一、    鋼結構一次拉伸應力-應變曲線

鋼材的主要強度指標和變形性能都是根據標準試件一次拉伸試驗確定的。

1、低碳鋼、低合金鋼的一次拉伸應力-應變曲線

低碳鋼、低合金鋼的鋼材單向拉伸試驗曲線是標準試件在常溫、靜載條件下一次拉伸所表現的性能曲線。

鋼材性能曲線分為以下階段：

1）彈性階段

該階段的力學指標為比例極限σp。應力不超過該值時，應力σ與應變ε的關系符合虎克定律，呈線性關系，卸荷后變形完全恢復。

直線的斜率E為鋼材的彈性模量，在鋼結構設計中，對所有鋼材統一取E=2.06x10⁵N/mm²。

2）彈塑性階段（非線彈性階段）

當超過比例極限σp后，應力σ與應變ε呈非線性關系，一直到屈服點fy。此階段，切線模量E_t=dσ/dε，E_t隨應力增大而減小。當σ=f_y時，E_t=0。

3）塑性階段（屈服階段）

σ=f_y后，材料到達彈性段頂端，鋼材暫時不能承受更大的荷載，且伴隨產生很大的變形。從曲線上看，材料屈服后，有一段水平段，表示荷載或應力不再增加，但材料的變形或應變還會增加。水平段有微小抖動，包括上屈服點、下屈服點，通常用下屈服點作為屈服強度。

應力超過比例極限σp后，任一點的變形都將包括有彈性變形和塑性變形兩部分，其中的塑性變形在卸載后不再恢復，故稱殘余變形或永久變形。

4）強化階段

屈服階段之后，如果變形或應變持續增加，荷載或應力還會提高，這個階段叫作強化階段。試件能承受的最大拉應力fu為鋼材的抗拉強度。

在強化階段，材料的應力增量與應變增量的比值，表征了在此階段的材料性能，為切線模量。如果將這點與原點連起來，即表征材料的總應力與總應變的比值，叫作割線模量。

5）頸縮階段

到達曲線的頂點fu后，試件會出現局部橫向收縮變形，即頸縮，隨后斷裂。

在工程設計中，取fy作為強度極限承載力的標志，則fu就成為材料的強度儲備。屈服強度與極限強度的比值即屈強比，是實際工程中非常重要的一個指標。

2、高強度鋼的一次拉伸應力-應變曲線

低碳鋼和低合金鋼有明顯的屈服點和屈服平臺。而高強度鋼，有較好的塑性性質但沒有明顯的屈服點和屈服平臺，應力應變曲線形成一條連續曲線。對于沒有明顯屈服點的鋼材，規定永久變形為ε=0.2%時的應力作為屈服點，有時用σ_0.2表示。

因此，高強度鋼的應力-應變曲線主要包括三個階段：1）彈性；2）強化；3）頸縮。

二、    結構鋼材基本性能要求和指標

1、  強度：強度指金屬在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂的能力。除以上介紹的屈服強度、極限強度及屈強比外，還有以下指標：

1）抗拉強度：金屬試驗拉伸時，在拉斷前所承受的最大負荷與試件原橫截面面積之比稱為抗拉強度。

2）抗壓強度：試件在壓力作用下不發生碎、裂所能承受的最大正壓力。

3）抗彎強度：試樣在位于兩支承中間的集中負荷作用下，使其折斷時，折斷截面所承受的最大正壓力。

4）抗剪強度：試樣剪斷前，所承受的最大負荷下的受剪截面具有的平均應力。

5）抗扭強度：外力是扭轉力的強度極限。

6）蠕變強度：金屬材料在高于一定溫度下受到應力作用，即使應力小于屈服強度，試件也會隨著時間的增長而緩慢地產生塑性變形，這種現象稱為蠕變。在給定溫度下和規定時間內，使試件發生一定蠕變變形量的應力稱為蠕變強度。

2、  彈性：指金屬在外力作用下產生變形，當外力取消后又恢復到原來的形狀和大小的一種特性。

1）彈性模量E：在彈性范圍內，金屬拉伸試驗時，外力和變形，即應力和應變成正比關系時 ，這個比例系數稱為彈性模量。

2）剪切模量G：在彈性范圍內，金屬扭轉試驗時，外力和變形，即應力和應變成正比關系時 ，這個比例系數稱為剪切模量。

3、  塑性：指金屬材料在外力作用下，發生非彈性變形 但依然能保持承載強度的能力。

1）伸長率δ：是斷裂前試件的永久變形與原標定長度的百分比。取圓形試件直徑的5倍為標定長度，其相應的伸長率為δ5。

2）斷面收縮率：材料斷裂以后，其頸縮處橫截面面積的最大縮減量與原始面積的百分比。

3）泊松比：對于各向同性的材料，泊松比表示：試樣在單向拉伸時，橫向相對收縮量與軸向相對伸長量之比。

4）冷彎性能：根據試樣的腳步牙齒，按規定的彎心直徑將試樣彎曲180度，其表面及側面無裂紋或分層，則為“冷彎試驗合格”。冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力及冶金質量的綜合指標。

4、韌性：指金屬材料在沖擊力（動力荷載）作用下而不破壞的能力。吸收較多量才斷裂的鋼材，是韌性好的鋼材。國際上通常采用夏比試驗法測量沖擊韌性。采用V形缺口描繪實際結構的缺陷。夏比缺口韌性用Ak或Cv表示，其值為試件折斷所需的功，單位為J。

5、疲勞：金屬材料中一般有微觀缺陷，在反復荷載作用下結構會產生應力集中，應力集中會導致同號應力場材料變脆，導致裂紋擴展。荷載反復作用到一定次數，應力集中進一步加劇，裂紋進一步擴展，擴展到一定程度，微觀的裂紋就變成宏觀裂紋。當剩下的截面不足以承受荷載時，突然發生斷裂，這就是疲勞破壞。

1）疲勞極限：金屬材料在重復或交變應力作用下，經過周次的應力循環仍不發生斷裂時所能承受的最大應力。

2）疲勞強度：金屬材料在重復或交變應力作用下，經過周次的應力循環后斷裂時所能承受的最大應力，叫作疲勞強度。有時，疲勞極限常用疲勞強度表示。

6、硬度：硬度是指金屬抵抗更硬物體壓入其表面的能力。硬度是反映彈性、強度和塑性等的綜合性能指標。

7、可焊性：指采用一般焊接工藝就可完成合格的（無裂紋的）焊縫的性能。

鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳儲量在0.12%-0.20%范圍內的碳素鋼，可焊性最好。碳含量再高可使焊縫和熱影響區變脆。