《建筑材料》课件-建筑钢材的力学性质VIP

建筑材料建筑钢材的力学性质1、钢材的拉伸性能2、钢材的冲击韧性3、钢材的疲劳强度4、钢材的硬度

建筑钢材的技术性能主要包括力学性能和工艺性能两个方面。其中力学性能是钢材最重要主的使用性能，主要包括拉伸性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等；工艺性能是钢材在各种加工制造过程中所表现的特性，包括冷弯形性能、焊接性能等。

工程建设中使用的各种钢材都统称建筑钢材，包括钢结构用的各种型钢、钢板、钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢绞线。此外，门窗和建筑五金等也使用大量的钢材。钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，建筑钢材已成为最重要的建筑结构材料之一。

1、钢材的拉伸性能钢材有较高的抗拉性能，抗拉性能是建筑钢材的重要性能，由钢材拉力试验测得的屈服点强度、抗拉强度和伸长率是钢材的重要技术指标。钢材的拉伸性能，典型地反映在广泛使用的低碳钢（也称软钢）拉伸试验时得到的应力σ与应变ε的关系上，如图所示。钢材从拉伸到拉断，在外力作用下的变形可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和紧缩阶段。低碳钢受拉的应力-应变图(1)弹性阶段

应力-应变曲线中，在OA段内，卸去外力，试件恢复原来的状态，无塑性变形，这一阶段称为弹性阶段。曲线上和A点对应的应力σp称为弹性极限。

在OA线上任一点的应力与应变的比值为一常数，称为弹性模量，用E表示。弹性模量说明产生单位变形时所需应力的大小，弹性模量反映钢材的刚度，是钢材计算结构受力变形的重要指标。(2)屈服阶段

当荷载继续增加，应力超过A点以后，应力和应变失去线性关系，AB呈一条复杂的曲线形，开始形成塑性变形。由图所示，应力增加到B上点后，变形急剧增加，应力则在不大的范围（B上、B下、B）内波动，呈现锯齿状。

我们把此时的应力不增加，应变增加时的应力σs，定义为屈服极限强度。屈服点σs是热轧钢筋和冷拉钢筋的强度标准值确定的依据，也是工程设计中强度取值的依据。该阶段为屈服阶段。

屈服阶段表示钢材的性质由弹性转变为以塑性为主，这在实际应用上有重要意义。因为钢材受力达到屈服点以后，塑性变形即迅速增长，尽管钢材尚未破坏，但因变形过大已不能满足使用要求，所以σs是钢材在工作状态下允许达到的应力值，即应力不超过σs，钢材不会发生较大的塑性变形，故结构设计中一般以σs作为强度取值的依据。(3)强化阶段

超过屈服点后，钢材进入强化阶段，BC曲线呈上升趋势，C点所对应的应力，即试件拉断前的最大应力σb，称为抗拉强度。它是钢材所承受的最大拉应力。

抗拉强度σb是钢丝、钢绞线和热处理钢筋强度标准值确定的依据。BC为强化阶段。

抗拉强度在设计中虽然不像屈服点那样作为强度取值的依据，但屈服点与抗拉强度的比（即屈强比σs/σb)却能反映钢材的利用率和安全可靠程度。

屈强比小，结构的安全度高。但屈强比太小，钢材可利用的应力值小，钢材利用率低，造成钢材浪费；屈强比过大，虽然提高了钢材的利用率，但其安全度却降低了。

实际工程中选用钢材时，应在保证结构安全可靠的情况下，尽量选用较大的屈强比，以提高钢材的利用率。(4)颈缩阶段

应力超过C点以后，钢材抵抗塑性变形的能力大大降低，塑性变形迅速增大。试件出现颈缩，应力随之下降，试件很快被拉断，CD为颈缩阶段。

试件拉断后，将拉断后的两段试件拼对起来，量出拉断后的标距长L1。如图所示，按公式计算伸长率，用试件拉断后长度增长百分率表示。伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，其值越大说明钢材的塑性越好。塑性变形能力强，可使应力重新分布，避免应力集中，结构的安全性增大。标距的大小影响伸长率的计算结果，通常同一种钢材，相同直径的试件，拉伸前标距较小试件的伸长率大于拉伸前标距较大试件的伸长率。试件拉伸前和断裂后标距长度中碳钢和高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，受拉伸时，产生的塑性变形很小，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，不能直接测定其屈服点强度，故规范规定以产生0.2％L0（原标距长度）残余变形时的应力值作为屈服强度，用σ0.2

表示。0εσσ0.2A0.2％LO

2、钢材的冲击韧性钢材钢材抵抗冲击荷载不被破坏的能力称为冲击韧性。钢材的冲击韧性用标准试件做冲击试验，用冲击韧性指标αk表示。冲击韧性指标αk值越大，表示冲断试件时消耗的功越多，钢材的冲击韧性越好。影响钢材冲击韧性因素很多，如钢材的化学成分、组织状态、轧制与焊接质量、环境温度以及时间等。钢材的冲击韧性随温度的降低突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度。在负温下使用的钢材，应选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。冲击韧性将随时间的延长而下降的现象称为时效。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。总之，对于直接承受动荷载，而且可能在负温下工作的重要结构，必须按照有关规范要求进行钢材的冲击韧性检验。3、钢材的疲劳强度钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。一般将承受交变荷载107周次时不发生破坏的最大应力，定义为疲劳强度。在设计承受反复荷载，且需进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。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。因此，钢材内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。疲劳破坏常常是突然发生的，往往造成严重事故。4、钢材的硬度钢材的硬度是指钢材抵抗外物压入表面产生塑性变形的能力。

测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，较常用的为布氏法和洛氏法，相应的硬度试验指标称布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。布氏法是利用直径为D（mm）的淬火钢球，以一定的荷载P（N）将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，以压痕处单位表面的荷载大小，记为试件的布氏硬度值。各类钢材的布氏硬度（HB）值与抗拉强度之间有密切的关系。钢