钢材的技术性质

第二节　钢材的技术性质

钢材的技术性质主要包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳、硬度等）和工艺性能（冷弯性能和可焊性）两个方面。

一、抗拉性能

图2－1　低碳钢受拉时应力－应变图

抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能指标。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力－应变图来阐明（图2－1），图中明显地分为以下四个阶段：

（1）弹性阶段（OA段）

在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为弹性极限，用σ_p表示。此阶段应力与应变成正比，其比值为常数，称为弹性模量，用E表示，即σ／ε＝E。弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力，即产生单位弹性应变时所需的应力大小。它是计算钢材在受力条件下变形的重要指标。常用低碳钢的弹性模量E＝（2.0～2.1）×10⁵MPa，弹性极限σ_p＝180～200 MPa。

（2）屈服阶段（AB段）

当荷载增大，试件应力超过σ_p时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。图中B上点（应力最高点）称为屈服上限，B下点称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，故一般以B下点对应的应力作为屈服点，用σ_s表示。常用低碳钢的σ_s为185～235 MPa。

钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏，但因变形过大已不能满足使用要求，故设计中一般以屈服点作为钢材强度取值依据。

（3）强化阶段（BC段）

当荷载超过屈服点以后，由于试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，称为强化阶段。最高点C对应于的应力，称为抗拉强度，用σ_b表示。常用低碳钢的σ_b为375～500 MPa。

屈服强度与抗拉强度之比（屈强比——σ_s／σ_b）是评价钢材使用可靠性的一个参数。屈强比越小，结构愈安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低。常用碳素钢屈强比为0.58～0.63，合金钢屈强比为0.65～0.75。

（4）颈缩阶段（CD段）

当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，如图2－2。由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力随之下降，最后发生断裂。

将拉断后的试件于断裂处对接在一起（如图2－3），测得其断后标距l₁。标距的伸长值占原始标距（l₀）的百分率称为伸长率（δ）。即

图2－2　钢筋颈缩现象示意图

图2－3　拉断前后的试件

伸长率是衡量钢材塑性的重要技术指标，伸长率愈大，表明钢材的塑性越好，因此，尽管结构是在钢的弹性范围内使用，但在应力集中处，其应力可能超过屈服点，产生一定的塑性变形，使结构中的应力产生重分布，因此钢材的塑性好，结构的可靠性较大。

由于试样在断裂前都会颈缩，所以钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。原始标距（l₀）与直径（d₀）之比愈大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占的比例就愈小，则计算所得伸长率（δ）值也愈小。通常钢材拉伸试件取短试样l₀＝5　d₀或长试样l₀＝10　d₀，其伸长率分别以δ₅和δ₁₀表示。对于同一钢材，δ₅大于δ₁₀，目前一般用δ₅表示钢筋的延伸率。

图2－4　硬钢与软钢受拉时应力－应变曲线比较

根据是否存在屈服点，可将钢材分为硬钢和软钢（图2－4）。硬钢抗拉强度高，塑性变形小，无明显屈服点，规范规定以其产生0.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，用σ_0.2表示。软钢有明显屈服点，破坏前有较大的变形。

二、冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力，用冲断试样所需能量的多少来表示。钢材的冲击韧性试验是采用中间开有V型缺口的标准弯曲试样，置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧，如图2－5所示，试验机的重摆从一定高度自由落下将试件冲断。公式如下：

式中　a_k——冲击韧性，其单位为J／cm²，a_k越大表示钢材抵抗冲击的能力越强；

　W——重摆所做的功；

　A——缺口处的最小横截面积。

图2－5　冲击韧性试验

钢材的冲击韧性受很多因素的影响，主要影响因素有：

（1）化学成分。钢材中有害元素磷和硫较多时，则a_k下降。

（2）冶炼质量。脱氧不完全、存在偏析现象的钢，a_k值小。

（3）冷作及时效。钢材经冷加工及时效后，冲击韧性降低。

将经过冷加工的钢材，在常温下放置15～20天，或加热至100～200℃并保持2 h左右，其屈服强度、抗拉强度和硬度进一步提高，而塑性和韧性有所下降，该过程称为时效处理，前者称为自然时效，后者称为人工时效。强度较低的钢筋通常采用自然时效，强度较高的钢筋则采用人工时效。钢材因时效而导致其性能改变的程度称时效敏感性。为了保证使用安全，在设计承受动荷载和反复荷载的重要结构（如吊车梁、桥梁等）时，应选用时效敏感性小的钢材。

图2－6　钢材的冲击韧性与温度的关系

（4）环境温度影响。当环境温度低于某值时，a_k突然大幅下降，材料发生脆性断裂，此称钢材的冷脆性，而该温度则称为脆性转变温度，见图2－6。脆性转变温度越低，表明钢材的低温冲击韧性越好。因此，在低温下使用的重要结构，尤其是受动荷载作用的结构，应选用脆性转变温度低于使用温度的钢材，并满足规范规定的－20℃或－40℃下的冲击韧性。

三、耐疲劳性

当钢材受到交变应力作用时，即使应力远低于屈服极限也会发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。

钢材承受的交变应力（σ）越大，则钢材至断裂时经受的交变应力循环次数（N）越少，反之则多。当交变应力降低至一定值时，钢材可经受交变应力循环达无限次而不发生疲劳破坏。对于钢材，通常取循环次数N＝10⁷时试件不发生破坏的最大交变应力（σ_n）作为其疲劳极限。图2－7为钢材疲劳曲线。

测定疲劳极限时，应根据结构使用条件确定采用哪种应力循环类型、应力比值（最小与最大应力之比，又称应力特征值ρ）和周期基数。

钢材的疲劳破坏一般是由应力集中引起的，首先在应力集中的地方出现微细疲劳裂纹，然后在交变荷载反复作用下，裂纹尖端产生应力集中，裂缝逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。因此，钢材的疲劳极限不仅与其组织结构特征、成分偏析及其他各种缺陷有关，而且与钢结构的截面变化、表面质量及内应力大小等可能造成应力集中的各种因素都有关。

图2－7　钢材疲劳曲线

四、硬度

硬度是指表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。

根据试验方法和适用范围的不同，硬度可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度、显微硬度和高温硬度等，前三者为常用硬度指标。建筑钢材常用的为布氏硬度，其代号为HB。用淬火钢球作压头时，布氏硬度用符号“HBS”表示；用硬质合金球做压头时，布氏硬度用“HBW”表示。

如图2－8所示，用直径为D的硬质合金球形压头，以规定的荷载P将其压入试件表面，保持规定的时间后卸去荷载。其计算公式为

图2－8　布氏硬度测定示意图

式中　F——荷载（N）；

　D——钢球直径（mm）；

　d——为压痕平均直径。

布氏法测定时所得压痕直径应在0.24D＜d＜0.6D范围内，根据所测材料的布氏硬度范围选择不同的压头球直径。最新标准规定布氏硬度试验范围上限为600 HBW，当被测材料硬度超过该值时，压头本身将发生较大的变形，甚至破坏。布氏硬度测试方法比较准确，但压痕较大，不适宜用于成品检验。

洛氏法是用120°角的锥形金刚石压头分两步压入试样表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，根据其压痕深度确定洛氏硬度值HR。洛氏法压痕小，常用于判断工件的热处理效果。

钢材的各种硬度值之间，硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因此，当已知钢材的硬度时，即可估算钢材的抗拉强度。

五、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。其测试指标为试验时的弯曲角度（α）和弯心直径（d）。如图2－9所示，将直径（或厚度）为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d＝na），弯曲到规定的角度（180°或90°）时，不使用放大仪器观察，试样弯曲外表面无可见裂纹则为合格。α愈大或n愈小，其冷弯性能愈好。

图2－9　钢材的冷弯

冷弯是在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验，可以揭示钢材内部组织结构是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，弯曲试验还可作为对钢材焊接质量进行检验的一种手段。