第1页：影响钢材性能的主要因素
3.了解钢材疲劳破坏及计算方法。2.3影响钢材性能的因素2.4常幅疲劳计算钢结构的材料。
第2页：碳是决定钢材性能的主要元素
2.3.1化学成分的影响有益元素：硅、锰、铝、钛、钒、铌；有害元素：硫、磷、氮、氧。
1、碳（C)是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。2.3影响钢材性能的因素。
第3页：化学成分对钢材性能的影响
本页以图示为主，建议结合「化学成分对钢材性能的影响」对照原课件图片理解其构造与做法。
第4页：化学成分对钢材性能的影响
- 2、锰(Mn)–锰是弱脱氧剂
- 硅可以显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性
- 锰消除热脆性
- 过量时会影响可焊性
加入锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。
第5页：化学成分对钢材性能的影响
- 3、硅(Si)
- 硅是强脱氧剂，是制作镇静钢的必要元素。加入
- 硅可以与钢中有害成分FeO形成SiO2而进入钢渣排
- 出，起到脱氧的作用。硅适量是可提高钢材的强
- 度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊
- 性。过量时会恶化钢材的可焊性和抗锈蚀性。硅
- 导致冷脆性
第6页：钒、铌、钛
- 4、钒、铌、钛
- 铝、钛、钒、铌是炼钢时的强脱氧剂和合
- 金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改
- 善韧性，并显著提高强度
第7页：铝、铬、镍
- 5、铝、铬、镍
- 铝是强脱氧剂，能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性
- 铬、镍可以提高强度、塑性和低温冲击韧性、耐腐蚀性等
第8页：硫、磷、氧、氮
- 6、硫（S)、磷(P)、氧(O)、氮（N)
- 硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成
- 进行热加工时，共晶体熔化，晶粒分离，使钢
- 材沿晶界破裂，这种现象叫做热脆性
- 磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低
- 钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲
- 击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂
- 这种现象叫做冷脆性
低熔点的共晶体。当钢材温度升至1000℃以上。
第9页：化学成分对钢材性能的影响
- 氧能使钢材热脆，其作用比流剧烈；氮能
- 使钢材冷脆。降低了钢材的强度、冷弯性
- 能和焊接性能
第10页：成材过程的影响
- 2.3.2成材过程的影响
- 1、冶炼
- 2、浇铸
- 3、轧制
- 4、热处理
第11页：成材过程的影响
- 冶炼
- 冶炼方法主要有平炉炼钢法和转炉炼钢法
- 冶炼过程主要是控制钢材的化学成分，从而达到控制钢材性能的目的
第12页：成材过程的影响
- 浇铸
- 浇铸就是把钢水转变为钢坯的过程
- 浇铸时要对钢水进行脱氧，根据脱氧程度的不同，钢可分为:
- 沸腾钢
- 镇静钢
- 半镇静钢
- 特殊镇静钢
第13页：成材过程的影响
- 轧制是将钢锭热轧成钢板和型钢，改善了钢材的内部组织和力学性能
- 轧制的钢材愈小(愈薄)，其强度愈高，塑性和冲击韧性愈好
- 轧制钢材，由于其内部非金属夹杂物被压成薄片，在较厚的钢板中会出现分层(夹层)现象
- 残余应力是内部自相平衡的应力。轧制
钢材经热轧后，由于不均匀冷却会产生残余应力，一般在冷却较慢处产生拉应力，冷却早的地方产生压应力。
第14页：结构钢材的脆性破坏
- –2.3.3结构钢材的脆性破坏–
- 1、冷加工硬化–
- 2、时效硬化–
- 3、负温影响–
- 4、在低温区应注意焊缝质量–
- 5、应力集中–
- 6、结构突然受力
第15页：硬化的形式
应变时效不管哪一种硬化，都会提高钢材的强度，降低钢材的塑性和韧性，对钢材的使用不利，钢结构不利用硬化提高强度，相反对特殊和重要的结构还需消除硬化的影响。
第16页：钢材的性能发生变化的现象
- 时效的原因
- 纯铁体中碳和氮的固熔物质，从纯铁体中析出，形成自由的碳化物和氮化物微粒，散布在晶粒的滑移面上，起着阻碍滑移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形
- 时效硬化
- 随时间的推移，钢材的性能发生变化的现象称时效
时效使钢材强度(屈服点和抗拉强度)提高，塑性降低，特别是冲击韧性大大降低，钢材变脆。发生时效的过程可以从几天到几十年。
第17页：冷作硬化
- 冷作硬化
- 钢结构制造时，在冷(常温)加工过程中引起的钢材硬化现象，通常称为冷作（应变）硬化
冷作硬化会改变钢材力学性能，即强度提高，但是降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加出现脆性破坏的可能性，对钢结构是有害的。钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。
第18页：应变时效
第19页：温度升高时对钢材的影响
- 温度升高时对钢材的影响
- 在200℃以内性能没有很大变化
- 430~540℃之间则强度急剧下降
- 到600℃时强度很低不能承担荷载
- 250℃附近有兰脆现象
约260~320℃时有徐变现象8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)。
第20页：左右的区间内
- 徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象
蓝脆现象指温度在250℃左右的区间内，fu和fy升高，塑性降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。
结合200℃以内材性无大变化的性能看，结构表面所受辐射温度应不超过这一温度。设计时以规定150℃为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。
第21页：温度降低时对钢材的影响
- 温度降低时对钢材的影响
- 在负温范围fu与fy都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出
- 材料由塑性破坏转到脆性破坏是在这一区间内完成的
- 曲线最陡点所对应的温度T0该种钢材的转变温度
中间部分曲线较陡，破坏时需要的能量随温度而急剧变化，这部分对应的温度用T1，及T2表示，Tl与T2之间称作温度转变区。
低能部分脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0C冲击断裂功CvT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线。
第22页：应力集中应力集中的概念构件表
应力集中应力集中的概念构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力—应力集中。
第23页：常幅疲劳计算
- –2.4常幅疲劳计算–
- 1、疲劳断裂–
- 2、循环应力–3、Δσ-n曲线–
- 4、疲劳验算及容许应力幅
第24页：构件形状与应力集中构件形状变
- 构件形状与应力集中构件形状变化愈是急剧，应力集中现象愈严重，钢材的塑性也就降低愈厉害
第25页：常幅疲劳荷载——所
第26页：常幅疲劳验算公式
- （1）常幅疲劳验算公式
- ——焊接结构的应力幅
- max
- min；非焊接部位的应力幅
- min，应力拉为正，压为负。[
- ]——常幅疲劳的容许应力幅
第27页：焊接结构的应力幅公式
- 其验算公式为
- 焊接结构的应力幅公式
第28页：应力集中与疲劳破坏
- 非焊接结构的验算公式为非焊接结构的疲劳图系数k＝o.7，是由试验数据统计而确定的
第29页：各类结构和连接类别
第30页：疲劳计算应
- 疲劳计算应注意的问题
- 进行疲劳强度计算时，应注意下列问题
(1)按概率极限状态计算方法进行疲劳强度计算，目前正处于研究阶段，因此，疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载应采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，而且应力按弹性工作计算。
(2)根据应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过容许值就会产生疲劳裂纹。
但由于裂纹形成的同时，残余应力自行释放，在完全压应力(不出现拉应力)循环中，裂纹不会继续发展，故规范规定此种情况可不予验算。
第31页：直接承受动力荷载重复作用的构件及连接
- （4）根据试验，不同钢种的不同静力强度对焊接部位的疲劳强度无显著影响
- 故可认为，疲劳容许应力幅与钢种无关
(3)直接承受动力荷载重复作用的构件及连接，当应力变化的循环次数大于或等于5×104时，应进行疲劳计算。
只是轧制钢材(因其残余应力较小)和经焰切的钢材和经过加工的对接焊缝(因其残余应力因加工而大为改善)，疲劳强度有随钢材强度提高而稍有增加的趋势，但这些连接和主体金属一般不在构件疲劳计算中起控制作用。
第32页：例一焊接箱形钢梁
- 该梁由手工焊接而成，属4类构件，若欲使构件在服役期限内，能承受2×106次交变荷载作用
- 试校核其疲劳强度
例一焊接箱形钢梁，在跨中截面受到Fmin=10 kN和Fmax=100 kN的常幅交变荷载作用，跨中截面对其水平形心轴z的惯性矩Iz=68.5×10-6m4。
第33页：常幅疲劳计算与影响因素总结
- 2.确定[Ds]，并校核疲劳强度显然从表中查得C=2.18×1012，b=3，解
- 1.计算跨中截面危险点（a点）的应力幅
第34页：常幅疲劳计算与影响因素总结
本页以图示为主，建议结合「常幅疲劳计算与影响因素总结」对照原课件图片理解其构造与做法。
第35页：杭州火车东站
第36页：杭州湾跨海大桥
第37页：常幅疲劳计算与影响因素总结
本页以图示为主，建议结合「常幅疲劳计算与影响因素总结」对照原课件图片理解其构造与做法。
第38页：常幅疲劳计算与影响因素总结
本页以图示为主，建议结合「常幅疲劳计算与影响因素总结」对照原课件图片理解其构造与做法。
第39页：化学成分碳硅强度塑性
- 各种因素对钢材主要性能的影响
- 1、化学成分碳硅强度塑性、韧性和疲劳，焊接性和抗腐蚀性强度塑性和韧性无明显影响
锰强度和硬度能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性有益元素磷硫强度、屈强比、硬度塑性和韧性低温冷脆热脆性各种机械性能氧氮强度塑性特别是韧性热脆性强度塑性特别是韧性低温冷脆有害元素。
第40页：影响钢材机械性能的因素
- 冶炼缺陷
- 偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层
- 影响钢材机械性能的因素
- 薄钢板的强度比厚钢板的强度高
- 3、钢材硬化冷作硬化时效硬化人工时效
2、冶炼、浇注和轧制的影响按脱氧程度或方法不同而分为沸腾钢(F)、镇定钢(Z)、半镇定钢(b)和特殊镇定钢(TZ)。
第41页：温度影响温度升高
- 蓝脆
- 在250度左右时徐变：当温度在260—320度时当温度达到600度时强度很低，不能承担荷载
- 4、温度影响温度升高，钢材强度是降低、应变增大
- 反之，温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆
- 2.4影响钢材机械性能的因素
- （1）温度升高
- （2）温度降低当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加---低温冷脆
第42页：复杂应力的影响钢材常
- 6、复杂应力、应力集中及残余应力
- 当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段
- 当σeq≥ fy时，钢材处于塑性阶段
(1)复杂应力的影响钢材常是在两向或三向的复杂应力状态下工作，这时钢材的屈服并不取决于某一个方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的相当应力（也称折算应力）来表示。
第43页：应力集中应力集中
- (2)应力集中应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一
- 因此，只要符合设计与施工规范的有关规定，计算时可不考虑应力集中的影响
影响钢材机械性能的因素钢结构中应力集中现象不可避免，但只要在设计和施工时注意采取合理的构件形状和构造措施，使截面的变化平缓过渡，就能降低应力集中的影响。
另外，在常温下承受静力荷载作用的钢结构，由于建筑钢材的塑性较好，当应力在局部达到屈服应力后，钢材的塑性变形使应力重分布，应力分布不均匀现象也会趋于平缓。
第44页：残余应力的影响对钢材进行热轧
- 残余应力对构件的静力计算强度无影响
- 但使构件的刚度及稳定性降低
(3)残余应力的影响对钢材进行热轧、气割、焊接等加工时，由于构件各部分受到不均匀的加热和不均匀的冷却，使同截面上的各部分产生不均匀的膨胀和收缩，从而截面上产生自相平衡的应力称为残余应力。
残余应力与荷载产生的应力叠加会产生二向或三向应力，使构件处于复杂应力状态，降低钢材的冲击韧性和抗疲劳破坏能力，加剧低温脆断。
第45页：钢材的疲劳疲劳破坏前构件没
- 影响钢材机械性能的因素
- 6、钢材的疲劳疲劳破坏前构件没有明显的变形特征，属于脆性破坏
- 疲劳强度与应力幅、应力比、应力集中程度和应力循环次数有关
疲劳计算采用容许应力幅法，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算。
第46页：钢材的种类
- 钢材的种类、规格及选用我国在建筑钢结构中主要采用的钢材：碳素结构钢、低合金高强度结构钢
1、钢材的种类钢材的牌号Q X X X代表屈服强度的字母；脱氧方法符号质量等级符号屈服点的数值例如：Q235AF。
第47页：向钢的牌号
- Z向钢的牌号
- 当钢板厚度较大时，为防止钢材在焊接或在厚度方向承受拉力而发生分层撕裂，要求采用一种能抗层状撕裂的钢材，Z向钢。Z X截面收缩率代表Z向钢
第48页：结构的重要性荷载特征连接方
- 结构的重要性荷载特征连接方法结构所处的温度和环境钢材的厚度
- 2、钢材的选用原则
