1)单向均匀拉伸时钢材的性能

钢材标准试件在常温、静载情况下,单向均匀受拉试验时的σ-ε曲线如图2.1所示,由此曲线可获得钢材的性能指标。

(1)强度性能

图2.1所示的σ-ε曲线可分为以下5个阶段:

①弹性阶段(OPE段)。

图2.1中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,在钢结构的设计中统一取E=2.06×105N/mm2,P点对应的应力fp称为比例极限。

图2.1　碳素结构钢的应力-应变曲线

曲线PE段仍具有弹性,但呈非线性,即为非线性弹性阶段,这时的模量称为切线模量,Et=dσ/dε,E点的应力fe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。因此,通常将弹性极限内的线段(OPE段)近似看成直线,并且仅在此阶段内卸载时,材料才不会留下残余变形。

②弹塑性阶段(ES段)。

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

③屈服阶段(SC段)。

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。进入塑性流动范围时,曲线波动较大,以后逐渐趋于平稳,其最高点S和最低点F分别称为上屈服点和下屈服点。上屈服点和试验条件(加荷速度、试件形状、试件对中的准确性)有关;下屈服点稳定,设计中以下屈服点为依据,即以下屈点对应的应力规定为钢材的屈服强度fy。

对于没有缺陷和残余应力影响的试件,比例极限和屈服点比较接近,且屈服点前的应变很小(低碳钢约为0.15%)。为了简化计算,通常假定屈服点前钢材为完全弹性的,屈服点后则为完全塑性,这样就可把钢材视为理想的弹一塑性体,其应力-应变曲线表现为双直线,如图2.2所示。当应力达到屈服点后,将使结构产生很大的在使用上不容许的残余变形(低碳钢εc=2.5%),表明钢材的承载力达到了最大限度。因此,在设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力。

图2.2　理想弹塑性体的应力-应变曲线

高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶,如图2.3所示。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果人为规定的,故称为条件屈服点(或屈服强度)。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的,可用f0.2表示。

图2.3　高强度钢的应力-应变曲线

④强化阶段(CB段)。

当应力超过屈服台阶后,钢材内部组织得到调整,强度逐渐提高,材料出现应变硬化,曲线上升,直至曲线最高处的B点,这点的应力fu称为抗拉强度或极限强度,作为材料的强度储备。此时钢材的塑性变形非常大,应变值ε达到20%甚至更大,故无实际意义,设计时以屈服点fy作为强度限值时,抗拉强度fu成为材料的强度储备。

⑤颈缩阶段(BD段)。

当应力达到B点时,试件局部开始出现横向收缩,发生颈缩现象,随后变形剧增,直至D点而断裂。

(2)塑性性能(www.daowen.com)

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10时,以δ10表示;当比值为5时,以δ5表示。同一试件的δ5比δ10要偏大一些,通常应用δ5的情况较普遍。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力,伸长率大的钢材,对调整构件中局部超屈服应力、结构中塑性内力重分布和减少脆性破坏都有重要意义。伸长率按式(2.1)计算。

式中　L1——试件拉断后标距的长度;

L0——试件原标距长度。

断面收缩率是衡量钢材塑性性能的另一指标,即材料受拉力断裂时断面缩小的面积与原面积之比值,用ψ表示,按式(2.2)计算。

式中　A0——试件原始截面积;

A1——试件拉断后颈缩处的截面积。

(3)物理性能

钢材在单向受压(粗而短的试件)时,受力性能基本和单向受拉时相同。受剪的情况也相似,但屈服点fvy及抗剪强度fvu均较受拉时小,剪变模量G也低于弹性模量E。

钢材和钢铸件的弹性模量E、剪变模量G、线性膨胀系数α和质量密度ρ列于表2.1中。

表2.1　钢材和钢铸件的物理性能指标

2)冷弯性能

冷弯性能由冷弯试验来确定,如图2.4所示。试验时按照有关规定的弯心直径在试验机上采用冲头加压,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,还能检验钢材内部的冶金缺陷,因此,冷弯性能是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

图2.4　钢材冷弯试验示意图

3)冲击韧性

冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力,它用材料断裂时所吸收的总能量(包括弹性和非弹性)来量度,其值为图2.1中σ-ε曲线与横坐标所包围的总面积,总面积越大韧性越高,故韧性是钢材强度和塑性性能的综合指标。通常钢材强度提高,韧性降低,表示钢材趋于脆性。

钢材的冲击韧性数值随试件缺口形式和试验机型号不同而异。现行国家标准《碳素结构钢》(GB700—2006)规定采用国际上通用的夏比(Chapy)V形缺口试件[图2.5(a)]在夏比试验机上进行试验,试件折断消耗的功用AKV表示,单位为J。我国过去一直采用梅氏(Mesnager)试件[图2.5(b)]在梅氏试验机上进行试验,所得结果以单位截面积上所消耗的冲击功aK表示,单位为J/cm2。由于夏比试件比梅氏试件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AKV表示材料冲击韧性的方法日趋普遍。

图2.5　冲击韧性试验示意图

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℃)的冲击韧性指标,还要求具有0℃和负温(-20℃或-40℃)的冲击韧性指标,以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。