土木工程材料第八章 鋼材課件

第八章鋼材

主講：李瑞璟鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多優(yōu)點(diǎn)，與鋼筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、環(huán)保和節(jié)能效果；可實(shí)現(xiàn)構(gòu)架的輕量化和構(gòu)件的大型化，施工亦較為簡(jiǎn)便。但同時(shí)也存在不少缺點(diǎn)，其中較突出的一點(diǎn)是防火問題。美國(guó)紐約的世貿(mào)大廈為鋼結(jié)構(gòu)，2001年9月11日被恐怖主義者襲擊、倒塌，給人們提出了鋼結(jié)構(gòu)防火、防襲擊破壞的新課題。第一節(jié)鋼材的基本知識(shí)鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.06％的鐵碳合金稱為生鐵。土木工程鋼材是指用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。優(yōu)點(diǎn)：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。缺點(diǎn)：易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大.造假鋼材煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼澆鑄鋼錠煉鋼筋煉鋼板

二、鋼的分類

鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭(燃料)和石灰石(熔劑)等在高爐中經(jīng)高溫熔煉，從鐵礦石中還原出鐵而得。生鐵的主要成分是鐵，但含有較多的碳以及硫、磷、硅、錳等雜質(zhì)，雜質(zhì)使得生鐵的性質(zhì)硬而脆、塑性很差，抗拉強(qiáng)度很低，使用受到很大限制。煉鋼的目的就是通過生鐵在煉鋼爐內(nèi)的高溫氧化作用，減少生鐵中碳和硫、磷等雜質(zhì)含量，以顯著改善其技術(shù)性能，提高質(zhì)量。將生鐵中的含碳量降至2％以下，使磷、硫等雜質(zhì)含量降至一定范圍內(nèi)即成為鋼。按化學(xué)成分分類碳素鋼。碳素鋼的化學(xué)成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵一碳合金，其含碳量為0．02％一2．06％。此外尚含有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。碳素鋼按含碳量又可分為：低碳鋼(含碳量小于0.25％)、中碳鋼(含碳量為0.25％－0.60％)高碳鋼(含碳量大于0.60％)。合金鋼。合金鋼是指在煉鋼過程中，有意識(shí)地加入一種或多種能改善鋼材性能的合金元素而制得的鋼種。常用合金元素有：硅、錳、欽、釩、銀、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為低合金鋼(合金元素總含量小于5％)、中合金銅(合金元素總含量為5％一10％)高合金鋼(合金元素總含量大于10％)。

按冶煉時(shí)脫氧程度分類

沸騰鋼。煉鋼時(shí)僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全，這種鋼水澆入錠模時(shí)，會(huì)有大量的CO氣體從鋼水中外逸，引起鋼水呈沸騰狀，故稱沸騰鋼，代號(hào)為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般建筑工程。鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時(shí)采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，且同時(shí)能起去硫作用。這種鋼水鑄錠時(shí)能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼；代號(hào)為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號(hào)為“b”。從圖中可見，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時(shí)有大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不夠均勻、強(qiáng)度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產(chǎn)成本低，可用于一般地建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄時(shí)，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無一氧化碳?xì)馀莓a(chǎn)生,是脫氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實(shí)，品質(zhì)好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載地重要結(jié)構(gòu)。

此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫氧程度與質(zhì)量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其質(zhì)量較好。第二節(jié)鋼的晶體組成和化學(xué)成分

鋼是一種多晶體材料。但晶體具有各向異性的特征，而多晶體則為各向同性。鋼的宏觀力學(xué)性能由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所決定。純鐵的晶格類型

鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。鋼晶格的兩種構(gòu)架鋼材的晶格并不都是完好無缺的規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。鋼的基本晶體組織

鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖象，故也稱顯微組織。片狀珠光體（1000倍）

針狀和塊狀鐵素體（100倍）

此外，鋼材在溫度高于723℃時(shí)，還存在奧氏體。奧氏體為碳在γ-Fe中的固溶體，溶碳能力較強(qiáng)，高溫時(shí)含碳量可達(dá)2.06％，低溫下降至0.8％。其強(qiáng)度、硬度不高，但塑性好。碳鋼處于紅熱狀態(tài)時(shí)即存在這種組織，這時(shí)鋼易于軋制成型。

化學(xué)成分對(duì)鋼性能的影響

除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會(huì)從原料、燃料中引入一些的其他元素。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一類能劣化鋼材的性能，主要有氧、硫、氮、磷等。這些成分含量少，但對(duì)鋼的性能影響很大?；瘜W(xué)元素強(qiáng)度硬度塑性韌性可焊性其他碳（C）<1%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅（Si）>1%↑↓↓↓↓冷脆性↑錳（Mn）↑↑↑↑脫氧、硫劑鈦（Ti）↑↑↑↓↑強(qiáng)脫氧劑釩（V)↑↑時(shí)效↓磷（P）↑↑↓↓↓偏析、冷脆↑↑氮（N）↑↑↓↓↓↓冷脆性↑硫（S）↑↓↓氧（O）↑↓↓化學(xué)元素對(duì)鋼材性能的影響

磷主要溶于鐵素體中起強(qiáng)化作用，同時(shí)可提高鋼材的耐磨、耐蝕性，但塑性、韌性顯著降低，當(dāng)溫度很低時(shí)，對(duì)后二者影響更大，磷的偏析傾向強(qiáng)烈。冷脆性硫、氧主要存在于非金屬夾雜物中，降低各種力學(xué)性能，硫化物造成的低溶點(diǎn)使鋼材在焊接時(shí)易于產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低可焊性，且有強(qiáng)烈的偏析作用；氧有促進(jìn)時(shí)效傾向的作用，氧化物所造成的低溶點(diǎn)亦使鋼的可焊性變壞。熱脆性

彈性階段(OA段)：在OA階段，如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限。此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變時(shí)所需的應(yīng)力大小。它是鋼材在受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。（彈性模量和彈性極限）屈服階段(AB段)：當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過A時(shí)，應(yīng)變?cè)黾拥乃俣却笥趹?yīng)力增長(zhǎng)速度，應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，開始產(chǎn)生塑性變形。圖中B上點(diǎn)是這一階段應(yīng)力最高點(diǎn)，稱為屈服上限，B下點(diǎn)稱為屈服下限。由于B下比較穩(wěn)定易測(cè)，因此以它作為材料抗力的指標(biāo)，稱為屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度，用бs表示。

故—般以B下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)。鋼材受力達(dá)屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值依據(jù)。強(qiáng)化階段(BC段)：當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)以后，由了試件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗變形能力又重新提高，故稱為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力，稱為強(qiáng)度極限或抗拉強(qiáng)度бb。工程上使用的鋼材，不僅希望具有高的屈服強(qiáng)度，還希望具有一定的屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.58～0.63，合金鋼為0.65～0.75。

頸縮階段(CD段)

當(dāng)鋼材強(qiáng)化達(dá)到最高點(diǎn)后，在試件薄弱處的截面將顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增加，拉力也就隨著下降，最后發(fā)生斷裂。將拉斷后的試件于斷裂處對(duì)接在一起，測(cè)得其斷后標(biāo)距Ll。標(biāo)距的伸長(zhǎng)值與原始標(biāo)距(L0)的百分比稱為伸長(zhǎng)率。

伸長(zhǎng)率δ是衡量鋼材塑性的指標(biāo)，它的數(shù)值越大，表示鋼材塑性越好。良好的塑性，可將結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力(超過屈服點(diǎn)的應(yīng)力)重分布，從而避免結(jié)構(gòu)過早破壞。

δ5和δ10分別表示l0=5d

和l0=10d

時(shí)的伸長(zhǎng)率。對(duì)同一種鋼材δ5>δ10。這是因?yàn)殇摬闹懈鞫卧诶斓倪^程中伸長(zhǎng)量是不均勻的,頸縮處的伸長(zhǎng)率較大，因此當(dāng)原始標(biāo)距l(xiāng)0與直徑d

0之比愈大，則頸縮處伸長(zhǎng)值在整個(gè)伸長(zhǎng)值中的比重愈小，因而計(jì)算得的伸長(zhǎng)率就愈小。某些鋼材的伸長(zhǎng)率是采用定標(biāo)距試件測(cè)定的，如標(biāo)距l(xiāng)0=100mm或200mm，則伸長(zhǎng)率用δ100或δ200表示。1)若對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼選用誰者更合適。

從Ⅰ、Ⅱ兩條曲線比較可知，低碳鋼Ⅱ的彈性模量E小于低碳鋼Ⅰ，也就是說，低碳鋼Ⅱ的抗變形能力不如低碳鋼Ⅰ。對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼Ⅰ更為合適。

2)使用Ⅰ、Ⅱ兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高。

Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度бs相近，但低碳鋼Ⅰ的抗拉強(qiáng)度бb高于Ⅱ，即其屈服強(qiáng)度比бs/бb較小。屈服強(qiáng)度比值越小，反映鋼材超過屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。(當(dāng)然，屈服比過小時(shí)，表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，不合理。Q225鋼材的屈服比為0.58～0.63，普通的合金鋼的屈強(qiáng)比在0.67～0.75之間。)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，為鋼材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度(a)和彎心直徑(d)為指標(biāo)表示。鋼材冷彎試驗(yàn)是通過直徑(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)，彎曲到規(guī)定的角度(180或90)時(shí)，檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，若無則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時(shí)的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性能愈好。

鋼材的冷彎性能和其伸長(zhǎng)率一樣，也是表明鋼材在靜荷下的塑性，而且冷彎是在苛刻條件下對(duì)鋼材塑性的嚴(yán)格檢驗(yàn)，它能揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力及夾雜物等缺陷。在工程中，冷彎試驗(yàn)還被用作對(duì)鋼材焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)的一種手段。沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。將有缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，用擺錘打斷試件，測(cè)得試件單位面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值ak表示ak值愈大，表明鋼材在斷裂時(shí)所吸收的能量越多，則沖擊韌性越好。鋼材的沖擊韌性越大,鋼材抵抗沖擊荷載的能力越強(qiáng)。ak值與試驗(yàn)溫度有關(guān)。有些材料在常溫時(shí)沖擊韌性并不低，破壞時(shí)呈現(xiàn)韌性破壞特征。但當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某值時(shí)，ak突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形而發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。

鋼的化學(xué)成分及冶煉、加工質(zhì)量都對(duì)沖擊韌性能有明顯的影響。例如，鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物、氣孔和焊接中形成的微裂紋等，都會(huì)使沖擊韌性顯著降低。除此以外，鋼的沖擊韌性受溫度的影響較大，沖擊韌性隨溫度的下降而減小，當(dāng)降到一定溫度范圍時(shí)，ak值急劇下降，從而可使鋼材出現(xiàn)脆性斷裂．這種性質(zhì)稱為鋼的冷脆性。所以，在負(fù)溫下使用的鋼材，特別是承受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)，必須要檢驗(yàn)其低溫下的沖擊韌性。硬度:硬度是衡量鋼的軟硬程度的一個(gè)指標(biāo)，它是表示鋼材表面局部體積內(nèi)，抵抗變形或破裂的能力，也即指抵抗其他更硬的物體壓入鋼材表面的能力。測(cè)定鋼材硬度的方法很多，建筑鋼材常用的是布氏法，所測(cè)硬度稱布氏硬度。布氏硬度是用一定直徑D(mm)的硬質(zhì)鋼球,在規(guī)定荷載P(N)作用下壓入試件表面，并持續(xù)一定時(shí)間后卸裁，量出壓痕直徑d(mm)，然后計(jì)算每單位壓痕球面積所承受的荷載值，即布氏硬度值(HD)，見圖。鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開始形成細(xì)小斷裂，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。在一定條件下，鋼材疲勞破壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而降低（如圖所示）。

疲勞強(qiáng)度

受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度極限，實(shí)際測(cè)量時(shí)常以2×106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材的疲勞強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。一般來說，鋼材的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。

焊接性能

焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。

鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度。

鋼材的化學(xué)成分對(duì)鋼材的可焊性有很大的影響。隨鋼材的含碳量、合金元素及雜質(zhì)元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25％時(shí)，可焊性明顯降低；硫含量較多時(shí)，會(huì)使焊口處產(chǎn)生熱裂紋，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量。鋼材的焊接須執(zhí)行有關(guān)規(guī)定鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度。鋼材的化學(xué)成分對(duì)鋼材的可焊性有很大的影響。隨鋼材的含碳量、合金元素及雜質(zhì)元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25％時(shí)，可焊性明顯降低；硫含量較多時(shí)，會(huì)使焊口處產(chǎn)生熱裂紋，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量。鋼材的焊接須執(zhí)行有關(guān)規(guī)定。1994年10月21日韓國(guó)漢城漢江圣水大橋中段50m長(zhǎng)的橋體象刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國(guó)最大的建筑公司之一——東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。

事故原因調(diào)查團(tuán)經(jīng)五個(gè)多月的各種試驗(yàn)和研究，于次年4月2日提交了事故報(bào)告。事故原因主要有以下兩方面：

a.東亞建筑公司沒有按圖紙施工，在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因。

b.當(dāng)時(shí)韓國(guó)縮短工期及漢城市政當(dāng)局在交通管理上疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計(jì)負(fù)載限制為32t，建成后交通流量逐年增加，超常負(fù)荷，倒塌時(shí)負(fù)載為43.2t。

1999年１月４日晚６時(shí)５０分前后，重慶市綦江縣城跨越綦河（長(zhǎng)江支流）兩岸、連接城東城西的人行彩虹橋（形似彩虹而名，系綦江縣形象工程）整體垮塌，４０人遇難，包括１８名年輕武警戰(zhàn)士。１月８日，經(jīng)事故調(diào)查組調(diào)查，彩虹橋突然垮塌是由兩方面的原因造成的。一是工程質(zhì)量問題：彩虹橋的主要受力拱架鋼管焊接質(zhì)量不合格，存在嚴(yán)重缺陷，個(gè)別焊縫并有陳舊性裂痕；鋼管內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度不足，低于設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)的三分之一；連接橋梁、橋面和拱架的拉索、錨具和鎦片嚴(yán)重銹蝕。二是工程承發(fā)包不合法：到８日止，事故調(diào)查組找不到工程設(shè)計(jì)專用章，設(shè)計(jì)手續(xù)不全，實(shí)際上是私人設(shè)計(jì)。施工承包者是一個(gè)掛靠國(guó)有的個(gè)體業(yè)主，其組織的施工隊(duì)伍不具備進(jìn)行市政工程建設(shè)的技術(shù)力量和設(shè)備，不具有合法的市政工程施工資質(zhì)。工作人員正在對(duì)橋面進(jìn)行分解切割樂山市2000年12月18日綦江新虹橋，新虹橋?yàn)閄型鋼筋混凝土人行拱橋，全長(zhǎng)160米，凈跨130米，寬7.5米，工程總造價(jià)800萬人民幣

第四節(jié)冷加工時(shí)效及其應(yīng)用

將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，強(qiáng)度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個(gè)過程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化。工程中常對(duì)鋼筋進(jìn)行冷拉或冷拔加工，以期達(dá)到提高鋼材強(qiáng)度和節(jié)約鋼材的目的。鋼筋冷拉是在常溫下將其拉至應(yīng)力超過屈服點(diǎn)，但遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時(shí)即卸荷。冷拔是將6一8mm的光圓鋼筋，通過一鎢合金拔絲模孔而被強(qiáng)力拉拔，使其徑向擠壓縮小而縱向伸長(zhǎng)。

將經(jīng)過冷拉的鋼筋。于常溫下存放15—20d，或加熱到100—200并保持2～3h后，則鋼筋強(qiáng)度將進(jìn)，步提高，這個(gè)過程稱為時(shí)效處理，前者稱自然時(shí)效，后者稱為人工時(shí)效、通常對(duì)強(qiáng)度較低的鋼筋可采用自然時(shí)效，強(qiáng)度較高的鋼筋則需采用人工時(shí)效。鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑移，導(dǎo)致滑移面下的晶粒破碎，品格歪扭畸變，滑移面變很凹凸不平，對(duì)晶粒進(jìn)一步滑移起阻礙作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服強(qiáng)度得以提高,抗拉強(qiáng)度基本不變。同時(shí)，冷加工強(qiáng)化后的鋼材，由于塑性變形后滑移面減少，從而使其塑性降低，脆性增大，且變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼的彈性模量降低。

鋼筋經(jīng)冷拉及時(shí)效以后，屈服強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度亦有所提高，塑性和韌性則要相應(yīng)降低，彈性模量基本恢復(fù)。

建筑工程用鋼主要有鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土用鋼兩類。第五節(jié)主要鋼種

碳素結(jié)構(gòu)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB700-88《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定，牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法等四部分按順序組成。其中以“Q”代表屈服點(diǎn)；屈服點(diǎn)數(shù)值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa和275Mpa五種；質(zhì)量等級(jí)以硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少，分別為A、B、C、D符號(hào)表示；

脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號(hào)中予以省略。隨著牌號(hào)的增大，對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的要求增大，對(duì)拉長(zhǎng)率的要求降低。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分應(yīng)符合表8.1規(guī)定。碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能、牌號(hào)、等級(jí)指標(biāo)見表8.2。其冷彎性能指標(biāo)見表8.3。例如：Q235－A·F表示屈服點(diǎn)為235MPa的A級(jí)沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。隨著牌號(hào)的增大，其含碳量增加，強(qiáng)度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。同一鋼號(hào)內(nèi)質(zhì)量等級(jí)越高，鋼材的質(zhì)量越好，如Q235C、Q235D級(jí)優(yōu)于Q235A、Q235B級(jí)。

鋼結(jié)構(gòu)中，主要應(yīng)用的是碳素鋼Q235。還有其它幾種碳素結(jié)構(gòu)鋼常用于土木工程中。Q195——強(qiáng)度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤等。Q215——與Q195鋼基本相同，其強(qiáng)度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235——強(qiáng)度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的牌號(hào)，大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板用于建造房屋和橋梁等。Q235良好的塑性可保證鋼結(jié)構(gòu)在超載、沖擊、焊接、溫度應(yīng)力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能滿足一般鋼結(jié)構(gòu)用鋼的要求Q235-A一般用于只承受靜荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)。Q235-B適合用于承受動(dòng)荷載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)，Q235-C適合用于承受動(dòng)荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)，Q235-D適合用于低溫環(huán)境使用的承受動(dòng)荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)。Q255——強(qiáng)度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用做鉚接或栓接結(jié)構(gòu)，以及鋼筋混凝土的配筋。Q275——強(qiáng)度、硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，不宜在建筑結(jié)構(gòu)中使用，主要用于制造軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板等。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含量的不同可分為：普通錳含量（錳含量<0.8％）鋼和較高錳含量（錳含量0.7％～1.2％）鋼兩組。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼材一般以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，硫、磷等雜質(zhì)含量比普通碳素鋼少，其他缺陷限制也較嚴(yán)格，所以性能好，質(zhì)量穩(wěn)定。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，它表示鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。如45號(hào)鋼，表示鋼中平均含碳量為0.45％。

數(shù)字后若有“錳”字或“Mn”，則表示屬較高錳含量的鋼，否則為普通錳含量鋼。如35Mn表示平均含碳量0.35％，含錳量為0.7％～1.0％。若是沸騰鋼或半鎮(zhèn)靜鋼，還應(yīng)在牌號(hào)后面加“沸”（或F）或“半”（或b）。優(yōu)質(zhì)碳素鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量高，則強(qiáng)度高，但塑性和韌性降低。在建筑工程中，30～45號(hào)鋼主要用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件和高強(qiáng)度螺栓等，45號(hào)鋼用做預(yù)應(yīng)力混凝土錨具，65～80號(hào)鋼用于生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)的表示方法為：屈服強(qiáng)度－質(zhì)量等級(jí)，它以屈服強(qiáng)度劃分成五個(gè)等級(jí)：Ｑ295、Q345、Q390、Q420、Q460，質(zhì)量也分為五個(gè)等級(jí)：E、D、C、B、A。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1591-94《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》規(guī)定了各牌號(hào)的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（見表8.4)、力學(xué)性能(見表8.5)。由于合金元素的強(qiáng)化作用，使低合金結(jié)構(gòu)鋼不但具有較高的強(qiáng)度，且具有較好的塑性、韌性和可焊性。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是大型結(jié)構(gòu)、重型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁工程、承受動(dòng)力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)。

鋼筋混凝土用鋼材

熱軋鋼筋

鋼筋混凝土用熱軋鋼筋，根據(jù)其表面狀態(tài)特征分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。其力學(xué)性能和用途見表8.6和表8.7I級(jí)鋼筋由碳素結(jié)構(gòu)鋼軋制，其余均由低合金鋼軋制。I級(jí)鋼筋的強(qiáng)度較低，但塑性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因而廣泛用作普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力筋及各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造筋。HRB335級(jí)和HRB400級(jí)鋼筋的強(qiáng)度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋。HRB500級(jí)鋼筋強(qiáng)度高，但塑性和可焊性較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋

熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋的帶肋鋼筋(中碳低合金鋼)經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理而成的。

其特點(diǎn)是塑性降低不大，但強(qiáng)度提高很多，綜合性能比較理想。其主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，代替碳素鋼絲。冷拔低碳鋼絲

冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.5～8mm的Q235熱軋盤條鋼筋，經(jīng)冷拔加工而成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB50204一92的規(guī)定，冷拔低碳鋼絲分為甲、乙兩級(jí)，甲級(jí)絲適用于作預(yù)應(yīng)力筋，乙級(jí)絲適用于作焊接網(wǎng)、焊接骨架、箍筋和構(gòu)造鋼筋。

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線

根據(jù)GB/T5223--1995《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，抗增強(qiáng)度高達(dá)1470～1770MPa，分為消除應(yīng)力光圓鋼絲（代號(hào)為S）、消除應(yīng)力刻痕鋼絲（SI）、消除應(yīng)力螺旋力鋼絲（SH）和冷拉鋼絲（RCD）四種?？毯垆摻z和螺旋肋鋼絲與混凝土的粘結(jié)力好，亦即鋼絲與混凝土的整體性能好；消除應(yīng)力鋼絲的塑性比冷拉鋼絲好。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按松弛分為兩級(jí)：Ⅰ級(jí)松弛（普通松弛）、Ⅱ級(jí)松弛（低松弛）。預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絲和標(biāo)記方式為：

預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑—抗拉強(qiáng)度—代號(hào)—松弛等級(jí)—--GB/T5223—1995

根據(jù)GB5224—1995《預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線》規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲以絞捻和消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理而制成。根據(jù)鋼絲的股數(shù)分為三種結(jié)構(gòu)類型：1×2、1×3、和1×7。1×7結(jié)構(gòu)鋼絞線以一根鋼絲為芯、6根鋼絲圍繞其周圍捻制而成。鋼絞線與混凝土的粘結(jié)力較好。

鋼絞線的標(biāo)記方式為：預(yù)應(yīng)力鋼絞線結(jié)構(gòu)類型—公稱直徑—強(qiáng)度級(jí)別—松弛等級(jí)—GB/T5224-1995鋼結(jié)構(gòu)用鋼材

鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成形的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。熱軋型鋼

鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼有：工字鋼、H型鋼、T型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊型鋼等。型鋼由于截面形式合理，材料在截面上分布對(duì)受力最為有利，且構(gòu)件間連接方便，所以它是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。型鋼的規(guī)格通常以反映其斷面形狀的主要輪廓尺寸來表示。

熱軋普通工字鋼

工字鋼是截面為工字型、腿部?jī)?nèi)側(cè)有1:6斜度的長(zhǎng)條鋼材。工字鋼廣泛應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)和橋梁，主要用于承受橫向彎曲（腹板平面內(nèi)受彎）的桿件，但不宜單獨(dú)用作軸心受壓構(gòu)件或雙向彎曲的構(gòu)件。熱軋H型鋼和剖分T型鋼

H型鋼由工字鋼發(fā)展而來，優(yōu)化了截面的分布。與工字鋼相比，H型鋼具有翼緣寬、側(cè)向剛度大、抗彎能力強(qiáng)、翼緣兩表面相互平行、連接構(gòu)件方便、省勞力、重量輕、節(jié)省鋼材等優(yōu)點(diǎn)。H型鋼分為寬翼緣（代號(hào)為HW）、中翼緣（HM）和窄翼緣H型鋼（HN）以及H型鋼樁（HP）。H型鋼截面形狀經(jīng)濟(jì)合理，力學(xué)性能好，常用于要求承載力大、截面穩(wěn)定性好的大型建筑（如高層建筑）。T型鋼由H型鋼對(duì)半剖分而成。熱軋普通槽鋼

槽鋼是截面為凹槽形、腿部?jī)?nèi)側(cè)有1:10斜度的長(zhǎng)條鋼材。規(guī)格以“腰高度×腿寬度×腰厚度”（mm）或“腰高度?！保╟m）表示。同一腰高的槽鋼，若有幾種不同的腿寬和腰厚，則在其后標(biāo)注a、b、c表示該腰高度下的相應(yīng)規(guī)格。槽鋼的規(guī)格范圍為5?！?0＃。槽鋼可用做承受軸向力的桿件、承受橫向彎曲的梁以及聯(lián)系桿件，主要用于建筑鋼結(jié)構(gòu)、車輛制造等。鋼板和壓型鋼板

用光面軋輥軋制而成的扁平鋼材，以平扳狀態(tài)供貨的稱鋼板；以卷狀供貨的稱鋼帶。根據(jù)軋制溫度不同，又可分為熱軋和冷軋兩種。建筑用鋼板及鋼帶的鋼種主要是砍紊結(jié)構(gòu)鋼，重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、高壓容器等由采用低臺(tái)金鋼鋼板。按厚度來分，熱軋鋼板分為厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度為0.35—4mm)兩種；冷軋鋼板只有薄板(厚度為0.2-0.4mm)一種。厚板可用于焊接結(jié)構(gòu);薄板可用作屋面或場(chǎng)面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)．或作為涂層鋼板的原料．如制作壓型鋼板等：鋼板可用來彎曲型鋼

.薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、v形等形狀，稱為壓型鋼板。制作壓型鋼板的板材采用有機(jī)涂層薄鋼板(或稱彩色鋼板)般鋅薄鋼板、防腐薄鋼板或其他薄鋼板。壓型鋼板具有單位質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工快、外形美觀等特點(diǎn)，主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼

空心型鋼是用連續(xù)輥式冷彎?rùn)C(jī)組生產(chǎn)的，按形狀可分為方形空心型鋼（代號(hào)為F）和矩形空心型鋼（代號(hào)為J）。通用冷彎開口型鋼

冷彎開口型鋼是用可冷加工變形的冷軋或熱軋鋼帶在連續(xù)輥式冷彎?rùn)C(jī)組上生產(chǎn)的，按形狀分為8種：冷彎等邊角鋼、冷彎不等邊角鋼、冷彎等邊槽鋼、冷彎不等邊槽鋼、冷彎內(nèi)卷邊槽鋼、冷彎外卷邊槽鋼、冷彎Z型鋼、冷彎卷邊Z型鋼。鋼材的銹蝕和防止

鋼材的腐蝕

鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱作腐蝕（銹蝕）。鋼材腐蝕的現(xiàn)象普遍存在，如在大氣中生銹，特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介質(zhì)或濕度較大時(shí)，情況就更為嚴(yán)重。腐蝕不僅使鋼材有效截面積均勻減小，還會(huì)產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會(huì)顯著降低鋼的強(qiáng)度、塑性韌性等力學(xué)性能。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。

化學(xué)腐蝕指鋼材與周圍的介質(zhì)（如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接發(fā)生化學(xué)作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蝕。在干燥環(huán)境中化學(xué)腐蝕的速度緩慢，但在溫度高和濕度較大時(shí)腐蝕速度大大加快。

電化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕

鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成，并含有雜質(zhì)，由于這些成分的電極電位不同，當(dāng)有電解質(zhì)溶液(如水)存在時(shí)，就會(huì)在鋼材表面形成許多微小的局部原電池。整個(gè)電化學(xué)腐蝕過程如下：

陽極區(qū)：Fe=Fe2++2e

陰極區(qū)：2H2O+2e+1/2O2=2OH-