文档介绍：钢结构材料的机械性能及材料分类、选型
钢结构材料的力学性能
碳素结构钢的应力-应变曲线
受拉、受压及受剪时的性能
钢材标准试件在常温静载情况下,单项均匀受拉试验时的荷载—形(F—L)曲线或应力——应变(σ—ε)曲线。由此曲线可获得许多有关钢材的性能。
强度性能
σ—ε曲线的OP段为直线,表示钢材具有完全弹性性质,这时应力可由弹性模量E定义,即σ—Eε,而E=tanα,P点应力称为比例极限。
曲线的PE段仍具有弹性,但非线性,即为非线性弹性阶段,这时的模量称为切线模量,Et=dσ/dε。此段上限E点的应力称为弹性极限。弹性极限和比例极限相距很近,实际上很难区分,故通常只提比例极限。
随着荷载的增加,曲线出现ES段,此段表现为非弹性性质,即卸荷曲线成为与OP平行的直线,留下永久性的残余变形。此段上限S点的应力称为屈服点。对于低碳钢,出现明显的屈服台阶SC段,即在应力保持不变的情况下,应变继续增加。
在开始进入塑性流动范围是,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强度(ReH)和下屈服强度(ReL)点。上屈服强度和试验条件(加荷速度、试件形状、试件对中的准确性)有关;非屈服点则对此不太敏感,设计中则以下屈服强度为依据。
对于没有缺陷和残余应力影响的试件,比例极限和屈服强度比较接近,且屈服点前的应变很小(%)。为了简化计算,通常假定屈服点以前钢材为完全弹性的,屈服点以后则为完全塑性的,这样就可把钢材视为理想的弹—塑性体,其应力应变曲线表现为双直线。当应力达到屈服点后,结构将产生很大的残余变形(此时,对低碳钢εc=25%),表明钢材的承载能力达到了最大值。因此,在设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力值。
理想的弹-塑性体的应力-应变曲线
高强度钢材无明显屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的,故称为条件屈服强度。%所对应的应力定义的。
高强度钢的应力-应变关系
由于这类钢材不具有明显的塑性平台,设计中不宜利用它的塑性。
超过屈服台阶,材料出现应变硬化,曲线上升,直至曲线最高处得B点,这点的应力称为抗拉强度(Rm)。当应力达到B点时,试件发生颈缩现象,至D点而断裂。当以屈服点的应力作为强度限值时,抗拉强度成为材料的强度储备。
塑性性能
试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数,称为伸长率。当试件标距长度与试件直径d(圆形试件)之比为0时,以δ10表示;当该比值为5时,以δ5表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。
钢材物理性能指标
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τs及抗剪强度τu 均较受拉时低;剪变模量 G也低于弹性模量 E 。
钢材的弹性模量E=620×103N/mm2,剪变模量G=79×103N/mm2;线性膨胀系α=12×10-6,质量密度ρ=7580㎏/m3 。
冷弯性能
冷弯性能GB232-1988《金属弯曲试验方法》来确定。试验时按照规定的弯曲直径在试验机上用冲头加压,使试件弯成180°,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和塑性性能,还能暴露出钢材内部的冶炼缺陷,如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况,这些都是将降低钢材的冷弯性能。因此,冷弯性能合格是鉴定钢材塑性应变能力和钢材质量的综合指标。
钢材冷弯试验示意图
冲击韧性
拉力试验表现的强度和塑性等性能是静力性能,而韧性试验则可获得钢材的动力性能。韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力,它用材料在断裂时所吸收的总能量(包括弹性能和非弹性能)来量度,其值为图中σ—ε曲线与横坐标所包围的总面积,总面积愈大韧性愈高,故韧性是钢材强度和塑性的综合指标。通常情况是钢材强度提高,韧性降低则表示钢材脆性增加。
材料的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验机不同而异。GB/T229-1994《金属夏比冲击试验方法》规定采用夏比(Charpy)V形缺口或夏比U形缺口试件在夏比试验机上进行,所得结果以所消耗的功AKV或AKU表示,单位为J,试验结果不除以缺口处得截面面积。过去我国长期以来皆采用梅氏(Mesnager)试件在梅氏试验机上进行,所得的结果以单位截面积上所消耗的冲击功a
K表示,其符号为aK,单位为J/cm2。由于夏比试件比梅氏具有更为尖锐的缺口,更接近构件中可能出现的严重缺陷,近年来用AKV能量来表示材料冲击韧性的方法日趋普遍。
冲击韧性试验
由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响,在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧性指