7.2.1　钢材的力学性能

1.拉伸性能

钢材的拉伸性能，用低碳钢做拉伸试验时得到应力σ与应变ε关系图，如图7.1所示。钢材从拉伸到拉断的全过程分为4个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

（1）弹性阶段。从图7.1可以看出，钢材在静荷载作用下，受拉的OA阶段，应力和应变成正比，这一阶段成为弹性阶段，具有这种变形特征的性质称为弹性。弹性阶段的最高点即图7.1中的A点对应的应力称为弹性极限，用σp表示。应力和应变的比值称为弹性模量，即E＝σ／ε（单位MPa），弹性模量是衡量钢材抵抗变形能力的指标，E越大，在一定应力下，产生的弹性变形越小；反之，越大。在工程上，弹性模量反映了钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。建筑常用碳素结构钢Q235的弹性极限σp＝180～200MPa，弹性模量E＝（2.0～2.1）×105MPa。

（2）屈服阶段。当荷载继续增大，钢材开始丧失对变形的抵抗能力，并产生大量塑性变形的应力。这阶段开始时的图形接近直线，后来形成接近水平的锯齿线，应力在很小的范围变化，应变急剧的增加，此阶段称为屈服阶段。如图7.1所示，在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力成为上屈服点（B上）；最低点对应的应力成为下屈服点（B下）。因上屈服点不稳定，所以国标规定以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度，用σs表示。中、高碳钢没有明显的屈服点，通常以残余变形为0.2%的应力作为屈服强度，用σ0.2表示，屈服强度对钢材的使用有着重要的意义，当构件的实际应力达到屈服点时，将产生不可恢复的永久性变形，这在结构中是不允许的，因此屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据。例如Q235的σs约为240MPa。

（3）强化阶段。超过屈服点后，应力增加又产生应变，钢材进入强化阶段。钢材在拉力的作用下能承受的最大拉应力，见图7.1第Ⅲ阶段的最高点，即试件拉断前的最大应力σb，称为抗拉强度。

抗拉强度虽然不能直接作为计算的依据，但屈服强度和抗拉强度的比值即屈强比，用σs／σb表示，在工程上很有意义。屈强比小，结构的安全可靠性高，即防止结构破坏的潜力越大，但钢材的有效利用率低；但此值大时，钢材的有效利用率高，但钢结构的安全可靠性差，故钢材的屈强比太小，也不能太大，合理的屈强比一般在0.6～0.75之间。屈服强度和抗拉强度是钢材力学性质的主要检验指标。

图7.1　低碳钢受拉时应力—应变图

（4）颈缩阶段。超过最高点C点后，塑性变形迅速增大，在试件最薄弱处的截面将显著缩小，出现“颈缩显现”，此阶段CD为颈缩阶段。

在工程中常用伸长率表征钢材的塑性。伸长率是指试件拉断后的伸长值与原标距长度之比，见图7.2。伸长率δ可按式（7.1）计算：

图7.2　试件拉伸前和断裂

式中　δ——试件的伸长率，%；

L1——拉断后的标距长度，mm；

L0——拉伸前的标距长度，mm。

伸长率是钢材的塑性的重要指标，δ越大，说明钢材塑性越好，塑性变形能力强，可使应力重新分布，避免应力集中，结构的安全性增大。标距的大小影响伸长率的计算结果，通常以δ5表示L0＝5d5和δ10表示L0＝10d10时的伸长率。对于同种钢材，δ5＞δ10。

2.冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。用于重要结构的钢材，特别是承受冲击振动荷载的结构所用的钢材，必须保证冲击韧性。

国家标准规定是以刻槽的标准试件，在冲击试验的摆锤冲击下，见图7.3。以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示，符号ak，单位J／cm2。ak越大，冲断试件消耗的能量，或者说钢材断裂前吸收的能量越多，说明钢材的韧性越好。钢材的冲击韧性与钢的化学成分、冶炼与加工有关。一般来说，钢中的P、S含量越高，夹杂物以及焊接中形成的微裂纹等都会降低冲击韧性。此外，钢材的冲击韧性还受温度和时间的影响。常温下，随温度的降低，冲击韧性降低，此时破坏的钢件断口呈韧性断裂状；当温度降至某一温度范围时，ak突然发生明显下降，钢材开始呈脆性断裂，这种性质称为冷脆性，发生冷脆性时的温度（范围）称为脆性临界温度（范围）。低于这一温度时，降低趋势又缓和，但此时ak值很小。在北方严寒地区选用钢材时，必须对钢材的冷脆性进行评定，此时选用的钢材的脆性临界温度应比环境最低温度低些。由于脆性临界温度的测定工作复杂，标准中通常是根据气温条件测定－20℃或－40℃的冲击值指标。

随时间的延长，钢材的强度和硬度提高，而塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效的过程可达数十年，但钢材如经冷加工或使用中受振动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性越大的钢材，经过时效后冲击韧性的降低越显著。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。

总之，对于直接承受动荷载，而且可能在负温下工作的重要结构，必须按照有关规范要求进行钢材的冲击韧性检验。

3.硬度

硬度是在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力，通常与抗拉强度有一定的关系。目前测定钢材硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度，用HB表示。一般来说，硬度愈高，强度也愈大。根据试验数据分析比较，可用σ＝0.36HB的关系式估算碳素钢的抗拉强度值σb。

4.疲劳强度

钢材在交变荷载的反复作用下，在远低于其屈服强度时突然发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标使用疲劳强度（疲劳极限）来表示。一般把钢材在荷载交变1×107次时不破坏所能承受的最大应力定义为疲劳强度。在设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。

钢材的疲劳破坏主要是在应力集中的地方出现疲劳裂缝，并不断扩大，直至突然产生瞬间疲劳断裂。钢材的内部组织状态、化学成分偏析、表面质量、受力状态、屈服强度和抗拉强度大小及受腐蚀介质侵蚀的程度等，都影响其疲劳强度。

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图7.3　V形缺口冲击韧性

7.2.2　钢材的工艺性能

1.冷弯性能

冷弯性能是指常温下钢材承受弯曲变形的能力，冷弯性能是建筑钢材的重要工艺性能之一。

建筑钢材的冷弯，一般用弯曲角度ψ及弯心直径d相对于钢材厚度α的比值来表示。实验时采用的弯曲度越大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高，如图7.4所示。冷弯检验是按规定的弯曲角度和弯心直径进行弯曲后，检查试件弯曲处外面及侧面不发生裂缝、断裂、鳞落或起层，即认为冷弯性能合格。

图7.4　钢材冷弯

冷弯也是检验钢材塑性的一种方法，并与伸长率存在有机的联系，伸长率大的钢材，其冷弯性能必然好，但冷弯检验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、更敏感。冷弯有助于暴露钢材的某些缺陷，如气孔、杂质和裂纹等。在焊接时，局部脆性及接头缺陷都可通过冷弯而发现，所以钢材的冷弯不仅是评定塑性、加工性能，也是评定焊接质量的重要指标之一。对于重要结构和弯曲成型的钢材，冷弯必须合格。

2.焊接性能

钢材的可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。可焊性的好坏，主要取决于钢材的化学成分。含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性。加入合金元素（如硅、锰、钒、钛等）将增大焊接处的硬脆性，降低可焊性。

3.冷加工强化

冷加工是指钢材在常温下进行的加工，建筑钢材常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。冷拉如图7.5所示，钢材的应力应变曲线为OBKCD，若钢材被拉伸至K点时，放松拉力，则钢材将恢复至O1点，此时重新受拉后，其应力应变曲线将为O1KCD，新的屈服点将比原屈服点提高，但伸长率不变。

图7.5　钢筋冷拉前后应力—应变图的变化

钢材在自然条件下的时效是非常缓慢的，若经过冷加工或使用中经常受到振动、冲击荷载作用时，时效将迅速发展。钢材经冷加工后在常温下搁置15～20d或蒸汽或电热法加热至100～200℃保持2h以内，钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低，完成时效过程，前者称为自然时效，后者称为人工时效。如图7.5所示，经冷加工和时效后，其应力—应变曲线为O1K1C1D1，此时屈服强度（K1）和抗拉强度（C1）比时效前进一步提高。一般强度较低的钢材采用自然时效，而强度较高的钢材采用人工时效。在一定范围内，冷加工变形程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低越多。

冷加工和时效处理之所以能提高钢的强度，是因为冷拉塑性变形使晶粒细化、晶格歪曲，增大了位移的阻力。时效处理又使铁与氮、氧的化合物微粒迁移到界面上，增大了对外界的抵抗力。

冷拉钢筋由于塑性、韧性降低而硬脆性增加，在负温和冲击或重复荷载作用下易发生脆断，不宜使用冷拉钢筋。

7.2.3　钢材的化学成分对其性能的影响

1.碳（C）

钢的含碳量对钢材的性能影响最大。随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量增至0.8%时，强度最大，但当含碳量超过0.8%以后，强度反而下降。此外，含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。

2.锰（Mn）、硅（Si）

锰在一般碳素钢中的含量为0.25%～0.8%。硅（Si）在一般碳素钢中含量为0.1%～0.4%。硅和锰是在炼钢时为了脱氧去硫而有意加入的元素。由于硅与氧的结合能力很大，因而能夺取氧化铁中的氧形成二氧化硅进入钢渣中，其余大部分硅溶于铁素体中，当含量较低时（小于1%），可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大。若锰作为合金元素加入钢中，是钢中锰的含量提高到0.8%～1.2%或者更高时，成为力学性能优于一般碳素钢的锰钢。但当锰含量高于1.0%时，会降低钢材的耐腐蚀和焊接性能。若硅作为合金元素加入钢中，使含量提高到1.0%～1.2%时，钢材的抗拉强度可提高15%～20%，但塑性和韧性明显下降，焊接性能变差，并增加钢材的冷脆性。

3.硫（S）、磷（P）

硫在钢材中以FeS形式存在，硫化亚铁是一种低熔点化合物，当钢材进行热加工或焊接时，硫化亚铁已经熔化，使钢的内部产生裂纹，这种在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。热脆性大大降低钢材的热加工性和可焊性。此外，硫偏析较严重，降低了冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性，硫在碳钢中是有害元素，因此国家标准对其含量限制很严，要求在0.050%以下。

磷能使钢的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降，显著增加钢的冷脆性，磷的偏析较严重，焊接时焊缝容易产生冷裂纹，所以磷是降低钢材可焊性的元素之一。磷在碳钢中也是一种有害元素，因此在国家标准中对钢材的含磷量也有严格限制，普通碳素钢中的含磷量不得超过0.045%。

4.钛（Ti）、钒（V）

钛是较强的脱氧剂，钢中加入少量的钛，可显著提高钢的强度，而塑性略有降低。钒是弱的脱氧剂，钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，细化晶粒，提高强度，改善韧性，减少冷脆性，但降低可焊性。