建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解

2024年1月10日发(作者：霍维德)

建筑常用钢材的力学性能和工艺性能讲解

钢材的技术性能包括力学性能、工艺性能和化学性能等。力学性能主要包括拉伸性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等；工艺性能是钢材在加工制造过程中所表现的特性，包括冷弯性能、焊接性能、热处理性能等。只有了解、掌握钢材的各种性能，才能正确、经济、合理地选择和使用各种钢材。

一、力学性能

（一）拉伸性能

钢材的拉伸性能，典型地反映在广泛使用的软钢（低碳钢）拉伸试验时得到的应力σ与应变ε的关系上，如图7.7所示。钢材从拉伸到拉断，在外力作用下的变形可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

图7.7 低碳钢受拉应力-应变

1.弹性阶段

在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。

弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A点时，应力与应变成线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用e表示。弹性模量反映钢材的刚度，即产生单位弹性应变时所需要应力的大小。

2.屈服阶段

当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上和B下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线

段。试件出现塑性变形，AB称为屈服阶段，B下所对应的应力值称为屈服极限σs。

钢材受力达到屈服强度后，变形即迅速发展，虽然尚未破坏，但已不能满足使用要求。所以设计中一般以屈服强度作为钢材强度取值的依据。

对于在外力作用下屈服现象不明显的钢材，规定以产生残余变形为原标距长度0.2%时的应力作为屈服强度，用σ0.2表示，称为条件屈服强度。

3.强化阶段

当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb来表示，它是钢材所能承受的最大应力。

钢材屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比σs/σb），是评价钢材受力特征的一个参数，屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强比较小时，表示钢材的可靠性好，安全性高。但是屈强比过小，钢材强度的利用率偏低，不够经济。合理的屈强比一般为0.60～0.75。

4.颈缩阶段

当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。

将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：

式中：L0——试件原标距间长度，mm。

L1——试件拉断后标距间长度，mm（图7.8）。

图7.8 试件拉伸前和断裂后标距长度

伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，其值越大说明钢材的塑性越好。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。塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远其变形越小。所以，原始标距与直径之比越小，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大，计算出来的δ值就越大。标距的大小影响伸长率的计算结果，通常以L5和L10分别表示L0=5d0和L0=10d0的伸长率。对于同一种钢材，其L5大于L10。某些线材的标距用L0=100mm，伸长率用L100表示。

（二）冲击韧性

钢材抵抗冲击荷载作用而不被破坏的能力称为冲击韧性。用于重要结构的钢材，特别是承受冲击振动荷载的结构所使用的钢材，必须保证冲击韧性。

钢材的冲击韧性用标准试件在做冲击试验时，每平方厘米所吸收的冲击断裂功（J/cm2）表示，其符号为αk。试验时将试件放置在固定支座上，然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲击弯曲而断裂。显然，αk值越大，钢材的冲击韧性越好，其原理如图7.9所示。

图7.9 钢材冲击韧性试验示意（单位：mm）

影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高时，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂缝时，钢材的冲击韧性都会显著降低。

环境温度对钢材的冲击韧性影响很大。试验证明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度，其数值越低，钢材的低温冲击韧性越好。所以，在负温下使用的结构，应选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。由于脆性临界温度的测定较复杂，故规范中通常是根据气温条件规定

－20℃或－40℃的负温冲击值指标。

冲击韧性随时间的延长而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重复荷载的影响，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。

（三）疲劳强度

钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于抗拉强度的情况下发生突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是试件在交变应力的作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。一般将承受交变荷载达107周次时不发生破坏的最大应力定义为疲劳强度。在设计承受反复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。

研究表明，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂缝，由于裂缝尖端处产生应力集中而使裂缝迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。疲劳破坏常常是突然发生的，往往造成严重事故。

（四）硬度

硬度是指钢材抵抗外物压入表面而不产生塑性变形的能力，也即钢材表面抵抗塑性变形的能力。

钢材的硬度是以一定的静荷载，把一定直径的淬火钢球压入试件表面，然后测定压痕的面积或深度来确定的。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，较常用的为布氏法和洛氏法。相应的硬度试验指标称布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。

布氏法是利用直径为D（mm）的淬火钢球，以P（N）的荷载将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，得到直径为d（mm）的压痕，以压痕表面积F（mm2）去除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值，以数字表示，不带单位。各类钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。钢材的强度越

高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也越大。对于碳素钢：当HBσb≈3.6HB；当HB＞175时，抗拉强度σb≈3.5HB。根据这一关系，可以直接在钢结构上测出钢材的HB值，并估算出该钢材的抗拉强度，其原理图如图7.10所示。

图7.10 布氏硬度原理图

洛氏法是按压入试件深度的大小表示材料的硬度值。洛氏法压痕很小，一般用于判断机械零件的热处理效果。

二、工艺性能

良好的工艺性能可以保证钢材顺利通过各种加工，而使钢材制品的质量不受影响。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑结构的重要工艺性能。

（一）冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。以试件弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来表示。弯曲的角度越大，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。冷弯检验时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、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。其实验图如图7.11所示。

图7.11 冷弯实验图

冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，而伸长率则是反映钢材在均匀变形下的塑性。因此，相对于伸长率而言，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。

（二）冷加工性能及时效

1.冷加工强化处理

将钢材在常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷轧），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，这个过程称为冷加工强化处理。经过强化处理后钢材的塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。

建筑工地或预制构件厂常利用该原理对钢筋按一定制度进行冷拉或冷加工，以提高屈服强度，节约钢材。

（1）冷拉是将热轧钢筋用冷拉设备加力进行张拉。钢材冷拉后，屈服强度可提高20%～30%，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。

（2）冷拔是将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在10%以下。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔作用比冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度高，屈服强度提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。

2.时效

钢材经冷加工后，在常温下存放15～20d，或加热至100～200℃保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性及韧性继续降低，这种现象称为时效，前者称为自然时效，后者称为人工时效。

钢材经冷加工及时效处理后，其应力-应变关系变化的规律，可明显地在应力-应变得到反映，如图7.12所示。

图7.12 钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

（三）焊接性能

焊接是各种型钢、钢板、钢筋的重要连接方式。建筑工程的钢结构有90%以上是焊接结构。焊接的质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢的焊接性能。

钢材的可焊性是指钢材适应用通常的方法与工艺进行焊接的性能。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）也将增大焊接处的硬脆性，降低可焊性，特别是硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。

钢筋焊接应注意以下问题：

（l）冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行。

（2）钢筋焊接之前，焊接部位应清除铁锈、熔渣、油污等。

（3）应尽量避免不同国家的进口钢筋之间或进口钢筋与国产钢筋之间的焊接。