2.1 钢材的主要力学性能

2.1.1 钢材的强度指标和塑性指标

（1）单向均匀受拉的工作特性

在常温静载情况下,Q235 钢材标准试件（图 2.1）受单向拉伸试验时的应力-应变曲线如图 2.2 所示。该曲线反映了钢材的工作特性，可描述如下：

1）弹性阶段: OFE 段

OF 段为直线工作阶段, OF 直线的斜率称为弹性模量 E , f _p 称为比例极限, FE 段为非直线弹性工作阶段, f _e 称为弹性极限。

2）弹塑性阶段: EC 段

σ 与 ε 不成比例，除弹性变形外还有塑性变形, f _y 称为屈服强度，又叫屈服点（yield point）或流限（材料力学中用 σ _s 表示）。

3）屈服阶段: CF 段

钢材（试件）完全屈服， σ 不增加（保持 f _y ）而 ε 骤增。

4）强化阶段: FB 段

经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列，抵抗外力的能力增强。

5）颈缩阶段: BD 段

应力超过后 f _u ,试件出现“颈缩”而断裂, f _u 称为抗拉强度（tensile strength），又称为极限强度或抗拉极限（材料力学中用 σ _b 表示）。

（2）强度指标

由于 f _y , f _p , f _e 很接近，且在屈服前应变很小， ε _p ≈0.1%（ ε _y ≈0.15%）可以把三点看作为一点，并以屈服点 f _y 作为代表。

钢材的屈服点 f _y ,抗拉强度 f _u ,是钢材力学性能的强度指标。 f _y , f _u 值越大，说明钢材的承载力越高。钢结构设计中，常把钢材应力达到屈服点 f _y 作为评价钢结构承载能力（抗拉、抗压、抗弯强度）极限状态的标志，即取 f _y 作为钢材的强度标准值 f _k = f _y 。常用结构钢材的强度设计值（design value）见附表 1.1。

抗拉强度 f _u 在实际构件中是不允许达到的，一般情况下，构件应力达到 f _y 就认为构件失效。当应力大于 f _y 而小于 f _u 时，构件虽失效但不破坏。抗拉强度 f _u 高可以增加结构的安全保障。

Q235 钢材在屈服点前的性质接近理想的弹性体，而屈服点后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围又是足够大（ ε = 0.15%-2.5%），故可认为钢材是理想的弹-塑性体（图2.3），即假定钢材应力小于 f _y 时是完全弹性的，应力超过 f _y 后则是完全塑性的。利用这个假定可以简化钢构件的分析过程。

高强度钢材没有明显的屈服台阶（图 2.4），这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服（用 f _0.2 表示，定义为试件卸载后其残余应变为 0.2%时所对应的应力）。这类钢材在设计中不宜利用塑性。

钢材在单向受压（短试件）时，抗压强度与单向受拉时相同。钢材受扭转时的应力-应变曲线也与受拉时相似，但剪切屈服点和抗剪强度低于 f _y 和 f _u ;剪变模量 G 也低于弹性模量 E 。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数 a 和质量密度 r 列于表 2.1。

（3）塑性指标

衡量钢材塑性性能的主要指标是伸长率 δ 和断面收缩率 ψ 。

伸长率：

断面收缩率：

式中 l ₀ ——试件拉伸前标距长度；

l ₁ ——试件拉断后原标距间长度；

A ₀ ——试件截面面积；

A ₁ ——拉断后颈缩区的截面面积。

钢材的伸长率越大，钢材塑性越好。

2.1.2 冷弯性能

冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形（deformed）时，对产生裂缝的抵抗能力。如图 2.5 所示，将试件弯曲成规定的角度后，检查试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂断、分层等缺陷，没有即为合格。

冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的一种补充试验，是一项衡量钢材力学性能的综合指标。冷弯试验一方面可以检验钢材能否适应构件加工制作过程中的冷作工艺，另一方面还可暴露出钢材的内部缺陷（internal faultiness），如颗粒组织、结晶状况、夹杂物分布及夹层情况，内部微观裂纹、气泡等。

2.1.3 冲击韧性

冲击韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。

冲击韧性：

式中 A _k ——试验机的冲击功,N·m;

A ——缺口处净截面面积,cm ² 。

材料在动载下抵抗脆性破坏的能力越强，韧性越好。因此冲击韧性是衡量钢材强度、塑性及材质的一项综合指标。钢材的韧性与温度、轧制方法和试件缺口形状有关。冲击韧性由冲击试验测定（图 2.6），采用夏比U形缺口试件。

2.1.4 可焊性

可焊性是指在一定的材料、工艺条件下，钢材在接头处经过焊接后能够获得良好的焊接性能。焊接后焊缝金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹，并且它们的力学性能不低于母材的力学性能。

2.1.5 耐久性

耐腐蚀性：钢材耐腐蚀性较差，必须采取防护措施，新建结构需要涂装油漆，已建成的结构需定期维修。

耐老化性：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变，出现所谓“时效”现象，即“老化”。“时效”的结果是使钢材变脆。

耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强度比静力拉伸试验的强度低得多，应另行测定“持久强度”。

耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷载作用下，应力虽低于 f _y ,但也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。

2.1.6 钢构件的两种破坏形式

①塑性破坏——构件破坏前有明显的变形。此类构件破坏前经历了材料屈服后产生的塑性流变，当应力达到 f _u 后，构件又产生明显的“颈缩”现象，变形大幅增加。例如,Q235 钢材拉伸破坏时的应变高达 22%左右，约为弹性变形的 200 倍。塑性破坏有明显的预兆，容易被发现而采取补救措施，可避免造成严重后果。

②脆性破坏——破坏前构件塑性变形很小，平均应力一般都小于屈服点 f _y ,破坏始于应力集中处，如缺口、裂纹、凹角和多向受拉区域。由于脆性破坏前没有任何预兆，无法及时被发现和采取补救措施，危及生命财产安全，后果严重。各种工程结构（如厂房、桥梁、船艇、压力容器等）都曾出现过重大脆性断裂事故，设计时应努力防止构件或结构出现脆性破坏。 ZamAXiLudUasOYH2NQDxhFMCHoAfA+/WP4HuRtqU/PIdf2l2hCtBiglEevMCyPoh