建筑材料：建筑钢材拉伸性能测定与应用

任务目标

1.能够描述建筑钢材拉伸性能测定的方法与步骤。

2.能够进行建筑钢材拉伸性能判定。

3.能够对建筑钢材拉伸性能进行相关工程应用。

基本知识

力学性能中的拉伸性能也被称为抗拉性能，是建筑钢材最重要的性能之一。钢材的拉伸性能可以通过拉伸试验来判定，拉伸试验参见《金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1—2010）。将低碳钢制成一定规格的试件，放在材料机上进行拉伸，这样就可以确定低碳钢在受拉情况下的应力—应变关系，并绘制出其关系曲线，横坐标代表的是应变ε，纵坐标代表的是应力δ，可以通过这个关系曲线来了解钢材的拉伸性能，如图5-1所示。

《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》

图5-1　低碳钢受拉的应力—应变图

微课：钢材的拉伸性能

依据关系曲线的应力—应变变化情况，将低碳钢受拉至拉断全过程划分为四个阶段：分别是OA段弹性阶段、AB段屈服阶段、BC段强化阶段和CD段颈缩阶段。

1.弹性阶段

第一个阶段为弹性阶段。在这个阶段发生的变形为弹性变形，若卸去荷载，试件可以恢复至原来的长度。A点对应的应力为这个阶段的最大应力，称为比例极限，用σp表示。因为OA段是一条直线线段，所以其应力与应变的比值为常数，这个常数就是钢材的弹性模量E，弹性模量等于其对应的应力与应变的比值，单位为MPa。钢材的弹性模量越大，其抵抗变形的能力就越强。需要注意的是，应力超过比例极限后的某一范围内，其应力—应变曲线略有弯曲，应力应变不再成线性正比例关系，但此时产生的变形仍是弹性变形。把不产生残留塑性变形的最大应力称为弹性极限，事实上，建筑钢材的弹性极限与比例极限非常接近。

2.屈服阶段

第二个阶段为屈服阶段。这个阶段钢材开始丧失对变形的抵抗能力，出现“屈服现象”而产生塑性变形。在试验测试时，B下点对应的应力值较稳定并容易捕捉，因此，B下点对应的应力值被视为钢材产生屈服现象时的最小应力值，称为屈服强度，用Rel表示。需要注意的是，中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象，规范规定，其以0.2%残余变形所对应的应力值作为条件屈服强度，用σ0.2表示。钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此，屈服强度是设计中钢材强度的取值依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。

3.强化阶段

第三个阶段为强化阶段。这个阶段应力超过屈服强度，内部晶粒重新排列，其抵抗变形的能力又重新提高，直至应力达到最大值。对应于最高点C点的应力值被称为极限抗拉强度，简称抗拉强度，用Rm表示。钢材的抗拉强度是钢材受拉时所能承受的最大应力值。抗拉强度虽然不能直接作为计算依据，但钢材的屈强比，即屈服强度与抗拉强度的比值，对工程应用有较大的意义。屈强比越小，反映钢材在应力超过屈服强度工作时的可靠性越大，但屈强比过小，钢材强度的有效利用率低，会造成浪费。建筑结构钢材的屈强比应该在合理范围内。《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204—2015）规定，对于一、二、三级抗震等级设计的框架和斜撑构件（含梯段）中的纵向受力普通钢筋，其钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.30。

4.颈缩阶段

第四个阶段为颈缩阶段。这个阶段钢材抵抗变形的能力明显降低，试件受力达到最高点C点后，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，并在最薄弱处发生较大塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。

钢材被拉断时产生了一定的塑性变形，其体现了钢材的塑性，可以用拉伸试验时的伸长率来表示钢材的塑性。拉断后标距范围内的长度L1（mm）与试件原标距长度L0（mm）之差即伸长量，与试件原标距长度L0（mm）的百分比称为伸长率（δ），按下式计算：

伸长率δ是衡量钢材塑性的一个重要指标，δ越大，说明钢材的塑性越好。而一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而钢材用于结构的安全性越大。(www.xing528.com)

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，距离颈缩部位越远其变形越小。所以，原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值越大。通常以δ5和δ10分别表示L0=5d0和L0=10d0时的伸长率（d0为钢材直径）。对于同一种钢材，其δ5大于δ10。

通过钢材拉伸试验，可以测定出钢材的屈服点、屈服强度、抗拉强度和伸长率，这些都是体现钢材拉伸性能的主要技术指标。通过这些技术指标，可以了解和掌握钢材的相关性能，做到正确、经济、合理地选择和使用钢材。另外，钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率也是划分钢材牌号与强度等级的重要依据。

任务准备

（1）低碳钢拉伸试验试验仪器：标距仪、万能试验机等。

（2）计算机、演示文稿等。

任务组织

（1）五人一组，每组按照不同的情景模拟进行钢材拉伸性能试验实训，即低碳钢拉伸试验实训（也可借助仿真实训平台完成实训操作），并在此基础上对相关技术性质进行工程应用。

（2）完成实训操作之后，师生及时点评纠错。

注意事项

（1）主讲人注意着装、语言组织与表达、体态表达。

（2）注意组员之间的团队协作与沟通。

（3）鼓励团队构思创意、自主创新，在遇到问题时可以打破常规，寻求解决问题的新路径。

（4）树立良好的安全文明操作意识，注意在能力训练过程中追求精益求精，培养工匠精神。

（5）低碳钢拉伸试验时，做拉伸试验的两根试样中，如有一根试样不合格，即拉伸试验不合格。应在同一批中，再取双倍数量的试样重做拉伸试验。在第二次拉伸试验中，应全部合格，如仍有一根试样不合格，则该批钢筋即不合格。

微课：钢材的拉伸性能

任务训练流程

实训项目：钢材拉伸性能测（判）定及其应用

续表

问题情景

钢筋混凝土结构工程设计时采用钢材哪个阶段的强度作为设计值？

屈服阶段。