《建筑材料》钢材

屈服强度：
在屈服阶段，锯齿形的最高点对应的应力称上屈服点（B上）； 最低点对应的应力称为下屈服点（B下）。因上屈服点不稳定， 所以国标规定以下屈服点作为钢材的屈服强度，用ζ s 表示。
FS s A0
Fs —屈服阶段最小荷载,N；Ao —钢材的原始截面积，mm2。
屈服强度对钢材的使用有着重要的意义。在结构设计中，要 求构件在弹性变形范围内工作，即使少量塑性变形也要避免， 因此屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据。
9.1.2 钢的分类 一.按化学成分分类 钢材的化学成分： 铁：主要元素 碳：小于2.06% 其他元素：
不可避免的元素：Si、Mn、P、S、N… 有时专门加入的合金元素： Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素
碳素钢:
低碳钢：含碳量< 0.25% 按含碳量分： 中碳钢：0.25% ～ 0.6% 高碳钢：> 0.6%
合金钢——在碳素钢中专门加入一定量的合金元素
低合金钢： 合金元素量< 5% 按合金元素总含量分： 中合金钢：5%～10%
高合金钢：> 10%
二.按杂质含量分类
含硫量 普通钢： 含磷量
≤0.055%，≤0.045%
优质钢：
≤0.030%，≤0.035%
高级优质钢：≤0.020%，≤0.027%，
三.按冶炼时脱氧程度分 钢在冶炼的过程中，不可避免的产生部分氧化铁并残留在钢 水中，钢水浇入锭模内时，便会有CO气体产生，降低了钢的质 量，因此在炼钢结束时要进行脱氧处理。脱氧的方法不同，钢 材的性能就有所差异，因此钢材又可为：沸腾钢、镇静钢和半 镇静（半脱氧）钢。 沸腾钢： 仅用少量脱氧剂进行脱氧，脱氧不完全的钢，铸 锭时有大量CO气体逸出，引起钢水沸腾，代号“F”。沸腾钢组 织不够致密，成分不太均匀，S、P等杂质偏析严重，质量较差， 但成本低，产量高，常用于一般建筑工程。 镇静钢： 用必要数量的硅铁、锰铁和铝锭等脱氧剂进行彻 底脱氧的钢，浇铸时钢水平静地冷却凝固，代号“Z” 。镇静 钢组织致密，成分均匀，质量好，但成本较高。适用于预应力 混凝土结构、承受冲击荷载结构和其它重要结构。 半镇静钢： 其脱氧程度介于上述二者之间，代号“b” 。 特殊镇静钢：脱氧最彻底的钢，代号“TZ” ，质量最好， 适用于特别重要的工程。
第九章 钢材与铝材
金属材料
黑色金属：以铁、铬、锰元素为主要 成分的金属及其合金。在土木工程中 应用最多的为铁碳合金，即铁、钢材 等。
有色金属：除铁、铬、锰以外的其他 金属，如铝、铜、铅、锌及其合金等。
9.1 钢材的冶炼与分类
9.1.1钢的冶炼方法对其质量的影响 钢和铁从化学组成上讲都属于以铁为主的铁碳合金。钢与生铁的区 别主要在于含碳量的多少。钢是指含碳量小于2.06%的铁碳合金， 而生铁的含碳量大于2.06%。 生铁冶炼的目的：是将铁矿石内的氧化铁还原成铁。 钢冶炼的目的：是把熔融生铁中杂质氧化去除，并将含碳量降到 2.06%以下。 常用的炼钢方法： 空气转炉炼钢：生成出来的钢质量较差，只能炼制普通碳素钢。 氧气转炉炼钢：可得到质量较好的钢，可炼制优质碳素钢和合金钢。 为现代炼钢的主要方法。 平炉炼钢：可得到质量好的钢，但成本较高。 电炉炼钢：用电加热进行高温冶炼。可得到质量最好的钢，但成本 也最高。
断面收缩率：塑性指标。 断面收缩率是指试件拉断后，颈缩处横截面积的减缩量占 原横截面面积的百分率，符号Ψ ，常以%表示。
A0 A1 100% A0
A1——试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A0——表示钢材的原始截面积，mm2。
伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前的塑性变形的能力。
二.冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。规范 规定以有V形缺口的标准试件，在冲击试验的摆锤冲击下， 以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示，符号α k， 单位J/cm2，如下图所示。 α k（即冲击韧性值）越大， 冲断试件消耗的能量，或者说钢材断裂前吸收的能量越多， 说明钢材的韧性越好。 摆锤 计算公式：
αk=W/A V形缺口试 件放大图 V形缺口试件
标准试件的冲击韧性试验
影响冲击韧性的主要因素：
（1）化学成分。钢中的P、S含量越高，夹杂物以及焊接中形成的 微裂纹等都会降低冲击韧性。 （2）冶炼质量。脱氧不完全，成分偏析的钢，冲击韧性小。 （3）冷作及时效。经冷加工及时效后，钢材的冲击韧性降低。 冷加工是指钢材在常温下进行的加工。建筑钢材常见的冷加工方 式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。其目的是提高钢材的强 度和节约钢材。 时效：经过冷加工后的钢材，随时间延长，强度逐渐提高，但塑 性和韧性会下降，这种现象称时效。钢材因时效而导致其性能改变 的程度称时效敏感性。在自然条件下，钢材完成时效过程需数十年， 但经受冷加工或经受振动和反复荷载影响时，时效可迅速发展。为 保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应选用时效敏感性小的钢 材。
四.按用途分类
结构钢：主要用于工程结构及机械零件的钢（一般为低、 中碳钢）。 工具钢：用于各种工具的钢（一般为高碳钢）。 特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性质的钢。 （不锈钢、耐热钢、耐酸钢）
建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金 钢中的低合金高强度结构钢。
9.2
建筑钢材的主要技术性能
冷弯试验意义：冷弯也是检验钢材塑性的一种方法，并与 伸长率存在有机的联系，伸长率大的钢材，其冷弯性能必 然好，但冷弯检验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、 更敏感。
二.钢的冷加工 冷加工是指钢材在常温下进行的加工。建筑钢材常见的冷加 工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。 冷加工强化：在常温下对钢材进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工， 使钢材产生一定的塑性变形，强度明显提高，但塑性和韧性 则有所降低，这个过程称冷加工强化。其目的是提高钢材的 强度和节约钢材。 1.冷拉和时效 将I～IV级热轧钢筋在常温下拉伸至超过屈服点而小于抗拉强 度的某一应力，然后卸载，此过程称为冷拉。冷拉后，钢材 的屈服点将有所提高，塑性变形能力将有所降低。钢筋经冷 拉后，一般屈服点可提高20%～25%。冷拉钢筋的性能应符合 相关标准的规定（见表9-2）。
布氏硬度——压痕单位球体面积上所承受的荷载大小,MPa 。
9.2.2 工艺性能 一.冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。 冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90°、180°）
装好的试件
弯曲180°
弯曲90°
判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，
认为冷弯性能合格。
一般用弯曲角度α 以及弯心直径D与钢材的厚度或直径d的比 值来表示钢材的冷弯性能。弯曲角度越大，D与d的比值越小， 表明冷弯性能好。
拉拔模孔
3.冷 轧:
将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋。
目的：提高强度、与混凝土的粘结力。
4. 冷轧扭
对热轧圆盘条,越薄，塑性变形越大，抗拉强度提高得越多， 伸长率降低得也越多。 螺距：螺距大小将直接影响钢筋与砼的握裹力。 螺距小，握裹力大，冷轧扭难度加大。 特点：冷轧扭钢筋无明显的屈服台阶。
（4）环境温度影响。常温下，随温度的降低，钢材冲击韧性缓 慢降低，当温度降至某一温度范围时， α k 骤然下降很多，钢 材呈脆性，这种性质称为冷脆性。发生脆性转变时的温度（范 围）称为脆性临界/转变温度。 在北方严寒地区选用钢材时，必须对钢材的冷脆性进行评定， 此时选用的钢材的脆性临界温度应比环境最低温度低些。 由于脆性临界温度的测定工作复杂，规范中通常是根据气温 条件规定-20℃或-40℃的负温冲击值。
力学性质：强度、弹性、塑性、韧性、硬度、
耐疲劳性
工艺性质（可加工性）：冷弯性能、可焊性
9.2.1力学性能
一.抗拉性能——是建筑钢材最重要的力学性能，包括屈服强度、 极限抗拉强度等。
低碳钢（软钢）拉伸过程分四个阶段： OA：弹性阶段 AB：屈服阶段 BC：强化阶段 CD：颈缩阶段
B B下
弹性阶段：应力和应变成正比。应力和应变的比 值称为弹性模量，即E=ζ /ε ，单位MPa。 弹性模量反映了钢材的刚度，是计算结构变形 的重要指标。建筑常用碳素结构钢Q235的弹性模 量E=（2.0-2.1）×105 Mpa。 比例极限（或弹性极限）：使钢材产生最大弹 性变形的应力称弹性极限，即A点对应的应力。 屈服阶段：钢材丧失对变形的抵抗能力，产生大 量塑性变形。
冷加工和时效在工程中的应用： 具有明显的经济效益。钢筋冷拉、冷拔和时效后， 屈服点可明显提高，由此可适当减小钢筋混凝土结 构的设计截面积，或减少混凝土中钢筋的数量，从 而可节约钢材。 钢筋冷拉还有利于简化施工工序，如盘条钢筋经冷 拉可省去调直工序，直条钢筋则可省去矫直工序等。
2.冷 拔：是将直径为6.5～8㎜光圆钢筋通过钨合金拔 丝模孔（孔径比钢筋直径小）强行拉拔，得到直径比 原钢筋小的钢丝，这个过程称冷拔。 冷拔比纯拉伸作用更强烈，钢筋受拉、挤压同 时作用。如：经过多次的冷拔后得到的冷拔低碳钢 丝，屈服点可提高40%～60%，但失去了软钢的塑性 和韧性，而具有硬钢的特点，主要用作预应力钢筋。
伸长率：试件拉断后，标距长 度的增量与原标距长度之比， 符号δ ，常用%表示
L1 L 0 100% L0
Lo——试件原始标距长度，mm ；
L1——试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。
意义： 值越大，塑性越好，可使超过屈服点的应力重新分布， 避免应力集中，从而避免结构过早破坏；加工性越好，安全性 增强。 与L0/d0有关，对于同种钢材δ 5＞δ 10。 5——表示L0=5d0时的伸长率，d0——钢材直径； 10——表示L0=10d0时的伸长率。
强化阶段 当荷载超过B点后，钢材抵抗外力的能力又重新提高, 但随应力增加应变不成比例增加，而是增加速度越 来越快。到达C点时，钢材已无承载能力。 （极限）抗拉强度：钢材所能承受的最大拉应力。
Fb——最大拉力。
Fb b A0
颈缩阶段 当应力超过抗拉强度后，处于试件薄弱处的截面将 显著缩小，产生颈缩现象。塑性变形迅速增加， 拉应力随着下降，最后钢材断裂。