为什么低碳钢的屈服强度指标要取下屈服极限

A. 对于有屈服点的钢筋为什么取其屈服强度作为强度限值

由于有屈服点的钢材到达屈服点后会产生很大的塑性变形 导致结构构件可能在钢材尚未进入强化阶段就产生破坏或者产生很大的变形和过宽的裂缝 以致不能使用 所以对于有屈服点的钢筋要取其屈服强度作为强度限值

B. 为什么采用钢材的屈服点作为强度设计标准

随着建筑物抗震技术的发展及对抗震机理的深入分析，消能抗震成为建筑物抗震技术的一个发展趋势。低屈服点钢作为消能抗震设计中主要部件的制作材料，其研制、发展自20 世纪90 年代以来受到广泛关注，并在钢种的研制和工程应用方面取得显著进展。

机理分析

最初用于制作消能构件的是普通低碳钢，其屈服强度在200 MPa 以上，但伸长率较低。为提高消能阻尼器的抗震效果，必须制备出强度更低、塑性更好的钢板。为此，研究人员对钢板屈服强度的产生机理进行分析，提出了降低屈服强度的有效方法。

为降低强度，必须消除如晶界强化、固溶强化、位错强化和析出强化等强化手段。低屈服点钢采用接近工业纯铁的成分设计，通过晶粒粗化及添加少量Ti、Nb 固定C、N 原子以降低其对位错运动的阻碍作用。

Ti 在钢中可依次形成TiN→Ti4C2S2→TiS 和TiC，所有多余的Ti(Ti-3.42N-1.5S)最后可以形成TiC。台湾中钢的研究表明,钢中多余的Ti 量达到0.03%或者与3.99C 比值为2 时，铁素体晶粒尺寸显著增加，认为较多的Ti 使得TiN、TiS 和TiC 等颗粒粗化从而失去晶界钉扎作用。

而当多余的Ti 量超过0.03%时，由于多余Ti 产生的溶质拖拽效应反而使得晶粒尺寸减小。但仅靠多余的Ti 不能产生如此明显的晶粒长大效果，自由C 原子的消除也有一定的作用。即仅仅添加Ti 并不能使钢板的屈服强度降低到100MPa 以下。

台湾中钢对加Ti 的部分钢板在650~950℃进行了回火试验。结果发现，在750~850℃回火，很多钢板的屈服强度从200MPa 迅速降低到100MPa以下，而不含Ti 的钢板只有小幅的下降。

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影响因素

影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。

如将金属的屈服强度与陶瓷、高分子材料比较可看出结合键的影响是根本性的。从组织结构的影响来看，可以有四种强化机制影响金属材料的屈服强度，这就是：

(1)固溶强化；

(2)形变强化；

(3)沉淀强化和弥散强化；

(4)晶界和亚晶强化。沉淀强化和细晶强化是工业合金中提高材料屈服强度的最常用的手段。在这几种强化机制中，前三种机制在提高材料强度的同时，也降低了塑性，只有细化晶粒和亚晶，既能提高强度又能增加塑性。

影响屈服强度的外在因素有：温度、应变速率、应力状态。

随着温度的降低与应变速率的增高,材料的屈服强度升高，尤其是体心立方金属对温度和应变速率特别敏感，这导致了钢的低温脆化。应力状态的影响也很重要。虽然屈服强度是反映材料的内在性能的一个本质指标，但应力状态不同，屈服强度值也不同。我们通常所说的材料的屈服强度一般是指在单向拉伸时的屈服强度。

工程意义

传统的强度设计方法，对塑性材料，以屈服强度为标准，规定许用应力[σ]=σys/n，安全系数n因场合不同可从1.1到2或更大，对脆性材料，以抗拉强度为标准，规定许用应力[σ]=σb/n，安全系数n一般取6。

需要注意的是，按照传统的强度设计方法，必然会导致片面追求材料的高屈服强度，但是随着材料屈服强度的提高，材料的抗脆断强度在降低，材料的脆断危险性增加了。

屈服强度不仅有直接的使用意义，在工程上也是材料的某些力学行为和工艺性能的大致度量。例如材料屈服强度增高，对应力腐蚀和氢脆就敏感；材料屈服强度低，冷加工成型性能和焊接性能就好等等。因此，屈服强度是材料性能中不可缺少的重要指标。

参考资料来源：网络-屈服点

参考资料来源：网络-屈服强度

C. 低碳钢 屈服机理

屈服是来金属材料固有的属自性。低碳钢韧性和塑性好，屈服现象犹为突出。屈服是断裂的前兆因为还有疲劳现象的存在，多以工程应用中考虑的零件所受最大应力要比屈服下极限低很多。
低碳钢(low carbon steel)为碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。
低碳钢退火组织为铁素体和少量珠光体，其强度和硬度较低，塑性和韧性较好。因此，其冷成形性良好，可采用卷边、折弯、冲压等方法进行冷成形。这种钢还具有良好的焊接性。含碳量从0.10%至0.30%低碳钢易于接受各种加工如锻造，焊接和切削， 常用於制造链条， 铆钉， 螺栓， 轴等。

D. 钢结构设计为什么将屈服强度定为材料强度取值的依据而不是抗拉强度

因为钢材经过屈服强度后将进入塑性变形阶段，虽然不会破坏，但其变形是不可逆回的。在工程设计中答，需要的不只是不破坏，关键是能正常使用。

发生塑性变形后会影响构件及结构的正常使用，因此材料强度不能取抗拉强度，只能取屈服强度。

大于屈服强度的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。

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屈服强度的标准

1、比例极限应力-应变曲线上符合线性关系的最高应力，国际上常采用σp表示，超过σp时即认为材料开始屈服。

2、弹性极限试样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。国际上通常以ReL表示。应力超过ReL时即认为材料开始屈服。

3、屈服强度 以规定发生一定的残留变形为标准，如通常以0.2%残留变形的应力作为屈服强度，符号为Rp0.2。

E. 通过拉伸实验,说明在杆件强度计算时,为什么低碳钢选取屈服极限而铸铁选取强度极限作为危险应力

低碳钢在拉伸超过屈服极限时，其强度值迅速下降。而铸铁几乎没有塑性变形，达到强度极限即断裂。

F. 低碳钢拉伸屈服极限和剪切屈服极限有何关系

低碳钢拉伸屈服极限和剪切屈服极限的关系在于：

许用切应力=0.5*许用屈服应力极限（按第三强度理论），

许用切应力=0.577*许用屈服应力极限（按第四强度理论），

一般计算时，取[τ]=(0.5～0.577)*[σ]。

低碳钢为碳含量低于0.25%的碳素钢，因其强度低、硬度低而软，故又称软钢。它包括大部分普通碳素结构钢和一部分优质碳素结构钢，大多不经热处理用于工程结构件，有的经渗碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。

岩石的剪切强度与土一样，也是有内聚力和内摩擦阻力两部分组成，只是它们都比土大些，这与岩石具有牢固的连结有关。

低碳钢拉伸试验机，可以用作低碳钢的拉伸试验。试验数据可用电脑仪器记录并打印出来，试验数据包括应力-应变曲线，屈服强度以及加载的速率和时间的记录。能详细的记录整个试验过程，并用于教学或试验分析。

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在加载实验过程中，总的要求应是缓慢、均匀、连续地进行加载。并采用位移控制速率0.009mm/s。开始测定时至达到屈服强度阶段，试样平行长度的控制速率为0.009mm/S。达到强化阶段后可适当增大速率至0.015mm/s。试样拉断后立即停机并先取下试样，然后打开回油阀，使工作平台复位。

在实验中，注意观察拉伸过程四个特征阶段中的各种现象，记录的上屈服点力FeH值、下屈服点力FeL值和最大力Fm值，上屈服强度Reh,下屈服强度Rel抗拉强度Rm

剪切强度表示粘接型胶黏剂在受切线方向的应力时单位面积上的最大断裂负荷。根据受力方式可分为拉伸剪切强度、压缩剪切强度、扭转剪切强度、弯曲剪切强度等几种，其中拉伸剪切强度最常用。

拉伸剪切强度测定试片一般为12.5cm×2.5cm×1.6mm，采用单面搭接，搭接面长度约12.5mm±0.25mm。测定时试片经过表面处理后，将胶黏剂均匀涂在试片上，然后将两片试片叠合，在规定的条件下进行固化，两片试片叠合后宽度方向的错位不超过0.5mm。

G. 什么是钢材的上屈服强度和下屈服强度

上屈服强度：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。下屈服强度：当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力。

有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2%)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。

材料的变形分为弹性变形（外力撤销后可以恢复原来形状）和塑性变形（外力撤销后不能恢复原来形状，形状发生变化，伸长或缩短）。

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无明显屈服现象的金属材料需测量其规定非比例延伸强度或规定残余伸长应力，而有明显屈服现象的金属材料，则可以测量其屈服强度、上屈服强度、下屈服强度。一般而言，只测定下屈服强度。

通常测定上屈服强度及下屈服强度的方法有两种：图示法和指针法。

屈服强度、上屈服强度、下屈服强度可以按以下公式来计算：

屈服强度计算公式：Re=Fe/So；Fe为屈服时的恒定力。

上屈服强度计算公式：Reh=Feh/So；Feh为屈服阶段中力首次下降前的最大力。

下屈服强度计算公式：ReL=FeL/So；FeL为不到初始瞬时效应的最小力FeL。

H. 为什么低碳钢选取屈服极限，铸铁选取强度极限作为危险应力

低碳钢选择屈服强度主要是防止变形，而铸铁的屈服强度几乎为零，其抗拉强度也就等于屈服强度。

I. 为什么材料会出现上下屈服点

屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。

（1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；

（2）对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为0.2%的原始标距）时的应力。通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。因为在应力超过材料屈服极限后产生颈缩，应变增大，使材料破坏，不能正常使用。

当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度(ReL或Rp0.2)。

有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2%)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度（yield strength）。

首先解释一下材料受力变形。材料的变形分为弹性变形（外力撤销后可以恢复原来形状）和塑性变形（外力撤销后不能恢复原来形状，形状发生变化，伸长或缩短）。

建筑钢材以 屈服强度 作为设计应力的依据。

yield strength，又称为屈服极限 ，常用符号δs，是材料屈服的临界应力值。

（1）对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）；

（2）对于屈服现象不明显的材料，与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值（通常为材料发生0.2%延伸率）时的应力。通常用作固体材料力学机械性质的评价指标，是材料的实际使用极限。因为在应力超过材料屈服极限后产生塑性变形，应变增大，使材料失效，不能正常使用。

当应力超过弹性极限后，进入屈服阶段后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧增加，应力应变出现微小波动，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为下屈服点和上屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度(ReL或Rp0.2)。

a．屈服点yield point（σs）

试样在试验过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。

b．上屈服点upper yield point（σsu）

试样发生屈服而力首次下降前的最大应力。

c．下屈服点lower yield point（σsL）

当不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最小应力。

有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2%)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度（yield strength）。

首先解释一下材料受力变形。材料的变形分为弹性变形（外力撤销后可以恢复原来形状）和塑性变形（外力撤销后不能恢复原来形状，形状发生变化，伸长或缩短）

建筑钢材以 屈服强度 作为设计应力的依据。

所谓屈服，是指达到一定的变形应力之后，金属开始从弹性状态非均匀的向弹-塑性状态过渡，它标志着宏观塑性变形的开始。

J. 为什么以钢材的屈服强度作为静力强度设计指标

原因：
（1）有强化阶段作为安全储备；
（2）不致产生工程中不允许的过大变形；专
（3）实测值较属为可靠；
（4）可以近似沿用虎克定律。
屈服强度：是金属材料发生屈服现象时的屈服极限，亦即抵抗微量塑性变形的应力。对于无明显屈服的金属材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值为其屈服极限，称为条件屈服极限或屈服强度。大于此极限的外力作用，将会使零件永久失效，无法恢复。如低碳钢的屈服极限为207MPa，当大于此极限的外力作用之下，零件将会产生永久变形，小于这个的，零件还会恢复原来的样子。