实验手册建筑钢材

７ 第2章 建筑钢材 学习指导

本章着重阐述公路工程常用建筑钢材的技术标准和性质。通过本章的学习要求学生掌握钢材的技术性质和技术标准，并能按设计要求选用相应规格的钢材。

金属材料包括黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，常用的黑色金属材料有钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。 建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。 钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好，因此，在土木工程中被广泛应用。

2.1 钢材的分类与结构 2.1.1 钢按化学成分分类 钢材以铁为主要原素，含碳量为0.2％～2.06％，并含有其他的元素的合金材料。钢按化学成分分类可分为碳素钢和合金钢两大类。 1.碳素钢 碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳小于0.25%）、中碳钢（含碳0.25%～0.6%）、高碳钢（含碳大于0.6%）。 2.合金钢 合金钢中含有一种或多种特意加人或超过碳素钢限量的合金元素（如锰、硅、矾、钛等）。这些合金元素用于改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。 低合金钢（合金元素总含量小于5%）； 中合金钢（合金元素总含量为5%～10%）； 高合金钢（合金元素总含量大于10%）。

2.1.2 按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类 按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类,可分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、和特殊镇静钢四类。 1.沸腾钢 如果炼钢时脱氧不充分,钢液终还有较多的金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾，因而这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。沸腾钢中碳和有害杂质在钢中分布不均匀，富集于某些区间的现象特别严重，钢的致密程度差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊接性较差，特别是低温冲级韧性的降低更显著。但从经济上比较，沸腾钢只消耗少量的脱氧剂，钢锭的搜索孔减少，成品效率高，故成本较低。 2.镇静钢 ８

如果炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少或没有,在浇铸钢锭时钢液会平静的冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。镇静钢组织致密，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越。可用于受冲击荷载的结构和其他重要结构。 3.半镇静钢。。。 半镇静钢是指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。 4.特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。 钢按压力加工方式分类，可分为热加工钢材和冷加工钢材。 钢按用途分类，可分为钢结构用钢和混凝土结构用钢两种。

2.1.3 钢按主要质量等级（钢中有害杂质的多少）分类 普通钢：含硫量≤0.050％，含磷量≤0.045％； 优质钢：含硫量≤0.035％，含磷量≤0.035％； 高级优质钢：含硫量≤0.025％，含磷量≤0.025％，高级优质钢的钢号后面加“高”字或“A”； 特级优质钢：含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025％，特级优质钢后加“E”。

2.2 建筑钢材的技术性质 2.2.1 建筑钢材的物理力学性质 1.抗拉性能 抗拉性能是表示钢材性能的重要指标。由于拉伸是建筑钢材的主要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸试验测定，以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征。以低碳钢（软钢）受拉的应力-应变图2.1为例，可以较好地阐述这些重要的技术指标。 从图中可以看出，低碳钢受拉经历了四个阶段：弹性阶段（O→A）、屈服阶段（A→B）、强化阶段（B→C）、颈缩阶段C→D）。 （1）屈服强度 当试件拉力在OA范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=σ/ε。该阶段被称为弹性阶段。弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。

当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，称屈服下限B下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做σS。设计时一般以σS作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0.2%残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。屈服强度可按式（2.1）计算。

AFss

（2.1）

式中：s——屈服点，MPa；

图2.1 低碳钢受拉应力-应变图

图2.2 钢材颈缩现象示意图 ９

sF——屈服点荷载，N；

A——试件的公称横截面积，mm2。

（2）抗拉强度

从图2.1中BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示。抗拉强度按式（2.2）计算。

AFbb （2.2）

式中：b——屈服点，MPa； bF——屈服点荷载，N；

A——试件的公称横截面积，mm2。

设计中抗拉强度不能利用，但屈强比σs/σb，却能反映钢材的利用率和结构安全可靠性。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈服比太小，则反映钢材不能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。 （3）伸长率 图2.1中当曲线到达C点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂（如图2.2所示）。试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度L1（mm），L1与试件原标距L0（mm）比较，按式（2.3）可以计算出伸长率（δ）。

100001L

LL （2.3）

式中：——伸长率，%； 0L——试件原标距，mm；

1L——试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度，mm。 伸长率表征钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的变形最大，故若原标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以δ5

和δ10分别表示L0=5d0和L0=10d0时的伸长率，d0为试件直径。对同一种钢材,δ5应大于δ10。

2.冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的，见图2.3。 以摆锤冲击试件，以试件冲断时缺口处，单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标。用ak（J·cm-2）表示。ak值愈大，钢材的冲击韧性愈好。 钢材的化学成分、内在缺陷、加工工艺及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。此时的温度称为临界温度。其数值愈低，说明钢材的低温

图2.3 冲击韧性试验原理图 １０

冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度低的钢材。 由于时效作用，钢材随时间的延长，其塑性和冲击韧性下降。完成时效变化的过程可过数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。 因此，对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行钢材的冲击韧性检验。 3.冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的重要工艺性能。 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90°、180°）及弯心直径d对试件厚度（或直径）a的比值表示，如图2.4所示。 钢材试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯试验能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物杂等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。 4.硬度 钢材的硬度是指其表面抵抗外物压入产生塑性变形的能力，测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。较常用的方法是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。 布氏法是利用直径为D（mm）的淬火钢球，以一定的荷载P（N）将其压人试件表面，得到直径为d（mm）的压痕，如图2.5所示。以压痕表面积F（mm2）除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值（HB），（不带单位）。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜成品检验。 洛氏法测定的原理与布氏法相似，但以压头压入试件的深度来表示洛氏硬度值（HR）。洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。 5.焊接性能 钢材主要以焊接的形式应用于工程结构中。焊接的质量取决于钢材与焊接材料的可焊性及其焊接工艺。 钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。一般，焊接结构用钢应注意选用含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对于高碳钢及合金钢，为了改善焊接性能，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。

2.2.2 化学成分对钢材性质的影响 以生铁冶炼钢材，经过一定的工艺处理后，钢材中除主要含有铁和碳外，还有少量硅、锰、磷、硫、氧、氮等难以除净的化学元素。另外，在生产合金钢的工艺中，为了改善钢材的性能，还特意加入一些化学元素，如锰、硅、矾、钛等。这些化学元素对钢材的性能产生一定的影响。 1.碳 碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随含碳量的增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。土木工程中用钢材含碳量不大于0.8%。此外，含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。 2.硅 硅也是作为脱氧剂而存在于钢中的。硅的脱氧能力比锰还强。当硅的含量很低时，能显著地提高钢材的强度，但不明显的降低塑性和韧性。 3.锰 锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%～2%范围内，它的作用主要是使强

图2.4 钢材冷弯试验 图2.5 布氏硬度试验示意图