钢结构材料的机械性能及材料分类、选型

钢结构材料的机械性能及材料分类、选型1.3.3 钢结构材料的力学性能

碳素结构钢的应力-应变曲线

1.3.3.1 受拉、受压及受剪时的性能

钢材标准试件在常温静载情况下，单项均匀受拉试验时的荷载—形（F—L）曲线或应力——应变（σ—ε）曲线。由此曲线可获得许多有关钢材的性能。

（1）强度性能

σ—ε曲线的OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，这时应力可由弹性模量E定义，即σ—Eε，而E=tanα，P点应力称为比例极限。

曲线的PE段仍具有弹性，但非线性，即为非线性弹性阶段，这时的模量称为切线模量，E t=dσ/dε。此段上限E点的应力称为弹性极限。弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分，故通常只提比例极限。

随着荷载的增加，曲线出现ES段，此段表现为非弹性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线，留下永久性的残余变形。此段上限

S点的应力称为屈服点。对于低碳钢，出现明显的屈服台阶SC段，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加。

在开始进入塑性流动范围是，曲线波动较大，以后逐渐趋于平稳，其最高点和最低点分别称为上屈服强度（R eH）和下屈服强度（R eL）点。上屈服强度和试验条件（加荷速度、试件形状、试件对中的准确性）有关；非屈服点则对此不太敏感，设计中则以下屈服强度为依据。

对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服强度比较接近，且屈服点前的应变很小（对低碳钢约为0.15%）。为了简化计算，通常假定屈服点以前钢材为完全弹性的，屈服点以后则为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹—塑性体，其应力应变曲线表现为双直线。当应力达到屈服点后，结构将产生很大的残余变形（此时，对低碳钢εc=25%），表明钢材的承载能力达到了最大值。因此，在设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力值。

理想的弹-塑性体的应力-应变曲线

高强度钢材无明显屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服强度。条件屈服强度是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的。

高强度钢的应力-应变关系

由于这类钢材不具有明显的塑性平台，设计中不宜利用它的塑性。

超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处得B点，这点的应力称为抗拉强度（R m）。当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力作为强度限值时，抗拉强度成为材料的强度储备。

（2）塑性性能

试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d（圆形试件）之比为0时，以δ10表示；当该比值为5时，以δ5表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。

（3）钢材物理性能指标

钢材在单向受压（粗而短的试件）时，受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪的情况也相似，但屈服点τs及抗剪强度τu均较受拉时低；剪变模量Ｇ也低于弹性模量Ｅ。

钢材的弹性模量Ｅ=620×103N/mm2，剪变模量G=79×103N/mm2；线性膨胀系α=12×10-6，质量密度ρ=7580㎏/m3。1.3.3.2 冷弯性能

冷弯性能GB232-1988《金属弯曲试验方法》来确定。试验时按照规定的弯曲直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成180°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力和塑性性能，还能暴露出钢材内部的冶炼缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都是将降低钢材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是鉴定钢材塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

钢材冷弯试验示意图

1.3.3.3 冲击韧性

拉力试验表现的强度和塑性等性能是静力性能，而韧性试验则可获得钢材的动力性能。韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量（包括弹性能和非弹性能）来量度，其值为图中σ—ε曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑性的综合指标。通常情况是钢材强度提高，韧性降低则表示钢材脆性增加。

材料的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验机不同而异。GB/T229-1994《金属夏比冲击试验方法》规定采用夏比（Charpy）V形缺口或夏比U形缺口试件在夏比试验机上进行，所得结果以所消耗的功A KV或A KU表示，单位为J，试验结果不除以缺口处得截面

面积。过去我国长期以来皆采用梅氏（Mesnager）试件在梅氏试验机上进行，所得的结果以单位截面积上所消耗的冲击功a K表示，其符号为a K,单位为J/cm2。由于夏比试件比梅氏具有更为尖锐的缺口，更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用A KV能量来表示材料冲击韧性的方法日趋普遍。

冲击韧性试验

由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。

1.3.4 影响钢材主要性能的因素

1.3.4.1 钢材的化学成分

钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。铁（Fe）是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99%，碳和其他元素仅占1%，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。其中提高力学性能的元素有硅（Si）、锰（Mn），有害元素有硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）等。低合金钢中还含有少量（低于5%）合金元素，如铜（Cu）、钒（V）、钛

(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。

在碳素结构钢中，碳是主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量的增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的焊接性和抗腐蚀性。因此，为保证焊接性和综合性能的要求，碳结构钢中含碳量一般不超过0.20%，在焊接结构用钢中其含量还应小于0.20%。

硫和磷（其中特别是硫）是钢中的有害元素，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。在高温时，硫使钢变脆，又称热脆，焊接时产生热裂；在低温时，磷使钢变脆，又称冷脆。

氧的作用和硫类似，使钢热脆；氮的作用和磷类似，使钢冷脆。由于熔炼技术不断提高，氧氮一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。

硅和锰是炼钢时的脱氧剂。同时使钢材的强度提高，含量在规定范围时，不仅可提高强度，而且在一定范围内提高塑性。在碳素结构钢中，硅的含量一般不大于0.3%，锰的含量为0.3%～0.8%。对于低合金高强度结构钢，锰的含量可达1.0%～1.6%，硅的含量可达0.55%。

钒和钛是钢中的合金元素，可细化晶粒，提高钢的强度和塑性。

铜在碳素结构钢中属于杂质元素，但在普低钢中加入0.10%～0.15%的铜，其耐海洋大气及工业大气腐蚀的能力可提高1倍以上，但过多的铜将使钢产生热脆倾向。

1.3.4.2 钢材的冶金缺陷