低碳钢和高强度钢的关系及特点

当结构失效或看起来有失效的危险时，工程师的天然本能可能会促使他们使用“更强”的材料。对钢材来说，就是指高强度钢。但对大型结构来说，这通常是种错误的办法，因为很显然，大部分强度，甚至是低碳钢的强度，并没有真的被用上。正如我们所见，结构的失效是可控的，它靠的不是强度，而是材料的脆度。

虽然断裂功的测量值取决于测试的方式，而且很难得到一致的数值，但是随着抗拉强度的提升，大部分金属的韧度无疑会急剧下降。图5-13给出了室温条件下普通碳素钢的断裂功和抗拉强度之间的关系。

通过增加碳含量来让低碳钢的强度翻倍，既简单也不贵。然而，若这么做，我们可能要将断裂功降为大约原来的1/15。针对这种情况，相同应力条件下临界裂缝长度也会按同样的比例降低，即从1米缩短至6厘米。然而，如果我们把工作应力加倍，大概是出于实际的需要，临界裂缝长度会缩短为原来的1/60。所以，若一条安全裂缝起初有1米长，现在就只有1.5厘米，这在大型结构中是非常危险的。

带螺栓和曲轴等小零件的情况则有所不同，考虑1米长裂缝的设计就变得没有意义了。如果允许的裂缝长度为1厘米，这样一条裂缝在应力接近40000 psi（280 MN/m2）之前都是安全的，所以使用高抗拉强度的材料是有益的。格里菲斯的一个推论是，大体上，我们在小型结构中使用高强度金属和大工作应力要比在大型结构中更安全。结构越大，为安全起见，可承受的应力就越小。这也是限制大型船舶和桥梁尺寸的因素之一。(www.xing528.com)

图5-13　某些普通碳素钢中抗拉强度和断裂功之间的近似关系（图片来源：By courtesy of Professor W.D.Biggs）

图5-13所示的断裂功和抗拉强度之间的关系，对普通的工业碳素钢而言大致是正确的。要获得更好的强度与韧度组合，可能得使用合金钢，即熔铸了非碳元素的钢，但这对大尺寸结构来说可能太贵了。正是基于这些原因，所有钢材中大约有98%是低碳钢，即抗拉强度约为60000～70000 psi或450 MN/m2的软金属或可延展金属。