建筑钢材的技术性质

建筑钢材作为结构工程材料，不仅需要满足力学性能要求，同时还要求具有容易加工的工艺性能。钢材主要的力学性能有抗拉性能、抗冲击韧性、耐疲劳性能及硬度，而冷弯性能和可焊性则是其重要的工艺性能。

7．2．1 钢材的力学性能

1）抗拉性能

抗拉性能是钢材最主要的技术性能，通过拉伸试验可测得钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率等重要技术指标。普通低碳钢标准试件在材料试验机上进行拉伸试验所得的应力-应变（σ-ε）曲线如图7．1所示。根据图7．1，应力-应变曲线可以分为4个阶段。

（1）弹性阶段

弹性阶段的特点是随着荷载增加，应力-应变呈线性关系（图7．1曲线中OA段）。在弹性阶段任意一点卸荷，变形消失，试件能完全恢复原状，这种性质称为弹性。该阶段的应力最高点称弹性极限，用σp表示。该阶段应力与应变的比值为常数，即弹性模量E（＝σ／ε）。弹性模量表示钢材抵抗弹性变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标，钢材级别不同，其弹性模量取值也有差异。《混凝土结构设计规范》（GB50010）中，HPB300级钢筋的弹性模量E取值为2．10×105MPa，而HRB335、HRB400、HRB500等级别的钢筋的弹性模量E取值为2．00× 105MPa；《钢结构设计规范》（GB50017）中，钢材和钢铸件的弹性模量E取值为2．06×105MPa。

图7．1 低碳钢的应力-应变曲线

图7．2 中、高碳钢的条件屈服点

（2）屈服阶段

该阶段的特点是应力与应变不成比例变化，开始出现塑性变形（图7．1曲线中AB段）。在屈服阶段，应力增长滞后于应变增长，当应力达B上（屈服上限）后，瞬时下降到B下（屈服下限），外力在恒定位置波动，而变形却迅速增加，直到B点，这就是所谓的“屈服现象”。由于B下点较稳定、易测得，因此取B下点为屈服点，并取其对应的应力为屈服强度，用σS表示。建筑钢材的设计强度取值为屈服强度标准值，钢材的强度等级也以其屈服强度标准值来表示，例如碳素结构钢Q235的屈服强度应不小于235MPa。

低碳钢有明显的屈服点，而中、高碳钢没有明显的屈服点，通常以残余变形为0．2％时的应力作为屈服强度，用σ0．2表示，如图7．2所示。

（3）强化阶段

强化阶段表示经过屈服阶段后，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，钢材得以强化，钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高（图7．1曲线中BC段）。该阶段的应力最高点（C点）称为极限抗拉强度，用σb表示。σS／σb称为屈强比，表示钢材使用过程的安全程度，屈强比越小，说明钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构的安全性越高。但是屈强比太小，则钢材不能被充分利用。建筑钢材的屈强比不应大于0．85，相关规范对建筑钢材的屈强比也作出了明确规定，如《建筑抗震设计规范》（GB50011）第3．9．2条规定钢结构钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0．85。

（4）颈缩阶段

试件受力达到最高点后，其抵抗变形的能力显著降低，变形快速发展，应力逐渐降低，试件被快速拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直至断裂，故CD段称为颈缩阶段（图7．1）。如图7．3所示，将拉断后的试件拼合，测得标距范围内的长度L1，L1与试件原标距长度L0之差为塑性变形（即伸长值），试件变形与L0之比称为伸长率δ，即：

图7．3 钢材的伸长率

式中 L0——试件原标距长度；

L1——试件拉断后标距的长度。

标准试件一般取L0＝5d0（短试件）或L0＝10d0（长试件），d0为试件原始直径。伸长率δ是衡量钢材塑性的重要指标，伸长率大则表示钢材的塑性好，随着钢筋强度等级的提高，其伸长率实测值通常逐渐降低。钢筋伸长率大有利于提高结构安全性，如《建筑抗震设计规范》（GB50011）第3．9．2条规定，抗震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件其纵向钢筋采用普通钢筋时，钢筋在最大拉力下的总伸长率实测值不应小于9％。

2）冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，钢材的冲击试验如图7．4所示。冲击韧性用标准试件（中部加工成V形或U形缺口），在冲击试验机的一次摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积所消耗的功αk来表示，即

式中 αk——钢材的冲击韧性，J／cm2，αk值越大，冲击韧性越好；

w——摆锤所做的功，J；

A——试件断口处的最小横截面面积，cm2。

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缝时，钢材的冲击韧性都会显著降低。

同时，环境温度对钢材的冲击韧性影响也很大。冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然明显下降而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性，此时的温度称为脆性转变温度（图7．5），其数值越低，钢材的低温冲击韧性越好。

图7．4 冲击韧性试验示意图

图7．5 钢材冲击韧性与温度的关系

在负温下使用的结构（如北方寒冷地区），应选用脆性转变温度低于使用温度的钢材。由于脆性转变温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温条件规定－20℃或－40℃的负温冲击韧性指标。对于直接承受动荷载、而且可能在负温下工作的重要结构，必须按照相关规范要求进行钢材冲击韧性检验。

3）疲劳强度

钢材在交变荷载反复多次作用下，在最大应力远小于其抗拉强度时突然发生脆性断裂而破坏的现象，称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的工程事故。

钢材抵抗疲劳破坏的能力用疲劳极限或疲劳强度表示，是指钢材在交变荷载作用下，在规定的周期内（一般为2×106循环次数）不发生断裂所能承受的最大应力。《钢结构设计规范》（GB50017）第6．1．1条规定，直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接（如重型吊车），当应力变化的循环次数n大于等于5×104次时，应当进行疲劳计算。

钢材耐疲劳强度的大小与内部组织、成分偏析及各种缺陷有关，同时钢材表面质量、截面变化和受腐蚀程度等都影响其耐疲劳性能。一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，因此，钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关，一般抗拉强度越高，其疲劳强度也越高。

4）硬度

钢材硬度是指抵抗重物压入钢材表面产生塑性变形的能力，是衡量钢材软硬程度的指标。钢材的硬度和强度成一定的关系，故测定钢材的硬度后可间接求得其强度。测定硬度的方法很多，常用的硬度指标为布氏硬度值。

布氏硬度试验，是用一定直径（D）的硬质合金钢球，在规定荷载（P）作用下压入试件表面（图7．6）并保持规定的时间，然后卸去荷载，用压痕单位球面积上所承受的荷载大小作为所测金属材料的硬度值，称为布氏硬度，用符号HB表示。一般来说，硬度越高，强度也越大。

图7．6 布氏硬度试验原理图

7．2．2 钢材的工艺性能

1）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。冷弯是通过检验试件达到规定的弯曲程度后，弯曲处外面及侧面如果无裂纹、起层、鳞片状剥落和断裂等情况，则表示冷弯性能合格。冷弯性能一般用弯曲角度α及弯心直径d与钢材厚度或直径a的比值来表示。如图7．7所示，弯曲角度越大，d与a的比值越小，表明冷弯性能越好。

图7．7 钢材冷弯示意图

d—弯心直径；a—试件厚度或直径；α—冷弯角

冷弯是钢材在不利变形条件下产生塑性变形，与钢材在均匀变形下的塑性不同，在一定程度上冷弯能够反映钢材的内部组织是否均匀、是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。一般来说，钢材的塑性越大，其冷弯性能越好，且冷弯试验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、更敏感。

2）焊接性能

焊接是钢材的重要连接方式，焊接质量取决于焊接工艺、焊接材料和钢材的可焊性。钢材的可焊性是指钢材是否适于用通常的方法和工艺进行焊接（焊缝无裂纹等缺陷）的性能。钢材应具有良好的可焊性。可焊性好的钢材，焊接后钢材的力学性能（特别是强度），不低于母材。

钢材的可焊性主要受化学成分及含量的影响。含碳量越高，其硬脆性增加，可焊性降低。含碳量0．12％～0．20％的碳素钢可焊性最好，超出该范围的幅度越多，焊接性能变差的程度越大。硫、磷及气体杂质会使可焊性降低，钢材中加入过多的合金元素如硅、锰、钒、钛等，将增大焊接处的硬脆性，降低可焊性。