钢结构设计原理 第二章 钢结构的材料

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1、第二章钢结构的材料§2-1钢材在单轴均匀受拉状态下的力学性能一、低碳钢拉伸试验的应力应变(σ-ε)曲线该曲线分为四个阶段：图2-1低碳钢单向均匀拉伸的应力－应变曲线O—E：弹性阶段；E—F：弹塑性阶段；F—B：强化阶段；B—D：颈缩—断裂。、、、。※对于没有明显屈服点和塑性平台的钢材（高碳钢），以卸载后试件的残余应变所对应的应力为其屈服点，即条件屈服点。问：设计时为什么取屈服点作为钢材的强度设计值？答：a.通常我们认为是弹性和塑性的分界点，且钢材屈服后的塑性变形为弹性变形的200倍，破坏时有征兆，易被人们察觉；b.屈服点至极限强度之间的塑性工作区段很大，是

2、钢结构的强度储备。二、钢材的性能指标之一（,,,180°冷弯）1.强度：屈服强度、（强度设计指标）极限（抗拉）强度2.塑性性能：1伸长率δ=×100％，代表材料在单向拉伸时的塑性应变能力；当试件标距长度与试件直径d（试件截面为方形时，采用试件截面的边长）之比为10时，以表示；当比值为5时，以表示（＜）。2断面收缩率ψ=×100％※屈服强度、抗拉强度、伸长率是钢材的三个重要力学性能指标。3.180°冷弯钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对裂纹的抵抗能力的一项指标。图2—2冷弯试验示意图冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲能力或塑性性能，还能暴

3、露钢材内部的冶金缺陷。故冷弯性能合格与否是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。※关键词应力——stress；应变——strain；弹性阶段——elasticstage；弹性变形——elasticdeformation；弹塑性阶段——elastic-plasticstage；塑性阶段——plasticstage；塑性变形——plasticdeformation；强化阶段——reinforcementstage；强度——strength；屈服点——yieldpoint；抗拉强度——tensilestrength；塑性——plasticity

4、；伸长率——percentageelongation；冷弯试验——coldbendingtest；冷弯性能——coldbendingperformance；§2-2钢材在多轴应力状态下的力学性能图2—3复杂应力状态在轴向拉伸试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。在复杂应力如平面或立体应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论（或第四强度理论）计算的折算应力与单向应力下的屈服点相比较来判断：1平面应力时：2一般的梁中，只存在正应力与剪应力：3纯剪时(T作用)：；取，得，即钢材的抗剪强度设计值为屈服点的0.58倍。※关键词应力——

5、stress；应变——strain；§2-3钢材的动力性能土木工程设计中，常遇到汽车、火车、厂房吊车等荷载作用，这些荷载称为动力（冲击）荷载。钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验得到的，属于静力性能，用于承受动力荷载时，显然有很大的局限性，而韧性试验则可获得钢材的一种动力性能。韧性是衡量钢材承受动力荷载作用时抵抗脆性破坏的性能，是材料在断裂时吸收机械能能力的量度。钢材断裂时吸收的能量愈多，韧性愈好。其值为图2—1中曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈好，所以韧性是钢材强度和塑性的综合指标。韧性指标用冲击韧性值表示，用冲击韧性试验获得，是判断钢材在冲

6、击荷载作用下是否出现脆性破坏的主要指标之一。图2-4冲击韧性试验冲击韧性试验中，冲断试件后，断口处单位面积上的功即为冲击韧性值，单位为。冲击韧性值与试件缺口形式有关，常用缺口形式有夏氏V型（图2—4b）和梅氏U型（图2—4c）。由于夏氏V型缺口比较尖锐，缺口根部的高峰应力及其附近的应力状态更接近实际构件中可能出现的严重缺陷，故现行国家标准规定，冲击试验缺口采用夏氏V型。由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，故冲击韧性值受温度影响，特别是当温度低于某值时，将急剧降低。当结构处于低温工作环境，并承受动载荷作用时，不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要保

7、证负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标。以保证结构具有足够的抵抗脆性破坏的能力。冲击韧性除和钢材的质量密切相关外，还与钢材的轧制方向有关。由于顺着轧制方向（纵向）的内部组织较好，故在纵向切取的试件的冲击韧性值较高，横向则较低。现行国家标准规定采用纵向。用于提高钢材强度的合金元素会使冲击韧性降低，故低合金钢的冲击韧性比低碳钢的略低。必须改善这一情况时，需经热处理。总之，冲击韧性是衡量钢材断裂时所做功的指标，其值随金属组织和结晶状态的改变而急剧变化，钢材中的非金属夹杂、脱氧不良等都将给钢材的冲击韧性带来不良影响。冲击韧性是钢材在冲击荷载或多向拉应力下具

8、有可靠性能的保证，可间接反映钢材抵抗低温、应力集中、多向拉应力、加