金属结构常用钢材性能指标，抗拉强度等你了解

第二节　金属结构常用钢材的性能

用以衡量结构钢性能的主要指标包含强度，强度涵盖抗拉强度以及屈服强度，还有塑性，以及韧性，以及脆性断裂，以及可焊性等等 。

一、强度

图2 - 1展示的是，起重运输机金属结构常用碳素结构钢的拉伸应力 - 应变曲线图形，从该图能够知道，在应力值小于比例极限σp的状况下，应力跟应变之间呈现出正比例的关联，二者的比值就是钢材的弹性模量E，当应力没有超过弹性极限σe的时候，卸载之后不会出现残余变形，应力处于弹性极限与屈服强度之间时，开始出现塑性形变，卸载之后存在残余变形，当应力抵达屈服点时，就算应力不再增加，应变依旧会持续增加，应力 - 应变曲线呈现出水平段，被称作屈服台阶。常用的Q235钢，其σs的数值为235MPa ，Q345钢的σs是345MPa 。低于460MPa这个数值是屈服点σs的钢材，它们的比例极限、弹性极限以及屈服点常常是非常接近的，在实际应用当中是可以不做区分的 。当进行结构计算的时候，能够近似地认定钢材在应力达到屈服点以前是弹性体，而在屈服点之后呢则是塑性体，那么钢材就能够被视为理想的弹塑性材料来开展分析 。σs是用以确定钢材强度设计值的主要指标 。

图2-1　钢材的拉伸应力-应变图

应变要是超过了屈服台阶之后，钢材会因为应变硬化，应力 - 应变曲线就开始上升，应力跟应变之间呢，不再呈现线性关系，应变增加得比较快，最后抵达曲线图的最高点σb，材料出现颈缩进而破坏，σb被称作抗拉强度或者极限强度，它也是钢材的主要强度参数中的一个。常用的碳素结构钢以及低合金结构钢的屈服强度、抗拉强度在表2 - 3见到，以及能够在表2 - 4见到，钢材的屈服强度会随着钢材的厚度增大而减小。

二、塑性

将构件在外力加以作用时，所具有的那种能够稳定地产生永久变形，且不会破坏自身完整性的能力称作塑性。钢材的静力拉伸试验里的断后伸长率、断面收缩率等等，被用来衡量钢材的塑性。要是试件的原标距是L0，其拉断的时候总伸长量为ΔL，那么它的断后伸长率A就是。

钢材塑性好，易形成加工，承载时虽会出现较大变形但不会造成破坏，能够避免突然呈现的脆性断裂，这是因为伸长率大。常用钢材的断后伸长率在表 2 - 3、表 2 - 4 中有所体现。

从另一方面考查钢材塑性的方式是进行冷弯试验，它能反映钢材的冷弯加工性能以及钢材在常温下承受弯曲却不破裂的能力，也就是冷弯性能。冷弯试验里，试件中部受弯部位会受到冲头挤压、弯曲以及剪切等复杂作用，所以它也属于考察钢材在复杂应力状态下发展塑性变形能力的一项指标。冷弯性能通常是用弯曲角度α（外角）或者弯心直径d与材料厚度a的比值来表示，材料的冷弯性越好意味着α越大或者d/a越小。对于表2 - 3以及表2 - 4中的冷弯试验要求，钢材需按照规定的直径绕弯心进行弯曲，弯曲角度为180°，并且弯曲处不会出现裂缝或者分层现象。

三、韧性

钢材的韧性，是用来表征材料在冲击载荷作用之下，破坏之前吸收机械能的能力。按照冲击试验标准GB/T 229 - 2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，测定冲击韧性的试件，采用的是夏比V形缺口和夏比U形缺口试件，所测得的冲击吸收能量，分别用KV和KU来表示，试件尺寸如图2-2所示。V形缺口比U形缺口尖锐，主要应用于韧性较好的材料，像低碳钢、低合金钢、有色金属等，其试验结果更能够说明实际结构中钢材的脆性断裂倾向。

图2-2　钢材的冲击韧性试验

试验之时，把试件放置在试验机所述及的支架之上，使得摆锤去冲击不存在缺口哪面之处，摆锤其刀刃半径存在着2mm以及8mm这两种情况，与之进行对应的冲击吸收那部分能量之表示为KV2还有KV8 。

表2-3以及表2-4展示了常用结构钢的冲击韧性，钢材的冲击韧性会跟着温度产生变化，在低温的时候冲击韧性会显著降低，依据针对起重机金属结构材料开展的研究与实践，在低温环境下（-20℃以下）工作的起重运输机结构材料其冲击吸收能量必须不低于34J 。

四、脆性断裂

钢材的破坏形式被划分成塑性破坏、脆性断裂这两类，在塑性破坏之前，构件存在明显的塑性变形，能够被及时发觉，进而采取措施，以此防止事故发生，脆性破坏之前，构件呈现出的变形极小，应力很低，大概只有屈服限的1/3左右，鉴于钢材内部于冶炼、轧制、热处理等多种制造过程里，不可避免地会产生某种微裂纹，在使用过程中，由于应力集中、疲劳、腐蚀等缘故，裂纹会进一步延展 。在裂纹尺寸去到临界尺寸之际，断裂进展起来的速度极其快，裂纹扩展的速度能够达到2000m/s，结构会在顷刻之间遭到破坏。因为事先不存在任何破坏的预兆，所以脆性断裂破坏比起塑性破坏危害要大很多。跟铆接结构相比，焊接结构出现脆性破坏的比例是比较大的。

取决于应力状态、化学成分、应力集中、钢材厚度以及焊接工艺诸方面等，这是脆性断裂的主要原因所在。于起重运输机金属结构里，为防范脆性断裂，就材料层面而言，当工作温度是高于 -20℃且加载速度较快时，需采用能保证常温冲击韧性的钢材；当工作温度低于 -20℃时，那便要挑选能保证低温冲击韧性的钢材。在加工工艺方面，要避免出现坑痕以及裂纹。确定焊接工艺之际，应尽可能减小热影响区范围，还要防止焊接过程中出现裂纹等缺陷。对于设计而言，应力集中应尽量予以避开或者使之减小，三向受拉应力状态（像交叉焊接这种情况）要加以避免，较薄的钢材最好尽可能去选用等 。

五、可焊性

钢材具备可焊性，这是用于衡量其焊接工艺优劣程度的一项指标，一般而言，会借助焊缝以及热影响区的抗裂性，还有使用性能，以此来表明材料可焊性究竟是优还是劣 ，。

钢材焊接性能主要由其化学组成所决定，特别是含碳量，含碳量高时易出现焊接裂纹，合金元素含量增多同样易引发开裂状况，钢的可焊性能够大致借由碳当量来呈现，也即把钢里包含碳之类的对淬硬、冷裂纹以及脆化等存在影响的合金元素含量换算成碳的相当含量，低合金高强度钢的碳当量依照式（2-2）进行计算（GB/T 1591-2008）：

CEV等于C加上Mn除以6，再加上Cr与Mo以及V的和除以5，再加上Ni与Cu的和除以15，得到的结果以％为单位，表示为代号（2 - 2）表述的式子 句末点号。

式里的元素符号用以表示该元素的质量分数，可焊性会随着碳当量百分比的升高而下降，要是碳当量小于 0.45％的时候，就认定钢材的可焊性良好，常用低合金钢的最大碳当量应当符合GB/T 1591 - 2008里的规定。

金属结构常用于起重机的Q235钢，还有Q345钢，都具备良好的可焊性。