建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解

建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解 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，才能正确、经济、合理地选择和使用各种钢材。 一、力学性能一、力学性能 （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 7.7 所示。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。 图 7.7低碳钢受拉应力-应变 1.弹性阶段 在 OA 范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的 形状，这个阶段称为弹性阶段。 弹性阶段的最高点 A 所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A 点 时，应力与应变成线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用e 表示。弹性模量 反映钢材的刚度，即产生单位弹性应变时所需要应力的大小。 2.屈服阶段 当应力超过弹性极限σp 后，应力和应变不再成正比关系，应力在 B 上和 B 下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线 段。试件出现塑性变形，AB 称为屈服阶段，B 下所对应的应力值称为屈服极限 σs。 钢材受力达到屈服强度后，变形即迅速发展，虽然尚未破坏，但已不能满足 使用要求。所以设计中一般以屈服强度作为钢材强度取值的依据。 对于在外力作用下屈服现象不明显的钢材， 规定以产生残余变形为原标距长 度 0.2时的应力作为屈服强度，用σ0.2 表示，称为条件屈服强度。 3.强化阶段 当应力超过屈服强度后， 由于钢材内部组织产生晶格扭曲、 晶粒破碎等原因， 阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在σ -ε关系图 上形成 BC 段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点 C 的应力称为 抗拉强度，用σb 来表示，它是钢材所能承受的最大应力。 钢材屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比σs/σb） ，是评价钢材受力特征的 一个参数，屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强比较小时，表 示钢材的可靠性好，安全性高。但是屈强比过小，钢材强度的利用率偏低，不够 经济。合理的屈强比一般为 0.60～0.75。 4.颈缩阶段 当应力达到抗拉强度σb 后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急 剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。 将断裂后的试件拼合起来， 量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率 δ 式中L0试件原标距间长度，mm。 L1试件拉断后标距间长度，mm（图 7.8） 。 图 7.8试件拉伸前和断裂后标距长度 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 L5 和 L10 分别表示 L05d0 和 L010d0 的伸长率。对于同一种钢材，其 L5 大于 L10。某些 线材的标距用 L0100mm，伸长率用 L100 表示。 （二）冲击韧性 钢材抵抗冲击荷载作用而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。显然，αk 值越大，钢材的 冲击韧性越好，其原理如图 7.9 所示。 图 7.9钢材冲击韧性试验示意（单位mm） 影响钢材冲击韧性的因素很多， 当钢材内硫、 磷的含量高时， 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韧性影响很大。 试验证明，冲击韧性随温度的降低而 下降，开始时下降缓慢，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，其数值越低，钢材的低 温冲击韧性越好。所以，在负温下使用的结构，应选用脆性临界温度较使用温度 低的钢材。 由于脆性临界温度的测定较复杂，故规范中通常是根据气温条件规定 －20℃或－40℃的负温冲击值指标。 冲击韧性随时间的延长而下降的现象称为时效， 完成时效的过程可达数十年， 但钢材如经冷加工或使用中受振动和重复荷载的影响， 时效可迅速发展。因时效 导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性越大的钢材，经过时效后 冲击韧性的降低越显著。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用 时效敏感性小的钢材。 总之，对于直接承受动荷载，而且可能在负温下工作的重要结构，必须按照 有关规范要求进行钢材的冲击韧性检验。 （三）疲劳强度 钢材在交变荷载反复多次作用下， 可在最大应力远低于抗拉强度的情况下发 生突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度（或称疲 劳极限） 来表示， 它是试件在交变应力的作用下， 不发生疲劳破坏的最大应力值。 一般将承受交变荷载达 107 周次时不发生破坏的最大应力定义为疲劳强度。 在设 计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。 研究表明， 钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂 缝，由于裂缝尖端处产生应力集中而使裂缝迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材 内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等， 都是影响钢材疲劳强度的因素。 疲劳破坏常常是突然发生的， 往往造成严重事故。 （四）硬度 硬度是指钢材抵抗外物压入表面而不产生塑性变形的能力， 也即钢材表面抵 抗塑性变形的能力。 钢材的硬度是以一定的静荷载， 把一定直径的淬火钢球压入试件表面，然后 测定压痕的面积或深度来确定的。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏 法等，较常用的为布氏法和洛氏法。相应的硬度试验指标称布氏硬度（ HB）和 洛氏硬度（HR） 。 布氏法是利用直径为 D（mm）的淬火钢球，以P（N）的荷载将其压入试件 表面，经规定的持续时间后卸除荷载，得到直径为 d（mm）的压痕，以压痕表 面积 F （mm2） 去除荷载 P， 所得的应力值即为试件的布氏硬度值， 以数字表示， 不带单位。各类钢材的 HB 值与抗拉强度之间有较好的相关关系。钢材的强度越 高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也越大。对于碳素钢当 HBσb≈3.6HB；当 HB＞175 时，抗拉强度σb≈3.5HB。根据这一关系，可以直接在钢结构上测出钢 材的 HB 值，并估算出该钢材的抗拉强度，其原理图如图 7.10 所示。 图 7.10布氏硬度原理图 洛氏法是按压入试件深度的大小表示材料的硬度值。 洛氏法压痕很小，一般 用于判断机械零件的热处