二　承重建筑鋼結(jié)構(gòu)的鋼材綜合性能合格保證的項目

金屬的力學(xué)性能是設(shè)計和制造機械零件或工具的主要依據(jù)，也是評定金屬材料質(zhì)量的重要判據(jù)。各種金屬材料除對其成分范圍作規(guī)定外，還要對其力學(xué)性能作必要的規(guī)定。制造各類構(gòu)件的金屬材料都必須滿足規(guī)定的性能指標。

金屬受力的性質(zhì)不同，將表現(xiàn)出各種不同的行為，顯示出各種不同的力學(xué)性能。金屬的力學(xué)性能主要有強度、塑性、沖擊韌度和硬度等。

（一）強度

金屬材料在加工及使用過程中所受的外力稱為載荷。載荷根據(jù)作用性質(zhì)的不同，可以分為靜載荷、沖擊載荷及循環(huán)載荷三種。靜載荷是指大小不變或變化過程緩慢的載荷。

強度是指金屬在載荷作用下，抵抗塑性變形或斷裂的能力。

由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等形式，所以強度也分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度和抗扭強度等五種。一般情況下多以抗拉強度作為判別金屬強度高低的依據(jù)。

金屬的抗拉強度和塑性是通過拉伸試驗測定的。拉伸試驗的方法是將一定形狀和尺寸的被測金屬試樣裝夾在拉伸試驗機上，緩慢施加軸向拉伸載荷，同時連續(xù)測量力和相應(yīng)的伸長量，直至試樣斷裂，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，即可計算出有關(guān)的力學(xué)性能參數(shù)。

1.拉伸試樣

在國家標準中，對拉伸試樣的形狀、尺寸及加工要求均有明確的規(guī)定，通常采用圓柱形拉伸試樣，如圖2.2所示。

2.力-伸長曲線

力-伸長曲線是指拉伸試驗中記錄的拉伸力F與試樣伸長量Δl之間的關(guān)系曲線，一般由拉伸試驗機自動繪出。圖2.3為低碳鋼試樣的力-伸長曲線，圖中縱坐標表示力F，單位為N；橫坐標表示試樣伸長量Δl，單位為mm。

觀察力-伸長曲線，可以看出其明顯地表現(xiàn)出下面幾個變形階段。

①OE——彈性變形階段　在力-伸長曲線中，OE段為一斜直線，說明在該階段試樣的伸長量Δl與拉伸力F之間成正比例關(guān)系。當(dāng)拉伸力F增加時，試樣的伸長量Δl隨之增加，去除拉伸力后試樣完全恢復(fù)到原始的形狀及尺寸，表現(xiàn)為彈性變形。Fe為試樣保持完全彈性變形的最大拉伸力。

②ES——屈服階段　當(dāng)拉伸力不斷增加，超過Fe再卸載時，彈性變形消失，一部分變形被保留下來，即試樣不能恢復(fù)到原來的形狀及尺寸，這種不能隨拉伸力的去除而消失的變形稱為塑性變形。當(dāng)拉伸力繼續(xù)增加到Fs時，力-伸長曲線出現(xiàn)平臺，說明在拉伸力基本不變的情況下，試樣的伸長量繼續(xù)增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。Fs稱為屈服拉伸力。

③SB——冷變形強化階段　屈服后，試樣開始出現(xiàn)明顯的塑性變形。隨著塑性變形量的增加，試樣抵抗變形的能力逐漸增加，這種現(xiàn)象稱為冷變形強化。在力-伸長曲線上表現(xiàn)為一段上升曲線，該階段試樣的變形是均勻發(fā)生的。Fb為試樣拉斷前能承受的最大拉伸力。

④BK——縮頸與斷裂階段　當(dāng)拉伸力達到Fb時，試樣上某個部位的截面發(fā)生局部收縮，產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象。由于縮頸使試樣局部截面減小，試樣變形所需的拉伸力也隨之降低，這時變形主要集中在縮頸部位，最終試樣被拉斷?？s頸現(xiàn)象在力-伸長曲線上表現(xiàn)為一段下降的曲線。

工程上使用的金屬材料，大多沒有明顯的屈服現(xiàn)象。有些脆性材料，不僅沒有屈服現(xiàn)象，而且也不產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，如高碳鋼、鑄鐵、強度級別高的高強鋼等，圖2.4為鑄鐵的力-伸長曲線。

3.強度指標

①屈服點　在拉伸試驗過程中，拉伸力不增加（保持恒定），試樣仍然能繼續(xù)伸長（變形）時的應(yīng)力稱為屈服點，用符號σs（Re）表示，單位為MPa。計算公式為

式中　FS——試樣屈服時所承受的拉伸力，N；

SO——試樣原始橫截面面積，mm2。

鋼材的屈服強度（或屈服點）是衡量結(jié)構(gòu)的承載能力和確定強度設(shè)計值的重要指標。碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼在受力到達屈服強度以后，應(yīng)變急劇增長，從而使結(jié)構(gòu)的變形迅速增加，以致不能繼續(xù)使用。所以鋼結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計值一般都是以鋼材屈服強度為依據(jù)而確定的。對于一般非承重或由構(gòu)造決定的構(gòu)件，只要保證鋼材的抗拉強度和斷后伸長率即能滿足要求；對于承重的結(jié)構(gòu)，則必須具有鋼材的抗拉強度、伸長率、屈服強度三項合格的保證。

對于無明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，按國家標準的規(guī)定，可用屈服強度σ0.2表示。σ0.2是指試樣卸除拉伸力后，其標距部分的殘余伸長率達到0.2％時的應(yīng)力。計算公式為

式中　F0.2——殘余伸長率達到0.2％的拉伸力，N；

SO——試樣原始橫截面面積，mm2。

屈服點σs和屈服強度σ0.2是工程上極為重要的力學(xué)性能指標之一，是大多數(shù)機械零件設(shè)計和選材的依據(jù)，是評定金屬材料性能的重要參數(shù)。零件在工作中所承受的應(yīng)力，超過屈服點或屈服強度時，會因過量的塑性變形而失效。

②抗拉強度　試樣在拉斷前所承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強度，用符號σb（Rm）表示，單位為MPa。計算公式為

式中　Fb——試樣拉斷前所承受的最大拉伸力，N；

SO——試樣原始橫截面面積，mm2。

鋼材的抗拉強度是衡量鋼材抵抗拉斷的性能指標，它不僅是一般強度的指標，而且直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，并與疲勞強度有著比較密切的關(guān)系。

零件在工作中所承受的應(yīng)力，不應(yīng)超過其抗拉強度，否則會導(dǎo)致斷裂。σb也是機械零件設(shè)計和選材的依據(jù)，是評定金屬材料性能的重要參數(shù)。

（二）塑性

塑性是指金屬材料在斷裂前產(chǎn)生塑性變形的能力。通常用伸長率和斷面收縮率來表示。

1.伸長率

試樣拉斷后，標距的伸長量與原始標距的百分比稱為伸長率。用符號δ表示。δ值可用下式計算：

式中　l1——拉斷試樣對接后測出的標距長度，mm；

l0——試樣原始標距長度，mm。

必須說明，同一材料的試樣長短不同，測得的伸長率數(shù)值是不相等的。長試樣和短試樣的伸長率分別用符號δ10和δ5表示，習(xí)慣上δ10也寫成δ。

2.斷面收縮率

鋼材的伸長率是衡量鋼材塑性性能的指標。鋼材的塑性是在外力作用下產(chǎn)生永久變形時抵抗斷裂的能力。因此，承重結(jié)構(gòu)用的鋼材，不論在靜力荷載或動力荷載作用下，以及在加工制作過程中，除應(yīng)具有較高的強度外，還應(yīng)要求具有足夠的伸長率。

試樣拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比稱為斷面收縮率。用符號ψ表示。ψ值可用下式計算：

式中　S1——試樣拉斷后縮頸處最小橫截面面積，mm2；

S0——試樣原始橫截面面積，mm2。

金屬材料的伸長率和斷面收縮率數(shù)值越大，說明其塑性越好。塑性直接影響到零件的成形加工及使用。例如，低碳鋼的塑性好，能通過鍛壓加工成形，而灰鑄鐵塑性差，不能進行壓力加工。塑性好的材料，在受力過大時，首先產(chǎn)生塑性變形而不致發(fā)生突然斷裂，所以大多數(shù)機械零件除要求具有較高的強度外，還必須具有一定的塑性。

3.冷彎試驗

鋼材的冷彎試驗是塑性指標之一，同時也是衡量鋼材質(zhì)量的一個綜合性指標。通過冷彎試驗，可以檢查鋼材顆粒組織、結(jié)晶情況和非金屬夾雜物分布等缺陷，在一定程度上也是鑒定焊接性能的一個指標。結(jié)構(gòu)在制作、安裝過程中要進行冷加工，尤其是焊接結(jié)構(gòu)焊后變形的調(diào)直等工序，都需要鋼材有較好的冷彎性能。而非焊接的重要結(jié)構(gòu)（如吊車梁、吊車桁架、有振動設(shè)備或有大噸位吊車廠房的屋架、托架、大跨度重型桁架等）以及需要彎曲成形的構(gòu)件等，亦都要求具有冷彎試驗合格的保證。

（三）硬度

硬度是衡量金屬軟硬程度的一種性能指標，是指金屬抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。

硬度是各種零件和工具必須具備的力學(xué)性能指標。機械制造業(yè)中所用的刀具、量具、模具等都應(yīng)具備足夠的硬度，才能保證使用性能和使用壽命。有些機械零件如齒輪、曲軸等，也要求具有一定的硬度，以保證足夠的耐磨性和使用壽命。因此，硬度是金屬材料重要的力學(xué)性能之一。

硬度是一項綜合力學(xué)性能指標，其數(shù)值可以間接地反映金屬的強度及金屬在化學(xué)成分、顯微組織和各種加工工藝上的差異。與拉伸試驗相比，硬度試驗簡便易行，而且可以直接在工件上進行試驗，并不破壞工件，因而在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。

測試硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度試驗法、洛氏硬度試驗法和維氏硬度試驗法三種。

1.布氏硬度

①測試原理　使用一定直徑的硬質(zhì)合金球，以規(guī)定的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定的保持時間后，去除試驗力，測量試樣表面的壓痕直徑，然后計算其硬度值，如圖2.5所示。

布氏硬度值是指球面壓痕單位表面積上所承受的平均壓力，用符號HBW表示。布氏硬度值可用下式計算：

式中　F——試驗力，N；

S——球面壓痕表面積，mm2。

D——球體直徑，mm。

d——壓痕平均直徑，mm。

從計算公式（2.6）中可以看出，當(dāng)試驗力F和壓頭球體直徑D一定時，布氏硬度值僅與壓痕直徑d的大小有關(guān)，因此試驗時只要測量出壓痕直徑d，就可以通過計算或查布氏硬度表得到結(jié)果。一般布氏硬度值不標出單位，只寫明硬度的數(shù)值。

②表示方法　用淬火鋼球為壓頭時，符號為HBS；用硬質(zhì)合金球為壓頭時，符號為HBW。

布氏硬度的表示方法是：測定的硬度數(shù)值標注在符號HBW的前面，符號后面按球體直徑、試驗力、試驗力保持時間（10～15s不標注）的順序，用相應(yīng)的數(shù)字表示試驗條件。

例如：600HBW1/30/20，表示用直徑1mm的硬質(zhì)合金球，在294.2N試驗力的作用下保持20s，測得的布氏硬度值為600。550HBW5/750，表示用直徑5mm的硬質(zhì)合金球，在7355N試驗力的作用下，保持10～15s時測得的布氏硬度值為550。

③適用范圍及優(yōu)缺點　布氏硬度主要適用于測定灰鑄鐵、非鐵金屬及退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的鋼材等材料的硬度。

布氏硬度試驗時的試驗力大，球體直徑大，因而獲得的壓痕直徑也大，能在較大范圍內(nèi)反映被測金屬的平均硬度，試驗結(jié)果比較準確。但因壓痕較大，所以不宜測量成品件或薄件。

2.洛氏硬度

①測試原理　洛氏硬度試驗是用錐頂角為120°的金剛石圓錐體或直徑為1.588mm的淬火鋼球作壓頭，在初試驗力和主試驗力的先后作用下，壓入試樣的表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除主試驗力，在保留初試驗力的情況下，根據(jù)測量的壓痕深度來計算洛氏硬度值。

進行洛氏硬度試驗時，先加初試驗力F0，壓頭壓入試樣表面，深度為h1，其目的是消除因試樣表面不平整而造成的誤差。然后再加主試驗力F1，在主試驗力的作用下，壓頭壓入深度為h2。卸除主試驗力，保持初試驗力，由于金屬彈性變形的恢復(fù)，使壓頭回升到壓痕深度為h3的位置，那么，由主試驗力所引起的塑性變形而使壓頭壓入試樣表面的深度e=h3-h1，稱為殘余壓痕深度增量。顯然，e值越大，則被測金屬的硬度越低。為了符合數(shù)值越大、硬度越高的習(xí)慣，用一個常數(shù)K減去e來表示硬度值的大小，并以每0.002mm壓痕深度作為一個硬度單位，由此獲得的硬度值稱為洛氏硬度，用符號HR表示。計算公式為

式中　K——常數(shù)，用金剛石圓錐體壓頭進行試驗時，K為0.2mm，用淬火鋼球壓頭進行試驗時，K為0.26mm；

e——殘余壓痕深度增量，mm。

洛氏硬度沒有單位，試驗時硬度值可直接從洛氏硬度計的刻度盤上讀出。

②優(yōu)缺點　洛氏硬度試驗壓痕較小，對試樣表面損傷小，可用來測定成品、半成品或較薄工件的硬度。試驗操作簡便，可直接從刻度盤上讀出硬度值。由于采用不同的硬度標尺，洛氏硬度的測試范圍大，能測量從極軟到極硬各種金屬的硬度。但是，由于壓痕小，當(dāng)材料的內(nèi)部組織不均勻時，硬度數(shù)值波動較大，不能反映被測金屬的平均硬度，因此，在進行洛氏硬度試驗時，需要在不同部位測試數(shù)次，取其平均值來表示被測金屬的硬度。

3.維氏硬度

維氏硬度的測試原理：將相對面夾角為136°的金剛石正四棱錐體壓頭按選定的試驗力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時間后卸除試驗力，在試樣表面形成一個正四棱錐形壓痕，測量壓痕兩對角線的平均長度，計算壓痕單位表面積上承受的平均壓力，以此作為被測金屬的硬度值，稱為維氏硬度，用符號HV來表示。維氏硬度可用下式計算：

式中　F——試驗力，N；

d——壓痕兩對角線長度的算術(shù)平均值，mm。

試驗時，維氏硬度值同布氏硬度值一樣，也可根據(jù)測得的壓痕對角線平均長度，從表中直接查出。

維氏硬度試驗所用的試驗力可根據(jù)試樣的大小、厚薄等條件進行選擇，常用試驗力的大小在49.03～980.7N范圍內(nèi)。

維氏硬度值的表示方法與布氏硬度相同，硬度數(shù)值寫在符號的前面，試驗條件寫在符號的后面。對于鋼及鑄鐵，當(dāng)試驗力保持時間為10～15s時，可以不標出。

例如：642HV30，表示用294.2N試驗力保持10～15s測定的維氏硬度值為642。642HV30/20，表示用294.2N試驗力保持20s測定的維氏硬度值為642。

由于維氏硬度試驗時所加試驗力較小，壓痕深度較淺，故可測量較薄工件的硬度，尤其適用于零件表面層硬度的測量，如化學(xué)熱處理的滲層硬度測量，其結(jié)果精確可靠。因維氏硬度值具有連續(xù)性，范圍在5～1000HV內(nèi)，所以適用范圍廣，可測定從極軟到極硬各種金屬的硬度。但維氏硬度試驗操作比較緩慢，而且對試樣的表面質(zhì)量要求較高。

（四）沖擊韌度

強度、塑性、硬度等力學(xué)性能指標是在靜載荷作用下測定的，而許多零件和工具在工作過程中，往往受到?jīng)_擊載荷的作用，如沖床的沖頭、鍛錘的錘桿、風(fēng)動工具等。沖擊載荷是指在短時間內(nèi)以很大速度作用于零件或工具上的載荷。對于承受沖擊載荷作用的零件，除具有足夠的靜載荷作用下的力學(xué)性能指標外，還必須具有足夠的抵抗沖擊載荷的能力。

沖擊韌性（或沖擊吸收能量）表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。材料的沖擊韌性值隨溫度的降低而減小，且在某一溫度范圍內(nèi)發(fā)生急劇降低，這種現(xiàn)象稱為冷脆，此溫度范圍稱為“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”。因此，對直接承受動力荷載或需驗算疲勞的構(gòu)件或處于低溫工作環(huán)境的鋼材，還應(yīng)具有沖擊韌性合格保證。

1.測試原理

夏比沖擊試驗是在擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行的，利用的是能量守恒原理。試驗時，將被測金屬的沖擊試樣放在沖擊試驗機的支座上，缺口應(yīng)背對擺錘的沖擊方向。將重量為G的擺錘升高到H高度，使其具有一定的勢能GH，然后讓擺錘自由落下，將試樣沖斷，并繼續(xù)向另一方向升高到h高度，此時擺錘具有的剩余勢能為Gh。擺錘沖斷試樣所消耗的勢能即是擺錘沖擊試樣所做的功，稱為沖擊吸收功，用符號Ak表示。其計算公式為

Ak=G（H-h）　?。?.9）

試驗時，Ak值可直接從試驗機的刻度盤上讀出。Ak值的大小就代表被測金屬韌性的高低，但習(xí)慣上采用沖擊韌度來表示金屬的韌性。沖擊吸收功Ak除以試樣缺口處的橫截面面積S0，即可得到被測金屬的沖擊韌度，用符號ak表示。其計算公式為

式中　ak——沖擊韌度，J/cm2；

Ak——沖擊吸收功，J；

S0——試樣缺口處橫截面面積，cm2。

一般將ak值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材料。脆性材料在斷裂前無明顯的塑性變形，斷口比較平整，有金屬光澤；韌性材料在斷裂前有明顯的塑性變形，斷口呈纖維狀，沒有金屬光澤。

2.沖擊試樣

為了使夏比沖擊試驗的結(jié)果可以互相比較，沖擊試樣必須按照國家標準制作。常用的沖擊試樣有夏比U形缺口試樣和夏比V形缺口試樣兩種，其相應(yīng)的沖擊吸收功分別標為AkU和AkV，沖擊韌度則標為akU和akV。

3.多次沖擊試驗

在實際工作中，承受沖擊載荷作用的零件或工具，經(jīng)過一次沖擊斷裂的情況很少，大多數(shù)情況是在小能量多次沖擊作用下而破壞的。這種破壞是由于多次沖擊損傷的積累，導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生與擴展的結(jié)果，與大能量一次沖擊的破壞過程有本質(zhì)的區(qū)別。對于這樣的零件和工具已不能用沖擊韌度來衡量其抵抗沖擊載荷的能力，而應(yīng)采用小能量多次沖擊抗力指標。

在一定的沖擊能量下，試樣在沖錘的多次沖擊下斷裂時，經(jīng)受的沖擊次數(shù)N就代表金屬抵抗小能量多次沖擊的能力。

實踐證明：沖擊韌度高的金屬材料，小能量多次沖擊抗力不一定高。一般金屬材料受大能量的沖擊載荷作用時，其沖擊抗力主要取決于金屬的塑性，而在小能量多次沖擊的情況下，其沖擊抗力主要取決于金屬的強度。

（五）硫、磷含量

硫和磷都是建筑鋼材中的主要雜質(zhì)，對鋼材的力學(xué)性能和焊接接頭的裂紋敏感性都有較大影響。硫能生成易于熔化的硫化鐵，當(dāng)熱加工或焊接的溫度達到800～1200℃時，可能出現(xiàn)裂紋，稱為熱脆。硫化鐵又能形成夾雜物，不僅促使鋼材起層，還會引起應(yīng)力集中，降低鋼材的塑性和沖擊韌性。硫又是鋼中偏析最嚴重的雜質(zhì)之一，偏析程度越大越不利，容易產(chǎn)生熱裂紋。磷是以固溶體的形式溶解于鐵素體中，這種固溶體很脆，加以磷的偏析比硫更嚴重，形成的富磷區(qū)，促使鋼變脆（冷脆），降低鋼的塑性、韌性及可焊性。因此，所有承重結(jié)構(gòu)對硫、磷的含量均應(yīng)有合格保證。

（六）碳當(dāng)量

在焊接結(jié)構(gòu)中，建筑用鋼（低合金高強度鋼）的焊接性能主要取決于碳當(dāng)量，碳當(dāng)量越高，焊接性能變差的程度越大。因此，對焊接承重結(jié)構(gòu)，還應(yīng)具有碳當(dāng)量的合格保證。