《金属结构设计》第一章金属结构材料和性能

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1、1.金属结构材料和性能目录1.金属结构材料和性能§1.1钢材的性能§1.2影响钢材性能的主要因素§1.3钢材的疲劳§1.4钢材的种类、标号、规格及选用1.金属结构材料和性能§1.1钢材的性能§1.1.1钢材在单向均匀拉力作用下的性能§1.1.2钢材在复杂应力状态下的性能§1.1.3钢材的塑性§1.1.4钢材的韧性§1.1.5钢材的可焊性§1.1.6钢材的冷弯性能§1.1.7钢材的耐久性§1.1.8钢材的破坏形式1.金属结构材料和性能钢材在单向均匀拉力作用下的性能常用静力拉伸试验曲线，即应力－应变曲线表

2、示。§1.1.1钢材在单向均匀拉力作用下的性能低碳钢受拉时的应力－应变曲线从图上可看出，整个拉伸过程，钢材经历了如下四个阶段：(1)弹性阶段（OE段）(2)屈服阶段（ECF段）(3)强化阶段（FB段）(4)紧缩阶段（BD段）1.金属结构材料和性能在曲线OE段，钢材处于弹性阶段，即荷载增加时变形也增加，荷载降低到零则变形也降低到零。(1)弹性阶段（OE段）OA段：荷载与伸长成比例（应力与应变成比例），完全符合虎克定律，fp为比例极限。AE段：荷载与伸长不成成比例，fe为弹性极限。低碳钢受拉时的应力－应变

3、曲线1.金属结构材料和性能当荷载超过Ne()后变形与荷载不成正比，变形增加很快，曲线呈锯齿形波动，甚至荷载不增加时，变形继续发展，这就是钢材的屈服。⑵屈服阶段（ECF段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线屈服阶段曲线上下波动，波动曲线的下限，称为屈服极限或屈服点，用fyE-F点的应变幅度称为流幅，流幅越大钢材的塑性越好。1.金属结构材料和性能屈服阶段后钢材的晶粒重新排列，使之能抵抗更大的荷载，曲线略有上升，达到顶点B，这个阶段称为强化阶段。(3)强化阶段（FB段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线对应于B点的荷载

4、Nu是试件所能能承受的最大荷载，叫极限荷载，相应的应力fu称为抗拉强度或极限强度或强度极限。1.金属结构材料和性能(4)紧缩阶段（BD段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线当荷载达到极限值时，在试件材料质量较差处的截面出现局部横向收缩，截面面积开始明显缩小，塑性变形迅速增大，这种现象叫颈缩现象。钢材颈缩后，荷载不断减少，变形却继续发展，直到D点试件断裂。1.金属结构材料和性能由钢材受拉时的应力－应变曲线得出的结论①由于比例极限fp、弹性极限fe和屈服极限fy很接近，在计算金属结构时可以认为刚材在屈服极限之前

5、是弹性体。当应力达到屈服极限后，结构将产生很大的、使用上不允许的残余变形，因此，设计时取屈服极限为钢材可达到的最大应力。②钢材在屈服极限之前接近理想的弹性体，屈服极限之后的流幅现象又接近理想的塑性体，因此可认为钢材最符合理想的弹性－塑性材料。③强度极限fu是材料抗拉的最大承载力，但材料破坏时塑性变形太大，故强度极限不能作为计算依据，只能作为强度储备。1.金属结构材料和性能对于接近理想弹塑性体的钢材，采用米塞斯准则较好，该准则认为：材料的形状改变比能达到某一极限值时，材料开始屈服。即所谓第四强度理论。§

6、1.1.2钢材在复杂应力状态下的性能钢材在复杂应力状态下的屈服条件：弹性状态塑性状态即剪应力达到屈服极限的0.58倍时，钢材进入塑性状态，所以钢材的抗剪强度设计值fv取为0.58f。1.金属结构材料和性能①在同号平面主应力作用下，钢材极限强度和弹性工作范围有所提高，塑性下降。在异号平面主应力作用下，情况正好相反。②在三向主应力作用下，情况同上。前者如裂纹尖端处应力集中，后者如受局部挤压区域。钢材在复杂应力作用下的性能发生的变化1.金属结构材料和性能§1.1.3钢材的塑性当应力超过屈服点后，能产生显著的

7、残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率和断面收缩率表示。通过静力拉伸试验得到。l1为试件拉断后标距间长度。l0为试件拉断前标距间长度。伸长率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率。断面收缩率A0——试件原来的断面面积；A1——试件拉断后颈缩区的断面面积结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。1.金属结构材料和性能§1.1.4钢材的韧性钢材在塑性变形和断裂的过程中

8、吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。钢材的韧性指标用冲击韧性ak表示。式中——试验机刻度盘上直接读出的冲击功（单位N·ｍ或J）。——试件缺口处的净截面面积（单位cｍ2）。新标准GB700－88（碳素结构钢）和GB1591－88（低合金结构钢）规定，冲击试验用夏比V型缺口试件。冲击韧性指标直接用冲击功（J）表示，即1.金属结构材料和性能§1.1.5钢材的可焊性