钢材的力学性能

一、钢材的力学性能

1．强度

钢材在外力作用下抵抗破坏的性能称强度。

测定低碳钢的强度，可按照（GB1499—1988）的规定，直接从被检测的钢材中抽样进行；d＞20mm的钢筋也可以按照（GB228—1988）的规定切削加工成标准试件，然后在拉力机上做拉伸试验。图6－1所示为标准试件，其长度为5d₀＋200mm者为短试件，10d₀＋200mm者为长试件（d₀＝20，系被测钢筋直径）。

图6－1　钢材拉伸试件

d₀—试件直径；L—长试件为230mm，短试件为130mm；

l₀—测量长度；h—50～70mm

图6－2为拉伸试验后绘出的应力－应变图，从图上可以测得钢材的一系列力学性能。现在作如下分析：

图6－2　低碳钢应力－应变图

（1）弹性阶段

从图中可以看出，OA为一直线段，说明试件的应变与应力是成正比的，故称A点的应力为比例极限。当应力超过比例极限后，应力与应变开始失去线性比例关系，由直线过渡到微弯的曲线AB。在OB段内，若去掉外力后，试件则恢复到原来的长度，这种性质称为钢材的弹性。此种变形称作弹性变形。OB阶段称作弹性阶段，对应于B点的应力叫弹性极限（σ_e）。由于比例极限与弹性极限非常接近（A、B点），所以在实际上常认为两者相等。

在弹性阶段内，应力σ与应变ε的比值即为弹性模量E，单位为MPa，计算式：

例如：Q235钢的E＝0．21×10⁶MPa，25MnSi钢的E＝0．2×10⁶MPa。弹性模量是衡量钢材产生弹性变形难易程度的指标。E越大，说明使其产生一定量弹性变形的应力也越大。

（2）屈服阶段

当应力超过弹性极限后，应力与应变不再成正比关系，此时应力不增加，但应变却迅速增长，说明钢材暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。这个阶段BC，叫做屈服阶段；此时，若失掉外力，试件也不能恢复到原长，钢材的这种性质称为塑性，不能恢复的变形称塑性变形。在波动的BC段内，C_上称为最高值，C_下称为最低值，对应C_下点的应力称为屈服极限，或称屈服强度、屈服点，以σ_s表示。钢材受力达到屈服点以后，变形就迅速发展，尽管此时钢材尚未破坏，但是已不能满足使用要求，故在设计时一般以屈服点σ_s或下屈服点σ_SL作为强度取值的依据。

（3）强化阶段

钢材从弹性阶段过渡到屈服阶段，其性质从弹性转化为塑性，发生了质的变化，反映了钢材内部组织起了变化（晶格的一部分相对另一部分，沿着一定的晶面产生滑移）。过屈服点后，钢材的内部组织重新建立了新的平衡，恢复了抵抗外力的能力，此时，曲线又开始上升，直至最高点D。曲线CD段，称为强化阶段。对应于D点的应力称为强度极限，又叫抗拉强度，用σ_b表示。

图6－3　颈缩现象示图

（4）颈缩阶段

达到顶点D（σ_b）之后，应变显著加大，而应力逐渐下降，在试件的其一部位断面开始显著萎缩，称为颈缩现象，如图6－3。应变迅速增大，应力随之下降，最后在K点处断裂。曲线DK称钢材的颈缩断裂阶段。

根据拉伸图可以求出钢材的强度与塑性指标。

低碳钢的σ_s为240MPa，σ_b约为400MPa。屈服强度和抗拉强度是衡量钢材强度的两个重要指标，也是设计中的重要依据。在工程中，希望钢材不仅具有高的σ_s，并且应具有一定的“屈强比”（即屈服强度与抗拉强度的比值，σ_s／σ_b）。屈强比是反映钢材利用率和安全可靠程度的一个指标。在同样的抗拉强度下，屈强比越小，说明钢材可利用的应力值越小（即σ_s小），其可靠性则越高。若出现超载，因钢材的抗拉强度远高于屈服强度，而不至于立即断裂；但屈强比过低，有效利用率则太低，会导致浪费钢材。反之，屈强比过高，钢材利用率提高，但安全可靠性却降低了。所以，选用钢材时应两者兼顾；即在保证安全可靠的前提下，尽量提高钢材的利用率。合理的屈强比一般应在0．6～0．75范围内，如Q235碳钢的屈强比为0．58～0．63，低合金钢为0．65～0．75，合金结构钢为0．85左右。

2．塑性

所谓塑性是指钢材在外力作用下，产生永久变形但不被破坏的性能。钢材的塑性好，不仅便于进行各种冷加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用，不致因局部超载或震动而引起构件的突然破坏。所以，塑性也是评定钢材质量的重要指标。

钢材的塑性指标有两个，它们都是表示钢材在外力作用下产生塑性变形的能力：一是伸长率；二是断面收缩率。计算公式如下：

式中　δ——钢材的伸长率；

　　　L₀——试件标距原始长度，mm；

　　　L₁——试件拉断后标距长度，mm；

　　　ψ——钢材断面收缩率；

　　　A₀——试件原始截面面积，mm²；

　　　A₁——试件拉断时断口的截面面积，mm²。

上述两个塑性指标中，伸长率的大小与试件尺寸有关，一般规定试件计算长度为其直径的5倍或10倍，伸长率分别用δ₅和δ₁₀表示。通常以伸长率大小来区别钢材的塑性好坏。δ越大，表明钢材的塑性越好。当δ＞2％～5％时，称塑性材料，如铜、铁等；δ＜2％～5％的称脆性材料，如铸铁等。低碳钢的塑性指标平均值为：δ＝15％～30％，ψ≈60％。

【例1】　经切削加工的试件直径为20mm，作拉伸试验，达到C_下点时，试验机上荷载读数为90252N（F_s），到达D点时的读数为133416N（F_b），试件的测量长度为200mm，拉断后的长度为260mm，试计算屈服点、抗拉强度和伸长率各为多少。

【解】　计算钢筋的截面积

A₀＝πr²＝3．14×10²＝314mm²

再计算屈服点和抗拉强度：

计算伸长率

因为L₀／d₀＝10，所以，用δ₁₀来表示本钢材试件的伸长率，即：

3．冲击韧性

冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下，抵抗破坏的性能。

建筑物中重要的钢结构及使用时承受动荷载作用的构件，特别是处在低温条件下，要求钢材具有一定的冲击韧性。

钢材的冲击韧性值通过冲击试验机进行测定。把标准试件置于冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，以破坏试件时每单位面积上所消耗的能量作为材料的冲击韧性指标，用α_k（J／cm²）表示，α_k值越大，冲击韧性越好。

α_k值低的材料叫脆性材料，它在荷载作用下不发生显著变形即被破坏；α_k值较高的材料在破坏前都先发生明显变形。对于经常承受较大冲击荷载作用的结构，要选用α_k较高的钢材制作。如重级工作制和起重量大于50t的中级工作制起重机焊接的大臂（吊车梁）、桁架等都要求具有足够的冲击韧性。