3.2.1力学性能

3.2.1　力学性能

力学性能又称机械性能，是钢材最重要的使用性能。钢材的主要力学性能有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳性等。

3.2.1.1　抗拉性能

拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以抗拉性能是表示钢材性能和选用钢材的重要指标。

将低碳钢（软钢）制成一定规格的试件，放在材料试验机上进行拉伸试验，可以绘出如图3.1所示的应力-应变关系曲线。钢材的抗拉伸性能可以通过该图来阐明，从图中可以看出，低碳钢受力拉伸至拉断，全过程可划分为四个阶段：弹性阶段（O→A）、屈服阶段（A→B）、强化阶段（B→C）和颈缩阶段（C→D）。

图3.1　低碳钢受拉的应力-应变图

（1）弹性阶段（Ⅰ）　曲线中OA段是一条直线，应力与应变成正比，如卸去外力，试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。与A点对应的应力称为弹性极限，以σ_p表示，应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=σ/ε。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。

（2）屈服阶段（Ⅱ）　应力超过A点后，应力、应变不再成正比关系，开始出现塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长，当应力达B上点后（上屈服点），瞬时下降至B下点（下屈服点），变形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到B点，这就是所谓的“屈服现象”，似乎是钢材不能承受外力而屈服，所以AB段称为屈服阶段。与B下点（此点较稳定，易测定）对应的应力称为屈服点（屈服强度），用σ_s标示。钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计钢材强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。

（3）强化阶段（Ⅲ）　当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高、BC段呈上升曲线，称为强化阶段。对应于最高点C的应力值（σ_b）称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。

显然，σ_b是钢材受拉时所能承受的最大应力值。屈服强度和抗拉强度之比（即屈强比=σ_s/σ_b）能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。计算中屈强比取值越小，其结构的安全可靠程度越高。但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。

（4）颈缩阶段（Ⅳ）　试件受力达到最高点C后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。故CD段称为颈缩阶段。

将拉断后的试件拼合起来，测定出标距范围内的长度L₁（mm），L₁与试件原标距L₀（mm）之差为塑性变形值，它与L₀之比称为伸长率（δ），如图3.2所示。伸长率的计算式如下：

伸长率δ是衡量钢材塑性的一个重要指标，δ越大说明钢材的塑性越好。具有一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而使钢材用于结构的安全性大。

塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远其变形越小。所以，原标距与直径（d₀）之比越小，颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大，计算出来的δ值就大。通常以δ₅或δ₁₀分别表示（L₀=5d₀，和L₀=10d₀时的伸长率）为基础，对于同一种钢材，其δ₅大于δ₁₀。

中碳钢和高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，难以测定屈服点。规定产生残余变形为原标距长度的0.2％时所对应的应力值作为屈服强度，称为条件屈服强度，用σ_0.2表示，如图3.3所示。

图3.2　钢材拉伸试件

图3.3　中碳钢、高碳钢的σ-ε图

3.2.1.2　冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。它是以试件冲断时缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm²）来表示，其符号为a_k。试验时将试件放置在固定支座上，然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲击弯曲而断裂，如图3.4所示。显然，a_k值越大，钢材的冲击韧性越好。

图3.4　冲击韧性实验图

1-摆锤；2-摆件；3-试验台；4-指针；5-刻度盘；H-摆锤扬起高度；h-摆锤向后摆动高度

影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹时，都会使冲击韧性显著降低。同时，环境温度对钢材的冲击功影响也很大。试验表明，冲击韧性随温度降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，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，如图3.5所示。它的数值越低，钢材的低温冲击性能越好，所以，在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。

图3.5　钢的脆性转变温度

3.2.1.3　疲劳强度

钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于抗拉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（或称疲劳极限）来表示，它是指试件在交变应力的作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。

3.2.1.4　硬度

钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压入而不产生塑性变形的能力，亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。

测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法等，相应的硬度试验指标称布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。较常用的方法是布氏法，其硬度指标是布氏硬度值。

布氏法的测定原理是用直径为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荷，即得直径为d（mm）的压痕，以荷载P（N）除以压痕表面积F（mm²），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。图3.6为布氏硬度测定示意图。

各类钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关性。材料的强度越高，抵抗塑性变形能力越强，硬度值也就越大。对于碳素钢，当HB〈175时，σ_b≈3.6HB；HB〉175时，σ_b≈3.5HB。根据这一关系，可以直接在钢结构上测出钢材的HB值，并估算其σ_b。

图3.6　布氏硬度试验原理图

1-钢球；2-试件；P-施加于钢球上的荷载；D-钢球直径；d-压痕直径；h-压痕深度