建筑钢材力学性能与应力-应变曲线及时效敏感性分析

建筑钢材的力学性能主要有抗拉屈服强度σs、抗拉极限强度σb、伸长率δ、硬度和冲击韧性等。

1.抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材的重要性能。这一性能可以通过受拉后钢材的应力与应变曲线反映出来。图7-2（a）所示为建筑工程中常用低碳钢受拉后的应力-应变曲线。图中的屈服强度（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是钢材的重要技术指标。

（1）屈服点（屈服强度σs）是结构设计取值的依据，低于屈服点的钢材基本上是在弹性状态下正常工作，该阶段为弹性阶段。应力与应变的比值为常数，该常数为弹性模量

当对试件的拉伸应力超过a点后，应力、应变不再成正比关系，钢材开始出现塑性变形进入屈服阶段bc，bc段最低点所对应的应力值为屈服强度。

（2）抗拉强度（σb）。试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，这一阶段称为强化阶段。对应于最高点d 的应力值称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。

屈强比（σs/σb）即屈服强度与抗拉强度之比，反映了钢材的利用率和使用中的安全程度。屈强比不宜过大或过小，应在保证安全工作的情况下有较高的利用率。比较适宜的屈强比应在0.6～0.75范围内。

图7-2（b）表示高碳钢受拉时的应力-应变曲线。与低碳钢的应力-应变曲线比，高碳钢应力-应变曲线的特点是：抗拉强度高、塑性变形小和没有明显的屈服点。其结构设计取值是人为规定的条件屈服点（σ0.2），即将钢件拉伸至塑性变形达到原长的0.2%时的应力值。

图7-2　钢受拉时的应力-应变曲线

（a）低碳钢拉伸时的应力-应变曲线；（b）高碳钢受拉时的应力-应变曲线

图7-3　钢材的伸长率

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动画：钢材冲击试验

（3）伸长率（δ）表示钢材被拉断时的塑性变形值（l1－l0）与原长（l0）之比，即×100%，如图7-3所示。伸长率反映钢材的塑性变形能力，是钢材的重要技术指标。建筑钢材在正常工作中，结构内含缺陷处会因为应力集中而超过屈服点，具有一定塑性变形能力的钢材，会使应力重分布而避免了钢材在应力集中作用下的过早破坏。由于钢试件在颈缩部位的变形最大，原长（l0）与原直径（d0）之比为5倍的伸长率（δ5）大于同一材质的l0/d0 为10倍的伸长率（δ10）。另外，还可以用截面收缩率（ψ），即颈缩处断面面积（A0－A）与原面积（A0）之比，来表示钢的塑性变形能力。

2.冲击韧性

冲击韧性是指钢材受冲击荷载作用时，吸收能量、抵抗破坏的能力，以冲断试件时单位面积所消耗的功（αk）来表示。αk 值越大，钢材的冲击韧性越好。

图7-4　温度对冲击韧性的影响

影响冲击韧性的因素有钢的化学组成、晶体结构及表面状态和轧制质量，以及温度和时效作用等。随环境温度降低，钢的冲击韧性也会降低，当达到某一负温时，钢的冲击韧性值（αk）突然发生明显降低，此为钢的低温冷脆性（图7-4），此刻温度称为脆性临界温度。其数值越低，说明钢材的低温冲击性能越好。在负温下使用钢材时，要选用脆性临界温度低于环境温度的钢材。

随着时间的推移，钢的强度会提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。因时效而使性能改变的程度为钢材的时效敏感性。钢材受到振动、冲击或随加工发生体积变形，可加速完成时效。对于承受动荷载的重要结构，应选用时效敏感性小的钢材。

3.硬度

钢材的硬度是指其表面抵抗重物压入产生塑性变形的能力。测定硬度的方法有布氏法和洛氏法，较常用的方法是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值（HB）。

布氏法是利用直径为D（mm）的淬火钢球，以一定的荷载FP（N）将其压入试件表面，得到直径为d（mm）的压痕，以压痕表面积S 除荷载FP，所得的应力值即为试件的布氏硬度值HB，以不带单位的数字表示。

4.耐疲劳性能

钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，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疲劳极限来表示，是指疲劳试验中试件在交变应力作用下，在规定的周期内不发生疲劳破坏所能承受的最大应力值。