No.04+钢材的力学性能

平齐和呈有 光泽的晶粒
破坏突然发生， 应尽量避免
虽然钢材塑性好，但若设计、使用不合理，也会发生 脆性断裂
1972年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌
1979年吉林煤气罐大爆炸（12月中旬） 1995年南朝鲜大桥倒塌
原因：钢材内部缺陷(含过量有害元素)、焊接 缺陷(材质变脆、三向受拉)、构造不合理(应力 集中)、使用不当(静力变动力，温度)等
2 2 2 2 2 2
zs 3 f
f 0.58 f f v 3
1. 剪应力作用下的强度用剪切屈服强度 fv（是由第四 强度理论根据纯剪状态推导而来的）；
2. 剪切屈服强度比抗拉、抗压、抗弯屈服强度f要低
（强度验算时要根据受力形式选用相应强度指标）。
基本知识点回顾： 1. 钢材两种破坏形式（脆性破坏，塑性破坏） 2. 基本力学性能（六大指标）； 3. 复杂受力状态下的工作性能（三向拉应力场，不同 强度指标）。
异号应力时的钢材应力—应变关系
ζ
双向拉伸 单向拉伸
① 双向拉伸：屈服强度提高，
f y 但塑性能力降低。 fy ② 双向异号应力：屈服强度降 fy 低，但塑性能力提高。
0
双向异号应力
ε
对于塑性破坏情况，折算应力可用材料力学的第四强度 公式计算，即
zs x y z ( x y y z z x ) 3( xy yz zx ) f
作业一： 1. 塑性破坏与脆性破坏怎样区分，为什么要避 免脆性破坏？ 2．塑性和韧性的定义，两者有何区别？各有什 么评价指标？ 3. 伸长率与冷弯性能指标有何区别和联系？
4．为什么能把钢材的应力应变关系简化为理想 弹塑性模型，其依据何在？ 5. 为何要避免出现三向拉应力场，其依据何在？

高强度或低强度钢材 在拉伸过程中常常没 有明显屈服平台。
fu fy=f0.2
0.2%
εp

单向拉伸时钢材的性能指标（三个关键性能指标）
（1）屈服强度 fy——应力应变曲线开始产生塑性流 动时对应的应力（取屈服平台波动部分的应力 最低值，即下屈服点），它是确定钢材强度设 计值的重要指标。 （2）抗拉强度 fu ——应力应变曲线最高点对应的 应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。 （3）钢材的塑性变形能力——当应力超过屈服点后，

E
B
1. 弹性段（OA)
A：比例极限fp
2. 弹塑性段（AB）
F
B：上屈服点 3. 屈服平台段（BD) C：下屈服点fy
A C D
fu
fy
fp
屈服强度
O
E
单调拉伸应力-应变曲线

4. 强化段（DE) E：极限强度fu 5. 颈缩段（EF）
适用于钢材强度不太高的情况
钢材的应力-应变关系（无明显屈服点） 设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力作 为屈服点——“条件屈服点”
原则：在设计、制作和使用过程中，尽量发挥 材料的塑性，避免一切脆性破坏的可能性。
2.基本力学性能
单向拉伸试验（材性试验） 条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃左右）， 缓慢加载，一次完成（单向加载直至拉断） 标准试件：
d—直径
l0
lo —标距
d
标准试件
拉力试验机
单向拉伸试验全过程
钢材的(工程)应力—应变关系（有明显屈服点）
钢材能产生显著的变形（塑性变形）而不立即
断裂的性质，一般用伸长率(延伸率)表示。
伸长率δ——试件拉断后标距范围内的总伸长量与原标距
长度的比值。
l1 l0 δ 100% l0
l0
N d N
l0— 原标距长 N l1 —拉断后标距长度 d0 —试件直径 试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长 率用δ5和δ10表示。 伸长率是评价钢材塑性变形能力的关键指标，伸长率越 大，塑性变形能力越好。

2

1

3
X
单元体受 主应力
zs x y z ( x y y z z x ) 3( xy yz zx ) f y
2 2 2 2 2 2
1 2 2 2 zs ( ) ( ) ( ) fy 1 2 2 3 3 1 2
冲击韧性与温度有关，低温下，冲击韧性急剧下降，故还应 测其负温冲击韧性。我国钢材标准中将试验分为四档，即常 温+20℃、0℃和负温-20℃、-40℃时的冲击韧性，每一档均 要求冲击功Akv不小于27J
钢材的力学性能（六大指标） 塑性 韧性
f y，fu，，冷弯180，常温AkV，负温AkV
静力性能
1 只适用于塑性破坏 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 1 2 2 3 3 1 f 不适用于脆性情况 zs 2
（2）当为同号三向压应力时，同样难以发展塑性变形，但由于压 应力能抑制原来存在于钢材内部的裂纹的开展，因此不会发生脆性 断裂。 （3）当为异号应力时，可以进入塑性。
设计用应力－应变曲线
Fra Baidu bibliotek
ε
3.冷弯试验
冷弯试验——常温下把钢板弯曲180 °(按原有厚度)，检查外表 面，不能有裂纹、起层（或分层）。
冷弯性能——也是评价塑性性能的第二个评价指标，也是衡量 材料塑性及均匀程度的更加严格的要求，主要用于检验钢材在 冷弯（常温下弯曲）产生塑性变形时抵抗裂缝产生的能力。
4.冲击试验
l1
N
（4）理想弹塑性模型（设计用）
曲线简化的步骤： 1. 比例极限与屈服点的纵坐标接近； 2. 屈服平台近似水平； 3. 屈服后不考虑强化：即以屈服强 规范规定的弹性模量为： 5MPa E=2.06 × 10 度作为极限强度。 fy 简化的原因？ 1. 形式简单，便于应用； 2. 以fy作为极限强度，可提供更 多安全储备； 3. fu所对应的变形形太大，正常 使用极限状态不满足。
2 2 2 2 2 2
如工字型梁腹板与翼缘交界处（只有正应力和剪应力） :
则
y z yz zx 0 x = , xy
zs 3 f
2 2
纯剪状态（只有剪应力）
zs x y z ( x y y z z x ) 3( xy yz zx ) f
强度
动力性能
5.复杂应力状态下的工作性能
形状改变比能理论（第四强度理论） 假定：复杂应力状态下的单元体单位体积积聚的形状改变应变
能等于单轴应力状态下单元体单位体积达到塑性时积聚
的形状改变应变能时，钢材即由弹性转入塑性。
Z

z




zy

3
1
zx


yx
yz

xy
xz


y
2
x
o
Y 单元体受复杂应力 状态下的分量
讨论
（1）当为同号三向拉应力时
同向应力在45度滑移面上的分力互相抵消，塑性滑移难以形成，
限制了塑性变形的发展，因此不能产生塑性破坏，与公式结果吻合。 但由于钢材内部有很多微小裂纹，其在三向拉应力状态下极易开
展而发生断裂，使钢材发生脆性破坏。因此要避免出现三向同号拉应
力场的受力情况，避免脆性破坏的发生。
冲击韧性——反映钢材在受动力荷载时抵抗脆性断裂的指标， 通过V形缺口冲击试验确定。
V形缺口冲击试验：按GB/T229-1994进行，采用横截面尺寸为 10mm×10mm、长度为55mm，试样的中部开有V缺口的冲击试样。 试验时冲击试样的开口背向摆锤的冲击方向置于试验机的支架上， 将试样一次冲断，所消耗的冲击功用Akv衡量。
赵俊贤
连接
梁(受弯构件)
•1. 钢材力学性能
•2. 连接
•3. 轴心受力构件 • (受拉，受压) •4. 受弯构件 •5. 压弯构件 柱（轴心，压弯）
1.钢材的两种破坏形式
破坏类型 特征 断口
色泽发暗， 45度滑移面
后果
破坏前有明显 变形征兆，便 于逃离，应提 倡。
破坏之前构件 塑性破坏 发生明显的变 （延性破坏） 形(应力超过屈 服强度) 破坏前无明显 脆性破坏 变形征兆(应力 （脆性断裂） 常小于屈服强 度)
写成设计公式(复杂应力状态用折算应力判断)
zs f
1 2 2 2 zs ( ) ( ) ( ) 1 2 2 3 3 1 f 2
当 1 2 3 且同号时，从公式中表现为无论主应 力值多么大，材料都保持弹性，不发生塑性破坏？