钢结构材料性能（复习）

一、    钢结构一次拉伸应力-应变曲线

钢材的主要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸试验确定的。

1、低碳钢、低合金钢的一次拉伸应力-应变曲线

低碳钢、低合金钢的钢材单向拉伸试验曲线是标准试件在常温、静载条件下一次拉伸所表现的性能曲线。

钢材性能曲线分为以下阶段：

1）弹性阶段

该阶段的力学指标为比例极限σp。应力不超过该值时，应力σ与应变ε的关系符合虎克定律，呈线性关系，卸荷后变形完全恢复。

直线的斜率E为钢材的弹性模量，在钢结构设计中，对所有钢材统一取E=2.06x10⁵N/mm²。

2）弹塑性阶段（非线弹性阶段）

当超过比例极限σp后，应力σ与应变ε呈非线性关系，一直到屈服点fy。此阶段，切线模量E_t=dσ/dε，E_t随应力增大而减小。当σ=f_y时，E_t=0。

3）塑性阶段（屈服阶段）

σ=f_y后，材料到达弹性段顶端，钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形。从曲线上看，材料屈服后，有一段水平段，表示荷载或应力不再增加，但材料的变形或应变还会增加。水平段有微小抖动，包括上屈服点、下屈服点，通常用下屈服点作为屈服强度。

应力超过比例极限σp后，任一点的变形都将包括有弹性变形和塑性变形两部分，其中的塑性变形在卸载后不再恢复，故称残余变形或永久变形。

4）强化阶段

屈服阶段之后，如果变形或应变持续增加，荷载或应力还会提高，这个阶段叫作强化阶段。试件能承受的最大拉应力fu为钢材的抗拉强度。

在强化阶段，材料的应力增量与应变增量的比值，表征了在此阶段的材料性能，为切线模量。如果将这点与原点连起来，即表征材料的总应力与总应变的比值，叫作割线模量。

5）颈缩阶段

到达曲线的顶点fu后，试件会出现局部横向收缩变形，即颈缩，随后断裂。

在工程设计中，取fy作为强度极限承载力的标志，则fu就成为材料的强度储备。屈服强度与极限强度的比值即屈强比，是实际工程中非常重要的一个指标。

2、高强度钢的一次拉伸应力-应变曲线

低碳钢和低合金钢有明显的屈服点和屈服平台。而高强度钢，有较好的塑性性质但没有明显的屈服点和屈服平台，应力应变曲线形成一条连续曲线。对于没有明显屈服点的钢材，规定永久变形为ε=0.2%时的应力作为屈服点，有时用σ_0.2表示。

因此，高强度钢的应力-应变曲线主要包括三个阶段：1）弹性；2）强化；3）颈缩。

二、    结构钢材基本性能要求和指标

1、  强度：强度指金属在外力作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。除以上介绍的屈服强度、极限强度及屈强比外，还有以下指标：

1）抗拉强度：金属试验拉伸时，在拉断前所承受的最大负荷与试件原横截面面积之比称为抗拉强度。

2）抗压强度：试件在压力作用下不发生碎、裂所能承受的最大正压力。

3）抗弯强度：试样在位于两支承中间的集中负荷作用下，使其折断时，折断截面所承受的最大正压力。

4）抗剪强度：试样剪断前，所承受的最大负荷下的受剪截面具有的平均应力。

5）抗扭强度：外力是扭转力的强度极限。

6）蠕变强度：金属材料在高于一定温度下受到应力作用，即使应力小于屈服强度，试件也会随着时间的增长而缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变。在给定温度下和规定时间内，使试件发生一定蠕变变形量的应力称为蠕变强度。

2、  弹性：指金属在外力作用下产生变形，当外力取消后又恢复到原来的形状和大小的一种特性。

1）弹性模量E：在弹性范围内，金属拉伸试验时，外力和变形，即应力和应变成正比关系时 ，这个比例系数称为弹性模量。

2）剪切模量G：在弹性范围内，金属扭转试验时，外力和变形，即应力和应变成正比关系时 ，这个比例系数称为剪切模量。

3、  塑性：指金属材料在外力作用下，发生非弹性变形 但依然能保持承载强度的能力。

1）伸长率δ：是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径的5倍为标定长度，其相应的伸长率为δ5。

2）断面收缩率：材料断裂以后，其颈缩处横截面面积的最大缩减量与原始面积的百分比。

3）泊松比：对于各向同性的材料，泊松比表示：试样在单向拉伸时，横向相对收缩量与轴向相对伸长量之比。

4）冷弯性能：根据试样的脚步牙齿，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧面无裂纹或分层，则为“冷弯试验合格”。冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。

4、韧性：指金属材料在冲击力（动力荷载）作用下而不破坏的能力。吸收较多量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。国际上通常采用夏比试验法测量冲击韧性。采用V形缺口描绘实际结构的缺陷。夏比缺口韧性用Ak或Cv表示，其值为试件折断所需的功，单位为J。

5、疲劳：金属材料中一般有微观缺陷，在反复荷载作用下结构会产生应力集中，应力集中会导致同号应力场材料变脆，导致裂纹扩展。荷载反复作用到一定次数，应力集中进一步加剧，裂纹进一步扩展，扩展到一定程度，微观的裂纹就变成宏观裂纹。当剩下的截面不足以承受荷载时，突然发生断裂，这就是疲劳破坏。

1）疲劳极限：金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次的应力循环仍不发生断裂时所能承受的最大应力。

2）疲劳强度：金属材料在重复或交变应力作用下，经过周次的应力循环后断裂时所能承受的最大应力，叫作疲劳强度。有时，疲劳极限常用疲劳强度表示。

6、硬度：硬度是指金属抵抗更硬物体压入其表面的能力。硬度是反映弹性、强度和塑性等的综合性能指标。

7、可焊性：指采用一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹的）焊缝的性能。

钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳储量在0.12%-0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。