钢筋的屈服强度和抗拉强度研究

陈文挺

摘 要：在我们的印象中，把绳子越拉越长，需要越来越大的力。我们在专业课堂上做过一个实验叫作“钢筋的拉伸”。从这个实验的结果就可以看出事实并非完全如此，把一个弹性体拉的越来越长所需要的力并非一路飙升的。对于钢筋的抗拉强度有比例极限、弹性极限、屈服强度、极限强度。这里对影响钢筋力学性能指标比较重要的屈服强度和极限强度做一个重点阐述。分析在影响钢筋力学性能时，这两个强度分别代表的意义。

关键词：钢筋 屈服强度 极限强度

中图分类号：TU648 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（b）-0091-02

在人们的印象中，把绳子越拉越长，需要越来越大的力。我们在专业课堂上做过一个实验叫作“钢筋的拉伸”。从这个实验的结果就可以看出事实并非完全如此，把一个弹性体拉得越来越长所需要的力并非一路飙升的。它所需要的力会在一定阶段出现波动的形式。

通过“钢筋的拉伸”实验可以测定钢筋的屈服点以及抗拉强度。下面笔者先给大家简单介绍一下这个实验。

用试验机拉伸钢筋式样。将一根钢筋（长度在1 m以内）的两端头分别固定在试验机的上、下夹具中。固定好的钢筋为竖直方向。启动试验机，试验机会提供拉力荷载，这样钢筋就可以随着时间的发展逐渐被拉长。在试验过程中，钢筋的长度随时间一定是递增的。但是外加荷载则并不是恒增长的（这从试验结果可以得出）。

因为钢筋被固定，所以外力只能改变钢筋的形状不能改变钢筋的运动状态。要对一个被固定的物体施加力，必须通过物体的变形才可以实现。所以钢筋的伸长量达到一定数值才能使外力达到一定的数值。也就是一个伸长量对应唯一一个外力荷载（如果可以改变物体的运动状态，那么外力则不受物体的形状影响）通过试验可以找出当钢筋处在每一个长度时所对应的外加荷载F。从而绘制出F—Δl的曲线。（见图1）

在钢筋被拉断之前，钢筋会释放应力去抵抗外加荷载，也就是F=δ×S。式中，δ为钢筋的拉应力，S为截面面积，那么就可以求得δ=F/S。同时，Δl/l=ε。于是可绘制出δ—ε的曲线。

图2就是很著名的钢筋的应力应变曲线图。我们把这幅图划分成4个阶段：弹性阶段—屈服阶段—强化阶段—断裂阶段。

在弹性阶段，钢筋发生弹性变形，应力随着应变的增长而增长；在屈服阶段，钢筋的应变在增长，可是钢筋的应力却没有持续增长，而是在一定范围内出现了波动，所以定义此阶段为屈服阶段。在强化阶段，由于其晶格重新排列，其抵抗变性但应力值又迅速增高。在屈服阶段以及强化阶段，钢筋发生塑性变形；在断裂阶段，钢筋的应力达到最高极限值后在最薄弱的截面发生脆性破坏，瞬间断裂。

屈服阶段的应力最低点我们把它定义为屈服强度，而强化阶段的最高点我们把它定义为极限抗拉强度。

这里首先要弄明白一个问题，即钢筋的破坏应该是从哪一个阶段算起呢？是从屈服阶段算起还是断裂阶段算起呢？钢筋在弹性阶段仅是晶面的距离被拉长，晶格并没有畸形。所以在这个阶段卸载，晶面还能缩回去，所以还能回复到变形前的状态。但是从屈服阶段起，钢筋就开始发生塑性变形了。塑性变形的本质就是晶格发生位错运动，晶格已经产生畸形。这个阶段即使卸载，晶格也已经不会再复原了。所以从屈服阶段算起，钢筋就开始发生破坏了。

这么说来，屈服强度反应了钢筋何时开始发生破坏。屈服强度仅针对于有弹性的材料而言。而屈服阶段的破坏是我们所说的塑性破坏。塑性破坏有明显的变形和裂缝预兆，可以及时采取补救措施，危险性相对于塑性破坏来说较小。在结构中属于这类型裂缝的有：受拉构件正截面裂缝，大偏心受压构件的正截面受拉区裂缝。此类裂缝如果已趋于稳定，且最大裂缝未出现超出规范规定的允许值，可认定为不影响结构安全，则可以不必加固。

一般而言，以屈服阶段的下屈服点所对应的应力作为钢筋的屈服强度，是因为下屈服点比较容易测得。屈服强度高则破坏发生的晚，屈服强度低则破坏发生的早。所以通常所说的HRB400中的“400”，指的就是钢筋的屈服强度为400MPa。

尽管屈服阶段晶格产生畸形，但是对于每一个横截面来说，钢筋的变形仍然还是均匀一致的。但当钢筋过了强化阶段到了断裂阶段时，也就是当应力过了极限抗拉强度时，钢筋出现颈缩，这意味着钢筋的变形对于每一个截面而言不再均匀一致。此时钢筋的应力急剧减小，钢筋瞬间颈缩，到最后就产生了断裂。这就是通常所说的脆性破坏。和塑性破坏相比，脆性破坏的危险性就大得多了。

对于上述这两种破坏，正好对应两个临界值。一个对应塑性破坏阶段的最低值即屈服强度，另一个对应脆性破坏阶段的最高值即极限强度。想当然地理解这两个强度都应该是越高越好，其实并不然。

首先说说屈服强度，它并不是越高越好。对于同级别同型号的钢筋，屈服强度越高那么其塑性就越差。钢筋的塑性是指钢筋能维持承载能力而又具有较大塑性变形的能力。就是指钢筋在应力超过屈服点后，能产生明显的塑性变形而不立即断裂的性质。这样我们就能在钢筋发生塑性变形时，引起重视，使之不至于出现更危险的脆性变形。所以在希望屈服强度和抗拉强度都越高的同时，也希望两者之差能够越大越好，这样就能预留更多的缓冲。

而世事总是不能两全其美。对于同一种型号的钢筋，往往其屈服强度提高了，抗拉强度和屈服强度之差也就会变小，也就是会使得钢筋的塑性遍差。例如冷拉钢筋。在冷加工时，依靠机械使钢筋塑性变形，使其位错作用增强，钢材在塑性变形中晶格的却现在增多，而缺陷的晶格严重畸变对晶格进一步滑移起到阻碍作用。位错密度提高和变形抗力增大这些因素的相互促进很快使得钢筋的屈服强度得到提高。从而在构件中可以用更少的钢筋用量达到相同的屈服度。虽然通过冷拉屈服强度和极限强度均有所提高，但由于极限抗拉强度提高量少于屈服强度的提高量，造成强屈比减小。使得钢筋在脆性破坏之前预留的塑性变形量就变少了。

当强屈比渐渐趋于1时，钢筋的屈服阶段基本消失，钢筋没有明显的屈服台阶，意味着钢筋在脆性断裂之前没有明显的先兆，这样当破坏发生时就会非常危险，例如无明显流幅的钢筋。

所以对于钢筋来说，这两种强度都很重要，都是用来描述钢筋的力学性能缺一不可的力学指标。而且这两种强度并非越高越好，这两种强度的大小必须要满足一定的比例关系才能使得钢筋的力学性能更加优越。

参考文献

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