钢材基本性质及评定方法

钢材的性质包括强度、弹性、塑性、韧性以及硬度等内容。

1.抗拉强度

建筑钢材的抗拉强度包括屈服强度、极限抗拉强度、疲劳强度。

（1）屈服强度（亦称屈服极限）。钢材在静载作用下，开始丧失对变形的抵抗能力，并产生大量塑性变形时的应力。如图7-1所示，在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为上屈服点（B_上）；最低点对应的应力称为下屈服点（B_下）。因上屈服点不稳定，所以国家标准规定以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度，用σ_s表示。中、高碳钢没有明显的屈服点，通常以残余变形为0.2%的应力作为屈服强度，用σ_0.2表示，如图7-2所示。

图7-1 低碳钢拉伸σ-ε图

图7-2 中、高碳钢的条件屈服点

屈服强度对钢材的使用有着重要的意义，当构件的实际应力达到屈服点时，将产生不可恢复的永久变形，这在结构中是不允许的，因此屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据。

（2）极限抗拉强度（简称抗拉强度）。钢材在拉力作用下能承受的最大拉应力，如图7-1所示第Ⅲ阶段的最高点。抗拉强度虽然不能直接作为计算的依据，但屈服强度和抗拉强度的比值即屈强比，用表示，在工程上很有意义。屈强比越小，结构的可靠性越高，即防止结构被破坏的潜力越大；但此值太小时，钢材强度的有效利用率太低，合理的屈强比一般在0.6～0.75之间。因此屈服强度和抗拉强度是钢材力学性能的主要检验指标。

（3）疲劳强度。钢材承受交变荷载的反复作用时，可能在远低于屈服强度时突然发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材疲劳破坏的指标即为疲劳强度，亦称疲劳极限。疲劳强度是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大主应力值，一般把钢材承受交变荷载10⁶～10⁷次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。

2.弹性

从图7-1中可以看出，钢材在静荷载作用下，受拉的OA阶段，应力和应变成正比，这一阶段称为弹性阶段，具有这种变形特征的性质称为弹性。在此阶段中应力和应变的比值称为弹性模量，即：

弹性模量是衡量钢材抵抗变形能力的指标，E越大，使其产生一定量弹性变形的应力值也越大；在一定应力下，产生的弹性变形越小。在工程上，弹性模量反映了钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。建筑常用碳素结构钢Q235的弹性模量E=（2.0～2.1）×10⁵MPa。

3.塑性

建筑钢材应具有很好的塑性，在工程中，钢材的塑性通常用伸长率（或断面收缩率）和冷弯来表示。

（1）伸长率是指试件拉断后，标距长度的增量与原标距长度之比，符号为δ，常用%表示，如图7-3所示。

图7-3 钢材的伸长率(www.xing528.com)

（2）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩处横截面积的减缩量占原横截面积的百分率，符号为ϕ，常以%表示。为了测量方便，常用伸长率表示钢材的塑性。伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，δ越大，说明钢材塑性越好。伸长率与标距有关，对于同种钢材，δ₅＞δ₁₀。

（3）冷弯是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯是通过检验试件经规定的弯曲程度后，弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、鳞落和断裂等情况进行评定的。一般用弯曲角度α以及弯心直径d与钢材厚度或直径a的比值来表示。如图7-4所示，弯曲角度越大，而d与a的比值越小，表明冷弯性能越好。

图7-4 钢材冷弯试验

d—弯心直径 a—试件厚度或直径 α—冷弯角（90°）

冷弯也是检验钢材塑性的一种方法，并与伸长率存在联系，伸长率大的钢材，其冷弯性能必然好，但冷弯试验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、更敏感。冷弯有助于暴露钢材的某些缺陷，如气孔、杂质和裂纹等。在焊接时，局部脆性及接头缺陷都可通过冷弯发现，所以钢材的冷弯不仅是评定塑性、加工性能的要求，还是评定焊接质量的重要指标之一。对于重要结构和弯曲成型的钢材，冷弯必须合格。

塑性是钢材的重要技术性质，尽管结构是在弹性阶段使用的，但其应力集中处，应力可能超过屈服强度，一定的塑性变形能力，可保证应力重新分配，从而避免结构的破坏。

4.冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。规范规定是以刻槽的标准试件，在冲击试验的摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示，符号为a_k，单位为J，如图7-5所示。a_k越大，冲断试件消耗的能量越多，或者说钢材断裂前吸收的能量越多，说明钢材的韧性越好。

图7-5 冲击韧性试验原理

a）试件装置 b）摆冲式试验机工作原理

1—摆锤 2—试件 3—试验台 4—刻度盘 5—指针

钢材的冲击韧性与钢的化学成分、冶炼与加工有关。一般来说，钢中的磷、硫含量较高、夹杂物过多以及焊接中形成的微裂纹等都会降低冲击韧性。

此外，钢的冲击韧性还受温度和时间的影响。常温下，随温度的下降，冲击韧性降低很小，此时破坏的钢件断口呈韧性断裂状；当温度降至某一温度范围时，a_k突然发生明显下降，如图7-6所示，钢材开始呈脆性断裂，这种性质称为冷脆性，发生冷脆性时的温度（范围）称为脆性临界温度（范围）。低于这一温度时，a_k降低趋势又缓和，但此时a_k值很小。在北方严寒地区选用钢材时，必须对钢材的冷脆性进行评定，此时选用的钢材的脆性临界温度应比环境最低温度低些。由于脆性临界温度的测定工作复杂，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。

图7-6 温度对冲击韧性的影响

5.硬度

硬度是在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力，通常与抗拉强度有一定的关系。目前测定钢材硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度，以HB表示。建筑钢材常以屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯、冲击韧性等性质作为评定牌号的依据。