎的焊接構(gòu)件中，厚度大于16mm的鋼材應(yīng)具有常溫沖擊韌性的合格保證。

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求4.合格的冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下冷加工發(fā)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。用冷彎試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)，如果試件彎曲180°，無(wú)裂紋、斷裂或分層，即認(rèn)為試件冷彎性能合格。冷彎試驗(yàn)不僅能直接檢驗(yàn)鋼材的彎曲變形能力或塑性變形，還能暴露出鋼材的內(nèi)部缺陷。冷彎性能是衡量鋼材力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件在制作、安裝過(guò)程中要進(jìn)行冷加工，尤其是焊接結(jié)構(gòu)焊后變形的調(diào)直等工序都需要鋼材有合格的冷彎性能。而非焊接的重要結(jié)構(gòu)（如吊車梁、大跨度重型桁架等）以及需要彎曲成型的構(gòu)件等，亦都要求具有冷彎性能合格的保證。鋼材的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性和冷彎性能稱為鋼材的力學(xué)性能或機(jī)械性能。

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.2鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求5.可焊性好可焊性是指在一定的焊接工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過(guò)焊接后能夠獲得良好的焊接接頭的性能?？煞譃槭┕ど系目珊感缘暮褪褂蒙系目珊感?。

施工上的可焊性好是指在一定的焊接工藝下，焊縫金屬及其附近金屬均不產(chǎn)生裂紋；使用上的可焊性好是指焊接構(gòu)件在施焊后的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。普通碳素鋼當(dāng)其含碳量在0.27％以下，含錳量在0.7％以下，含硅量在0.4％以下，硫、磷含量各在0.05％以下時(shí)，可焊性是好的。對(duì)低合金鋼，用碳當(dāng)量CE衡量其可焊性。碳當(dāng)量CE越高可焊性越差?！?.3影響鋼材性能的主要因素

鋼材的性能受許多因素的影響，其中有些因素會(huì)促使鋼材產(chǎn)生脆性破壞，應(yīng)格外重視。1.化學(xué)成分

鋼材是由各種化學(xué)成分組成的，其基本元素為鐵（Fe），碳素結(jié)構(gòu)鋼中鐵占99%，碳和其他元素僅占1%，但對(duì)鋼材的性能有著決定性的影響。普通低合金鋼中還含有低于5%的合金元素。⑴碳（C）。碳是碳素結(jié)構(gòu)鋼中僅次于鐵的主要元素，是鋼材強(qiáng)度的主要來(lái)源，隨著含碳量的增加，鋼材強(qiáng)度提高，而塑性和韌性、尤其是低溫沖擊韌性下降，同時(shí)可焊性、抗腐蝕性、冷彎性能明顯降低。因此結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量一般不應(yīng)超過(guò)0.22%，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)低于0.2%。⑵硫（S）。硫是一種有害元素，降低鋼材的塑性、韌性、可焊性、抗銹蝕性等，在高溫時(shí)使鋼材變脆，即熱脆。因此，鋼材中硫的含量不得超過(guò)0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中不超過(guò)0.045%。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

⑶磷（P）。磷也是一種有害元素，雖磷的存在使鋼材的強(qiáng)度和抗銹蝕性提高，但嚴(yán)重降低鋼材的塑性、韌性、可焊性、冷彎性能等，特別是在低溫時(shí)使鋼材變脆，即冷脆。鋼材中磷的含量一般不得超過(guò)0.045%。磷在鋼材中的強(qiáng)化作用十分顯著，有些國(guó)家生產(chǎn)高磷鋼，含磷量最高可達(dá)0.08%~0.12%，由此引起的不利影響通過(guò)降低含碳量來(lái)彌補(bǔ)。

⑷氧（O）和氮（N）。氧和氮都是鋼材的有害雜質(zhì)，氧的作用與硫類似，使鋼材產(chǎn)生熱脆，一般要求其含量小于0.05%；而氮的作用與磷類似，使鋼材產(chǎn)生冷脆，一般要求其含量小于0.008%。由于氧、氮容易在冶煉過(guò)程中逸出，且根據(jù)需要進(jìn)行不同程度的脫氧處理，其含量一般不會(huì)超過(guò)極限含量。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

⑸錳（Mn）。錳是一種弱脫氧劑，適量的錳含量可以有效地提高鋼材的強(qiáng)度，又能消除硫、氧對(duì)鋼材的熱脆影響，而不顯著降低鋼材的塑性和韌性。但含量過(guò)高將使鋼材變脆，降低鋼材的抗銹蝕性和可焊性。錳在碳素結(jié)構(gòu)鋼中的含量為0.3%~0.8%，在低合金鋼中一般為1.2%~1.6%。⑹硅（Si）。硅是一種強(qiáng)脫氧劑，適量的硅可提高鋼材的強(qiáng)度，而對(duì)塑性、韌性、冷彎性能和可焊性無(wú)明顯不良影響，含量過(guò)大（達(dá)1%左右）時(shí)，會(huì)降低鋼材的塑性、韌性、抗銹蝕性和可焊性。一般含硅量不超過(guò)0.3%。為改善鋼材的性能，可摻入一定數(shù)量的其它元素，如鋁（Al）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）、鈦（Ti）、釩（V）等。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

2.冶煉、軋制、熱處理⑴冶煉平爐和氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐來(lái)冶煉，二者鋼材質(zhì)量基本相同，都較好。為排除鋼水中的氧元素，澆鑄前要向鋼液中投入脫氧劑，按脫氧程度的不同，形成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼是以錳作為脫氧劑，脫氧不充分，鋼水出現(xiàn)劇烈沸騰現(xiàn)象而得名。因沸騰鋼含有較多的氧、氮等元素，其塑性、韌性和可焊性較差，容易發(fā)生時(shí)效和變脆。但沸騰鋼成品率高，成本較低，質(zhì)量能滿足一般承重結(jié)構(gòu)的要求，因而廣泛應(yīng)用。鎮(zhèn)靜鋼除了加錳以外，還加強(qiáng)脫氧劑硅，脫氧比較充分。具有較高的沖擊韌性，較小的時(shí)效敏感性和冷脆性，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性較好等優(yōu)點(diǎn)。但成品率低，成本較高。半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，其性能也介于二者之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼是在用錳和硅脫氧之后，再用鋁等進(jìn)行補(bǔ)充脫氧，能明顯改善各項(xiàng)力學(xué)性能。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

⑵冶金缺陷常見(jiàn)的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。偏析是指鋼中化學(xué)成分分布不均勻，特別是硫、磷偏析嚴(yán)重惡化鋼材的性能；非金屬夾雜是指鋼中含有硫化物、氧化物等雜質(zhì)；氣孔是由于氧化鐵與碳作用生成的一氧化碳不能充分逸出而形成的；非金屬夾雜物在軋制后會(huì)造成鋼材的分層。這些缺陷都將降低鋼材的性能。分層使鋼材沿厚度受拉的性能大大降低。

⑶軋制鋼的軋制是在高溫（1200℃~1300℃）和壓力作用下將鋼錠熱軋成鋼板或型鋼。軋制使鋼錠中的小氣孔、裂紋等缺陷焊合起來(lái)，使金屬組織更加致密，并能消除顯微組織缺陷，從而改善了鋼材的力學(xué)性能。一般來(lái)說(shuō)，軋制的鋼材愈?。ㄓ。?，其強(qiáng)度愈高，塑性和沖擊韌性也愈好。由此規(guī)范對(duì)鋼材按厚度進(jìn)行分組。熱軋的鋼材由于不均勻冷卻產(chǎn)生殘余應(yīng)力，一般在冷卻較慢處產(chǎn)生拉應(yīng)力，早冷卻處產(chǎn)生壓應(yīng)力第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

⑷熱處理

鋼的熱處理就是將鋼在固態(tài)范圍內(nèi)施以不同的加熱、保溫和冷卻，以改變其性能的一種工藝，根據(jù)加熱和冷卻方法的不同，建筑結(jié)構(gòu)鋼的熱處理主要有：退火處理、正火處理、淬火處理、回火處理。熱處理可改善鋼的組織和性能，消除殘余應(yīng)力。淬火加高溫回火的綜合操作稱為調(diào)質(zhì)處理，可讓鋼材獲得強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合性能。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

3.鋼材的硬化硬化有時(shí)效硬化和冷作硬化兩種。⑴時(shí)效硬化是指鋼材隨時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼材強(qiáng)度(屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度)提高，塑性降低、特別是沖擊韌性大大降低的現(xiàn)象。時(shí)效硬化的過(guò)程一般很長(zhǎng)。為了測(cè)定鋼材時(shí)效后的沖擊韌性，常采用人工快速時(shí)效方法，即先使鋼材產(chǎn)生10％左右的塑性變形，再加熱至250℃左右并保溫1小時(shí)，然后在空氣中冷卻。⑵冷作硬化是指當(dāng)鋼材冷加工（剪、沖、拉彎等）超過(guò)其彈性極限卸載后，出現(xiàn)殘余塑性變形，再次加載時(shí)彈性極限（或屈服點(diǎn)）提高的現(xiàn)象。冷作硬化降低了鋼材的塑性和沖擊韌性，增加了出現(xiàn)脆性破壞的可能性。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

4.溫度的影響0℃以上，總的趨勢(shì)是溫度升高，鋼材強(qiáng)度、彈性模量降低，塑性增大。100℃以內(nèi)時(shí)，鋼材性能基本不變；但在250℃左右時(shí)，鋼材出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度提高，沖擊韌性下降的藍(lán)脆現(xiàn)象，應(yīng)避免鋼材在藍(lán)脆溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱加工；溫度超過(guò)300℃后，屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度顯著下降；600℃時(shí)強(qiáng)度很低，不能承擔(dān)外力。0℃以下，總的趨勢(shì)是溫度降低，鋼材強(qiáng)度略有提高，塑性、韌性降低而變脆。特別是當(dāng)溫度下降到某一值時(shí)，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件發(fā)生脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為低溫冷脆現(xiàn)象。鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度叫冷脆轉(zhuǎn)變溫度(或叫冷脆臨界溫度)。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

5.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)鋼材在單向應(yīng)力作用下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，鋼材即進(jìn)入塑性狀態(tài)。但在復(fù)雜應(yīng)力（二向或三向應(yīng)力）作用下，鋼材的屈服不能以某個(gè)方向的應(yīng)力達(dá)到來(lái)判別，而應(yīng)按材料第四強(qiáng)度理論用折算應(yīng)力與鋼材單向應(yīng)力下的比較來(lái)判別。

或用主應(yīng)力表達(dá)

當(dāng)時(shí)，鋼材處于彈性狀態(tài)；鋼材處于塑性狀態(tài)。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

由式（2-3）可知，當(dāng)同號(hào)，且數(shù)值接近時(shí)，即使每個(gè)應(yīng)力都超過(guò)，鋼材也很難進(jìn)入塑性狀態(tài)，材料都不破壞．當(dāng)真？（1）當(dāng)三向應(yīng)力皆為壓力——靜水壓力，不破壞。（2）當(dāng)三向應(yīng)力皆為拉力時(shí)，可能破壞，且一定為脆性破壞?！藭r(shí)材料由于三向受拉限制了材料的塑性發(fā)展，甚至破壞時(shí)也沒(méi)有明顯的塑性變形。能量理論所得的公式只適用于塑性材料。因此，形式上的不破壞與實(shí)際的脆性破壞是不矛盾的，只是實(shí)際的脆性破壞不再符合能量理論的基本假定。2．對(duì)于一般應(yīng)力狀態(tài)，可以根據(jù)具體應(yīng)力狀態(tài)及形式，采用如上公式對(duì)構(gòu)件進(jìn)行檢查。對(duì)于平面應(yīng)力狀態(tài)：對(duì)梁腹板，，記，則對(duì)純剪狀態(tài)：其屈服條件為：，故第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

鋼材在雙向拉力作用下屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率下降。當(dāng)雙向拉應(yīng)力愈接近，伸長(zhǎng)率下降愈多。在異號(hào)雙向應(yīng)力作用下，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度降低，伸長(zhǎng)率增大。是三向受拉作用下，鋼材的伸長(zhǎng)率比二向受拉還進(jìn)一步下降，甚至趨向于零，表現(xiàn)為脆性破壞。

圖中σ表示最大主應(yīng)力。

ε為主應(yīng)力相應(yīng)應(yīng)變。曲線a為單向受拉。曲線b為兩向受拉。曲線c為一向受拉，一向受壓。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料§2.3影響鋼材性能的主要因素

6.應(yīng)力集中的影響

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中不可避免地存在著孔洞、槽口、凹角、形狀變化和內(nèi)部缺陷等，此時(shí)，軸心受力構(gòu)件在截面變化處應(yīng)力不再保持均勻分布，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，在另外一些區(qū)域則應(yīng)力降低，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象.

更嚴(yán)重的是，靠近高峰應(yīng)力的區(qū)域總是存在著同號(hào)平面或立體應(yīng)力場(chǎng)，因而促使鋼材變脆。高峰應(yīng)力與凈截面的平均應(yīng)力之比稱為應(yīng)力集中系數(shù)，構(gòu)件形狀變化愈急劇，應(yīng)力集中系數(shù)愈大，變脆的傾向亦愈嚴(yán)重。在一般情況下由