钢结构材料的机械性能及材料分类、选型

钢结构材料的机械性能及材料分类、选型1.3.3 钢结构材料的力学性能碳素结构钢的应力-应变曲线1.3.3.1 受拉、受压及受剪时的性能钢材标准试件在常温静载情况下，单项均匀受拉试验时的荷载—形（F—L）曲线或应力——应变（σ—ε）曲线。

由此曲线可获得许多有关钢材的性能。

（1）强度性能σ—ε曲线的OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，这时应力可由弹性模量E定义，即σ—Eε，而E=tanα，P点应力称为比例极限。

曲线的PE段仍具有弹性，但非线性，即为非线性弹性阶段，这时的模量称为切线模量，E t=dσ/dε。

此段上限E点的应力称为弹性极限。

弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分，故通常只提比例极限。

随着荷载的增加，曲线出现ES段，此段表现为非弹性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线，留下永久性的残余变形。

此段上限S点的应力称为屈服点。

对于低碳钢，出现明显的屈服台阶SC段，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加。

在开始进入塑性流动范围是，曲线波动较大，以后逐渐趋于平稳，其最高点和最低点分别称为上屈服强度（R eH）和下屈服强度（R eL）点。

上屈服强度和试验条件（加荷速度、试件形状、试件对中的准确性）有关；非屈服点则对此不太敏感，设计中则以下屈服强度为依据。

对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服强度比较接近，且屈服点前的应变很小（对低碳钢约为0.15%）。

为了简化计算，通常假定屈服点以前钢材为完全弹性的，屈服点以后则为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹—塑性体，其应力应变曲线表现为双直线。

当应力达到屈服点后，结构将产生很大的残余变形（此时，对低碳钢εc=25%），表明钢材的承载能力达到了最大值。

因此，在设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力值。

理想的弹-塑性体的应力-应变曲线高强度钢材无明显屈服点和屈服台阶。

这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服强度。

条件屈服强度是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的。

高强度钢的应力-应变关系由于这类钢材不具有明显的塑性平台，设计中不宜利用它的塑性。

超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处得B点，这点的应力称为抗拉强度（R m）。

当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。

当以屈服点的应力作为强度限值时，抗拉强度成为材料的强度储备。

（2）塑性性能试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。

当试件标距长度与试件直径d（圆形试件）之比为0时，以δ10表示；当该比值为5时，以δ5表示。

伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。

（3）钢材物理性能指标钢材在单向受压（粗而短的试件）时，受力性能基本上和单向受拉时相同。

受剪的情况也相似，但屈服点τs及抗剪强度τu均较受拉时低；剪变模量Ｇ也低于弹性模量Ｅ。

钢材的弹性模量Ｅ=620×103N/mm2，剪变模量G=79×103N/mm2；线性膨胀系α=12×10-6，质量密度ρ=7580㎏/m3。

1.3.3.2 冷弯性能冷弯性能GB232-1988《金属弯曲试验方法》来确定。

试验时按照规定的弯曲直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成180°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。

冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力和塑性性能，还能暴露出钢材内部的冶炼缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都是将降低钢材的冷弯性能。

因此，冷弯性能合格是鉴定钢材塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

钢材冷弯试验示意图1.3.3.3 冲击韧性拉力试验表现的强度和塑性等性能是静力性能，而韧性试验则可获得钢材的动力性能。

韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量（包括弹性能和非弹性能）来量度，其值为图中σ—ε曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑性的综合指标。

通常情况是钢材强度提高，韧性降低则表示钢材脆性增加。

材料的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验机不同而异。

GB/T229-1994《金属夏比冲击试验方法》规定采用夏比（Charpy）V形缺口或夏比U形缺口试件在夏比试验机上进行，所得结果以所消耗的功A KV或A KU表示，单位为J，试验结果不除以缺口处得截面面积。

过去我国长期以来皆采用梅氏（Mesnager）试件在梅氏试验机上进行，所得的结果以单位截面积上所消耗的冲击功a K表示，其符号为a K,单位为J/cm2。

由于夏比试件比梅氏具有更为尖锐的缺口，更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用A KV能量来表示材料冲击韧性的方法日趋普遍。

冲击韧性试验由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。

1.3.4 影响钢材主要性能的因素1.3.4.1 钢材的化学成分钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。

铁（Fe）是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99%，碳和其他元素仅占1%，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。

其中提高力学性能的元素有硅（Si）、锰（Mn），有害元素有硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）等。

低合金钢中还含有少量（低于5%）合金元素，如铜（Cu）、钒（V）、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。

在碳素结构钢中，碳是主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。

碳含量的增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，同时恶化钢的焊接性和抗腐蚀性。

因此，为保证焊接性和综合性能的要求，碳结构钢中含碳量一般不超过0.20%，在焊接结构用钢中其含量还应小于0.20%。

硫和磷（其中特别是硫）是钢中的有害元素，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。

在高温时，硫使钢变脆，又称热脆，焊接时产生热裂；在低温时，磷使钢变脆，又称冷脆。

氧的作用和硫类似，使钢热脆；氮的作用和磷类似，使钢冷脆。

由于熔炼技术不断提高，氧氮一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。

硅和锰是炼钢时的脱氧剂。

同时使钢材的强度提高，含量在规定范围时，不仅可提高强度，而且在一定范围内提高塑性。

在碳素结构钢中，硅的含量一般不大于0.3%，锰的含量为0.3%～0.8%。

对于低合金高强度结构钢，锰的含量可达1.0%～1.6%，硅的含量可达0.55%。

钒和钛是钢中的合金元素，可细化晶粒，提高钢的强度和塑性。

铜在碳素结构钢中属于杂质元素，但在普低钢中加入0.10%～0.15%的铜，其耐海洋大气及工业大气腐蚀的能力可提高1倍以上，但过多的铜将使钢产生热脆倾向。

1.3.4.2 钢材的冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析，非金属夹杂、气孔和裂纹等。

偏析是指钢中化学成分不一致和不均匀行，特别是硫、磷的偏析严重恶化钢材的性能。

非金属夹杂是钢中的硫化物与氧化物等杂质，气孔是在浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体，不能充分逸出而形成的。

这些缺陷都将影响钢材的力学性能，会严重降低钢材的冷弯性能。

冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构受力时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。

1.3.4.3 钢材硬化冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而提高了钢的屈服强度，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。

在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的延长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体得塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降，这种现象称为时效硬化，俗称老化。

时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速，这种方法称为人工时效。

此外还有应变时效，是指应变硬化（冷作硬化），后又加时效硬化。

在一些重要结构中要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。

1.3.4.4 温度影响钢材的力学性能随温度的变化。

总的倾向是随温度的升高，钢材强度降低，塑性增加；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低。

温度对钢材机械性能的影响当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，由塑性材料逐渐变为脆性材料，这种性质称为低温冷脆。

图所示为钢材冲击韧性与温度的关系曲线。

由图可见，随着温度的降低，C v值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，另外，这一转变是在一个温度区间T1～T2内完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区，在此区间内曲线的反弯点（最陡点）所对应的温度T0称为脆性转变温度。

如果把低于T0、完全脆性破坏的最高温度T1作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。

每种钢材的脆性转变温度区及脆断设计温度需要由大量破坏或不破坏的使用经验和试验资料统计分析确定。

冲击韧性与温度的关系曲线1.3.4.5 结构中的应力集中现象钢材的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。

实际上在钢结构的构件中常存在着孔洞、槽口、凹角、截面突然改变以及钢材内部缺陷等。

此时．构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象。

高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。

研究表明，在应力高峰区域总是存在着同号的双向或三向应力，这是因为由高峰拉应力引起的截面横向收缩受到附近低应力区的阻碍而引起垂直于内力方向的拉应力σy，在较厚的构件里还产生σz，使材料处于复杂受力状态，由能量强度理论得知，这种同号的平面或立体应力场使钢材变脆的趋势。

应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。

但由于建筑钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力分布严重不均的现象趋于平缓。

故受静荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。

但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的集中的不利影响十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。

孔洞及槽孔处的应力集中1.3.4.6交变载荷作用钢材在交变载荷作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。

在直接的连续交变的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸力试验的极限强度，这种现象称为钢的疲劳。

疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。

但是，实际上疲劳破坏乃是累积损伤的结果。

材料总是有“缺陷”的，在交变荷载作用下，先在其缺陷发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。