钢材力学性能提要-土木工程材料

钢材的力学性能主要有抗拉、冷弯、冲击韧性、耐疲劳性和硬度等。

（1）抗拉性能

抗拉性能是钢材的重要性能。可用低碳钢（软钢）受拉的应力-应变图来阐明，如图8.2所示。图中分为四个阶段：

1）弹性阶段

弹性阶段为OA范围内，若卸去拉力，试件能完全恢复原状，这种性质称为弹性。与A点对应的应力称为弹性极限，用σp表示。此阶段应力与应变的比值为常数，称为弹性模量，用E表示，即弹性模量反映钢材的刚度，即产生单位弹性应变时所需应力的大小。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。土木工程中常用的碳素结构钢Q235的弹性模量为（2.0~2.1）×105 MPa。

图8.2　低碳钢受拉的应力-应变图

2）屈服阶段

屈服阶段AB为应力超过A点后，应变增加的速度大于应力增加的速度，若卸去拉力，试件上已有不能消失的塑性变形，即达到屈服阶段。如图8.2所示，B上点是屈服阶段的最高点，为屈服上限，B下点为屈服下限。因为B下点比较稳定容易测定，所以一般以B下点对应的应力，作为屈服强度取值的依据，屈服点应力用σs表示。Q235钢的屈服点应在235 MPa以上。

3）强化阶段

强化阶段BC在屈服阶段后，由于试件内部组织发生变化（如晶格畸变、位错等），使其抵抗塑性变形的能力又重新提高，故称为强化阶段。对应C点的应力称为抗拉强度，用σb表示。Q235的抗拉强度在375 MPa以上。

4）颈缩阶段

颈缩阶段CD为曲线达到最高点后，在试件薄弱处明显缩小，产生“颈缩现象”。塑性变形迅速增加，拉力下降，直到断裂。

抗拉强度在设计中虽然不能利用，但可用屈强比σs/σb验证钢材受力超过屈服点工作的可靠性。屈强比小，结构安全性高；屈强比太小，钢材不能有效地利用。

试件拉断后将断裂处对接，测断后标距l1（mm），断裂后标距与原始标距l0（mm）的百分比，称为伸长率，以δ表示，即

通常以δ5和δ10分别表示l0=5d0和l0=10d0时的伸长率。d0为试件的原始直径。对于同一种钢材，δ5大于δ10。

图8.3　硬钢的屈服点σ0.2

伸长率是衡量钢材塑性的重要技术指标。尽管结构在弹性范围内使用，当应力集中时，其应力可能超过屈服点。有一定的塑性变形能力可使应力重新分布，而避免结构破坏。

硬钢的特点是抗拉强度高，伸长率小，无明显的屈服阶段，不能测定屈服点，如图8.3所示。按规范以发生残余变形0.2%l0时的应力作为规定的屈服极限，用σ0.2表示。

断面收缩率是指试件拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分率，用φ表示：

式中：φ—断面收缩率，%；

A0—试件原始横截面积，mm2；

A1—缩颈处最小横截面积，mm2。(www.xing528.com)

伸长率和断面收缩率都表示钢材断裂前塑性变形的能力。

（2）冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，也是钢材的重要工艺性能。

钢材的冷弯性能指标，以试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来表示。试验时采用的弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值越小，表示冷弯性能越好。钢的技术标准中对各号钢的冷弯性能都有规定：按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层，即认为冷弯性能合格。

冷弯试验是钢材处于不利变形条件下的塑性，是一种比较严格的检验，能提示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。在均匀的拉力试验中，这些缺陷在常温下由于塑性变形导致应力重新分布而不能反映，如图8.4所示。

冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能提示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物。

图8.4　冷弯试验示意图

图8.5　冲击韧性试验示意图

（3）冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性用标准试件以摆锤打击破坏后刻槽处单位截面积上所消耗的功（J），即为钢材的冲击韧性值，用αk（J/cm2）表示。αk值越大，冲击韧性越好。图8.5为冲击韧性试验示意图。

钢材冲击韧性的高低，与钢材的化学成分、组织状态、冶炼、轧制质量有关，还与环境温度有关，即温度下降韧性下降，当温度下降到一定范围时而呈脆性，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。由于脆性临界温度难以测定，规范中根据气温条件规定为-20℃或-40℃的负温冲击值指标。

（4）硬度

钢材的硬度指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。

图8.6　布氏硬度测定示意图

测定钢材硬度较常用的为布氏法和洛氏法。

布氏法的测定原理是利用直径为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，即得直径为d（mm）的压痕，以压痕表面积F（mm2）除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值HB，以数字表示，不带单位，HB值越大，表示钢材越硬。图8.6为布氏硬度测定示意图。

对于HB>450的钢材，应采用洛氏法测定其硬定。洛氏法根据压头压入试件的深度大小表示材料的硬度值。洛氏法压痕很小，一般可用于判断机械零件的热处理效果。

（5）疲劳强度

钢材在交变荷载作用下应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，疲劳极限指疲劳试验中试件在交变荷载作用下，在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力，周期基数一般为200万次或400万次以上。

钢材的疲劳破坏，一般认为是由拉应力引起的。因此，钢材的疲劳与抗拉强度有关，钢材的抗拉强度高，其疲劳强度也高。

钢材的疲劳强度与钢材的内部组织和表面质量有关，疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的。

设计重复荷载进行疲劳验算的结构，应了解所用钢材的疲劳极限。