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钢结构基本原理Basic principles of steel structures赵宪忠x.zhao@tongji.edu.cn 结构设计概念Advantages:……冶金钢材制作构件 + 节点安装结构体系荷载作用强度、稳定性、变形能力内力、变形、振动S ≤ R 基于性能的设计要求:安全性、使用性、耐久性荷载效应抗力R 钢结构材料主要内容 结构钢对材料基本性能的要求 影响钢材性能的一般因素 复杂应力与应力集中 疲劳破坏 钢材分类、规格和选用 结构钢材的新发展 结构钢对材料基本性能的要求预备知识：钢材单向拉伸试验 标准拉伸试样 取样位置：钢板端部垂直于轧制方向 试样：形状与尺寸 标准加载方式 加载速率 标准试验温度 室温 N0.2%比例极限线弹性屈服流幅强化颈缩断裂屈服荷载极限荷载弹性模量规定非比例伸长应力真实应力结构钢对材料基本性能的要求预备知识：钢材单向拉伸试验曲线 Strain-hardening strain is 10 to 15 times yield strain for mild steel or low-alloy steel. How about the ultimate strain?名义应力 = 工程应力 = 应力真实应力 结构钢对材料基本性能的要求? ?结构钢对材料基本性能的要求塑性：伸长率和面缩率易量测真实，难量测 结构钢对材料基本性能的要求冲击性能：静力韧性冲击韧性 冲击韧性：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 是强度和塑性的综合表现 夏氏V形冲击试验与温度密切相关? 结构钢对材料基本性能的要求冷加工性能 冷加工性能：钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性 变形时，对发生裂缝的抵抗能力 冷弯试验 检验冷加工工艺 鉴定钢材的塑性和可焊性 结构钢对材料基本性能的要求可焊性 可焊性 施工可焊性：在一定的焊接工艺下，焊缝及热影响区(HAZ)未发生焊接裂缝 使用可焊性：焊缝及热影响区(HAZ)的力学性能都不低于母材 碳当量CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 结构钢对材料基本性能的要求耐久性 耐腐蚀性能 30-40% 的钢铁因腐蚀而失效 耐候钢：Cu-P-Ti-Re, e.g. 09CuPCrNi, SAM400AW 抗疲劳性能 疲劳专题 影响钢材性能的因素 化学成分 Fe, C, Si, Mn, V, S, P, O, N, others 生产过程 冶炼方法，浇铸过程，轧制工艺 不均匀温度场引起的残余应力 时效 时间 — 硬化 应力应变历史 超屈服加载—硬化，冷作硬化 温度 高温 低温 加荷速度 高速率，高应变 影响钢材性能的因素 化学成分钢 材陶 瓷 影响钢材性能的因素 化学成分 影响钢材性能的因素 化学成分强度塑性韧性可焊性耐久性铁 Iron↓↑碳 Carbon↑↓↓↓↓硅 silicon↑----锰 manganese↑--- (↓)- (↓)矾 vanadium↑---↑硫 Sulfur↓↓↓↓↓磷 phosphorus↑↓↓↓↓↓↑氧 oxygen↓↓↓↓↓氮 nitrogen↑↓↓↓↓ 影响钢材性能的因素 生产过程 影响钢材性能的因素 生产过程空气纯净度(杂质)冷却与脱氧(镇静钢与沸腾钢)轧制次数(不同板厚的强度)不均匀冷却(残余应力)微量元素(各种性能)冷却温度和持时(韧性、可焊性) 影响钢材性能的因素 生产过程 残余应力的产生先冷却部分被后冷部分被动压缩后冷却部分自由收缩受限高温热塑状态 冷却过程的不均匀温度场纵向残余应力拉应力压应力残余应力的特点：自应力（无外部作用） 自平衡（力系平衡）残余应力的描述：分布 峰值 三维性影响钢材性能的因素 生产过程：残余应力 正火：钢材加热至850~900 0C，保持一段时间后 在空气中自然冷却调质：淬火+回火；即钢材加热至900 0C以上，保温 一段时间后放入水中或油中快速冷却(淬火)； 再将钢材重新加热至650 0C并保温 一段时间， 然后在空气中自然冷却(回火)影响钢材性能的因素 生产过程：热处理目的：通过金相组织改变，使钢材强度提高的同时 保持良好的塑性和韧性 影响钢材性能的因素 时效和冷作硬化N碳氮从纯铁体中析出，碳化物、氮化物阻碍晶格滑移材料经历过塑性变形，再次加载时屈服点提高 影响钢材性能的