鋼筋的屈服強度和抗拉強度研究

陳文挺

摘 要：在我們的印象中，把繩子越拉越長，需要越來越大的力。我們在專業課堂上做過一個實驗叫作“鋼筋的拉伸”。從這個實驗的結果就可以看出事實并非完全如此，把一個彈性體拉的越來越長所需要的力并非一路飆升的。對于鋼筋的抗拉強度有比例極限、彈性極限、屈服強度、極限強度。這里對影響鋼筋力學性能指標比較重要的屈服強度和極限強度做一個重點闡述。分析在影響鋼筋力學性能時，這兩個強度分別代表的意義。

關鍵詞：鋼筋 屈服強度 極限強度

中圖分類號：TU648 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（b）-0091-02

在人們的印象中，把繩子越拉越長，需要越來越大的力。我們在專業課堂上做過一個實驗叫作“鋼筋的拉伸”。從這個實驗的結果就可以看出事實并非完全如此，把一個彈性體拉得越來越長所需要的力并非一路飆升的。它所需要的力會在一定階段出現波動的形式。

通過“鋼筋的拉伸”實驗可以測定鋼筋的屈服點以及抗拉強度。下面筆者先給大家簡單介紹一下這個實驗。

用試驗機拉伸鋼筋式樣。將一根鋼筋（長度在1 m以內）的兩端頭分別固定在試驗機的上、下夾具中。固定好的鋼筋為豎直方向。啟動試驗機，試驗機會提供拉力荷載，這樣鋼筋就可以隨著時間的發展逐漸被拉長。在試驗過程中，鋼筋的長度隨時間一定是遞增的。但是外加荷載則并不是恒增長的（這從試驗結果可以得出）。

因為鋼筋被固定，所以外力只能改變鋼筋的形狀不能改變鋼筋的運動狀態。要對一個被固定的物體施加力，必須通過物體的變形才可以實現。所以鋼筋的伸長量達到一定數值才能使外力達到一定的數值。也就是一個伸長量對應唯一一個外力荷載（如果可以改變物體的運動狀態，那么外力則不受物體的形狀影響）通過試驗可以找出當鋼筋處在每一個長度時所對應的外加荷載F。從而繪制出F—Δl的曲線。（見圖1）

在鋼筋被拉斷之前，鋼筋會釋放應力去抵抗外加荷載，也就是F=δ×S。式中，δ為鋼筋的拉應力，S為截面面積，那么就可以求得δ=F/S。同時，Δl/l=ε。于是可繪制出δ—ε的曲線。

圖2就是很著名的鋼筋的應力應變曲線圖。我們把這幅圖劃分成4個階段：彈性階段—屈服階段—強化階段—斷裂階段。

在彈性階段，鋼筋發生彈性變形，應力隨著應變的增長而增長；在屈服階段，鋼筋的應變在增長，可是鋼筋的應力卻沒有持續增長，而是在一定范圍內出現了波動，所以定義此階段為屈服階段。在強化階段，由于其晶格重新排列，其抵抗變性但應力值又迅速增高。在屈服階段以及強化階段，鋼筋發生塑性變形；在斷裂階段，鋼筋的應力達到最高極限值后在最薄弱的截面發生脆性破壞，瞬間斷裂。

屈服階段的應力最低點我們把它定義為屈服強度，而強化階段的最高點我們把它定義為極限抗拉強度。

這里首先要弄明白一個問題，即鋼筋的破壞應該是從哪一個階段算起呢？是從屈服階段算起還是斷裂階段算起呢？鋼筋在彈性階段僅是晶面的距離被拉長，晶格并沒有畸形。所以在這個階段卸載，晶面還能縮回去，所以還能回復到變形前的狀態。但是從屈服階段起，鋼筋就開始發生塑性變形了。塑性變形的本質就是晶格發生位錯運動，晶格已經產生畸形。這個階段即使卸載，晶格也已經不會再復原了。所以從屈服階段算起，鋼筋就開始發生破壞了。

這么說來，屈服強度反應了鋼筋何時開始發生破壞。屈服強度僅針對于有彈性的材料而言。而屈服階段的破壞是我們所說的塑性破壞。塑性破壞有明顯的變形和裂縫預兆，可以及時采取補救措施，危險性相對于塑性破壞來說較小。在結構中屬于這類型裂縫的有：受拉構件正截面裂縫，大偏心受壓構件的正截面受拉區裂縫。此類裂縫如果已趨于穩定，且最大裂縫未出現超出規范規定的允許值，可認定為不影響結構安全，則可以不必加固。

一般而言，以屈服階段的下屈服點所對應的應力作為鋼筋的屈服強度，是因為下屈服點比較容易測得。屈服強度高則破壞發生的晚，屈服強度低則破壞發生的早。所以通常所說的HRB400中的“400”，指的就是鋼筋的屈服強度為400MPa。

盡管屈服階段晶格產生畸形，但是對于每一個橫截面來說，鋼筋的變形仍然還是均勻一致的。但當鋼筋過了強化階段到了斷裂階段時，也就是當應力過了極限抗拉強度時，鋼筋出現頸縮，這意味著鋼筋的變形對于每一個截面而言不再均勻一致。此時鋼筋的應力急劇減小，鋼筋瞬間頸縮，到最后就產生了斷裂。這就是通常所說的脆性破壞。和塑性破壞相比，脆性破壞的危險性就大得多了。

對于上述這兩種破壞，正好對應兩個臨界值。一個對應塑性破壞階段的最低值即屈服強度，另一個對應脆性破壞階段的最高值即極限強度。想當然地理解這兩個強度都應該是越高越好，其實并不然。

首先說說屈服強度，它并不是越高越好。對于同級別同型號的鋼筋，屈服強度越高那么其塑性就越差。鋼筋的塑性是指鋼筋能維持承載能力而又具有較大塑性變形的能力。就是指鋼筋在應力超過屈服點后，能產生明顯的塑性變形而不立即斷裂的性質。這樣我們就能在鋼筋發生塑性變形時，引起重視，使之不至于出現更危險的脆性變形。所以在希望屈服強度和抗拉強度都越高的同時，也希望兩者之差能夠越大越好，這樣就能預留更多的緩沖。

而世事總是不能兩全其美。對于同一種型號的鋼筋，往往其屈服強度提高了，抗拉強度和屈服強度之差也就會變小，也就是會使得鋼筋的塑性遍差。例如冷拉鋼筋。在冷加工時，依靠機械使鋼筋塑性變形，使其位錯作用增強，鋼材在塑性變形中晶格的卻現在增多，而缺陷的晶格嚴重畸變對晶格進一步滑移起到阻礙作用。位錯密度提高和變形抗力增大這些因素的相互促進很快使得鋼筋的屈服強度得到提高。從而在構件中可以用更少的鋼筋用量達到相同的屈服度。雖然通過冷拉屈服強度和極限強度均有所提高，但由于極限抗拉強度提高量少于屈服強度的提高量，造成強屈比減小。使得鋼筋在脆性破壞之前預留的塑性變形量就變少了。

當強屈比漸漸趨于1時，鋼筋的屈服階段基本消失，鋼筋沒有明顯的屈服臺階，意味著鋼筋在脆性斷裂之前沒有明顯的先兆，這樣當破壞發生時就會非常危險，例如無明顯流幅的鋼筋。

所以對于鋼筋來說，這兩種強度都很重要，都是用來描述鋼筋的力學性能缺一不可的力學指標。而且這兩種強度并非越高越好，這兩種強度的大小必須要滿足一定的比例關系才能使得鋼筋的力學性能更加優越。

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