钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、钢结构对材料的要求
（ 1） 较高的抗拉强度 fu和屈服点 fy
（ 2） 塑性、冲击韧性好
（ 3） 冷加工性能好
（ 4） 可焊性好
（ 5） 耐久性好第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2、钢材的生产钢材的生产大致分为 炼铁,炼钢 和 轧制 三道工序。
电炉钢 是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）
炼钢炉有三种形式,转炉,平炉 和 电炉 。
转炉钢 是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液 。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）
平炉钢 是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）
（ 1）炼 钢第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯 。
用 连续铸造法 生产钢坯的工艺和设备,由于机械化,自动化程度高的优势,已经逐渐取代了笨重而复杂的 铸锭 工艺和设备 。
钢液中残留的氧,将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆,降低钢材的力学性能 。
按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同,碳素结构钢可分为 沸腾钢,半镇静钢,镇静钢 和 特殊镇静钢 。
（ 2） 浇 注
（ 3）脱 氧第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
在 锰和硅 脱氧后，再用 铝 补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。
沸 腾 钢采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的 锰,因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。
镇 静 钢采用 锰加硅 做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，
但成本高。
半 镇 静 钢特殊镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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（ 4）加工（ 热加工,冷加工 和 热处理 ）
热处理指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、
正火、淬火和回火）
热加工指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，
生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在 1150-1300℃ ）
冷加工指在常温下对钢材进行加工。（ 冷作硬化现象 ）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3、钢材的主要性能
3.1 钢材的破坏形式特 征 断 口 后 果塑性破坏
（延性破坏）
构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，
构件产生明显的变形并断裂。
常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。
在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。
脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。
平直和呈有光泽的晶粒。
突然发生的，危险性大，应尽量避免。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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3.2 单向拉伸时的工作性能
（ 1）试验条件
（ a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的 5或 10倍。
（ b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。
（ c）试验温度要控制在室温 20℃ 左右。
Lo
d
标准试件第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 2）钢材的应力 -应变关系
A,有屈服点钢材 s---e曲线可以分为四个阶段：
(a)弹性阶段 (OB段 )
us
e
s
O
As
es E?
B
C DA
E
ys
单调拉伸应力 -应变曲线
OA段,纯弹性阶段
s=Ee
A点对应的应力：
sp （比例极限）
AB段,有一定的塑性变形,但整个
OB段卸载时,
e=0
B点对应的应力：
se （ 弹性极限 ）
第二章 钢结构的材料
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（ b） 屈服阶段 （ BCD)
塑性变形,卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。
屈服点（屈服强度）,
屈服阶段曲线波动部分的最低值。
流幅,从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。
特点,应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力 -应变曲线呈锯齿形波动，
出现应力不增加而应变仍然在继续发展。
us
e
s
O
As
es E?
B
C DA
E
ys
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ c）强化阶段 (DE段 )
随荷载的增加 σ 缓慢增大,但 ε 增加较快抗拉强度（极限强度） fu 试件所能承受的最大拉应力
（ d）颈缩阶段 (EF段 )
us
e
s
O
As
es E?
B
C DA
E
ys
截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至 F点试件断裂。
F
第二章 钢结构的材料
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B.对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为 0.2％所对应的应力 作为屈服点
——“条件屈服点,或,名义屈服点,
s
e
fy=f0.2
0.2%
fu
εp 无屈服点钢材的应力 -应变曲线没有明显屈服点的 钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。
第二章 钢结构的材料
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3.3 单向拉伸时钢材的机械性能指标
（ 1） 屈服点 fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。
（ 2） 抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。
（ 3） 钢材的塑性 当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用 断面收缩率?和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。
第二章 钢结构的材料
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（ 4） 伸长率 δ 试件 断裂前 的永久变形与原标定长度的百比。
Lo
d
N N
N
L
d
N
%1 0 0
0
01?-?
l
ll?
l0— 原标距长
l1 — 拉断后标距长度
d0 — 试件直径试件有两种标距,l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用 δ5
和 δ10表示 。 伸长率 δ
实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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（ 5） 断面收缩率? 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。
%1 0 0
1
10?-?
A
AA?
式中：
A0 —— 试件原来的断面面积
A1 —— 试件拉断后颈缩区的断面面积断面收缩率?越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。
A0
A1
第二章 钢结构的材料
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3.4 应力应变曲线的简化曲线简化的依据：
1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。
2）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（ e≈0.15 ％ -2.5％）
已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。 ε2.5%
fy
ε 0
0.15%
ε
简化的应力－应变曲线钢材是符合理想中的弹性 -塑性材料第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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3.5 钢材的其它性能冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。
1.冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）
产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。
鉴别指标,通过冷弯冲头加压。
当试件弯曲至 180° 时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，
如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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2.冲击韧性韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号 Wkv或 Cv表示，单位为 J。
冲击韧性试验 一般采用试件长
55mm,截面 10× 10mm2,中间一小槽 。 在摆锤式冲击试验机上进行试验,冲断试件后,读出摆锤消耗的功 。 冲击韧性试验第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏 V型，夏氏钥孔型和梅氏 U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏 V型。
冲击试验试件的缺口形式冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即 +20℃,0℃,-
20℃ 和 -40℃ 时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。
第二章 钢结构的材料
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3.可焊性好的可焊性是指焊接安全,可靠,不发生焊接裂缝,焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材 。
影响钢材可焊性的因素钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在 0.12%～ 0.20%
范围内的碳素钢，可焊性最好（如 Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准 JGJ81-2002,建筑钢结构焊接技术规程,推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于
0.38%，钢材的可焊性好 (如 Q345)，可不采取措施直接施焊。
15
ui
5
or
6
n
E
CNVMCMCC （ 2.4.1）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
钢材的机械性能指标
1、屈服点 fy
2、抗拉强度 fu
3、伸长率 δ
4,断面收缩率?
5、冷弯性能
6、冲击韧性 Cv
小 节第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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3.6 在复杂应力作用下钢材的屈服条件第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达推导 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，
钢材即由弹性转入塑性。
o
sx
sz
sy
yz
yx?xy
xz
zy?
zx
Z
X
Y
单元体受复杂应力状态下的分量
s1
s1
s2
s2
s3
s3
单元体受主应力钢材单元体上的复杂应力状态第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，
可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
222222 3 zxyzxyxzzyyxzyxzsssssssssss- （ 2.3.1）
用主应力,,表示时，有,1s 2s 3s
yz f- )( 133221
2
3
2
2
2
1 ssssssssss
（ 2.3.2）
])()()[(21 213232221 sssssss -?-?-?z
或当 时钢材处于弹性阶段，
时钢材处于塑性阶段。
yzs f?s
yzs f?s
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态,
yxyyxyxzs f- 222 3?sssss
（ 2.3.3）
一般梁中只存在正应力 σ和剪应力 τ,则上式可写为：
yzs f 22 3?ss
（ 2.3.4）
纯剪时 σ =0 则有：
yzs fs 33
2 （ 2.3.5）
yy ff 58.03
1
即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点 fy的 0.58 倍第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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不同受力状态对钢材材性的影响
（ a） — 单向拉伸
（ b） — 双向拉伸
（ c） — 双向异号应力分析结果：
（ 1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。
双向应力作用下对钢材材性的影响
ζ
0
yf
byf
c
yf
ε
(a)
(b)
(c)
（ 3）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。
（ 2）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4,各种因素对钢材的影响
4.1 化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（ Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占
99%，此外还有碳（ C）、硅（ Si）、锰（ Mn）等有益元素，
及硫（ S）、磷（ P）、氧（ O）、氮（ N）等有害元素，这些总含量不大，约 1%，但对钢材力学性能却有很大影响。
低合金钢中有＜ 5%的合金元素，如铜 (Cu)、钒 (V)、钛
(Ti)、铌 (Nb)、铬 (Cr)等。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1,碳 （ C）,形成钢材强度的主要成分,随其含量增加,强度增加,塑性和韧性降低,可焊性和抗腐蚀性降低 。
碳素钢按碳含量区分,小于 0.25％ 的为低碳钢,介于
0.25％ 和 0.6％ 之间的为中碳钢,大于 0.6％ 的为高碳钢 。
钢结构用钢中,碳含量一般控制在 0.22%以下,当其含量在 0.2％ 以下时,可焊性良好 。
2,硫 （ S）,钢材中的有害元素,具有热脆性 （ 温度达到
800-1000℃ 时,硫化铁会熔化使钢材变脆,从而引发热裂纹 ） 。 规范规定结构用钢中硫的含量不得超过 0.05%。
3,氧 （ O）,有害杂质,与 S相似 。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.磷（ P）,磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，
磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过 0.045%。
5.氮（ N）,有害杂质，与 P相似。
6.锰（ Mn）,有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与 S形成 MnS，熔点 1600℃,可以消除硫对钢材的热脆影响。
7.硅（ Si）,有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。
8.钒（ V）,合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
9.铜（ Cu）,提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.2 冶金缺陷的影响
1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象 。 主要是硫,磷偏析,其后果是偏析区钢材的塑性,韧性,可焊性变坏 。
3.裂纹 钢材中存在的微观裂纹 。
2.非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物,如硫化物,
氧化物,他们使钢材性能变脆 。
4.气泡 浇铸时由 FeO和 C作用所生成的 CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞 。
5.分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.3 钢材的硬化冷作硬化 在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，
卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。
时效硬化 随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象 。
在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。
应变时效硬化 钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。
在高温作用下会快速发展 （人工时效）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
硬化对钢材性能的影响
a)时效硬化及冷作硬化 b) 应变时效硬化第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.4 应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓 应力集中 现象。
应力集中现象第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
不同槽口试件静力拉伸试验的应力 —— 应变曲线应力集中对 σ -ε 曲线 关系的影响可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，
其抗拉强度愈高，
但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。
10 20 30
0.4
25
100
ε
%
σ (N/mm2)
① ①
② ②
③
③ ④
④
φ10
测距 100
φ10
φ10
0
600
700
500
400
300
200
100
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.5 荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类
1.加荷速度的影响这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。
因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载 5分钟后再读数据。
2.循环荷载的影响钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏 （疲劳破坏） 。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.6 温度的影响正温范围：
（ 1）温度在 150℃ 以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于 150℃ 的场合。
（ 2）温度在 250℃ 左右的区间内出现 蓝脆现象,fu 有局部性提高，
同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。
（ 3）当温度达到 600℃ 时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，
将丧失承载能力。 温度对钢材力学性能的影响
)/( 2mmNs (%)?
℃
fu
fy
δ
E
负温范围,随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，
逐渐变脆，称为钢材的 低温冷脆 。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有 塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1 T0 T2
（ 1）冲击功曲线的反弯点
T0称为 转变温度 。界限温度
T1和 T2分别为 脆性转变温度和 全塑性转变温度 。
（ 2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间 T1 ～
T2内完成的，此温度区间称为钢材的 脆性转变温度区 。
（ 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。
（ 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。
在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于 T1,接近 T0。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4.7 防止脆性断裂的方法外因 钢材在构造和加工工程中引起的 应力集中,低温影响,动力荷载的作用,冷作硬化 和 应变时效硬化 等内因 钢材的 化学成分,组织构造 和 缺陷 等
(1）合理的选用钢材 ;
(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度 ;
(3) 尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性 ;
(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、
连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。
影响钢材出现脆性破坏的因素合 理 设 计第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
正 确 制 造
(1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。
(2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。
(3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。
(4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范的要求进行。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
合 理 使 用
(1) 不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。
(2) 原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。
(3) 不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。
(4) 避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。
(5) 平时对结构应注意检察和维护。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
5,钢材的疲劳
5.1 疲劳破坏的特征定义,钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，
但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
破坏过程,裂纹的形成 ----裂纹的扩展 ----最后的迅速断裂而破坏破坏特点,
（ 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。
（ 3）疲劳对缺陷十分敏感。
（ 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
引起疲劳破坏交变荷载的两种类型常幅交变荷载 ----常幅应力 ----常幅疲劳变幅交变荷载 ----变幅应力 ----变幅疲劳应力比（?）
循环应力中绝对值最小的峰值应力 smin与绝对值最大的峰值应力
smax之比。= smin/smax(拉应力取正号而压应力取负号 )
应力幅（ Ds）
Ds=smax-smin，此处 smax为最大拉应力，取正值,smin为最小拉应力或压应力。（ 拉应力取正号而压应力取负号）
应力循环次数 （ n，疲劳寿命）
结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
5.2 常幅疲劳
—— 当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。
1.非焊接结构的疲劳大量试验研究表明，疲劳强度除于 主体金属 和 连接类型 有关外，
还与 循环应力比?和 循环次数 n有关。
当以 n=2× 106为疲劳寿命时，我国,钢结构设计规范,给出了验算以 拉应力 为主的疲劳计算公式
pm a x ss? （ 2.5.1）
ss
k-1
p
0p?
（ 2.5.2）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2,焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是 构件和连接的类型,应力幅 Ds以及 循环次数 n，而与应力比无关。
焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点 fy,该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。
max yfs?
最大：
m a x m i nyyff s s s- D? - -
最小：
y
y
f
f
s
-D
真实应力比：
fy
fyfy
fy
fy
fy
残余应力的分布焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅 Ds的大小第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
应力幅 Ds与应力循环次数 n（疲劳寿命）的关系
0
sD
NX105
s1D
n1
s2D
n2sbD
fy
1 2 3 4 5 6
S S
0
lgn
sDlg,
.,...,
..,
.
.
b1
lgC
lg sD
lgn
1
(1)应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。
(2)当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。
容许应力幅 [Ds]的定义
（ 1）应力幅－循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，
反应了平均值之间的关系。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍 lgn的标准差（ 2s）作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。
（ 3）如果 lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为 97.7％。
(4）容许应力幅的表达式 [Ds]可通过两个相似三角形求出：
S S
0
lgn
sDlg,
.,...,
..,
.
.
b1
lgC
lg sD
lgn
1
1
[ ] ( 2,5,4 )C
N
sD
(5)式中：系数 β,C根据,钢结构设计规范 -疲劳计算的构件和连接分类,
查表得到。
(6)容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3,常幅疲劳验算疲劳容许应力幅 [Ds]与应力循环次数 n的关系曲线
1
1
β＝ 4
β＝ 3
[Ds
](
N/
mm
2 )
（对数尺）
n（对数尺）
规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为 8个疲劳计算类别,并对每个类别规定了相应的参数取值。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
表 2.5.1 参数Ｃ和?的取值构件和连接类别
1 2 3 4 5 6 7 8
Ｃ
1940
× 1012
861×
1012
3.26
× 1012
2.18
× 1012
1.47
× 1012
0.96
× 1012
0.65
× 1012
0.41
× 1012
β 4 4 3 3 3 3 3 3
国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，这一点，
通过表达式（ 2.5.4）也能说明。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
疲劳计算采用 容许应力幅法,按弹性状态计算应力进行计算。
计算只适用于无高温（ t≤150℃ ）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数 n≥5 × 104)。
常幅疲劳的计算公式
ss D?D （ 2.5.7）
Ds 标准荷载下 的设计应力幅；
对于焊接部位的设计应力幅,Ds= smax- smin ；
对于非焊接部位的折算应力幅,Ds= smax- 0.7smin
smax 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）
smin 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力 （拉应力取正值，压应力取负值）；
[Ds] 常幅疲劳的容许应力幅第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
5.3 变幅疲劳当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。
Δσ
i-1
Δσ
2
Δσ
1
Δσ
i
σ
t
变幅荷载可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳,然后按常幅疲劳检算式检算 。
（ a） 检算公式
Dse— 等效常幅疲劳应力幅 。
[Ds]— 常幅疲劳的容许应力幅 。
情形一 能够测得使用期内应力变幅规律
ss D?D e
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ b) 计算
esD
若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅 Dse按下式进行疲劳计算：
s
s
1
D
D
i
ii
e n
n (2.5.13)
Σ ni 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；
ni 预期寿命内应力幅水平达到 Dsi的 应力循环次数第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
情形二 —— 不能测得使用期内应力变幅规律设计 重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，
应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，
按常幅疲劳进行计算。
计算公式
6102D?D nf ss?
（ 2.5.15）
f?
— 欠载效应的等效系数
s
s?
D
D? e
f
6102D ns — 循环次数为 n=2× 106次的容许应力幅。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1.0
0.8
0.5
重级工作制硬钩吊车重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车
f吊车梁类别表 2-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数
59697890103118144176N/mm2[Ds]n=2× 106
87654321连接形式类别表 2-3 n=2× 106的容许应力幅值第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（ 1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，
目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。
（ 2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，
则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。
（ 3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。
（ 4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
（ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；
（ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；
（ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
6 建筑用钢种类、规格和选用
6.1 建筑用钢的种类
（ 1）碳素结构钢（ GB/T 700-1988）
a）碳素结构钢的表达方式由（ 屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号） 四个部分组成。
b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为 A,B、
C,D共 4个质量等级。
c)脱氧方法符号也有四种，其中 F代表沸腾钢,b代表半镇静钢,Z代表镇静钢,TZ代表特种镇静钢,在具体标注时 Z和 TZ可以省略。
d）,钢结构设计规范,将 Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范 GB/T700的要求。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 2）低合金高强度结构钢 (GB/T 1591-1994)
a)含碳量均 不大于 0.20％,强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量 低于 5％ 。
b)牌号为 Q345,Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被,规范,选为承重结构用钢。
c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为 A,B,C,D,E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故 可不加脱氧方法的符号 。
d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范
GB/T1591要求。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 3）优质碳素结构钢 (GB/T 699-1988)
a)磷、硫等有害元素的含量均 不大于 0.035％,对于其他缺陷的限制也较严格。
b)主要用作制造 冷拔高强钢丝,高强螺栓 以及 自攻螺钉 等。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
6.2 钢材的规格钢结构所用的钢材主要有 热轧成型的钢板和型钢,以及 冷加工成型的冷扎薄钢板 和 冷弯薄壁型钢 。
（ 1）热轧钢板
a) 分为 厚钢板、薄钢板 和 扁钢。
b) 表示方法：在符号,-”后加,宽度 × 厚度 × 长度,
c) 供应规格 （单位,mm）
厚度 宽度 长度厚钢板 4.5-60 600-3000 4000-12000
薄钢板 0.35-4 500-1500 500-4000
扁钢 4-60 12-200 3000-9000
第二章 钢结构的材料
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（ 2）热轧型钢常用的热轧型钢有 角钢、工字钢、槽钢、钢管 等。
a) 角钢
1) 分为 等边和不等边 两种。
2）表示方法为在符号,∟,后加,长边宽 × 短边宽 × 厚度,（对不等边角钢），或加,边长 × 厚度,（对等边角钢）。
3）我国生产的角钢 最大边长为 200mm，角钢的供应长度一般为 4-19m。
∠ 肢宽度 × 肢厚度等边角钢
∠ 长肢宽度 × 短肢宽度 × 肢厚度不等边角钢第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
b)工字钢
1) 分为 普通工字钢、轻型工字钢 和 H型工字钢 三种。
3) H型钢的基本类型分为 宽翼缘（ HW），
中翼缘（ HM） 和 窄翼缘（ HN） 三类，表示方法为在代号后加,高度 × 宽度 × 腹板厚度 × 翼缘厚度,。
2）普通工字钢的型号用符号,工,后面加截面高度的 厘米数 表示，
20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为 a,b或 a,b,c等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。
4）普通工字钢的型号为 10-63号,轻型工字钢的型号为 10-70号,供应长度为 5-19m。
第二章 钢结构的材料
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c) 槽钢
1) 分为 普通槽钢 和 轻型槽钢 两种 。
2）表示方法和工字钢相似 。
3） 国内生产的 最大型号为［ 40c。
供应长度为 5-19m。
t
D
d)钢管
1) 分为 无缝钢管 和 焊接钢管 两种 。
2）型号可用代号,D”后加,外径 × 壁厚,表示。
3）国产热轧无缝钢管的 最大外径可达 630mm，
供应长度为 3-12m。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 3）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（ 壁厚
1.5-6mm）和压型钢板
（ 壁厚 0.4-1.6mm），
截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，
达到节约钢材的目的。
在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
6.3 钢材的选择
（ 1）选择钢材的原则安全可靠，经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：
结构或构件的重要性、荷载特征、
连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
a）结构或构件的重要性 对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，
屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。
b)荷载特征 静力荷载作用下可选择经济性较好的 Q235钢材；动力荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。
c)连接方式 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制 C,S,P的极限含量；非焊接结构对 C的要求可降低一些。
d)工作环境 处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。
e)结构的应力状态 当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应 力，引起材料的脆性破坏。
f)钢材的厚度 钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用 质量较高的钢材 。
表 2.6.8 国内外钢材牌号对应关系中国 美国 日本 欧盟 英国 俄罗斯 澳大利亚
Q235 A36 SS400
SM400
SN400
Fe360 40 C235 250
C250
Q345 A242
A441
A572-50
A588
SM490
SN490
Fe510
FeE355
50B,C、
D
C345 350
C350
Q390 50F C390 400
Hd400
Q420 A572-60 SA440B
SA440C
C440
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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6.4 钢材选择的建议
1）承重结构的钢材宜采用 Q235钢,Q345钢,Q390钢和 Q420
钢，其质量应分别符合国家标准,碳素结构钢,GB/T700和
,低合金高强度结构钢,GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。
2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。
3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。（表 2.6.6）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于 16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。
5) 当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准,厚度方向性能钢板,GB/T5313的规定。
6) 对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准,焊接耐候钢,GB/T4172的规定。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、钢材的生产
2、钢材的主要性能
3、各种因素对钢材的影响
4、钢材的疲劳
5、钢材的种类、规格和选用第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
1、钢材的生产钢材的生产分为 炼铁,炼钢 和 轧制 三道工序。
炼钢有三种形式,转炉,平炉 和 电炉 。
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯 ----连续铸造法按照钢液脱氧的方法和程度不同,碳素结构钢可分为 沸腾钢,半镇静钢,镇静钢 和 特殊镇静钢 。
加工,热加工,热处理 和 冷加工第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
２、钢材的主要性能钢材的破坏形式,塑性破坏 和 脆性破坏钢材的机械性能指标,屈服点 fy,抗拉强度 fu,伸长率
δ,断面收缩率?,冷弯性能 和 冲击韧性 Cv
在复杂应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
当 时钢材处于弹性阶段，
时钢材处于塑性阶段。
yzs f?s
yzs f?s
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3、各种因素对钢材的影响外因 钢材在构造和加工工程中引起的 应力集中,温度影响,
动力荷载的作用,冷作硬化 和 时效硬化 等内因 钢材的 化学成分,组织构造 和 缺陷 等原则,合理设计、正确制造、合理使用第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
4、钢材的疲劳定义,钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏。
破坏过程,裂纹的形成 ----裂纹的扩展 ----最后的迅速断裂而破坏破坏的类型,常幅疲劳和变幅疲劳非焊接结构的疲劳强度与 循环应力比?有关；焊接结构疲劳寿命与 应力幅 Ds有关规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为 8个疲劳计算类别,并对每个类别规定了相应的参数取值。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
5、钢材的种类、规格和选用建筑用钢的种类,碳素结构钢（ GB/T 700）,低合金高强度结构钢 (GB/T1591)、优质碳素结构钢 (GB/T699)
钢结构所用的钢材规格,热轧成型的钢板和型钢,以及 冷加工成型的冷扎薄钢板 和 冷弯薄壁型钢 。
钢材选择的原则,安全可靠、经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素,结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
问题 1：淬硬性？
淬火工艺,将钢材加热到 900℃ 以上，保温后快速在水中或油中冷却。在极快的冷却速度下原子来不及扩散，形成碳原子过饱和的马氏体。从而增加了钢材的强度和硬度，同时时塑性和韧性降低。
淬硬性,钢材在正常淬火条件下，急速冷却所形成的马氏体组织所能达到的最高硬度的能力。
淬硬性只与钢材中的含碳量有关，含碳量越高，淬硬性越高。
1、钢结构对材料的要求
（ 1） 较高的抗拉强度 fu和屈服点 fy
（ 2） 塑性、冲击韧性好
（ 3） 冷加工性能好
（ 4） 可焊性好
（ 5） 耐久性好第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2、钢材的生产钢材的生产大致分为 炼铁,炼钢 和 轧制 三道工序。
电炉钢 是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）
炼钢炉有三种形式,转炉,平炉 和 电炉 。
转炉钢 是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液 。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）
平炉钢 是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）
（ 1）炼 钢第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯 。
用 连续铸造法 生产钢坯的工艺和设备,由于机械化,自动化程度高的优势,已经逐渐取代了笨重而复杂的 铸锭 工艺和设备 。
钢液中残留的氧,将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆,降低钢材的力学性能 。
按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同,碳素结构钢可分为 沸腾钢,半镇静钢,镇静钢 和 特殊镇静钢 。
（ 2） 浇 注
（ 3）脱 氧第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
在 锰和硅 脱氧后，再用 铝 补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。
沸 腾 钢采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的 锰,因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。
镇 静 钢采用 锰加硅 做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，
但成本高。
半 镇 静 钢特殊镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 4）加工（ 热加工,冷加工 和 热处理 ）
热处理指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、
正火、淬火和回火）
热加工指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，
生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在 1150-1300℃ ）
冷加工指在常温下对钢材进行加工。（ 冷作硬化现象 ）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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3、钢材的主要性能
3.1 钢材的破坏形式特 征 断 口 后 果塑性破坏
（延性破坏）
构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，
构件产生明显的变形并断裂。
常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。
在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。
脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。
平直和呈有光泽的晶粒。
突然发生的，危险性大，应尽量避免。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3.2 单向拉伸时的工作性能
（ 1）试验条件
（ a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的 5或 10倍。
（ b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。
（ c）试验温度要控制在室温 20℃ 左右。
Lo
d
标准试件第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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（ 2）钢材的应力 -应变关系
A,有屈服点钢材 s---e曲线可以分为四个阶段：
(a)弹性阶段 (OB段 )
us
e
s
O
As
es E?
B
C DA
E
ys
单调拉伸应力 -应变曲线
OA段,纯弹性阶段
s=Ee
A点对应的应力：
sp （比例极限）
AB段,有一定的塑性变形,但整个
OB段卸载时,
e=0
B点对应的应力：
se （ 弹性极限 ）
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ b） 屈服阶段 （ BCD)
塑性变形,卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。
屈服点（屈服强度）,
屈服阶段曲线波动部分的最低值。
流幅,从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。
特点,应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力 -应变曲线呈锯齿形波动，
出现应力不增加而应变仍然在继续发展。
us
e
s
O
As
es E?
B
C DA
E
ys
第二章 钢结构的材料
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（ c）强化阶段 (DE段 )
随荷载的增加 σ 缓慢增大,但 ε 增加较快抗拉强度（极限强度） fu 试件所能承受的最大拉应力
（ d）颈缩阶段 (EF段 )
us
e
s
O
As
es E?
B
C DA
E
ys
截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至 F点试件断裂。
F
第二章 钢结构的材料
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B.对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为 0.2％所对应的应力 作为屈服点
——“条件屈服点,或,名义屈服点,
s
e
fy=f0.2
0.2%
fu
εp 无屈服点钢材的应力 -应变曲线没有明显屈服点的 钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。
第二章 钢结构的材料
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3.3 单向拉伸时钢材的机械性能指标
（ 1） 屈服点 fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。
（ 2） 抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。
（ 3） 钢材的塑性 当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用 断面收缩率?和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。
第二章 钢结构的材料
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（ 4） 伸长率 δ 试件 断裂前 的永久变形与原标定长度的百比。
Lo
d
N N
N
L
d
N
%1 0 0
0
01?-?
l
ll?
l0— 原标距长
l1 — 拉断后标距长度
d0 — 试件直径试件有两种标距,l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用 δ5
和 δ10表示 。 伸长率 δ
实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 5） 断面收缩率? 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。
%1 0 0
1
10?-?
A
AA?
式中：
A0 —— 试件原来的断面面积
A1 —— 试件拉断后颈缩区的断面面积断面收缩率?越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。
A0
A1
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3.4 应力应变曲线的简化曲线简化的依据：
1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。
2）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（ e≈0.15 ％ -2.5％）
已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。 ε2.5%
fy
ε 0
0.15%
ε
简化的应力－应变曲线钢材是符合理想中的弹性 -塑性材料第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3.5 钢材的其它性能冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。
1.冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）
产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。
鉴别指标,通过冷弯冲头加压。
当试件弯曲至 180° 时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，
如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
2.冲击韧性韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号 Wkv或 Cv表示，单位为 J。
冲击韧性试验 一般采用试件长
55mm,截面 10× 10mm2,中间一小槽 。 在摆锤式冲击试验机上进行试验,冲断试件后,读出摆锤消耗的功 。 冲击韧性试验第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏 V型，夏氏钥孔型和梅氏 U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏 V型。
冲击试验试件的缺口形式冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即 +20℃,0℃,-
20℃ 和 -40℃ 时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3.可焊性好的可焊性是指焊接安全,可靠,不发生焊接裂缝,焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材 。
影响钢材可焊性的因素钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在 0.12%～ 0.20%
范围内的碳素钢，可焊性最好（如 Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准 JGJ81-2002,建筑钢结构焊接技术规程,推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于
0.38%，钢材的可焊性好 (如 Q345)，可不采取措施直接施焊。
15
ui
5
or
6
n
E
CNVMCMCC （ 2.4.1）
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
钢材的机械性能指标
1、屈服点 fy
2、抗拉强度 fu
3、伸长率 δ
4,断面收缩率?
5、冷弯性能
6、冲击韧性 Cv
小 节第二章 钢结构的材料
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3.6 在复杂应力作用下钢材的屈服条件第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达推导 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，
钢材即由弹性转入塑性。
o
sx
sz
sy
yz
yx?xy
xz
zy?
zx
Z
X
Y
单元体受复杂应力状态下的分量
s1
s1
s2
s2
s3
s3
单元体受主应力钢材单元体上的复杂应力状态第二章 钢结构的材料
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在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，
可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
222222 3 zxyzxyxzzyyxzyxzsssssssssss- （ 2.3.1）
用主应力,,表示时，有,1s 2s 3s
yz f- )( 133221
2
3
2
2
2
1 ssssssssss
（ 2.3.2）
])()()[(21 213232221 sssssss -?-?-?z
或当 时钢材处于弹性阶段，
时钢材处于塑性阶段。
yzs f?s
yzs f?s
第二章 钢结构的材料
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当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态,
yxyyxyxzs f- 222 3?sssss
（ 2.3.3）
一般梁中只存在正应力 σ和剪应力 τ,则上式可写为：
yzs f 22 3?ss
（ 2.3.4）
纯剪时 σ =0 则有：
yzs fs 33
2 （ 2.3.5）
yy ff 58.03
1
即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点 fy的 0.58 倍第二章 钢结构的材料
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不同受力状态对钢材材性的影响
（ a） — 单向拉伸
（ b） — 双向拉伸
（ c） — 双向异号应力分析结果：
（ 1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。
双向应力作用下对钢材材性的影响
ζ
0
yf
byf
c
yf
ε
(a)
(b)
(c)
（ 3）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。
（ 2）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。
第二章 钢结构的材料
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4,各种因素对钢材的影响
4.1 化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（ Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占
99%，此外还有碳（ C）、硅（ Si）、锰（ Mn）等有益元素，
及硫（ S）、磷（ P）、氧（ O）、氮（ N）等有害元素，这些总含量不大，约 1%，但对钢材力学性能却有很大影响。
低合金钢中有＜ 5%的合金元素，如铜 (Cu)、钒 (V)、钛
(Ti)、铌 (Nb)、铬 (Cr)等。
第二章 钢结构的材料
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1,碳 （ C）,形成钢材强度的主要成分,随其含量增加,强度增加,塑性和韧性降低,可焊性和抗腐蚀性降低 。
碳素钢按碳含量区分,小于 0.25％ 的为低碳钢,介于
0.25％ 和 0.6％ 之间的为中碳钢,大于 0.6％ 的为高碳钢 。
钢结构用钢中,碳含量一般控制在 0.22%以下,当其含量在 0.2％ 以下时,可焊性良好 。
2,硫 （ S）,钢材中的有害元素,具有热脆性 （ 温度达到
800-1000℃ 时,硫化铁会熔化使钢材变脆,从而引发热裂纹 ） 。 规范规定结构用钢中硫的含量不得超过 0.05%。
3,氧 （ O）,有害杂质,与 S相似 。
第二章 钢结构的材料
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4.磷（ P）,磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，
磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过 0.045%。
5.氮（ N）,有害杂质，与 P相似。
6.锰（ Mn）,有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与 S形成 MnS，熔点 1600℃,可以消除硫对钢材的热脆影响。
7.硅（ Si）,有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。
8.钒（ V）,合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
9.铜（ Cu）,提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。
第二章 钢结构的材料
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4.2 冶金缺陷的影响
1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象 。 主要是硫,磷偏析,其后果是偏析区钢材的塑性,韧性,可焊性变坏 。
3.裂纹 钢材中存在的微观裂纹 。
2.非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物,如硫化物,
氧化物,他们使钢材性能变脆 。
4.气泡 浇铸时由 FeO和 C作用所生成的 CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞 。
5.分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。
第二章 钢结构的材料
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4.3 钢材的硬化冷作硬化 在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，
卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。
时效硬化 随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象 。
在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。
应变时效硬化 钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。
在高温作用下会快速发展 （人工时效）
第二章 钢结构的材料
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硬化对钢材性能的影响
a)时效硬化及冷作硬化 b) 应变时效硬化第二章 钢结构的材料
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4.4 应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓 应力集中 现象。
应力集中现象第二章 钢结构的材料
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不同槽口试件静力拉伸试验的应力 —— 应变曲线应力集中对 σ -ε 曲线 关系的影响可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，
其抗拉强度愈高，
但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。
10 20 30
0.4
25
100
ε
%
σ (N/mm2)
① ①
② ②
③
③ ④
④
φ10
测距 100
φ10
φ10
0
600
700
500
400
300
200
100
第二章 钢结构的材料
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4.5 荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类
1.加荷速度的影响这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。
因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载 5分钟后再读数据。
2.循环荷载的影响钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏 （疲劳破坏） 。
第二章 钢结构的材料
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4.6 温度的影响正温范围：
（ 1）温度在 150℃ 以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于 150℃ 的场合。
（ 2）温度在 250℃ 左右的区间内出现 蓝脆现象,fu 有局部性提高，
同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。
（ 3）当温度达到 600℃ 时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，
将丧失承载能力。 温度对钢材力学性能的影响
)/( 2mmNs (%)?
℃
fu
fy
δ
E
负温范围,随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，
逐渐变脆，称为钢材的 低温冷脆 。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。
第二章 钢结构的材料
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冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有 塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1 T0 T2
（ 1）冲击功曲线的反弯点
T0称为 转变温度 。界限温度
T1和 T2分别为 脆性转变温度和 全塑性转变温度 。
（ 2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间 T1 ～
T2内完成的，此温度区间称为钢材的 脆性转变温度区 。
（ 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。
（ 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。
在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于 T1,接近 T0。
第二章 钢结构的材料
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4.7 防止脆性断裂的方法外因 钢材在构造和加工工程中引起的 应力集中,低温影响,动力荷载的作用,冷作硬化 和 应变时效硬化 等内因 钢材的 化学成分,组织构造 和 缺陷 等
(1）合理的选用钢材 ;
(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度 ;
(3) 尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性 ;
(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、
连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。
影响钢材出现脆性破坏的因素合 理 设 计第二章 钢结构的材料
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正 确 制 造
(1) 严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。
(2) 为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。
(3) 为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。
(4) 焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范的要求进行。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
合 理 使 用
(1) 不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。
(2) 原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。
(3) 不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。
(4) 避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。
(5) 平时对结构应注意检察和维护。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
5,钢材的疲劳
5.1 疲劳破坏的特征定义,钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，
但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。
破坏过程,裂纹的形成 ----裂纹的扩展 ----最后的迅速断裂而破坏破坏特点,
（ 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。
（ 3）疲劳对缺陷十分敏感。
（ 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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引起疲劳破坏交变荷载的两种类型常幅交变荷载 ----常幅应力 ----常幅疲劳变幅交变荷载 ----变幅应力 ----变幅疲劳应力比（?）
循环应力中绝对值最小的峰值应力 smin与绝对值最大的峰值应力
smax之比。= smin/smax(拉应力取正号而压应力取负号 )
应力幅（ Ds）
Ds=smax-smin，此处 smax为最大拉应力，取正值,smin为最小拉应力或压应力。（ 拉应力取正号而压应力取负号）
应力循环次数 （ n，疲劳寿命）
结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。
第二章 钢结构的材料
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5.2 常幅疲劳
—— 当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。
1.非焊接结构的疲劳大量试验研究表明，疲劳强度除于 主体金属 和 连接类型 有关外，
还与 循环应力比?和 循环次数 n有关。
当以 n=2× 106为疲劳寿命时，我国,钢结构设计规范,给出了验算以 拉应力 为主的疲劳计算公式
pm a x ss? （ 2.5.1）
ss
k-1
p
0p?
（ 2.5.2）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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2,焊接结构的疲劳通过大量试验研究表明，控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素是 构件和连接的类型,应力幅 Ds以及 循环次数 n，而与应力比无关。
焊缝部位存在残余拉应力，通常达到钢材的屈服点 fy,该处是产生和发展疲劳裂纹最敏感的区域。
max yfs?
最大：
m a x m i nyyff s s s- D? - -
最小：
y
y
f
f
s
-D
真实应力比：
fy
fyfy
fy
fy
fy
残余应力的分布焊缝附近真实应力比的大小取决于应力幅 Ds的大小第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
应力幅 Ds与应力循环次数 n（疲劳寿命）的关系
0
sD
NX105
s1D
n1
s2D
n2sbD
fy
1 2 3 4 5 6
S S
0
lgn
sDlg,
.,...,
..,
.
.
b1
lgC
lg sD
lgn
1
(1)应力幅值越低，应力循环次数就越多，疲劳寿命也越高。
(2)当应力幅值减小到一定程度时，应力循环次数趋向无穷大。
容许应力幅 [Ds]的定义
（ 1）应力幅－循环次数（红色实线所示）关系曲线为试验回归曲线，
反应了平均值之间的关系。
第二章 钢结构的材料
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（ 2）考虑到试验的离散性，取平均值减去两倍 lgn的标准差（ 2s）作为疲劳强度的下限值，图中蓝色虚线所示。该虚线上的应力幅定义为对应于某疲劳寿命的容许应力幅。
（ 3）如果 lgn符合正态分布，则构件或连接的疲劳强度的保证率为 97.7％。
(4）容许应力幅的表达式 [Ds]可通过两个相似三角形求出：
S S
0
lgn
sDlg,
.,...,
..,
.
.
b1
lgC
lg sD
lgn
1
1
[ ] ( 2,5,4 )C
N
sD
(5)式中：系数 β,C根据,钢结构设计规范 -疲劳计算的构件和连接分类,
查表得到。
(6)容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
3,常幅疲劳验算疲劳容许应力幅 [Ds]与应力循环次数 n的关系曲线
1
1
β＝ 4
β＝ 3
[Ds
](
N/
mm
2 )
（对数尺）
n（对数尺）
规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为 8个疲劳计算类别,并对每个类别规定了相应的参数取值。
第二章 钢结构的材料
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表 2.5.1 参数Ｃ和?的取值构件和连接类别
1 2 3 4 5 6 7 8
Ｃ
1940
× 1012
861×
1012
3.26
× 1012
2.18
× 1012
1.47
× 1012
0.96
× 1012
0.65
× 1012
0.41
× 1012
β 4 4 3 3 3 3 3 3
国内外试验证明，除了个别在疲劳计算中不起控制作用类别的疲劳强度有随钢材的强度提高而稍有增加外，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，这一点，
通过表达式（ 2.5.4）也能说明。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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疲劳计算采用 容许应力幅法,按弹性状态计算应力进行计算。
计算只适用于无高温（ t≤150℃ ）、无严重腐蚀环境中的高周低应变的疲劳计算（应力循环次数 n≥5 × 104)。
常幅疲劳的计算公式
ss D?D （ 2.5.7）
Ds 标准荷载下 的设计应力幅；
对于焊接部位的设计应力幅,Ds= smax- smin ；
对于非焊接部位的折算应力幅,Ds= smax- 0.7smin
smax 每次应力循环中，计算部位的最大拉应力（取正值）
smin 每次应力循环中，计算部位的最小拉应力或压应力 （拉应力取正值，压应力取负值）；
[Ds] 常幅疲劳的容许应力幅第二章 钢结构的材料
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5.3 变幅疲劳当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。
Δσ
i-1
Δσ
2
Δσ
1
Δσ
i
σ
t
变幅荷载可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳,然后按常幅疲劳检算式检算 。
（ a） 检算公式
Dse— 等效常幅疲劳应力幅 。
[Ds]— 常幅疲劳的容许应力幅 。
情形一 能够测得使用期内应力变幅规律
ss D?D e
第二章 钢结构的材料
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（ b) 计算
esD
若能预测结构在使用寿命期间各种荷载的应力幅以及次数分布所构成的设计应力谱，则根据累积损伤原理可将变幅疲劳折合为等效常幅疲劳，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅 Dse按下式进行疲劳计算：
s
s
1
D
D
i
ii
e n
n (2.5.13)
Σ ni 以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；
ni 预期寿命内应力幅水平达到 Dsi的 应力循环次数第二章 钢结构的材料
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情形二 —— 不能测得使用期内应力变幅规律设计 重级工作制吊车的吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架时，
应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，
按常幅疲劳进行计算。
计算公式
6102D?D nf ss?
（ 2.5.15）
f?
— 欠载效应的等效系数
s
s?
D
D? e
f
6102D ns — 循环次数为 n=2× 106次的容许应力幅。
第二章 钢结构的材料
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1.0
0.8
0.5
重级工作制硬钩吊车重级工作制软钩吊车梁中级工作制吊车
f吊车梁类别表 2-2 吊车梁或吊车桁架欠载效应系数
59697890103118144176N/mm2[Ds]n=2× 106
87654321连接形式类别表 2-3 n=2× 106的容许应力幅值第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（ 1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂，
目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。
（ 2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，
则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。
（ 3）国内外试验证明，大多数焊接连接类别的疲劳强度不受钢材强度的影响，故可认为疲劳容许应力幅与钢种无关。
（ 4）提高疲劳强度和疲劳寿命的措施
（ａ）采取合理构造细节设计，尽可能减少应力集中；
（ｂ）严格控制施工质量，减小初始裂纹尺寸；
（ｃ）采取必要的工艺措施如打磨、敲打等。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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6 建筑用钢种类、规格和选用
6.1 建筑用钢的种类
（ 1）碳素结构钢（ GB/T 700-1988）
a）碳素结构钢的表达方式由（ 屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号） 四个部分组成。
b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为 A,B、
C,D共 4个质量等级。
c)脱氧方法符号也有四种，其中 F代表沸腾钢,b代表半镇静钢,Z代表镇静钢,TZ代表特种镇静钢,在具体标注时 Z和 TZ可以省略。
d）,钢结构设计规范,将 Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范 GB/T700的要求。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 2）低合金高强度结构钢 (GB/T 1591-1994)
a)含碳量均 不大于 0.20％,强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量 低于 5％ 。
b)牌号为 Q345,Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被,规范,选为承重结构用钢。
c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为 A,B,C,D,E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故 可不加脱氧方法的符号 。
d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范
GB/T1591要求。
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
（ 3）优质碳素结构钢 (GB/T 699-1988)
a)磷、硫等有害元素的含量均 不大于 0.035％,对于其他缺陷的限制也较严格。
b)主要用作制造 冷拔高强钢丝,高强螺栓 以及 自攻螺钉 等。
第二章 钢结构的材料
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钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
6.2 钢材的规格钢结构所用的钢材主要有 热轧成型的钢板和型钢,以及 冷加工成型的冷扎薄钢板 和 冷弯薄壁型钢 。
（ 1）热轧钢板
a) 分为 厚钢板、薄钢板 和 扁钢。
b) 表示方法：在符号,-”后加,宽度 × 厚度 × 长度,
c) 供应规格 （单位,mm）
厚度 宽度 长度厚钢板 4.5-60 600-3000 4000-12000
薄钢板 0.35-4 500-1500 500-4000
扁钢 4-60 12-200 3000-9000
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（ 2）热轧型钢常用的热轧型钢有 角钢、工字钢、槽钢、钢管 等。
a) 角钢
1) 分为 等边和不等边 两种。
2）表示方法为在符号,∟,后加,长边宽 × 短边宽 × 厚度,（对不等边角钢），或加,边长 × 厚度,（对等边角钢）。
3）我国生产的角钢 最大边长为 200mm，角钢的供应长度一般为 4-19m。
∠ 肢宽度 × 肢厚度等边角钢
∠ 长肢宽度 × 短肢宽度 × 肢厚度不等边角钢第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
b)工字钢
1) 分为 普通工字钢、轻型工字钢 和 H型工字钢 三种。
3) H型钢的基本类型分为 宽翼缘（ HW），
中翼缘（ HM） 和 窄翼缘（ HN） 三类，表示方法为在代号后加,高度 × 宽度 × 腹板厚度 × 翼缘厚度,。
2）普通工字钢的型号用符号,工,后面加截面高度的 厘米数 表示，
20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为 a,b或 a,b,c等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。
4）普通工字钢的型号为 10-63号,轻型工字钢的型号为 10-70号,供应长度为 5-19m。
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c) 槽钢
1) 分为 普通槽钢 和 轻型槽钢 两种 。
2）表示方法和工字钢相似 。
3） 国内生产的 最大型号为［ 40c。
供应长度为 5-19m。
t
D
d)钢管
1) 分为 无缝钢管 和 焊接钢管 两种 。
2）型号可用代号,D”后加,外径 × 壁厚,表示。
3）国产热轧无缝钢管的 最大外径可达 630mm，
供应长度为 3-12m。
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（ 3）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（ 壁厚
1.5-6mm）和压型钢板
（ 壁厚 0.4-1.6mm），
截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，
达到节约钢材的目的。
在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。
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6.3 钢材的选择
（ 1）选择钢材的原则安全可靠，经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：
结构或构件的重要性、荷载特征、
连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。
第二章 钢结构的材料
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a）结构或构件的重要性 对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，
屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。
b)荷载特征 静力荷载作用下可选择经济性较好的 Q235钢材；动力荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。
c)连接方式 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制 C,S,P的极限含量；非焊接结构对 C的要求可降低一些。
d)工作环境 处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。
e)结构的应力状态 当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应 力，引起材料的脆性破坏。
f)钢材的厚度 钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用 质量较高的钢材 。
表 2.6.8 国内外钢材牌号对应关系中国 美国 日本 欧盟 英国 俄罗斯 澳大利亚
Q235 A36 SS400
SM400
SN400
Fe360 40 C235 250
C250
Q345 A242
A441
A572-50
A588
SM490
SN490
Fe510
FeE355
50B,C、
D
C345 350
C350
Q390 50F C390 400
Hd400
Q420 A572-60 SA440B
SA440C
C440
第二章 钢结构的材料
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6.4 钢材选择的建议
1）承重结构的钢材宜采用 Q235钢,Q345钢,Q390钢和 Q420
钢，其质量应分别符合国家标准,碳素结构钢,GB/T700和
,低合金高强度结构钢,GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。
2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。
3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。（表 2.6.6）
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4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于 16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。
5) 当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准,厚度方向性能钢板,GB/T5313的规定。
6) 对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准,焊接耐候钢,GB/T4172的规定。
第二章 钢结构的材料
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1、钢材的生产
2、钢材的主要性能
3、各种因素对钢材的影响
4、钢材的疲劳
5、钢材的种类、规格和选用第二章 钢结构的材料
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1、钢材的生产钢材的生产分为 炼铁,炼钢 和 轧制 三道工序。
炼钢有三种形式,转炉,平炉 和 电炉 。
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯 ----连续铸造法按照钢液脱氧的方法和程度不同,碳素结构钢可分为 沸腾钢,半镇静钢,镇静钢 和 特殊镇静钢 。
加工,热加工,热处理 和 冷加工第二章 钢结构的材料
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２、钢材的主要性能钢材的破坏形式,塑性破坏 和 脆性破坏钢材的机械性能指标,屈服点 fy,抗拉强度 fu,伸长率
δ,断面收缩率?,冷弯性能 和 冲击韧性 Cv
在复杂应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
当 时钢材处于弹性阶段，
时钢材处于塑性阶段。
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第二章 钢结构的材料
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3、各种因素对钢材的影响外因 钢材在构造和加工工程中引起的 应力集中,温度影响,
动力荷载的作用,冷作硬化 和 时效硬化 等内因 钢材的 化学成分,组织构造 和 缺陷 等原则,合理设计、正确制造、合理使用第二章 钢结构的材料
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4、钢材的疲劳定义,钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏。
破坏过程,裂纹的形成 ----裂纹的扩展 ----最后的迅速断裂而破坏破坏的类型,常幅疲劳和变幅疲劳非焊接结构的疲劳强度与 循环应力比?有关；焊接结构疲劳寿命与 应力幅 Ds有关规范将不同构造和受力特点的钢构件和连接，按其疲劳性能的高低归并划分为 8个疲劳计算类别,并对每个类别规定了相应的参数取值。
第二章 钢结构的材料
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5、钢材的种类、规格和选用建筑用钢的种类,碳素结构钢（ GB/T 700）,低合金高强度结构钢 (GB/T1591)、优质碳素结构钢 (GB/T699)
钢结构所用的钢材规格,热轧成型的钢板和型钢,以及 冷加工成型的冷扎薄钢板 和 冷弯薄壁型钢 。
钢材选择的原则,安全可靠、经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素,结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。
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问题 1：淬硬性？
淬火工艺,将钢材加热到 900℃ 以上，保温后快速在水中或油中冷却。在极快的冷却速度下原子来不及扩散，形成碳原子过饱和的马氏体。从而增加了钢材的强度和硬度，同时时塑性和韧性降低。
淬硬性,钢材在正常淬火条件下，急速冷却所形成的马氏体组织所能达到的最高硬度的能力。
淬硬性只与钢材中的含碳量有关，含碳量越高，淬硬性越高。
