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钢材的技术性质——力学性能

 1.抗拉性能

  抗拉性能是钢材最主要的技术性能,通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率,这些是钢材的重要技术性能指标。

  低碳钢的抗拉性能可用受拉时的应力一应变图来阐明。

  低碳钢从受拉到拉断,经历了如下四个阶段:

  (1)弹性阶段

  oa为弹性阶段。在oa范围内,随着荷载的增加,应力和应变成比例增加。如卸去荷载,则恢复原状,这种性质称为弹性。oa是一直线,在此范围内的变形,称为弹性变形。a点所对应的应力称为弹性极限,用σP表示。在这一范围内,应力与应变的比值为一常量,称为弹性模量,用E表示,即。弹性模量反映了钢材的刚度。是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。碳素结构钢Q235的弹性模量E=(2.0~2.1)×105MPa,弹性极限σP=(180~200)MPa。

  (2)屈服阶段

  ab为屈服阶段。在ab曲线范围内,应力与应变不能成比例变化。应力超过σP后,即开始产生塑性变形。应力到达Reh之后,变形急剧增加,应力则在不大的范围内波动,直到b点止。Reh点是上屈服强度,ReL点是下屈服强度,ReL也可称为屈服极限,当应力到达ReL时,钢材抵抗外力能力下降,发生“屈服”现象。ReL是屈服阶段应力波动的次低值,它表示钢材在工作状态允许达到的应力值,即在ReL之前,钢材不会发生较大的塑性变形。故在设计中一般以下屈服强度作为强度取值的依据。碳素结构钢Q235的ReL应不小于235MPa。

  (3)强化阶段

  bc为强化阶段。过b点后,抵抗塑性变形的能力又重新提高,变形发展速度比较快,随着应力的提高而增加。对应于最高点C的应力,称为抗拉强度,用Rm表示,(Fm为c点时荷载,S0为试件受力截面面积)。

  抗拉强度不能直接利用,但下屈服强度和抗拉强度的比值(即屈强比ReL/Rm)却能反映钢材的安全可靠程度和利用率。屈强比越小,表明材料的安全性和可靠性越高,材料不易发生危险的脆性断裂。如果屈强比太小,则利用率低,造成钢材浪费。碳素结构钢Q235的Rm应不小于375MPa,屈强比在0.58~0.63之间。

  对于在外力作用下屈服现象不明显的硬钢类,规定产生残余变形为0.2%L0时的应力作为屈服强度,用表示。

  (4)颈缩阶段

  cd为颈缩阶段。过C点,材料抵抗变形的能力明显降低。在cd范围内,应变迅速增加,而应力则反而下降,变形不能再是均匀的。钢材被拉长,并在变形最大处发生“颈缩”,直至断裂。

  将拉断的钢材拼合后,测出标距部分的长度,便可按下式求得其断后伸长率A:

  式中L0——试件原始标距长度,mm;

  Lu——试件拉断后标距部分的长度,mm。

  以A和分别表示L0=5d0和L0=10d0时的断后伸长率,d0为试件的原直径或厚度。对于同一钢材,A大于。

  伸长率反映了钢材的塑性大小,在工程中具有重要意义。塑性大,钢质软,结构塑性变形大,影响使用。塑性小,钢质硬脆,超载后易断裂破坏。塑性良好的钢材,偶尔超载、产生塑性变形,会使内部应力重新分布,不致由于应力集中而发生脆断。

  2.冲击韧性

  冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。

  钢材的冲击韧性是用标准试件(中部加工有V型或U型缺口),在摆锤式冲击试验机上进行冲击弯曲试验后确定,试件缺口处受冲击破坏后,以缺口底部处单位面积上所消耗的功,即为冲击韧性指标,用冲击韧性值ak(J/cm2)表示。ak越大,表示冲断试件时消耗的功越多,钢材的冲击韧性越好。

  钢材进行冲击试验,能较全面地反映出材料的品质。钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量,以及温度和时效等都较敏感。

  3.耐疲劳性

  钢材在交变荷载反复作用下,在远小于抗拉强度时发生突然破坏,这种破坏叫疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限或疲劳强度表示。它是指钢材在交变荷载作用下,于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。

  钢材耐疲劳强度的大小与内部组织、成分偏析及各种缺陷有关。同时钢材表面质量、截面变化和受腐蚀程度等都影响其耐疲劳性能。

  4.硬度

  表示钢材表面局部体积内,抵抗外物压入产生塑性变形的能力,是衡量钢材软硬程度的一个指标。

  测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法。常用的是布氏法和洛氏法。

 

 

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