钢材的主要技术性能

在土木工程中，掌握钢材的性能是合理选用钢材的基础。钢材的性能主要包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等）和工艺性能（冷弯性能、焊接性能和热处理性能等）两个方面。

8.2.1　钢材的力学性能

1）抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材重要技术性能指标。通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率等性能指标。建筑钢材的抗拉性能可用低碳钢受拉时的应力—应变图（图8.1）来阐明。低碳钢从受拉至拉断分为4个阶段。

图8.1　低碳钢受拉时应力—应变图

（1）弹性阶段

OA为弹性阶段。在OA范围内，随着荷载的增加，应变随应力成正比增加。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σp表示。在这一范围内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E表示，即E＝σ/ε。弹性模量反映钢材的刚度，即产生单位弹性应变时所需应力的大小，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。常用的碳素结构钢Q235的弹性模量E＝（2.0～2.1）×105MPa。

（2）屈服阶段

AB为屈服阶段。在AB曲线范围内，应力与应变不成比例，开始产生塑性变形，应变增加的速度大于应力增长速度，钢材抵抗外力的能力发生“屈服”了。如卸去拉力，试件上已经有不能消除的塑性变形。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点为屈服下限。因B下比较稳定，容易测定，故一般以B下点对应的应力作为屈服点，用σs表示。Q235钢的屈服点σs应在235MPa以上。

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

（3）强化阶段

BC为强化阶段。过B点后，抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，随着应力的提高而增强。对应于最高点C的应力，称为抗拉强度，用σb表示。Q235钢的抗拉强度σb应在375MPa以上。

抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值（即屈强比σs/σb）能反映钢材的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢为0.65～0.75。

（4）颈缩阶段

CD为颈缩阶段。过C点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂。

通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的一个重要性指标。

图8.2　钢材拉断前后的试件

将拉断后的试件于断裂处对接在一起（图8.2），测得其断后标距（l1）。试件拉断后标距的伸长量与原始标距（l0）的百分比称为伸长率（δ）。伸长率的计算公式如下：

通常钢材拉伸试件取l0＝5d0或l0＝10d0，对应的伸长

率分别记为δ5和δ10，对于同一钢材，δ5＞δ10。

伸长率是表示钢材塑性变形能力的重要指标。伸长率越大，表示钢材塑性越好。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，此时产生一定的塑性变形，可使结构中的应力产生重分布，从而使结构免遭破坏。

中碳钢与高碳钢（硬钢）拉伸时的应力唱应变曲线与低碳钢不同，无明显屈服现象，伸长率小，断裂时呈脆性破坏，其应力唱应变曲线如图8.3所示。这类钢材由于不能测定屈服点，规范规定以产生0.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，也称条件屈服点，用σ0.2表示。