造價員輔導資料：建筑鋼材(2)
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二、建筑鋼材的技術性質
鋼材作為結構材料最主要的技術性質包括力學性能和工藝性能。其中力學性能中抗拉性能尤為重要。通過拉力試驗，可確定其彈性模量、屈服應力、抗拉強度及延伸率。此外，鋼材的力學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.應力—應變曲線
鋼材受拉力作用時的應力—應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。根據應力—應變曲線，鋼材受拉直到破壞其受力與變形可分為以下四個階段。
(1)彈性階段(OA段)。在彈性階段所產生的變形為彈性變形，如卸去荷載，試件將恢復原狀。與A點相對應的應力為彈性極限，用σp表示。此階段應力σ與應變ε成正比，其比值為常數，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算結構變形的重要指標。建筑上常用的低碳鋼其彈性模量E=(20～21)萬MPa，σp=180～200MPa。
(2)屈服階段(AB段)。當應力超過σp后，應變增加很快，而應力基本保持不變，這種現象稱為屈服。此時應力與應變不再成比例，試件開始產生塑性變形。σ—ε曲線上開始發生屈服的點B，稱為屈服點，這時的應力稱為屈服極限，用σs表示。σs是衡量材料強度的重要指標。建筑上常用低碳鋼的σs為185～235MPa。對于硬鋼由于沒有明顯的屈服階段，所以規定以產生殘余應變為0.2%時的應力作為屈服強度。
鋼材受力達到屈服點后，變形即迅速發展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求，故設計中一般以屈服點作為強度取值的依據。
(3)強化階段(BC段)。當荷載超過屈服點后，因塑性變形使其內部的組織結構得到調整，抵抗變形的能力有所增強，σ—ε曲線又開始上升，稱為強化階段。材料破壞前，σ—ε圖上的最大應力值，即曲線最高點C所對應的應力稱為抗拉強度，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比(σs/σb)。屈強比值越小，鋼材在受力超過屈服點時的可靠性越大，結構的安全儲備越大，結構越安全。但如果屈強比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用低碳鋼的屈強比為0.58～0.63，合金鋼為0.65～0.75。
(4)頸縮階段(CD段)。應力超過σb后，試件的變形開始集中于某一小段內，使該段的橫截面面積顯著減小，出現如圖2-2-6所示的頸縮現象，σ—ε曲線開始下降，直至D點，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。
測量拉斷后的標距長度L1和斷口處的最小橫截面面積且A1，則延伸率δ按計算，截面收縮率ψ按式2-2-24計算：
δ與ψ是衡量材料塑性的兩個重要指標。δ與ψ值越大，說明材料的塑性越好。盡管結構是在鋼的彈性范圍內使用，但在應力集中處，其應力可能超過屈服點，此時產生一定的塑性變形，可使結構中的應力重新分布，從而避免結構破壞。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表示。鋼材的沖擊韌性試驗是采用中間開有“V”形缺口的標準彎曲試樣，置于沖擊機的支架上，并使切槽位于受拉的一側，當試驗機的重擺從一定高度自由落下，將試樣沖斷時，試樣吸收的能量等于重擺所作的功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計算:
ak越大表示鋼材抗沖擊能力越強。ak值與試驗溫度有關。有些材料在常溫時沖擊韌性并不低，破壞時呈現韌性破壞特征;但當試驗溫度低于某值時，溫度在一個很小的范圍內變化，ak突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形，而發生脆性斷裂，這種性質稱為鋼材的冷脆性，ak劇烈改變的溫度區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、表面產生局部變形的能力。硬度可以用來判斷鋼材的軟硬，同時間接地反映鋼材的強度和耐磨性能。鋼材的硬度常用布氏硬度值HB表示。
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