建筑钢材的力学性质建筑钢材的力学性质

建筑材料BuildingMaterials建筑材料

建筑钢材建筑钢材的主要技术性质建筑钢材的力学性质主讲人：江晨晖★建筑材料系列微课★建筑钢材的力学性质★建筑材料系列微课★1新课导入2抗拉性能3冲击韧性4表面硬度钢柱承受荷载钢梁承受荷载梁柱节点必须连接牢靠屋面钢板抵御日晒雨淋在建钢结构厂房1.新课导入高承载能力容纳91000名观众高耐久性设计寿命100年良好的塑性加工成复杂形状优质的可焊性焊接接头可靠性可靠的耐火性保证人员逃生时间施工中的“鸟巢”1.新课导入耐腐蚀性抵抗腐蚀性介质抗震性抵抗车辆动载刚度高挠度不影响正常使用钢结构桥梁1.新课导入良好的塑性能弯折成不同角度变形协调能与混凝土同步变形变形协调能与混凝土可靠粘结1.新课导入施工中的钢筋混凝土桥梁从以上几个建筑钢材的应用实例中，你能总结出建筑钢材应具备哪些主要工程技术性能？建筑钢材的技术性质冲击韧性冷弯性能表面硬度抗拉性能力学性质工艺性能焊接性能长期性能耐疲劳性耐高温性耐腐蚀性1.新课导入性质指标建筑钢材铝合金混凝土密度（g/cm3）7.802.702.35～2.45熔点（oC）1350660---抗压强度（MPa）15～80抗拉强度（MPa）1.0～5.0弹性模量（GPa）2006922～38比热容（J/kg/oC）496940960导热系数（W/m/oC）46222177

热膨胀系数（10-6/oC）12.623.610-15耐腐蚀性差好不好建筑钢材、铝合金和混凝土的基本性质比较1.新课导入通过查阅资料，完成表中的信息，并比较建筑钢材、铝合金和混凝土的基本性质。看了半天，愣是没看出个子丑寅卯来。2.抗拉性能这房子好危险，梁都弯成这样了，开裂得那么厉害，竟然不会塌下来，真是奇了！混凝土虽然裂了，里面有钢筋拉着的，一时半会儿塌不了。钢筋混凝土梁的受力状态在上述工程案例中，钢筋混凝土梁之所以变形（或挠度）很大而不坍塌，是因为钢筋（钢材）具备哪些力学性能呢？抗拉强度高变形能力强韧性好刚度大2.抗拉性能

钢材拉伸试验2.抗拉性能上横梁荷载传感器立柱拉伸夹具下横梁循环式滚珠丝杠加载保护器变速箱伺服电机台座试验对象：钢筋引伸仪试验设备：液压试验机FF受力状态：轴向拉伸主机操作控制台2.抗拉性能万能试验机：集拉伸、压缩、弯曲、剪切等多重功能于一体的材料力学试验机。这玩意儿，我在我老爸的实验室里见过。

常温下对钢材试件一次性单调施加拉伸荷载直至试件断裂的全过程。

具体试验方法参照国家标准GB/T228.1和GB/T28900。各种哑铃形标准试件断裂后的试件2.抗拉性能

低碳钢（俗称软钢）拉伸的应力（σ

）—应变（ε

）曲线2.抗拉性能L0S0S0S0FFL0△LOACDσε断裂σ

=F/S0ε

=

△L

/L0OA：弹性阶段AB：屈服阶段BC：强化阶段

CD：颈缩阶段低碳钢单轴拉伸应力—

应变曲线B

低碳钢拉伸的4个特征阶段2.抗拉性能OAReLσεReHσ

=F/S0ε

=

△L

/L0B

弹性阶段（OA段）应力（拉力）与应变（轴向变形）近似呈线性关系，钢材发生弹性变形。

屈服阶段（AB段）应变增加很快，应力近似保持不变（或仅发生小幅度振荡），通常把这种现象称为“屈服”。最高、最低点对应的应力分别为屈服上限（ReH）和屈服下限（ReL）。这一阶段钢材开始发生塑性变形。初始标距拉伸后标距

低碳钢拉伸的4个特征阶段2.抗拉性能CD

强化阶段（BC段）由于钢材内部晶粒重新排列，其抵抗变形的能力重新提高。钢材继续发生较大的塑性变形。

颈缩阶段（CD段）钢材试件最薄弱截面急剧收缩，塑性变形迅速增加，拉应力随之减小，最终试件被拉断。初始标距颈缩拉伸后标距OAReLσReHσ

=F/S0ε

=

△L

/L0Bε2.抗拉性能

低碳钢的拉伸性能指标

应力指标：抗拉强度、下屈服强度

变形指标：断后伸长率、弹性模量

参照《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T228.1）的各拉伸性能指标定义和标记OABLCDReBU弹性模量

E1B弹性极限RT

下屈服强度

ReL抗拉强度

Rm最大力总延伸率Agt断后伸长率

AP弹性变形eT断裂总延伸率At拉伸指标工程意义

弹性极限（RT）正常工作状态下钢材的应力上限。

下屈服强度（ReL）结构设计时，确定钢材容许应力及强度取值的主要依据。

抗拉强度（Rm）反映钢材的抗拉能力极限。弹性模量（E）反映钢材变形的难易程度（或材料刚度）。

断后伸长率（A）反映钢材拉伸断裂的塑性变形能力极限。2.抗拉性能

主要指标的物理意义2.抗拉性能房屋安全鉴定报告……由于一楼楼面主梁变形过大，混凝土出现严重裂缝，现鉴定该房屋为一级危房……屈服阶段弹性塑性工作阶段危险阶段BL设计依据极限强度原来是这么回事，可比撒狗粮难多了。

屈强比（kyu）根据上述知识，如果让你来设计建筑钢材的屈服强度和抗拉强度，你认为下列三种情况哪种更合理？为什么？2.抗拉性能RmReLRmReLRmReLkyu=0.6～0.75这不就是我2500多年前提出的“中庸之道”嘛。合理！太冒险！太保守！

低碳钢达到极限拉应力（即Rm）之前的变形是均匀的，之后的变形不均匀，最薄弱截面急剧收缩而发生“颈缩”现象（necking）。低碳钢的颈缩现象颈缩部位应力云图2.抗拉性能L0Lu

描述钢材的受力变形能力（或塑性）的指标很多，以各种特征延伸率为主。断后伸长率（A）：钢材最常用的塑性指标（或延伸率指标）。2.抗拉性能某建筑工地新进一批公称直径为16mm的热轧钢筋，从中抽样并截取2根试件（初始标距均为80mm）进行拉伸性能检测，得到如下数据：屈服下限荷载分别为75.3kN、73.2kN；抗拉极限荷载分别为106.5kN、110.5kN；拉断时的标距分别为96.0mm、94.4mm。试计算该钢筋试件的屈服强度、抗拉强度、屈强比和断后伸长率。2.抗拉性能

断面收缩率（Z）：又一衡量钢材塑性的指标，能更真实地反映颈缩部位的塑性变形特征。衡量钢材塑性的指标包括（）。A.断后伸长率E.弹性极限B.断面收缩率F.断裂总延伸率C.弹性模量D.抗拉强度ABF变形能力重要强度重要下列有关钢材弹性模量的说法，正确的是（）。2.抗拉性能A.钢材的弹性模量在数值上近似等于应力—应变曲线弹性阶段的斜率B.钢材的弹性模量越大，其抵抗变形的能力越差C.荷载和其他条件相同的情况下，钢材的弹性模量越大，变形越小D.弹性模量的单位可采用N/mm2、MPa或GPaE.为了限制变形，应选用弹性模量小的钢材F.弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力ACDF这个问题难不倒我，我记得前面学过类似的知识。

钢材拉伸应力—应变曲线随其含碳量及生产工艺而变化。与低碳钢材不同，中、高碳钢材无明显屈服阶段，变形能力（或韧性）差。因此，低碳钢俗称软钢，高碳钢（和合金钢）则称硬钢。2.抗拉性能锻铁（熟铁）纯铁低碳钢

高碳钢（合金钢）拉应力拉应变抗拉强度屈服强度从右边这幅示意图中，你发现了什么规律？σε弱而韧强韧适中强而脆2.抗拉性能中、高碳钢单轴拉伸应力—

应变曲线OACReOA：弹性阶段AC：塑性阶段B

中、高低碳钢的拉伸性能0.2%条件屈服强度

Rp0.2

无明显屈服阶段，塑性变形较小。条件屈服强度（或名义屈服强度，Rp0.2）：对应残余延伸率为0.2%的拉应力值。这应该对它们的工程应用有影响吧？中、高碳钢与低碳钢相比，拉伸性能最显著的区别就在于是否有屈服阶段。低碳钢：延性破坏高碳钢：脆性破坏

钢材受拉破坏模式2.抗拉性能拉应变拉应力低碳钢中碳钢高碳钢围成的面积=破坏时吸收的能量建筑钢材的三大抗拉性能指标是指（）。2.抗拉性能A.抗拉强度B.最大力总延伸率C.断后总延伸率D.拉应力E.断后伸长率F.断面收缩率G.屈服强度H.弹性极限AEG某建筑钢材的弹性极限为178MPa、屈服强度为269MPa、抗拉强度为423MPa，则该钢材的屈强比是（）。A.0.64B.0.66C.1.57D.1.51A低碳钢单轴拉伸时，依次经历了哪4个典型受力阶段？答：弹性；屈服；强化；颈缩。案例一1938年3月14日，跨度74.5m的比利时阿尔伯特运河哈塞尔特全焊接钢桥在使用14个月后，在载荷不大的情况下突然断塌。该起事故发生时的气温为-20oC。1940年1月19日和25日该运河上另外两座同一时期建造的钢桥也发生类似断塌事故。当时人们把这些频繁的桥梁坍塌事故归为灵异事件。3.冲击韧性一起来看工程案例！案例二

1951年1月31日，加拿大圣劳伦斯河上的杜佩里西斯桥梁突然断成两截，摔到当时冰封的河面上。该桥建成于1947年，为全焊接钢结构，全桥约长420m，断塌时的气温为-35oC3.冲击韧性3.冲击韧性桥梁在未超载时发生断裂倒塌，说明钢材的韧性不够。是的。对于承受动荷载的结构而言，韧性是非常关键的。我注意到上述工程事故描述中，特意提到事故发生时的气温很低。难道钢材的韧性与温度有关？难道钢材也会“受冻”吗？这可真新鲜！各位学霸，你们讨论得很深入很专业，带带小妹我好不好？好哇，followme。

冲击韧性：钢材抵抗冲击荷载、吸收能量的性质。

冲击韧性指标KV或KU：由带V型（或U型）缺口的标准试件的夏比摆锤冲击试验确定。

KV或KU越大，钢材冲击破坏吸收的能量越多，韧性越好。3.冲击韧性夏比（Charpy）冲击试验试件尺寸10×10×55mm带V或U型缺口摆锤台座刻度盘试件试件砧座冲击点指针摆锤刀刃起始高度H回升高度h3.冲击韧性

脆性转变温度——温度对冲击韧性的影响这说明什么？你现在能解释案例中的“灵异事件”吗？某钢材冲击吸收能量与温度的关系温度冲击吸收能量下平台上平台转变区应力应力应力应变应变应变脆性转变温度27J冲击韧性与温度、拉伸性能的关系图示为钢材的冲击韧性与环境温度的关系，从中你发现了什么？3.冲击韧性脆性转变温度韧性脆性温度冲击韧性我get了案例中桥梁突然断塌的原因了。冲击吸收能量—温度关系（试验数据与拟合曲线）不同来源试验数据冲击吸收能量（J）温度（oC）3.冲击韧性大家想一想，钢材的实际工作温度应该比脆性转变温度高还是低？为什么？高吧？因为……应该是低！…？？？自由轮：美国二战期间生产并出口的低造价货船二战期间，多艘自由轮（Libertyship）进入北大西洋服役后发生沉船事故。请尝试从钢材的韧性分析原因。

定义：钢材抵抗硬物压入其表面的能力。测定（评定）方法4.表面硬度测定方法发明者压入硬物（压头）测定指标基本原理布氏硬度法(Brinell)硬质合金球HBW压痕深度压痕表面积以恒定的外力将规定的