钢材力学性能.docx

水利工程材料检测

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建筑钢材力学性能

钢材的技术性能包括力学性能、工艺性能和化学性能等。力学性能主要包括拉伸性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等；工艺性能是钢材在加工制造过程中所表现的特性，包括冷弯性能、焊接性能、热处理性能等。只有了解、掌握钢材的各种性能，才能是正确、经济、合理地选择和使用各种钢材。

（一）拉伸性能

钢材的拉伸性能，典型地反映在广泛使用的软钢（低碳钢）拉伸试验时得到的应力σ与应变ε的关系上，如图7-1。钢材从拉伸到拉断，在外力作用下的变形可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

在拉伸的开始阶段，0A为直线，说明应力与应变成正比，即σ/ε=E。A点对应的应力σp称为比例极限。当应力超过比例极限时，应力与应变开始失去比例关系，但仍保持弹性变形。所以，e点对应的应力σe称为弹性极限。

当荷载继续增大，线段呈曲线形，开始形成塑性变形。应力增加到B上点后，变形急剧增加，应力则在不大的范围(B上、B下、B)内波动，呈现锯齿状。把此时应力不增加，应变增加时的应力σs，定义为屈服极限强度。屈服点σs是热轧钢筋和冷拉钢筋的强度标准值确定的依据，也是工程设计中强度取值的依据。该阶段为屈服阶段。超过屈服点后，应力增加又产生应变，钢材进入强化阶段，C点所对应的应力，即试件拉断前的最大应力σb，称为抗拉强度。抗拉强度σb是钢丝、钢绞线和热处理钢筋强度标准值确定的依据。BC为强化阶段。超过C点后，塑性变形迅速增大，使试件出现颈缩，应力随之下降，试件很快被拉断，CD为颈缩阶段。

图7-1低碳钢受拉应力—应变图7-2试件拉伸前和断裂后标距长度

钢材的σe和σs越高，表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力就越大。σb越大，则钢筋所能承受的应力就越大。屈服强度和抗拉强度之比（σs/σb）能反应钢材的利用率和结构安全可靠程度。计算中屈强比取值越小，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，则结构的安全可靠程度越高，但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般在0.60～0.75。

试件拉断后，将拉断后的两段试件拼对起来，量出拉断后的标距长，见图7-2。按公式（7-1）计算伸长率：

（7-1）

式中δ——试件的伸长率，%；

——原始标距长度，mm；

——断后标距长度，mm。

伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，其值越大说明钢材的塑性越好。塑性变形能力强，可使应力重新分布，避免应力集中，结构的安全性增大。塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远其变形越小。所以，原始标距与直径之比越小，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大，计算出来的δ值就越大。标距的大小影响伸长率的计算结果，通常以δ5和δ10分别表示=5d0和=10d0时的伸长率。对于同一种钢材，其δ5大于δ10。某些线材的标距用=100mm，伸长率用δ100表示。

中碳钢和高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，伸长率小。这类钢材由于没有明显的屈服阶段，难以测定屈服点，则规定产生残余变形为0.2%原标距长度时所对应的应力值，作为钢的屈服强度，称为条件屈服点，用σ0.2表示，如图7-3所示。

图7-3中、高碳钢σ-ε图

（二）冲击韧性

钢材抵抗冲击荷载不被破坏的能力称为冲击韧性。用于重要结构的钢材，特别是承受冲击振动荷载的结构所使用的钢材，必须保证冲击韧性。钢材的冲击韧性是用标准试件在做冲击试验时，每平方厘米所吸收的冲击断裂功（J/cm2）表示，其符号为αk。试验时将试件放置在固定支座上，然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲击弯曲而断裂，如图7-4所示。显然，αk值越大，钢材的冲击韧性越好。

图7-4钢材冲击韧性试验示意图（尺寸单位：mm）

（a）试件尺寸；（b）试验装置；（c）试验机

1-摆锤；2-试件；3-试验台；4-刻度盘；5-指针

影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂缝时，钢材的冲击韧性都会显著降低。

环境温度对钢材的冲击功影响很大。试验证明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度，其数值愈低，钢材的低温冲击韧性愈好。所以，在负温下使用的结构，应选