二　承重建筑钢结构的钢材综合性能合格保证的项目

金属的力学性能是设计和制造机械零件或工具的主要依据，也是评定金属材料质量的重要判据。各种金属材料除对其成分范围作规定外，还要对其力学性能作必要的规定。制造各类构件的金属材料都必须满足规定的性能指标。

金属受力的性质不同，将表现出各种不同的行为，显示出各种不同的力学性能。金属的力学性能主要有强度、塑性、冲击韧度和硬度等。

（一）强度

金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为载荷。载荷根据作用性质的不同，可以分为静载荷、冲击载荷及循环载荷三种。静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷。

强度是指金属在载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力。

由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度等五种。一般情况下多以抗拉强度作为判别金属强度高低的依据。

金属的抗拉强度和塑性是通过拉伸试验测定的。拉伸试验的方法是将一定形状和尺寸的被测金属试样装夹在拉伸试验机上，缓慢施加轴向拉伸载荷，同时连续测量力和相应的伸长量，直至试样断裂，根据测得的数据，即可计算出有关的力学性能参数。

1.拉伸试样

在国家标准中，对拉伸试样的形状、尺寸及加工要求均有明确的规定，通常采用圆柱形拉伸试样，如图2.2所示。

2.力-伸长曲线

力-伸长曲线是指拉伸试验中记录的拉伸力F与试样伸长量Δl之间的关系曲线，一般由拉伸试验机自动绘出。图2.3为低碳钢试样的力-伸长曲线，图中纵坐标表示力F，单位为N；横坐标表示试样伸长量Δl，单位为mm。

观察力-伸长曲线，可以看出其明显地表现出下面几个变形阶段。

①OE——弹性变形阶段　在力-伸长曲线中，OE段为一斜直线，说明在该阶段试样的伸长量Δl与拉伸力F之间成正比例关系。当拉伸力F增加时，试样的伸长量Δl随之增加，去除拉伸力后试样完全恢复到原始的形状及尺寸，表现为弹性变形。Fe为试样保持完全弹性变形的最大拉伸力。

②ES——屈服阶段　当拉伸力不断增加，超过Fe再卸载时，弹性变形消失，一部分变形被保留下来，即试样不能恢复到原来的形状及尺寸，这种不能随拉伸力的去除而消失的变形称为塑性变形。当拉伸力继续增加到Fs时，力-伸长曲线出现平台，说明在拉伸力基本不变的情况下，试样的伸长量继续增加，这种现象称为屈服。Fs称为屈服拉伸力。

③SB——冷变形强化阶段　屈服后，试样开始出现明显的塑性变形。随着塑性变形量的增加，试样抵抗变形的能力逐渐增加，这种现象称为冷变形强化。在力-伸长曲线上表现为一段上升曲线，该阶段试样的变形是均匀发生的。Fb为试样拉断前能承受的最大拉伸力。

④BK——缩颈与断裂阶段　当拉伸力达到Fb时，试样上某个部位的截面发生局部收缩，产生“缩颈”现象。由于缩颈使试样局部截面减小，试样变形所需的拉伸力也随之降低，这时变形主要集中在缩颈部位，最终试样被拉断。缩颈现象在力-伸长曲线上表现为一段下降的曲线。

工程上使用的金属材料，大多没有明显的屈服现象。有些脆性材料，不仅没有屈服现象，而且也不产生“缩颈”现象，如高碳钢、铸铁、强度级别高的高强钢等，图2.4为铸铁的力-伸长曲线。

3.强度指标

①屈服点　在拉伸试验过程中，拉伸力不增加（保持恒定），试样仍然能继续伸长（变形）时的应力称为屈服点，用符号σs（Re）表示，单位为MPa。计算公式为

式中　FS——试样屈服时所承受的拉伸力，N；

SO——试样原始横截面面积，mm2。

钢材的屈服强度（或屈服点）是衡量结构的承载能力和确定强度设计值的重要指标。碳素结构钢和低合金结构钢在受力到达屈服强度以后，应变急剧增长，从而使结构的变形迅速增加，以致不能继续使用。所以钢结构的强度设计值一般都是以钢材屈服强度为依据而确定的。对于一般非承重或由构造决定的构件，只要保证钢材的抗拉强度和断后伸长率即能满足要求；对于承重的结构，则必须具有钢材的抗拉强度、伸长率、屈服强度三项合格的保证。

对于无明显屈服现象的金属材料，按国家标准的规定，可用屈服强度σ0.2表示。σ0.2是指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长率达到0.2％时的应力。计算公式为

式中　F0.2——残余伸长率达到0.2％的拉伸力，N；

SO——试样原始横截面面积，mm2。

屈服点σs和屈服强度σ0.2是工程上极为重要的力学性能指标之一，是大多数机械零件设计和选材的依据，是评定金属材料性能的重要参数。零件在工作中所承受的应力，超过屈服点或屈服强度时，会因过量的塑性变形而失效。

②抗拉强度　试样在拉断前所承受的最大应力称为抗拉强度，用符号σb（Rm）表示，单位为MPa。计算公式为

式中　Fb——试样拉断前所承受的最大拉伸力，N；

SO——试样原始横截面面积，mm2。

钢材的抗拉强度是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，它不仅是一般强度的指标，而且直接反映钢材内部组织的优劣，并与疲劳强度有着比较密切的关系。

零件在工作中所承受的应力，不应超过其抗拉强度，否则会导致断裂。σb也是机械零件设计和选材的依据，是评定金属材料性能的重要参数。

（二）塑性

塑性是指金属材料在断裂前产生塑性变形的能力。通常用伸长率和断面收缩率来表示。

1.伸长率

试样拉断后，标距的伸长量与原始标距的百分比称为伸长率。用符号δ表示。δ值可用下式计算：

式中　l1——拉断试样对接后测出的标距长度，mm；

l0——试样原始标距长度，mm。

必须说明，同一材料的试样长短不同，测得的伸长率数值是不相等的。长试样和短试样的伸长率分别用符号δ10和δ5表示，习惯上δ10也写成δ。

2.断面收缩率

钢材的伸长率是衡量钢材塑性性能的指标。钢材的塑性是在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。因此，承重结构用的钢材，不论在静力荷载或动力荷载作用下，以及在加工制作过程中，除应具有较高的强度外，还应要求具有足够的伸长率。

试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比称为断面收缩率。用符号ψ表示。ψ值可用下式计算：

式中　S1——试样拉断后缩颈处最小横截面面积，mm2；

S0——试样原始横截面面积，mm2。

金属材料的伸长率和断面收缩率数值越大，说明其塑性越好。塑性直接影响到零件的成形加工及使用。例如，低碳钢的塑性好，能通过锻压加工成形，而灰铸铁塑性差，不能进行压力加工。塑性好的材料，在受力过大时，首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，所以大多数机械零件除要求具有较高的强度外，还必须具有一定的塑性。

3.冷弯试验

钢材的冷弯试验是塑性指标之一，同时也是衡量钢材质量的一个综合性指标。通过冷弯试验，可以检查钢材颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷，在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。结构在制作、安装过程中要进行冷加工，尤其是焊接结构焊后变形的调直等工序，都需要钢材有较好的冷弯性能。而非焊接的重要结构（如吊车梁、吊车桁架、有振动设备或有大吨位吊车厂房的屋架、托架、大跨度重型桁架等）以及需要弯曲成形的构件等，亦都要求具有冷弯试验合格的保证。

（三）硬度

硬度是衡量金属软硬程度的一种性能指标，是指金属抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。

硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。机械制造业中所用的刀具、量具、模具等都应具备足够的硬度，才能保证使用性能和使用寿命。有些机械零件如齿轮、曲轴等，也要求具有一定的硬度，以保证足够的耐磨性和使用寿命。因此，硬度是金属材料重要的力学性能之一。

硬度是一项综合力学性能指标，其数值可以间接地反映金属的强度及金属在化学成分、显微组织和各种加工工艺上的差异。与拉伸试验相比，硬度试验简便易行，而且可以直接在工件上进行试验，并不破坏工件，因而在生产中被广泛应用。

测试硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法三种。

1.布氏硬度

①测试原理　使用一定直径的硬质合金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，去除试验力，测量试样表面的压痕直径，然后计算其硬度值，如图2.5所示。

布氏硬度值是指球面压痕单位表面积上所承受的平均压力，用符号HBW表示。布氏硬度值可用下式计算：

式中　F——试验力，N；

S——球面压痕表面积，mm2。

D——球体直径，mm。

d——压痕平均直径，mm。

从计算公式（2.6）中可以看出，当试验力F和压头球体直径D一定时，布氏硬度值仅与压痕直径d的大小有关，因此试验时只要测量出压痕直径d，就可以通过计算或查布氏硬度表得到结果。一般布氏硬度值不标出单位，只写明硬度的数值。

②表示方法　用淬火钢球为压头时，符号为HBS；用硬质合金球为压头时，符号为HBW。

布氏硬度的表示方法是：测定的硬度数值标注在符号HBW的前面，符号后面按球体直径、试验力、试验力保持时间（10～15s不标注）的顺序，用相应的数字表示试验条件。

例如：600HBW1/30/20，表示用直径1mm的硬质合金球，在294.2N试验力的作用下保持20s，测得的布氏硬度值为600。550HBW5/750，表示用直径5mm的硬质合金球，在7355N试验力的作用下，保持10～15s时测得的布氏硬度值为550。

③适用范围及优缺点　布氏硬度主要适用于测定灰铸铁、非铁金属及退火、正火或调质状态的钢材等材料的硬度。

布氏硬度试验时的试验力大，球体直径大，因而获得的压痕直径也大，能在较大范围内反映被测金属的平均硬度，试验结果比较准确。但因压痕较大，所以不宜测量成品件或薄件。

2.洛氏硬度

①测试原理　洛氏硬度试验是用锥顶角为120°的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球作压头，在初试验力和主试验力的先后作用下，压入试样的表面，经规定保持时间后卸除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据测量的压痕深度来计算洛氏硬度值。

进行洛氏硬度试验时，先加初试验力F0，压头压入试样表面，深度为h1，其目的是消除因试样表面不平整而造成的误差。然后再加主试验力F1，在主试验力的作用下，压头压入深度为h2。卸除主试验力，保持初试验力，由于金属弹性变形的恢复，使压头回升到压痕深度为h3的位置，那么，由主试验力所引起的塑性变形而使压头压入试样表面的深度e=h3-h1，称为残余压痕深度增量。显然，e值越大，则被测金属的硬度越低。为了符合数值越大、硬度越高的习惯，用一个常数K减去e来表示硬度值的大小，并以每0.002mm压痕深度作为一个硬度单位，由此获得的硬度值称为洛氏硬度，用符号HR表示。计算公式为

式中　K——常数，用金刚石圆锥体压头进行试验时，K为0.2mm，用淬火钢球压头进行试验时，K为0.26mm；

e——残余压痕深度增量，mm。

洛氏硬度没有单位，试验时硬度值可直接从洛氏硬度计的刻度盘上读出。

②优缺点　洛氏硬度试验压痕较小，对试样表面损伤小，可用来测定成品、半成品或较薄工件的硬度。试验操作简便，可直接从刻度盘上读出硬度值。由于采用不同的硬度标尺，洛氏硬度的测试范围大，能测量从极软到极硬各种金属的硬度。但是，由于压痕小，当材料的内部组织不均匀时，硬度数值波动较大，不能反映被测金属的平均硬度，因此，在进行洛氏硬度试验时，需要在不同部位测试数次，取其平均值来表示被测金属的硬度。

3.维氏硬度

维氏硬度的测试原理：将相对面夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头按选定的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，在试样表面形成一个正四棱锥形压痕，测量压痕两对角线的平均长度，计算压痕单位表面积上承受的平均压力，以此作为被测金属的硬度值，称为维氏硬度，用符号HV来表示。维氏硬度可用下式计算：

式中　F——试验力，N；

d——压痕两对角线长度的算术平均值，mm。

试验时，维氏硬度值同布氏硬度值一样，也可根据测得的压痕对角线平均长度，从表中直接查出。

维氏硬度试验所用的试验力可根据试样的大小、厚薄等条件进行选择，常用试验力的大小在49.03～980.7N范围内。

维氏硬度值的表示方法与布氏硬度相同，硬度数值写在符号的前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁，当试验力保持时间为10～15s时，可以不标出。

例如：642HV30，表示用294.2N试验力保持10～15s测定的维氏硬度值为642。642HV30/20，表示用294.2N试验力保持20s测定的维氏硬度值为642。

由于维氏硬度试验时所加试验力较小，压痕深度较浅，故可测量较薄工件的硬度，尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。因维氏硬度值具有连续性，范围在5～1000HV内，所以适用范围广，可测定从极软到极硬各种金属的硬度。但维氏硬度试验操作比较缓慢，而且对试样的表面质量要求较高。

（四）冲击韧度

强度、塑性、硬度等力学性能指标是在静载荷作用下测定的，而许多零件和工具在工作过程中，往往受到冲击载荷的作用，如冲床的冲头、锻锤的锤杆、风动工具等。冲击载荷是指在短时间内以很大速度作用于零件或工具上的载荷。对于承受冲击载荷作用的零件，除具有足够的静载荷作用下的力学性能指标外，还必须具有足够的抵抗冲击载荷的能力。

冲击韧性（或冲击吸收能量）表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。材料的冲击韧性值随温度的降低而减小，且在某一温度范围内发生急剧降低，这种现象称为冷脆，此温度范围称为“韧脆转变温度”。因此，对直接承受动力荷载或需验算疲劳的构件或处于低温工作环境的钢材，还应具有冲击韧性合格保证。

1.测试原理

夏比冲击试验是在摆锤式冲击试验机上进行的，利用的是能量守恒原理。试验时，将被测金属的冲击试样放在冲击试验机的支座上，缺口应背对摆锤的冲击方向。将重量为G的摆锤升高到H高度，使其具有一定的势能GH，然后让摆锤自由落下，将试样冲断，并继续向另一方向升高到h高度，此时摆锤具有的剩余势能为Gh。摆锤冲断试样所消耗的势能即是摆锤冲击试样所做的功，称为冲击吸收功，用符号Ak表示。其计算公式为

Ak=G（H-h）　　（2.9）

试验时，Ak值可直接从试验机的刻度盘上读出。Ak值的大小就代表被测金属韧性的高低，但习惯上采用冲击韧度来表示金属的韧性。冲击吸收功Ak除以试样缺口处的横截面面积S0，即可得到被测金属的冲击韧度，用符号ak表示。其计算公式为

式中　ak——冲击韧度，J/cm2；

Ak——冲击吸收功，J；

S0——试样缺口处横截面面积，cm2。

一般将ak值低的材料称为脆性材料，ak值高的材料称为韧性材料。脆性材料在断裂前无明显的塑性变形，断口比较平整，有金属光泽；韧性材料在断裂前有明显的塑性变形，断口呈纤维状，没有金属光泽。

2.冲击试样

为了使夏比冲击试验的结果可以互相比较，冲击试样必须按照国家标准制作。常用的冲击试样有夏比U形缺口试样和夏比V形缺口试样两种，其相应的冲击吸收功分别标为AkU和AkV，冲击韧度则标为akU和akV。

3.多次冲击试验

在实际工作中，承受冲击载荷作用的零件或工具，经过一次冲击断裂的情况很少，大多数情况是在小能量多次冲击作用下而破坏的。这种破坏是由于多次冲击损伤的积累，导致裂纹的产生与扩展的结果，与大能量一次冲击的破坏过程有本质的区别。对于这样的零件和工具已不能用冲击韧度来衡量其抵抗冲击载荷的能力，而应采用小能量多次冲击抗力指标。

在一定的冲击能量下，试样在冲锤的多次冲击下断裂时，经受的冲击次数N就代表金属抵抗小能量多次冲击的能力。

实践证明：冲击韧度高的金属材料，小能量多次冲击抗力不一定高。一般金属材料受大能量的冲击载荷作用时，其冲击抗力主要取决于金属的塑性，而在小能量多次冲击的情况下，其冲击抗力主要取决于金属的强度。

（五）硫、磷含量

硫和磷都是建筑钢材中的主要杂质，对钢材的力学性能和焊接接头的裂纹敏感性都有较大影响。硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工或焊接的温度达到800～1200℃时，可能出现裂纹，称为热脆。硫化铁又能形成夹杂物，不仅促使钢材起层，还会引起应力集中，降低钢材的塑性和冲击韧性。硫又是钢中偏析最严重的杂质之一，偏析程度越大越不利，容易产生热裂纹。磷是以固溶体的形式溶解于铁素体中，这种固溶体很脆，加以磷的偏析比硫更严重，形成的富磷区，促使钢变脆（冷脆），降低钢的塑性、韧性及可焊性。因此，所有承重结构对硫、磷的含量均应有合格保证。

（六）碳当量

在焊接结构中，建筑用钢（低合金高强度钢）的焊接性能主要取决于碳当量，碳当量越高，焊接性能变差的程度越大。因此，对焊接承重结构，还应具有碳当量的合格保证。