《建筑材料》課件-建筑鋼材的力學性質

建筑材料建筑鋼材的力學性質1、鋼材的拉伸性能2、鋼材的沖擊韌性3、鋼材的疲勞強度4、鋼材的硬度

建筑鋼材的技術性能主要包括力學性能和工藝性能兩個方面。其中力學性能是鋼材最重要主的使用性能，主要包括拉伸性能、沖擊韌性、疲勞強度、硬度等；工藝性能是鋼材在各種加工制造過程中所表現(xiàn)的特性，包括冷彎形性能、焊接性能等。

工程建設中使用的各種鋼材都統(tǒng)稱建筑鋼材，包括鋼結構用的各種型鋼、鋼板、鋼筋混凝土用的各種鋼筋、鋼絲和鋼絞線。此外，門窗和建筑五金等也使用大量的鋼材。鋼材是在嚴格的技術控制條件下生產的材料，建筑鋼材已成為最重要的建筑結構材料之一。

1、鋼材的拉伸性能鋼材有較高的抗拉性能，抗拉性能是建筑鋼材的重要性能，由鋼材拉力試驗測得的屈服點強度、抗拉強度和伸長率是鋼材的重要技術指標。鋼材的拉伸性能，典型地反映在廣泛使用的低碳鋼（也稱軟鋼）拉伸試驗時得到的應力σ與應變ε的關系上，如圖所示。鋼材從拉伸到拉斷，在外力作用下的變形可分為四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段和緊縮階段。低碳鋼受拉的應力-應變圖(1)彈性階段

應力-應變曲線中，在OA段內，卸去外力，試件恢復原來的狀態(tài)，無塑性變形，這一階段稱為彈性階段。曲線上和A點對應的應力σp稱為彈性極限。

在OA線上任一點的應力與應變的比值為一常數(shù)，稱為彈性模量，用E表示。彈性模量說明產生單位變形時所需應力的大小，彈性模量反映鋼材的剛度，是鋼材計算結構受力變形的重要指標。(2)屈服階段

當荷載繼續(xù)增加，應力超過A點以后，應力和應變失去線性關系，AB呈一條復雜的曲線形，開始形成塑性變形。由圖所示，應力增加到B上點后，變形急劇增加，應力則在不大的范圍（B上、B下、B）內波動，呈現(xiàn)鋸齒狀。

我們把此時的應力不增加，應變增加時的應力σs，定義為屈服極限強度。屈服點σs是熱軋鋼筋和冷拉鋼筋的強度標準值確定的依據(jù)，也是工程設計中強度取值的依據(jù)。該階段為屈服階段。

屈服階段表示鋼材的性質由彈性轉變?yōu)橐运苄詾橹?，這在實際應用上有重要意義。因為鋼材受力達到屈服點以后，塑性變形即迅速增長，盡管鋼材尚未破壞，但因變形過大已不能滿足使用要求，所以σs是鋼材在工作狀態(tài)下允許達到的應力值，即應力不超過σs，鋼材不會發(fā)生較大的塑性變形，故結構設計中一般以σs作為強度取值的依據(jù)。(3)強化階段

超過屈服點后，鋼材進入強化階段，BC曲線呈上升趨勢，C點所對應的應力，即試件拉斷前的最大應力σb，稱為抗拉強度。它是鋼材所承受的最大拉應力。

抗拉強度σb是鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋強度標準值確定的依據(jù)。BC為強化階段。

抗拉強度在設計中雖然不像屈服點那樣作為強度取值的依據(jù)，但屈服點與抗拉強度的比（即屈強比σs/σb)卻能反映鋼材的利用率和安全可靠程度。

屈強比小，結構的安全度高。但屈強比太小，鋼材可利用的應力值小，鋼材利用率低，造成鋼材浪費；屈強比過大，雖然提高了鋼材的利用率，但其安全度卻降低了。

實際工程中選用鋼材時，應在保證結構安全可靠的情況下，盡量選用較大的屈強比，以提高鋼材的利用率。(4)頸縮階段

應力超過C點以后，鋼材抵抗塑性變形的能力大大降低，塑性變形迅速增大。試件出現(xiàn)頸縮，應力隨之下降，試件很快被拉斷，CD為頸縮階段。

試件拉斷后，將拉斷后的兩段試件拼對起來，量出拉斷后的標距長L1。如圖所示，按公式計算伸長率，用試件拉斷后長度增長百分率表示。伸長率是衡量鋼材塑性的重要指標，其值越大說明鋼材的塑性越好。塑性變形能力強，可使應力重新分布，避免應力集中，結構的安全性增大。標距的大小影響伸長率的計算結果，通常同一種鋼材，相同直徑的試件，拉伸前標距較小試件的伸長率大于拉伸前標距較大試件的伸長率。試件拉伸前和斷裂后標距長度中碳鋼和高碳鋼（硬鋼）的拉伸曲線與低碳鋼不同，受拉伸時，產生的塑性變形很小，屈服現(xiàn)象不明顯，伸長率小。這類鋼材由于沒有明顯的屈服階段，不能直接測定其屈服點強度，故規(guī)范規(guī)定以產生0.2％L0（原標距長度）殘余變形時的應力值作為屈服強度，用σ0.2

表示。0εσσ0.2A0.2％LO

2、鋼材的沖擊韌性鋼材鋼材抵抗沖擊荷載不被破壞的能力稱為沖擊韌性。鋼材的沖擊韌性用標準試件做沖擊試驗，用沖擊韌性指標αk表示。沖擊韌性指標αk值越大，表示沖斷試件時消耗的功越多，鋼材的沖擊韌性越好。影響鋼材沖擊韌性因素很多，如鋼材的化學成分、組織狀態(tài)、軋制與焊接質量、環(huán)境溫度以及時間等。鋼材的沖擊韌性隨溫度的降低突然下降很多而呈脆性，這種性質稱為鋼材的冷脆性。這時的溫度稱為脆性臨界溫度。在負溫下使用的鋼材，應選用脆性臨界溫度較使用溫度低的鋼材。沖擊韌性將隨時間的延長而下降的現(xiàn)象稱為時效。為了保證安全，對于承受動荷載的重要結構，應當選用時效敏感性小的鋼材?？傊瑢τ谥苯映惺軇雍奢d，而且可能在負溫下工作的重要結構，必須按照有關規(guī)范要求進行鋼材的沖擊韌性檢驗。3、鋼材的疲勞強度鋼材在交變荷載反復多次作用下，可在最大應力遠低于屈服強度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞指標用疲勞強度（或稱疲勞極限）來表示，它是試件在交變應力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。一般將承受交變荷載107周次時不發(fā)生破壞的最大應力，定義為疲勞強度。在設計承受反復荷載，且需進行疲勞驗算的結構時，應當了解所用鋼材的疲勞強度。鋼材的疲勞破壞是拉應力引起的，首先在局部開始形成微細裂縫，由于裂縫尖端處產生應力集中而使裂縫迅速擴展，直至鋼材斷裂。因此，鋼材內部成分的偏析和夾雜物的多少以及最大應力處的表面光潔程度、加工損傷等，都是影響鋼材疲勞強度的因素。疲勞破壞常常是突然發(fā)生的，往往造成嚴重事故。4、鋼材的硬度鋼材的硬度是指鋼材抵抗外物壓入表面產生塑性變形的能力。

測定鋼材硬度的方法有布氏法、洛氏法和維氏法等，較常用的為布氏法和洛氏法，相應的硬度試驗指標稱布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。布氏法是利用直徑為D（mm）的淬火鋼球，以一定的荷載P（N）將其壓入試件表面，經規(guī)定的持續(xù)時間后卸除荷載，以壓痕處單位表面的荷載大小，記為試件的布氏硬度值。各類鋼材的布氏硬度（HB）值與抗拉強度之間有密切的關系。鋼