建筑钢材的主要技术性能

1建筑钢材概述金属材料一般包括黑色金属和有色金属两大类。在建筑工程中应用最多的钢材属于黑色金属。建筑钢材包括钢结构用型钢（如钢板、型钢、钢管等）各钢筋混凝土用钢筋（如钢筋、钢丝等）。钢材是在严格的技术控制条件下生产的，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大。一、钢材的冶炼钢是由生铁冶炼而成。生铁的冶炼过程是；将铁矿石、熔剂（石灰石）、燃料（焦炭）置于高炉中，约在1750℃高温下，石灰石志铁矿石中的硅、锰、硫、磷等经过化学反应，生成铁渣，浮于铁水表面。铁渣和铁水分别从出渣口和出铁口排出，铁渣排出时用水急冷得水淬矿渣；排出生铁中含有碳、硫、磷、锰等杂质。生铁又分为炼钢生铁（白口铁）和铸造生铁（灰口铁）。生铁硬而脆、无塑性和韧性，不能焊接、锻造、轧制。炼钢就是将生铁进行精练。炼钢过程中，在提供足够氧气的条件下，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其他杂质则形成氧化物进入炉渣中被除去，从而使碳的含量降低到一定的限度，同时把其他杂质的含量也降低到允许范围内。所以，在理论上凡是含碳量在2%以下，含有害杂质较少的Fe-C合金都可称为钢。根据炼钢设备的不同，常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。二、钢材的分类钢材的品种繁多，分类方法很多，通常有按化学成分、质量、用途等几种分类方法。钢的分类见表一，目前，在建筑工程中常用的钢种是普通碳素钢和普通低合金结构钢。钢的分类表一分类方法类别特性按化学成分分类碳素钢低碳钢含碳量0.25%中碳钢含碳量0.25%-0.60%高碳钢含碳量0.60%、2%合金钢低合金钢合金元素总含量5%中合金钢合金元素总含量5%-10%高合金钢合金元素总含量10%按脱氧程度分类沸腾钢脱氧不完全，硫、磷等杂质偏析较严重，代号为“F”镇静钢脱氧完全，同时去硫，代号为“Z”半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为“B”特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度还要充分彻底，代号为“TZ”按质量分类普通钢含硫量≤0.055%-0.065%，含磷量≤0.045%-0.085%优质铁钢含硫量≤0.03%-0.045%，含磷量≤0.035%-0.045%高级优质钢含硫量≤0.02%-0.03%，含磷量≤0.027%-0.035%按用途分类结构铁钢工程结构构件用钢、机械制造用钢工具钢各种刀具、量具及模具用钢特殊钢具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等建筑钢材的主要技术性能2钢材的技术性质主要包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等）和工艺性能（冷弯和焊接）两个方面。一、力学性能1.拉伸性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是表示钢材性能和选用的钢材的重要指标。将低碳钢（软钢）制成一定规格的试件，放在材料试验机上进行拉伸试验，可以绘出如图一所示的应力—应变关系曲线。从图中可以看出，低碳钢受拉至拉断，经历了4个阶段；弹性阶段（O-A）、屈服阶段（A-B）、强化阶段（B-C）和颈缩阶段（C-D）。1)弹性阶段（O-A）曲线中O-A段是一条直线，应力与应变成正比。如卸去外力，试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。与A点对就的应力称为弹性极限，以σp表示。应力与应变的比值为常数，即弹性模量E，E=σ/ε。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。弹性模量的大小反映抵抗变形的能力。2)屈服阶段（A-B）应力超过A点后，应力、应变不再成正比关系，开始出现塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长，当应力达B上点后（上屈服点），瞬时下降至B下点（下屈服点），变形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到B点。这就是所谓的“屈服现象”，似乎钢材不能承受外力而屈服，所以AB段称为屈服阶段。与B下点（此点较稳定、易测定）对应的应力称为屈服点（屈服强度），用σs表示。钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计上钢材强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。结构计算是以屈服强度为依据。3)强化创优（B-C）当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高，B-C呈上升曲线，称为强化阶段。对应于最高点C的应力值（σb）称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。显然，σb是钢材受拉时所能承受的最大应力值。屈服强度和抗拉强度之比（即屈强比=σs/σb）能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强越小，其结构的安全可靠程度越高，但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。建筑结构合理的屈强比一般为0.60-0.75。4)颈缩阶段（C-D）试件受力达到最高点C点后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。故CD段称为颈缩阶段。中碳钢与高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，难以测定屈服点，则规定产生残余变形为原标距长度的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用σ0.2表示。2.塑性建筑钢材应具有很好的塑性，钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率来表示。将拉断后的试件拼合起来，测定出标距范围肉质长度L1（mm），其与试件原标距L0（mm）之差为塑性变形值，塑性变形值与之比L0称为伸长率δ，伸长率δ按下式计算。δ=𝐿1−𝐿0𝐿0×100%式中；δ——伸长率（当L0=5d0时，为δ5；当L0=10d0时，为δ10）；𝐿0——试件原标距长度（L0=5d0或L0=10d0）（mm）；3𝐿1——试件拉断后标距间长度（mm）。伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标，δ越大说明钢材的塑性越好。对于钢材而言，一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而钢材用于结构的安全性越大。钢材的塑性除主要取决于其组织结构、化学成分和结构缺陷等外，还与标距的大小有关。变形在试件标距内部的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远其变形越小。所以原标距与直径之比越小，则颈缩处伸长值在整个伸长值的比重越大，计算出来的δ值就大。通常以δ5和δ10分别表示L0=5d0和L0=10d0时的伸长率。对于同一种钢材，其δ5δ10。3.冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。钢材的冲击的韧性是用有刻槽的标准试件在冲击试验机的一次摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm3）来表示，其符号为αk。试验时将试件放置在固定支座上，然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲击弯曲断裂。αk值越大，冲击韧性越好。对于经常受较大冲击荷载作用的结构，要选用αk值大的钢材。影响钢材冲击韧性的因素很多，如化学成分、冶炼质量、冷作及时效、环境温度等。4.耐疲劳性钢材在交变荷载的反复作用下，往往在最大应力远小于其抗拉强度进就发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳性。疲劳破坏的危险应力用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般把钢材承受交变荷载106-107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时，就了解所用钢材的疲劳极限。研究证明，钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材的内部成分的偏析、夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。疲劳破坏经常是突然发生的，因而具有很大的危险性；往往造成严重事故。5.硬度硬度是指金属材料在表面局部体积内，抵抗硬物压入表面的能力。亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。测定钢材硬度采用压入法。即以一定的静荷载（压力），把一定的压头压在金属表面，然后测定压痕的面积或深度来确定硬度。按压头或压力不同，有布氏法、洛氏法等，相应的硬度试验指标称布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。较常用的方法是布氏法，其硬度指标是布氏硬度值。各类钢材的HB值与抗拉强度之间有一定的相关关系。材料的强度越高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也就越大。由试验得出，其抗拉强度与布氏硬度的经验关系如下；当HB175时，σb≈0.36HB当HB175时，σb≈0.35HB根据这一关系，可以直接在钢结构上测出钢材的HB值，并估算该钢材的σb。二、工艺性能良好的工艺性能，可以保证钢材顺利通过各种加工，面使钢材制品的质量不受影响。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑钢材的重要工艺性能。1、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。钢材的冷弯性能指标是以试件弯曲的角度α和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值（d/a）表示。4钢材的冷弯试验是通过直径（或厚度）为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=na）,弯曲到规定的弯曲角（180°或90°）时，试件的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层，即认为冷弯性能合格。钢材弯曲时的弯曲角越大，弯心直径越小，则表示其冷弯性能越好。通过冷弯试验更有助于暴露钢材的某些内在缺陷。相对于伸长率而言，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷，冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。2、焊接性能在建筑工程中，各种型钢、钢板、钢筋及预埋件等需用焊接加工。钢结构有90%以上是焊接结构。焊接的质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢铁焊接性能。钢材的可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。可焊性好的钢村指用于一般焊接方法和工艺施焊，焊口处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷；焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材，硬脆倾向小。钢材可焊性能的好坏，主要取决于钢化学成分。含碳量高将增加焊接接头的硬脆性，含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性。钢筋焊接应注意的问题是；冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行；钢筋焊接之前，焊接部位应清除铁锈、熔渣、油污等；应尽量避免不同国家的进口钢筋之间或进口钢与国产钢筋之间的焊接。3、冷加工性能及时效处理1)冷加工强化处理将钢材在常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷扎），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，但钢材的塑性、韧性及弹模量则会降低，这个过程称为冷加工强化处理。建筑土地或预制构件厂常用的方法是冷拉和冷拔。冷拉是将轧钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长。钢材经冷拉后屈服强度可提高20%-30%，可节约钢材10%-20%，钢材经冷拉后屈服阶段短，伸长率降低，材质变硬。冷拔是将光面圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拢，每次拉拢断面缩小应在10%以下。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度高，屈服强度提高40%-60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。建筑工程常采用对钢筋进行冷拉和对盘条进行冷拔的方法，以达节约钢材的目的、2)时效钢材经冷加工后，在常温下存放15-20d或加热至100-200℃，保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性及韧性继续降低，这种现象称为时效。前者称为自然时效，后者称为人工时效。钢材经冷加工及时效处理后，其性质变化的规律，可明显地在应力—应变图上得到反映，如图所示。图中OAB-CD为未经冷拉和时效试件的应力应变曲线。当试件冷拉至塑性变形，则曲线沿KO’下降，KO’大致与AO平行。如立即再拉伸，则应力应变曲线将成为O’KCD（虚线），屈服强度由B点提高到K点。但如在K点卸荷后进行时效处理，然后再拉伸，则应力应变曲线将成为O’KK1C1D1，这表明冷拉时效以后，屈服强度和抗拉强度均得到提高，但塑性和韧性则相应降低。钢材经过冷加工后，一般进行时效处理，通常强度较低的钢材宜采用自然时效，强度较高的钢材则采用人工时效。