二、建筑鋼材的技術(shù)性質(zhì)
鋼材作為結(jié)構(gòu)材料最主要的技術(shù)性質(zhì)包括力學(xué)性能和工藝性能。其中力學(xué)性能中抗拉性能尤為重要。通過拉力試驗(yàn)，可確定其彈性模量、屈服應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及延伸率。此外，鋼材的力學(xué)性能還包括沖擊韌性、硬度和抗疲勞性能;工藝性能主要有冷彎性能和焊接性能。
(一)抗拉性能
1.應(yīng)力—應(yīng)變曲線
鋼材受拉力作用時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖是描述鋼材受拉性能的基本曲線，如圖2-2-4所示。根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，鋼材受拉直到破壞其受力與變形可分為以下四個(gè)階段。
(1)彈性階段(OA段)。在彈性階段所產(chǎn)生的變形為彈性變形，如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀。與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限，用σp表示。此階段應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧?，其比值為常?shù)，即彈性模量，用E表示，E=σ/ε。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力，它是鋼材在受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。建筑上常用的低碳鋼其彈性模量E=(20～21)萬(wàn)MPa，σp=180～200MPa。
(2)屈服階段(AB段)。當(dāng)應(yīng)力超過σp后，應(yīng)變?cè)黾雍芸欤鴳?yīng)力基本保持不變，這種現(xiàn)象稱為屈服。此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，試件開始產(chǎn)生塑性變形。σ—ε曲線上開始發(fā)生屈服的點(diǎn)B，稱為屈服點(diǎn)，這時(shí)的應(yīng)力稱為屈服極限，用σs表示。σs是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。建筑上常用低碳鋼的σs為185～235MPa。對(duì)于硬鋼由于沒有明顯的屈服階段，所以規(guī)定以產(chǎn)生殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。
鋼材受力達(dá)到屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求，故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。wｗw.ExamＷ.CoM
(3)強(qiáng)化階段(BC段)。當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)后，因塑性變形使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，σ—ε曲線又開始上升，稱為強(qiáng)化階段。材料破壞前，σ—ε圖上的應(yīng)力值，即曲線點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示，常用低碳鋼的σb為375～500MPa。
工程上使用的鋼材不僅希望具有高的σs，還希望具有一定的屈強(qiáng)比(σs/σb)。屈強(qiáng)比值越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大，結(jié)構(gòu)越安全。但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。常用低碳鋼的屈強(qiáng)比為0.58～0.63，合金鋼為0.65～0.75。
(4)頸縮階段(CD段)。應(yīng)力超過σb后，試件的變形開始集中于某一小段內(nèi)，使該段的橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)如圖2-2-6所示的頸縮現(xiàn)象，σ—ε曲線開始下降，直至D點(diǎn)，試件被拉斷。
2.延伸率和截面收縮率
試件拉斷后，其彈性變形消失，塑性變形則殘留下來(lái)。
測(cè)量拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度L1和斷口處的最小橫截面面積且A1，則延伸率δ按計(jì)算，截面收縮率ψ按式2-2-24計(jì)算：
δ與ψ是衡量材料塑性的兩個(gè)重要指標(biāo)。δ與ψ值越大，說明材料的塑性越好。盡管結(jié)構(gòu)是在鋼的彈性范圍內(nèi)使用，但在應(yīng)力集中處，其應(yīng)力可能超過屈服點(diǎn)，此時(shí)產(chǎn)生一定的塑性變形，可使結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力重新分布，從而避免結(jié)構(gòu)破壞。常用低碳鋼的延伸率δ=20%～30%，截面收縮率ψ=60%～70%。
(二)沖擊韌性
沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。鋼材的沖擊韌性用沖斷試樣所需能量的多少來(lái)表示。鋼材的沖擊韌性試驗(yàn)是采用中間開有“V”形缺口的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣，置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的重?cái)[從一定高度自由落下，將試樣沖斷時(shí)，試樣吸收的能量等于重?cái)[所作的功W，若試件在缺口處的最小橫截面積為A，則沖擊韌性ak按式2-2-25計(jì)算:
ak越大表示鋼材抗沖擊能力越強(qiáng)。ak值與試驗(yàn)溫度有關(guān)。有些材料在常溫時(shí)沖擊韌性并不低，破壞時(shí)呈現(xiàn)韌性破壞特征;但當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某值時(shí)，溫度在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，ak突然大幅度下降，材料無(wú)明顯塑性變形，而發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性，ak劇烈改變的溫度區(qū)間稱為脆性臨界溫度。
(三)硬度
硬度是衡量材料抵抗另一硬物壓入、表面產(chǎn)生局部變形的能力。硬度可以用來(lái)判斷鋼材的軟硬，同時(shí)間接地反映鋼材的強(qiáng)度和耐磨性能。鋼材的硬度常用布氏硬度值HB表示。
鋼材作為結(jié)構(gòu)材料最主要的技術(shù)性質(zhì)包括力學(xué)性能和工藝性能。其中力學(xué)性能中抗拉性能尤為重要。通過拉力試驗(yàn)，可確定其彈性模量、屈服應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及延伸率。此外，鋼材的力學(xué)性能還包括沖擊韌性、硬度和抗疲勞性能;工藝性能主要有冷彎性能和焊接性能。
(一)抗拉性能
1.應(yīng)力—應(yīng)變曲線
鋼材受拉力作用時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖是描述鋼材受拉性能的基本曲線，如圖2-2-4所示。根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線，鋼材受拉直到破壞其受力與變形可分為以下四個(gè)階段。
(1)彈性階段(OA段)。在彈性階段所產(chǎn)生的變形為彈性變形，如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀。與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限，用σp表示。此階段應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧?，其比值為常?shù)，即彈性模量，用E表示，E=σ/ε。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力，它是鋼材在受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。建筑上常用的低碳鋼其彈性模量E=(20～21)萬(wàn)MPa，σp=180～200MPa。
(2)屈服階段(AB段)。當(dāng)應(yīng)力超過σp后，應(yīng)變?cè)黾雍芸欤鴳?yīng)力基本保持不變，這種現(xiàn)象稱為屈服。此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，試件開始產(chǎn)生塑性變形。σ—ε曲線上開始發(fā)生屈服的點(diǎn)B，稱為屈服點(diǎn)，這時(shí)的應(yīng)力稱為屈服極限，用σs表示。σs是衡量材料強(qiáng)度的重要指標(biāo)。建筑上常用低碳鋼的σs為185～235MPa。對(duì)于硬鋼由于沒有明顯的屈服階段，所以規(guī)定以產(chǎn)生殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)的應(yīng)力作為屈服強(qiáng)度。
鋼材受力達(dá)到屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求，故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。wｗw.ExamＷ.CoM
(3)強(qiáng)化階段(BC段)。當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)后，因塑性變形使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，σ—ε曲線又開始上升，稱為強(qiáng)化階段。材料破壞前，σ—ε圖上的應(yīng)力值，即曲線點(diǎn)C所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示，常用低碳鋼的σb為375～500MPa。
工程上使用的鋼材不僅希望具有高的σs，還希望具有一定的屈強(qiáng)比(σs/σb)。屈強(qiáng)比值越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備越大，結(jié)構(gòu)越安全。但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。常用低碳鋼的屈強(qiáng)比為0.58～0.63，合金鋼為0.65～0.75。
(4)頸縮階段(CD段)。應(yīng)力超過σb后，試件的變形開始集中于某一小段內(nèi)，使該段的橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)如圖2-2-6所示的頸縮現(xiàn)象，σ—ε曲線開始下降，直至D點(diǎn)，試件被拉斷。
2.延伸率和截面收縮率
試件拉斷后，其彈性變形消失，塑性變形則殘留下來(lái)。
測(cè)量拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度L1和斷口處的最小橫截面面積且A1，則延伸率δ按計(jì)算，截面收縮率ψ按式2-2-24計(jì)算：
δ與ψ是衡量材料塑性的兩個(gè)重要指標(biāo)。δ與ψ值越大，說明材料的塑性越好。盡管結(jié)構(gòu)是在鋼的彈性范圍內(nèi)使用，但在應(yīng)力集中處，其應(yīng)力可能超過屈服點(diǎn)，此時(shí)產(chǎn)生一定的塑性變形，可使結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力重新分布，從而避免結(jié)構(gòu)破壞。常用低碳鋼的延伸率δ=20%～30%，截面收縮率ψ=60%～70%。
(二)沖擊韌性
沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。鋼材的沖擊韌性用沖斷試樣所需能量的多少來(lái)表示。鋼材的沖擊韌性試驗(yàn)是采用中間開有“V”形缺口的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣，置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)的重?cái)[從一定高度自由落下，將試樣沖斷時(shí)，試樣吸收的能量等于重?cái)[所作的功W，若試件在缺口處的最小橫截面積為A，則沖擊韌性ak按式2-2-25計(jì)算:
ak越大表示鋼材抗沖擊能力越強(qiáng)。ak值與試驗(yàn)溫度有關(guān)。有些材料在常溫時(shí)沖擊韌性并不低，破壞時(shí)呈現(xiàn)韌性破壞特征;但當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某值時(shí)，溫度在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化，ak突然大幅度下降，材料無(wú)明顯塑性變形，而發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性，ak劇烈改變的溫度區(qū)間稱為脆性臨界溫度。
(三)硬度
硬度是衡量材料抵抗另一硬物壓入、表面產(chǎn)生局部變形的能力。硬度可以用來(lái)判斷鋼材的軟硬，同時(shí)間接地反映鋼材的強(qiáng)度和耐磨性能。鋼材的硬度常用布氏硬度值HB表示。