钢材的拉伸性能和疲劳极限

（一）拉伸性能

拉伸性能是建筑钢材最重要的技术性能。通过拉伸性能试验得到钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率是3项重要的技术指标。

图11-1　低碳钢受拉的应力-应变曲线

拉伸试验是先将钢材做成标准试件，然后在试验机上缓慢施加拉伸荷载，在加荷载过程中观察钢材的应力-应变的过程，直至试件拉断为止。描绘出整个拉伸过程的应力-应变曲线，如图11-1所示，在钢材的应力-应变曲线图中，大致经历了4个阶段。

1.弹性阶段（OA段）

应力从零逐渐增大时，认为钢材仅发生弹性变形，一直达到弹性极限为止。OA段是一条直线，应力与应变成正比。应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=σ/ε。弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。

2.屈服阶段（AB段）

应力超过A点以后，应力与应变值不再成正比关系，荷载继续增加，试件发生显著的、不可恢复的变形，此阶段为屈服阶段。此阶段的最高点B上称为屈服上限，最低点B下称为屈服下限。由于B下比较稳定，容易测定，所以，一般以B下对应的应力为屈服点（即屈服强度），用σs表示，即

式中　σs——钢材的屈服强度，MPa；

　　　FS——钢材试件屈服点时的荷载，N；

　　　A——钢材试件截面面积，mm2。

对于屈服现象不明显的钢材，如中碳钢和高碳钢（硬钢），屈服现象不明显，伸长率小。这类钢材由于没有明显的屈服阶段，不能测定屈服点，规定以产生0.2%的残余变形时的应力值作为屈服强度（σ0.2）。

3.强化阶段（BC段）

当荷载超过屈服点以后，试件抵抗塑性变形的能力又重新提高，应力继续增加，故称为强化阶段，当荷载到达C点时，应力达到极限值。C点的强度称为抗拉强度，用σb表示，即

式中　σb——钢材的抗拉强度，MPa；

　　　Fc——钢材试件极限荷载，N；

　　　A——钢材试件截面面积，mm2。(www.xing528.com)

在工程使用的钢材中，希望有高的σs值，并有一定的屈强比（屈服强度和抗拉强度之比σs/σb，能反映钢材的利用率和结构安全的可靠程度）。屈强比越小，材料的可靠性越高，不易发生危险的脆性断裂，但是如果屈强比太小，材料的有效利用率太低，造成钢材资源的浪费，所以建筑结构钢材合理的屈强比一般为0.60～0.75。

4.颈缩阶段（CD段）

当荷载超过C点后，试件的变形已不再是均匀的，在试件的某个部位出现加速变细，断面急剧缩小，直到断裂。试件出现变细加速的部位称为“颈缩”。

（二）塑性

试件的塑性指标是伸长率，用δ来表示，伸长率是时间拉断后总伸长量与原始长度比值的百分率。计算公式为

式中　δ——试件的伸长率，%；

　　　l0——拉伸前的标距长度，mm；

　　　l1——拉断后的标距长度，mm。

伸长率表明钢材塑性变形的能力，它是钢材的重要技术指标。钢材塑性好，不仅便于进行各种冷加工，而且能保证钢材在建筑中安全使用，不会因超载或震动而引起构件的突然破坏。

（三）冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过V型缺口试件的冲击韧性试验确定的。其冲击韧性用ak（J/cm2）来表示，计算公式为

式中　ak——冲击韧性，J/cm2；

　　　AK——冲击功，J；

　　　A——试件断面积，cm2。

　　　ak值越大，说明钢材的冲击韧性越好；ak值越小，说明钢材的脆性越大。故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。

（四）耐疲劳性

钢材在交变应力（忽有忽无、忽拉忽压）作用下，在远低于抗拉强度时就发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示。其含义是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。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极限。

研究表明，钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，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。疲劳破坏常常是突然发生的，往往造成严重事故。