建筑鋼材的主要技術(shù)性能

1、1建筑鋼材概述金屬材料一般包括黑色金屬和有色金屬兩大類(lèi)。在建筑工程中應(yīng)用最多的鋼材屬于黑色 金屬。建筑鋼材包括鋼結(jié)構(gòu)用型鋼（如鋼板、型鋼、鋼管等）各鋼筋混凝土用鋼筋（如鋼筋、 鋼絲等）。鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的，與非金屬材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、 強(qiáng)度高、塑性韌性好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺點(diǎn)是易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、 耐火性差、生產(chǎn)能耗大。一、 鋼材的冶煉鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵的冶煉過(guò)程是；將鐵礦石、熔劑（石灰石）、燃料（焦炭）置于高爐中，約在 1750 C高溫下，石灰石志鐵礦石中的硅、錳、硫、磷等經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)，生成 鐵渣，浮于鐵水表面。鐵渣和鐵水分別從出渣口和出鐵口排

2、出，鐵渣排出時(shí)用水急冷得水淬 礦渣；排出生鐵中含有碳、硫、磷、錳等雜質(zhì)。生鐵又分為煉鋼生鐵（白口鐵）和鑄造生鐵（灰口鐵）。生鐵硬而脆、無(wú)塑性和韌性，不能焊接、鍛造、軋制。煉鋼就是將生鐵進(jìn)行精練。煉鋼過(guò)程中，在提供足夠氧氣的條件下，通過(guò)爐內(nèi)的高溫氧 化作用，部分碳被氧化成一氧化碳?xì)怏w而逸出，其他雜質(zhì)則形成氧化物進(jìn)入爐渣中被除去， 從而使碳的含量降低到一定的限度，同時(shí)把其他雜質(zhì)的含量也降低到允許范圍內(nèi)。所以，在 理論上凡是含碳量在 2%以下，含有害雜質(zhì)較少的 Fe-C 合金都可稱(chēng)為鋼。根據(jù)煉鋼設(shè)備的不同， 常用的煉鋼方法有空氣轉(zhuǎn)爐法、氧氣轉(zhuǎn)爐法、平爐法、電爐法。二、 鋼材的分類(lèi)鋼材的品種繁多，分類(lèi)

3、方法很多，通常有按化學(xué)成分、質(zhì)量、用途等幾種分類(lèi)方法。鋼 的分類(lèi)見(jiàn)表一，目前，在建筑工程中常用的鋼種是普通碳素鋼和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼。鋼的分類(lèi)表分類(lèi)方法類(lèi)別特性按化學(xué)成分 分類(lèi)碳素鋼低碳鋼含碳量0.25%中碳鋼含碳量 0.25%-0.60%高碳鋼含碳量 0.60%、2%合金鋼低合金鋼合金兀素總含量5%中合金鋼合金兀素總含量 5%-10%高合金鋼合金兀素總含量10%按脫氧程度 分類(lèi)沸騰鋼脫氧不完全，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，代號(hào)為“鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全，冋時(shí)去硫，代號(hào)為“Z”半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，代號(hào)為“B”特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底，代號(hào)為“TZ按質(zhì)量分類(lèi)普通鋼含硫量 W

4、0.055%-0.065%，含磷量 W 0.045%-0.085%優(yōu)質(zhì)鐵鋼含硫量 W 0.03%-0.045%，含磷量 W 0.035%-0.045%高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼含硫量 w 0.02%-0.03%，含磷量 w 0.027%-0.035%按用途分類(lèi)結(jié)構(gòu)鐵鋼工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件用鋼、機(jī)械制造用鋼工具鋼各種刀具、量具及模具用鋼特殊鋼具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐熱 鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等建筑鋼材的主要技術(shù)性能鋼材的技術(shù)性質(zhì)主要包括力學(xué)性能（抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞和硬度等）和工藝性 能（冷彎和2焊接）兩個(gè)方面。一、力學(xué)性能1.拉伸性能拉伸是建筑鋼材的主要受力形式，所以拉伸性能是表示鋼材

5、性能和選用的鋼材的重要指標(biāo)。將低碳鋼（軟鋼）制成一定規(guī)格的試件，放在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，可以繪出如 圖一所示的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)。從圖中可以看出，低碳鋼受拉至拉斷，經(jīng)歷了4 個(gè)階段；彈性階段（0-A）、屈服階段（A-B）、強(qiáng)化階段（B-C 和頸縮階段（C-D）。1） 彈性階段（0-A）曲線(xiàn)中 0-A 段是一條直線(xiàn)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。如卸去外力，試件能恢復(fù)原來(lái)的形狀， 這種性質(zhì)即為彈性，此階段的變形為彈性變形。 與 A 點(diǎn)對(duì)就的應(yīng)力稱(chēng)為彈性極限， 以 b p 表示。 應(yīng)力與應(yīng)變的比值為常數(shù)，即彈性模量 E, E=b / &。彈性模量反映鋼材抵抗彈性變形的能力，是鋼材在受力條件下計(jì)算

6、結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。彈性模量的大小反映抵抗變形的能力。2） 屈服階段（A-B）應(yīng)力超過(guò) A 點(diǎn)后，應(yīng)力、應(yīng)變不再成正比關(guān)系，開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形。應(yīng)力的增長(zhǎng)滯后于 應(yīng)變的增長(zhǎng)，當(dāng)應(yīng)力達(dá) B上點(diǎn)后（上屈服點(diǎn)），瞬時(shí)下降至 B下點(diǎn)（下屈服點(diǎn)），變形迅速增加， 而此時(shí)外力則大致在恒定的位置上波動(dòng)，直到B 點(diǎn)。這就是所謂的“屈服現(xiàn)象”，似乎鋼材不能承受外力而屈服，所以 AB 段稱(chēng)為屈服階段。與 B下點(diǎn)（此點(diǎn)較穩(wěn)定、易測(cè)定）對(duì)應(yīng)的應(yīng)力 稱(chēng)為屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度），用 b s 表示。鋼材受力大于屈服點(diǎn)后，會(huì)出現(xiàn)較大的塑性變形，已不能滿(mǎn)足使用要求，因此屈服強(qiáng)度 是設(shè)計(jì)上鋼材強(qiáng)度取值的依據(jù)，是工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中非常重要的

7、一個(gè)參數(shù)。結(jié)構(gòu)計(jì)算是以屈服 強(qiáng)度為依據(jù)。3） 強(qiáng)化創(chuàng)優(yōu)（B-C）當(dāng)應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度后，由于鋼材內(nèi)部組織中的晶格發(fā)生了畸變，阻止了晶格進(jìn)一步滑 移，鋼材得強(qiáng)化，所以鋼材抵抗塑性變形的能力又重新提高，B-C 呈上升曲線(xiàn)，稱(chēng)為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn) C 的應(yīng)力值（b b）稱(chēng)為極限抗拉強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱(chēng)抗拉強(qiáng)度。顯然，b b 是鋼材受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力值。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之比（即屈強(qiáng)比b s/ b b）能反映鋼材的利用率和結(jié)構(gòu)安全可靠程度。屈強(qiáng)越小，其結(jié)構(gòu)的安全可靠程度越高，但屈強(qiáng)比過(guò)小，又說(shuō)明鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，造成鋼材浪費(fèi)。建筑結(jié)構(gòu)合理的屈強(qiáng)比一般 為 0.60-0.75。4） 頸縮階段（C-D）

8、試件受力達(dá)到最高點(diǎn)C 點(diǎn)后，其抵抗變形的能力明顯降低，變形迅速發(fā)展，應(yīng)力逐漸下降，試件被拉長(zhǎng)，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小，直到斷裂。故CD 段稱(chēng)為頸縮階段。中碳鋼與高碳鋼（硬鋼）的拉伸曲線(xiàn)與低碳鋼不同，屈服現(xiàn)象不明顯，難以測(cè)定屈服點(diǎn)，則規(guī)定產(chǎn)生殘余變形為原標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，作為硬鋼的屈服強(qiáng)度，也稱(chēng)條件屈服點(diǎn)，用 b0.2表示。2.塑性建筑鋼材應(yīng)具有很好的塑性，鋼材的塑性通常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表示。將拉斷后的試 件拼合起來(lái)，測(cè)定出標(biāo)距范圍肉質(zhì)長(zhǎng)度L!（mm ）,其與試件原標(biāo)距（mm、之差為塑性變形值，塑性變形值與之比 L0稱(chēng)為伸長(zhǎng)率 S，伸長(zhǎng)率 3按下式計(jì)算。式中；-伸

9、長(zhǎng)率（當(dāng) L=5d0時(shí)，為 35；當(dāng) L0=10d0時(shí)，為 3;- 試件原標(biāo)距長(zhǎng)度（L0=5d0或 L=10d0）（mm）;3試件拉斷后標(biāo)距間長(zhǎng)度（ mm ）。伸長(zhǎng)率是衡量鋼材塑性的一個(gè)重要指標(biāo)，3越大說(shuō)明鋼材的塑性越好。對(duì)于鋼材而言，一定的塑性變形能力，可保證應(yīng)力重新分布，避免應(yīng)力集中，從而鋼材用于結(jié)構(gòu)的安全性越 大。鋼材的塑性除主要取決于其組織結(jié)構(gòu)、 化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)缺陷等外， 還與標(biāo)距的大小有關(guān)。 變形在試件標(biāo)距內(nèi)部的分布是不均勻的，頸縮處的變形最大，離頸縮部位越遠(yuǎn)其變形越小。 所以原標(biāo)距與直徑之比越小，則頸縮處伸長(zhǎng)值在整個(gè)伸長(zhǎng)值的比重越大，計(jì)算出來(lái)的3 值就大。通常以 35和 310分別

10、表示 L0=5d0和 L0=10d0時(shí)的伸長(zhǎng)率。對(duì)于同一種鋼材，其35310。3.沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載而不被破壞的能力。鋼材的沖擊的韌性是用有刻槽的標(biāo)準(zhǔn)試件在沖擊試驗(yàn)機(jī)的一次擺錘沖擊下，以破壞后缺口處單位面積上所消耗的功（J/cm3）來(lái)表示，其符號(hào)為 a。試驗(yàn)時(shí)將試件放置在固定支座上，然后以擺錘沖擊試件刻槽的背面，使試件承受沖擊彎曲斷裂。ak值越大，沖擊韌性越好。對(duì)于經(jīng)常受較大沖擊荷載作用的結(jié)構(gòu)，要選用 ak值大的鋼材。影響鋼材沖擊韌性的因素很多，如化學(xué)成分、冶煉質(zhì)量、冷作及時(shí)效、環(huán)境溫度等。4.耐疲勞性 鋼材在交變荷載的反復(fù)作用下，往往在最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度進(jìn)就發(fā)生破壞，

11、這種現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞性。疲勞破壞的危險(xiǎn)應(yīng)力用疲勞強(qiáng)度（或稱(chēng)疲勞極限）來(lái)表示，它是指 疲勞試驗(yàn)時(shí)試件在交變應(yīng)力作用下，于規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力。 一般把鋼材承受交變荷載106-107次時(shí)不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度。設(shè)計(jì)承受反復(fù)荷 載且需進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)時(shí)，就了解所用鋼材的疲勞極限。研究證明，鋼材的疲勞破壞是拉應(yīng)力引起的，首先在局部開(kāi)始形成微細(xì)裂紋，其后由于 裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中使裂紋迅速擴(kuò)展直至鋼材斷裂。因此，鋼材的內(nèi)部成分的偏析、夾 雜物的多少以及最大應(yīng)力處的表面光潔程度、加工損傷等，都是影響鋼材疲勞強(qiáng)度的因素。 疲勞破壞經(jīng)常是突然發(fā)生的，因而具有很大的危險(xiǎn)性

12、；往往造成嚴(yán)重事故。5.硬度硬度是指金屬材料在表面局部體積內(nèi)，抵抗硬物壓入表面的能力。亦即材料表面抵抗塑 性變形的能力。測(cè)定鋼材硬度采用壓入法。即以一定的靜荷載（壓力），把一定的壓頭壓在金屬表面， 然后測(cè)定壓痕的面積或深度來(lái)確定硬度。 按壓頭或壓力不同， 有布氏法、 洛氏法等， 相應(yīng)的硬度試驗(yàn)指標(biāo)稱(chēng)布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。較常用的方法是布氏法，其硬度指標(biāo)是布氏硬度值。各類(lèi)鋼材的 HB 值與抗拉強(qiáng)度之間有一定的相關(guān)關(guān)系。材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抵抗力 越強(qiáng)，硬度值也就越大。由試驗(yàn)得出，其抗拉強(qiáng)度與布氏硬度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下；當(dāng) HB175 時(shí)，d b 0.35HB根據(jù)這一關(guān)系，可以直接在

13、鋼結(jié)構(gòu)上測(cè)出鋼材的 HB 值，并估算該鋼材的 d b。二、 工藝性能 良好的工藝性能，可以保證鋼材順利通過(guò)各種加工，面使鋼材制品的質(zhì)量不受影響。冷 彎、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑鋼材的重要工藝性能。1、 冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。鋼材的冷彎性能指標(biāo)是以試件彎曲的角度 0 和彎心直徑對(duì)試件厚度（或直徑）的比值（ d/a ）表示。鋼材的冷彎試驗(yàn)是通過(guò)直徑（或厚度）為 a 的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑 d（ d=na）4彎曲到規(guī)定的彎曲角（ 180或 90）時(shí)，試件的彎曲處不發(fā)生裂縫、裂斷或起層，即認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材彎曲時(shí)的彎曲角越大，彎心直徑越小，則表示其冷彎性能

14、越好。 通過(guò)冷彎試驗(yàn)更有助于暴露鋼材的某些內(nèi)在缺陷。相對(duì)于伸長(zhǎng)率而言，冷彎是對(duì)鋼材塑 性更嚴(yán)格的檢驗(yàn)，它能揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷，冷彎試 驗(yàn)對(duì)焊接質(zhì)量也是一種嚴(yán)格的檢驗(yàn)，能揭示焊件在受彎表面存在未熔合、微裂紋及夾雜物等 缺陷。2、 焊接性能在建筑工程中， 各種型鋼、 鋼板、 鋼筋及預(yù)埋件等需用焊接加工。 鋼結(jié)構(gòu)有 90%以上是焊 接結(jié)構(gòu)。焊接的質(zhì)量取決于焊接工藝、焊接材料及鋼鐵 焊接性能。鋼材的可焊性是指鋼材是否適應(yīng)通常的焊接方法與工藝的性能?？珊感院玫匿摯逯赣糜?一般焊接方法和工藝施焊，焊口處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷；焊接后鋼材的力學(xué)性 能，特別是強(qiáng)度不低

15、于原有鋼材，硬脆傾向小。鋼材可焊性能的好壞，主要取決于鋼化學(xué)成 分。含碳量高將增加焊接接頭的硬脆性，含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性。鋼筋焊接應(yīng)注意的問(wèn)題是；冷拉鋼筋的焊接應(yīng)在冷拉之前進(jìn)行；鋼筋焊接之前，焊接部 位應(yīng)清除鐵銹、熔渣、油污等；應(yīng)盡量避免不同國(guó)家的進(jìn)口鋼筋之間或進(jìn)口鋼與國(guó)產(chǎn)鋼筋之 間的焊接。3、 冷加工性能及時(shí)效處理1） 冷加工強(qiáng)化處理將鋼材在常溫下進(jìn)行冷加工（如冷拉、冷拔或冷扎） ，使之產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服 強(qiáng)度，但鋼材的塑性、韌性及彈模量則會(huì)降低，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為冷加工強(qiáng)化處理。建筑土地或 預(yù)制構(gòu)件廠(chǎng)常用的方法是冷拉和冷拔。冷拉是將軋鋼筋用冷拉設(shè)備加力進(jìn)行張拉，使

16、之伸長(zhǎng)。鋼材經(jīng)冷拉后屈服強(qiáng)度可提高 20%-30%，可節(jié)約鋼材 10%-20%，鋼材經(jīng)冷拉后屈服階段短，伸長(zhǎng)率降低，材質(zhì)變硬。冷拔是將光面圓鋼筋通過(guò)硬質(zhì)合金拔絲?？讖?qiáng)行拉攏，每次拉攏斷面縮小應(yīng)在10%以下。鋼筋在冷拔過(guò)程中，不僅受拉，同時(shí)還受到擠壓作用，因而冷拔的作用比純冷拉作用強(qiáng)烈。 經(jīng)過(guò)一次或多次冷拔后的鋼筋，表面光潔度高，屈服強(qiáng)度提高40%-60%，但塑性大大降低，具有硬鋼的性質(zhì)。建筑工程常采用對(duì)鋼筋進(jìn)行冷拉和對(duì)盤(pán)條進(jìn)行冷拔的方法，以達(dá)節(jié)約鋼材的目的、2） 時(shí)效鋼材經(jīng)冷加工后，在常溫下存放 15-20d 或加熱至 100-200 J 保持 2h 左右，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度進(jìn)一步提高，而塑性及韌性繼續(xù)降低，這種現(xiàn)象稱(chēng)為時(shí)效。前者稱(chēng)為自然時(shí) 效，后者稱(chēng)為人工時(shí)效。鋼材經(jīng)冷加工及時(shí)效處理后， 其性質(zhì)變化的規(guī)律， 可明顯地在