屈强比

工程结构用钢屈强比问题的探讨

添加日期：9/13/2009 阅读500次

工程结构用钢屈强比问题的探讨

东涛付俊岩

中信微合金化技术中心,专家委员会

随着钢的微合金化技术、热机械处理技术(TMCP)、以及新型的低合金高强度钢（微合金化钢）

的开发和应用，随着强度的提高, 作为工程结构用钢材的主体微合金化钢的屈强比高于传统的热轧

低合金钢和热处理类型的低合金钢是高强度钢发展的必然趋势。由于国内的钢材使用客户在安全性

设计时，明显地趋于保守，钢的高屈强比已成为不安全的同义词。但是，在国内钢铁业装备得到了

普遍的技术改造的基础上，钢的洁净度已大大提高，按微合金化强韧化机制，并采用热机械处理的

优化工艺流程生产的新型高强度钢材不断涌现，工程结构设计中对钢的屈强比的认识也应当有所调整，从经济性和安全性两个角度向国际规范靠拢，积极采用较高屈强比并具有高韧性的高强度微合

金化钢，以推动我国工程结构设计和制造业发展现代化。

1、屈强比的物理涵义和工程价值

钢的抗拉强度，一般称之为强度极限，是普通意义上评价和区分钢材等级的依据。钢的屈服

强度是指在应力不增加的情况下，塑性变形继续增加并可至某个数值，对于脆性材料，几乎极小塑

性变形，在达到极限强度后瞬间发生断裂，而对于多数工程结构用的延性材料，则在超过屈服强度后，将出现“缩颈”，而导致承载能力下降，所以更多地把屈服强度作为承载构件的工程设计的主

要依据。

钢的屈强比是在屈服强度与抗拉强度之比值，自然把屈强比表征材料均匀变形的能力，由塑

性变形至最后断裂过程的形变容量。在船舶、桥梁、容器、管线、建筑等工程结构设计中，无不重

视钢的屈强比这一参数，而且在相应规范中都限定屈强比在某个范围。

表1 各规范对屈强比的要求

标准名称或编号对屈强比的规定

API Spec 5L X80 扩径管YR≤0.93，其它无要求

ISO 3183-2 X42～X52 YR≤0.85，X60～X80 YR≤0.90

ISO 3183-3 X42～X52 YR≤0.90，X60～X80 YR≤0.92

GB 9711.1 无要求

CAN3-Z245.1-M86 无要求

TransCanada P-04 YR 无要求，但要求均匀伸长率δb>10

Snampragetti Spc/TB-F-700 高于X65 扩径管YR≤0.90，其余YR≤0.85

SHELL GROUP L-3-2/3 YR≤0.90

PEMEX TSA-001 YR≤0.85

DNV 海上钢管安装规范对扩径管YR≤0.90，一般要求YR≤0.85

ARCO 4957-ALC-SS-L-1001 YR≤0.90

俄75-86 对X65 YR≤0.90

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在一定的抗拉强度水平下，提高钢的屈服强度，亦即提高钢的屈强比，可增加材料的使用应

力，挖掘材料的潜力，以油气输送管线用钢为例，各规范对屈强比有不同的规定，见表1，在0.85～0.92 范围之内。

对钢的屈强比限制过严，制约高强度钢的发展，对工程用材是个浪费。然而，采用较高屈强

比的钢材，对安全性既有有利的一面，因为屈强比与材料的承载能力呈正比，见图1；也有对安全

性不利的另一面，断裂前允许的变形量减少（见图2），此外屈强比又与允许钢材缺陷的长度相关（见图3），所以希望对要求抗震的高层建筑和油气管线钢具有高韧性的同时，控制材料的屈强比

在某个适宜的范围。

图1 爆破强度与屈强比的关系图

图2 屈强比与管子整个周长应变的关系

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图3 屈强比与缺陷强度和壁厚的关系

2、设计依据与性能相关性

根据钢材特性并依据上述图1~图3，选择适宜的屈强比。大量的试验研究和设计实践表明，

屈强比与材料的塑性变形能力和加工硬化能力有关，因此，提高钢的屈强比，意味着低的加工硬化

指数（n）和低的均匀延伸率（δ）。在允许的屈强比下，往往采用塑性设计方法，这种方法认为载荷依靠局部塑性变形从刚性部件转移到不太刚性部件上去，即所谓的“旋转能力”，从图4 可见，

即使高的屈强比（σY/σT～1），也有可观的旋转能力。结构设计的安全性着眼于“总体屈服”，要

求在裂纹产生之前具有一定的塑性变形能力，是不发生突然断裂的先决条件，所以只要认定钢材有

足够的韧塑性变形容量，采用较高屈强比的材料是安全的。

图4 转动能力和屈强比的解释

因此，承载能力与结构的几何形状、材料和结构件的缺陷相关。屈强比与钢的冲击吸收力、

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断裂韧性、韧—脆转折温度关系不大。韧性好的材料，不易起裂也具有止裂特性，也就是说比较安全。

基于目前经验出发且没有定量计算或试验数据，仅以屈强比的高低作为安全性指标是不尽合

理的，高强度钢只要具有足够的韧性，即使屈强比高一些也可保证安全。

3、高强度钢的屈强比

传统热轧普通碳素钢的屈强比一般在0.60 上下，通常所说的低屈强比钢材，则是指屈强比在

0.5~0.6 的范围，作为高层抗震建筑使用。而高强度钢的强度等级越高，屈强比则向增高的方向发展，相应的延伸率和断面收缩率趋向降低，见图5。

图5 高强度低合金钢的机构性能

Re、RP0.2 为钢的物理屈服强度和比例屈服强度

图6 不同交货状态的钢材力学性能

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现代的热机械处理工艺生产的钢材，其屈强远比热轧或正火钢要高（见图6），又具有高韧性

和低的韧—脆性转折温度。采用高强度钢，使承受静力的桁梁结构截面积减少，节省材料7～25%，在经济上带来很多好处。

下面列举三组数据：

第一组：不同交货状态钢材屈强比比较

热轧低碳钢Q235 σs/σb=0.55～0.65

热轧高强度钢Q345 0.60～0.70

正火高强度钢EH36 0.70～0.75

调质高强度钢CF62 0.85～0.95

微合金化控轧钢StE355 0.80～0.85

Welten 60R 0.85～0.90