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1、钢材的主要性能指标 力学性能又称机械性能 是钢材最重要的使用性能 在建筑结构中 对承受静荷载作用的钢材 要求具有一定的力学强度 并要求所产生的变形不致影响到结构的正常工作和安全使用 对承受动荷载作用的钢材 还要求具有较高的韧性而不致发生断裂 通过一次拉伸试验可得到抗拉强度 伸长率和屈服点三项基本性能 通过冷弯试验可得到钢材的冷弯性能 通过冲击韧性试验可得到冲击韧性 一 强度 在外力作用下 材料抵抗变形和断裂的能力称为强度 测定钢材强度的方法是拉伸试验 钢材受拉时 在产生应力的同时 相应的产生应变 应力 应变的关系反映出钢材的主要力学特征 一 力学性能 强度试验 低碳钢的拉伸实验 标准试件 按照
2、一定的要求 对表面进行车削加工后的试件 非标准试件 不经过加工 直接在线材上切取的试件 OB 弹性阶段 BC 屈服阶段 CD 强化阶段 DE 颈缩阶段 低碳钢拉伸过程的 图 根据低碳钢受拉时的 曲线可了解到抗拉性能的下列特征指标 1 弹性阶段可得到弹性模量E和比例极限2 屈服阶段可得到屈服强度3 强化阶段压力曲线又有上升趋势这一阶段可得到抗拉强度4 颈缩阶段当试件达到时 在承载力最弱的截面处 截面收缩 局部变细 并且荷载下降直至拉断 本阶段可得到收缩率和伸长率 p 术语解释 1 弹性模量和比例极限 钢材受力初期 应力与应变成正比例增长 应力与应变之比是常数 称为弹性模量即E 这个阶段的最大应力
3、 A点的对应值 称为比例极限 a E值越大 抵抗弹性变形的能力越大 在一定荷载作用下 E值越大 材料发生的弹性变形量越小 一些对变形要求严格的构件 为了把弹性变形控制在一定限度内 应选用刚度大的钢材 2 弹性极限 应力超过比例极限后 应力 应变曲线略有弯曲 应力与应变不再成正比例关系 但卸去外力时 试件变形仍能立即消失 此阶段产生的变形是弹性变形 不产生残留塑性变形的最大应力 B点对应值 称为弹性极限 b 事实上 a和 b相当接近 3 屈服强度 屈服强度 钢材开始丧失对变形的抵抗能力 并开始产生大量塑性变形时所对应的应力 在屈服阶段 锯齿形的最高点所对应的应力称为屈服上限 锯齿形的最低点所对应
4、的应力称为屈服下限 屈服上限与试验过程中的许多因素有关 屈服下限比较稳定 容易测试 所以规范规定以屈服下限的应力值作为钢材的屈服强度 用 s表示 中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象 规范规定以0 2 残余变形所对应的应力值作为条件屈服强度 用 0 2表示 屈服强度对钢材使用意义重大 一方面 当构件的实际应力超过屈服强度时 将产生不可恢复的永久变形 另一方面 当应力超过屈服强度时 受力较高部位的应力不再提高 而自动将荷载重新分配给某些应力较低部位 因此 屈服强度是确定容许应力的主要依据 4 抗拉强度 极限强度 当钢材屈服到一定程度后 由于内部晶粒重新排列 其抵抗变形的能力又重新提高 此时变形虽然发
5、展很快 但却只能随着应力的提高而提高 直至应力达到最大值 此后钢材抵抗变形的能力明显降低 并在最薄弱处发生较大塑性变形 此处试件界面迅速缩小 出现颈缩现象 直到断裂破坏 抗拉强度是钢材所能承受的最大拉应力 即当拉应力达到强度极限时 钢材完全丧失了对变形的抵抗能力而断裂 抗拉强度虽然不能直接作为计算依据 但屈服强度与抗拉强度的比值 即 屈强比 s b 对工程应用有较大意义 屈强比愈小 反映钢材在应力超过屈服强度工作时的可靠性愈大 即延缓结构损坏过程的潜力愈大 因而结构愈安全 但屈强比过小时 钢材强度的有效利用率低 造成浪费 常用碳素钢的屈强比为0 58 0 63 合金钢的屈强比为0 65 0 7
6、5 5 疲劳强度 受交变荷载反复作用 钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象 称为疲劳破坏 疲劳破坏首先是从局部缺陷处形成细小裂纹 由于裂纹尖端处的应力集中使其逐渐扩展 直至最后断裂 疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的 所以危害极大 往往造成灾难性的事故 在一定条件下 钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低 钢材在无数次交变荷载作用下而不致引起断裂的最大循环应力值 称为疲劳强度极限 钢材的疲劳强度与很多因素有关 如组织结构 表面状态 合金成分 夹杂物和应力几种情况等 塑性表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 它是钢材的一个重要指标 钢材的塑性通常用拉伸试验
7、时的伸长率或断面缩减率来表示 二 塑性 1 伸长率 伸长率反映钢材拉伸断裂时所能承受的塑性变形能力 是衡量钢材塑性的重要技术指标 伸长率是以试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率来表示 伸长率按下式计算 L1 试件拉断后标距部分的长度 mm L0 试件的原标距长度 mm 2 断面缩减率 断面缩减率按下式计算 式中 A0 试件原始截面积 A1 试件拉断后颈缩处的截面积 伸长率和断面缩减率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力 伸长率越大或断面缩减率越高 说明钢材塑性越大 钢材塑性大 不仅便于进行各种加工 而且能保证钢材在建筑上的安全使用 因为钢材的塑性变形能调整局部高峰应力 使之趋于平缓 以
8、免引起建筑结构的局部破坏及其所导致的整个结构的破坏 钢材在塑性破坏前 有很明显的变形和较长的变形持续时间 便于人们发现和补救 3 冲击韧性 冲击韧性是钢材的一种动力性能指标 它是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力 是衡量钢材抵抗可能因低温 应力集中 冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能 它用材料在断裂时所吸收的总能量 包括弹性和非弹性能 来量度 其值为 关系曲线与横坐标所包围的总面积 总面积愈大韧性愈高 故韧性是钢材强度和塑性的综合指标 钢材的冲击韧性越好 即其抵抗冲击作用的能力越强 脆性破坏的危险性越小 对于重要的结构物以及承受动荷载作用的结构 特别是处于低温条件下 为
9、了防止钢材的脆性破坏 应保证钢材具有一定的冲击韧性 二 工艺性能 1 冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力 冷弯试验的指标 弯心直径d与试件厚度 直径 a的比值d a 弯曲角度 90 或180 试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格 通过冷弯试验 更有助于暴露钢材的某些内在缺陷 它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀 内应力和夹杂物等缺陷 钢材的冷弯性能与伸长率一样 也是反映钢材在静荷载作用下的塑性 而且冷弯是在更苛刻的条件下对钢材塑性的严格检验 它能反映钢材内部组织是否均匀 是否存在内应力及夹杂物等缺陷 在工程中 冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段 2 焊接性能 可焊性
10、焊接是把两块金属局部加热并使其接缝处迅速呈熔融或半熔融状态 从而使之更牢固的连接起来 焊接性能是指钢材在通常的焊接方法与工艺条件下获得良好焊接接头的性能 可焊性好的钢材易于用一般焊接方法和工艺施焊 焊接时不易形成裂纹 气孔 夹渣等缺陷 焊接接头牢固可靠 焊缝及其附近受热影响区的性能不低于母材的力学性能 在建筑工程中 焊接结构应用广泛 如钢结构构件的连接 钢筋混凝土的钢筋骨架 接头及预埋件 连接件等 这就要求钢材要有良好的焊接性能 低碳钢有优良的可焊接性 高碳钢的焊接性能较差 一 施工上的可焊性施工上的可焊性是指焊缝金属产生裂纹的敏感性 以及由于焊接加热的影响 近缝区钢材硬化和产生裂纹的敏感性 可焊性好 是指在一定的焊接工艺条件下 焊缝金属和近缝区钢材均不产生裂纹 二 使用性能上的可焊性使用性能上的可焊性是指焊接接头和焊缝的缺口韧性 冲击韧性 和热影响区的延伸性 塑性 要求焊接构件在施焊后的机械性能 力学性能 不低于母材的机械性能
