主要性能分析：钢材的性能特点

1.受拉、受压及受剪时的性能

图1-11所示为钢材标准试件在常温静载情况下，单向均匀受拉试验时的应力-应变（σ-ε）曲线。此曲线给出了钢材许多性能信息。

（1）强度性能指标

1）线弹性阶段。在图1-11中，σ-ε曲线的OP段为直线，说明应力与应变的关系为线性，卸载后变形完全消失，说明材料为弹性。P点应力f_p称为比例极限。OP段直线的斜率E=2.06×10¹¹N/m²称为弹性模量。应力与应变的关系可表示为σ=Eε。

图1-11 碳素结构钢应力-应变曲线

2）非线性弹性阶段。σ-ε曲线的PE段为曲线，说明应力与应变的关系为非线性，但材料仍为弹性。E点的应力f_e称为弹性极限。PE段曲线斜率为E_t=dσ/dε，称为切线模量。弹性极限f_e与比例极限f_p很接近，实际上很难区分，故一般只提比例极限。

3）弹-塑性阶段。σ-ε曲线的ES段，材料表现为非弹性性质，即卸荷曲线为图1-11中的虚直线，它与OP平行，此时留下永久性的残余变形。S点的应力f_y称为屈服点。

4）塑性阶段。对于低碳钢，出现明显的屈服台阶SC段，即应力在屈服点f_y下不变，而应变不断增大。在开始进入塑性流动范围时，曲线波动较大，以后逐渐趋于平稳，其最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点。上屈服点与试验条件（加荷速度、试件形状、试件对中的准确性）有关；下屈服点则对此不太敏感，设计中取用的设计强度以下屈服点为依据。

对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前的应变很小（对低碳钢约为0.15%）。当应力达到屈服点后，杆件将产生很大在使用上不容许的塑性变形（低碳钢ε_C=2.5%），表明钢材已失去了承载能力。因此，在设计时应取屈服点作为钢材可以达到的最大应力。

5）硬化阶段。经过屈服台阶后，σ-ε曲线出现了上升的CB曲线段，材料表现出应变硬化。B点的应力f_u称为抗拉强度（极限强度）。当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力f_y作为强度限值时，抗拉强度f_u只是作为材料的强度储备。

①理想的弹-塑性模型。对于有明显屈服台阶的钢材，一般假定在应力不超过屈服点以前钢材为线弹性，在应力超过屈服点以后则为完全塑性，如图1-12所示。这样钢材就被视为理想的弹塑性材料，可简化计算分析。

②条件屈服点。高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶，这类钢的屈服点是根据试验结果分析人为规定的，故称为条件屈服点。条件屈服点是卸荷后试件中残余应变0.2%所对应的应力（有时用f_0.2表示），如图1-13所示。由于高强度钢不具有明显的塑性台阶，设计中不应利用它的塑性。

图1-12 理想的弹塑性体应力-应变曲线

图1-13 高强度钢应力-应变曲线

（2）塑性性能指标 试件被拉断时的绝对变形值与试件标距长度之比的百分数，即为伸长率，以δ表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。当试件标距长度与试件直径d之比为10时，则伸长率以δ₁₀表示；当试件标距长度与试件直径d之比为5时，则伸长率以δ₅表示。

（3）物理性能指标 钢材在单向受压（粗而短的试件）时，受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪的情况也相似，但屈服点τ_y及抗剪强度τ_u均较受拉时为低；剪变模量G也低于弹性模量E。钢材和钢铸件的弹性模量E、剪变模量G、线膨胀系数α和质量密度ρ见表1-3。

表1-3 钢材和钢铸件的物理性能指标

2.冷弯性能

冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头对试件加压，使试件弯成180°，如图1-14所示。如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。

冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能揭示出钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷的偏析及硫化物与氧化物的掺杂情况，因为这些缺陷都将降低钢材的冷弯性能。因此，冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合性指标。

图1-14 钢材冷弯试验示意图

3.冲击韧性(www.zuozong.com)

韧性与钢材断裂前单位体积材料所吸收的总能量（弹性能和非弹性能之和）多少相关。这个总能量值就是拉伸试验曲线（图1-11所示的σ-ε曲线）下包围的面积。曲线包围的面积越大韧性就越高。因此，韧性是钢材强度和塑性的综合指标。一般情况下，当钢材的强度提高而韧性出现降低时，钢材趋于脆性。

钢材的强度和塑性指标是由静力拉伸试验获得的，当其用于结构承受动力荷载的设计时，显然有很大的局限性。对钢材进行冲击韧性试验目的就在于获得钢材抵抗动力荷载的性能指标。

众所周知，钢材在动力荷载作用下发生脆性破坏的原因是：构件局部缺陷（如裂纹、缺口等）处产生应力集中和同号应力场，塑性变形发展受到限制。因此，冲击韧性试验，采用带缺口的标准试件（图1-15a、b）进行冲击试验，根据试件断裂时所吸收的总能量（弹性能和非弹性能之和）来衡量钢材的抗冲击能力，称为冲击韧性。

《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）中规定，冲击韧性试验采用夏比V形缺口试件（图1-15a）在夏比试验机上进行，根据试件断裂时所消耗的冲击功（以C_v表示，单位：J）来衡量钢料的抗冲击能力，试验结果不除以缺口处的截面面积。

图1-15 冲击韧性试验

在《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）颁布以前，我国冲击试验一直采用梅氏U形缺口试件在梅氏试验机上进行，根据试件断裂时截面单位面积所消耗的冲击功（以a_k表示，单位：J/cm²）来衡量钢料的抗冲击能力。

由于夏比试件缺口比梅氏试件的尖锐，更接近构件实际中可能出现的严重缺陷，所以近年来用夏比试验方法确定钢料冲击韧性日趋普遍。

由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，所以，寒冷地区的钢结构不但要求钢材具有常温（20℃）冲击韧性指标，还要求具有负温（0℃、-20℃或-40℃）冲击韧性指标，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。

4.多向应力下钢材的屈服条件

在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。在复杂应力如平面或立体应力（图1-16）作用下，钢材是否由弹性状态转入塑性状态是根据按能量强度理论（第四强度理论）计算的折算应力σ_red与单向应力下的屈服点的比较来判断的。

图1-16 复杂应力

当σ_red＜f_y时，为弹性状态；当σ_red＞f_y时，为塑性状态。

如果三向应力有一向应力很小（如厚度较小，厚度方向的应力σ_z可忽略不计）或为零时，则属于平面应力状态，式（1-16）成为

在一般的梁中，只存在正应力σ和剪应力τ，则

当只有剪应力时，σ=0，则

由此得

因此，《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）确定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。

当平面或立体应力皆为拉应力时，材料破坏时没有明显的塑性变形产生，即材料处于脆性状态。