土木工程材料-項(xiàng)目八金屬材料課件

金屬材料金屬材料任務(wù)一建筑鋼材任務(wù)二鋁合金及制品任務(wù)一建筑鋼材能力目標(biāo)熟悉鋼材的分類掌握鋼材的主要技術(shù)性能重點(diǎn)掌握鋼材的拉伸性能熟悉鋼材的化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響掌握鋼材冷加工及時(shí)效案例索引1951年1月31日，加拿大魁北克鋼橋突然斷裂，其中3跨墜入河中，當(dāng)時(shí)氣溫為-35℃。比利時(shí)在1938～1950年期間，有17座橋梁發(fā)生脆斷，其中有9起事故發(fā)生在-40～-14℃的低溫下。鋼材具有低溫“冷脆性”，在負(fù)溫下使用的鋼材應(yīng)經(jīng)沖擊韌性檢驗(yàn)合格后方可使用。任務(wù)驅(qū)動(dòng)任務(wù)一建筑鋼材任務(wù)導(dǎo)航任務(wù)主要學(xué)習(xí)建筑鋼材的相關(guān)知識(shí)，包括鋼材的分類、主要技術(shù)性能、化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響、鋼材冷加工與時(shí)效、常用鋼材以及鋼材的腐蝕與防護(hù)等內(nèi)容。金書緣文化能力目標(biāo)金書緣文化金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指以鐵元素為主要成分的金屬及其合金，如鋼和生鐵。有色金屬是指黑色金屬以外的金屬，如鋁、銅、鉛、鋅等金屬及其合金。土木工程中應(yīng)用的金屬材料主要有建筑鋼材和鋁合金兩種。建筑鋼材是指用于工程建設(shè)的各種鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的各種型鋼（圓鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼），鋼板，鋼筋混凝土用的各種鋼筋、鋼絲和鋼絞線。除此之外，還包括用作門窗和建筑五金等的鋼材。建筑鋼材強(qiáng)度高、品質(zhì)均勻，具有一定的彈性和塑性變形能力，能承受沖擊振動(dòng)荷載。鋼材還具有很好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，裝配施工方便。建筑鋼材廣泛用于大跨度結(jié)構(gòu)、多層及高層建筑、受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)和重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，廣泛用于鋼筋混凝土之中，因此建筑鋼材是最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。鋼材的缺點(diǎn)是容易生銹、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差。一、鋼材的分類鋼的分類方法很多，目前的分類方法主要有下面幾種。（一）按化學(xué)成分分類1.碳素鋼碳素鋼含碳量為0.02%～2.06%，按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量<0.25%）、中碳鋼（含碳量為0.25%～0.6%）、高碳鋼（含碳量>0.6%）。金書緣文化金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指以鐵元素為在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。2.合金鋼合金鋼可以分為低合金鋼（合金元素總量<5%）、中合金鋼（合金元素總量為5%～10%）、高合金鋼（合金元素總量>10%）。建筑上常用低合金鋼。（二）按有害雜質(zhì)的含量分類（1）普通鋼。硫含量≤0.050%，磷含量≤0.045%。（2）優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.035%，磷含量≤0.035%。（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.025%。（4）特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.015%。建筑中常用普通鋼，有時(shí)也用優(yōu)質(zhì)鋼。（三）根據(jù)冶煉時(shí)的脫氧程度分類1.沸騰鋼煉鋼時(shí)加入錳鐵進(jìn)行脫氧，脫氧很不完全，故稱沸騰鋼，代號(hào)為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，雜質(zhì)和夾雜物多，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高，可廣泛用于一般的建筑工程。金書緣文化在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。金書緣文化2.鎮(zhèn)靜鋼煉鋼時(shí)一般采用硅鐵、錳鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧充分，這種鋼水鑄錠時(shí)能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，基本無(wú)CO氣泡產(chǎn)生，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號(hào)為“Z”（亦可省略不寫）。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。3.特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好。適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程，代號(hào)為“TZ”（亦可省略不寫）。4.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”。（四）根據(jù)用途分類1.結(jié)構(gòu)鋼主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。2.工具鋼主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。3.特殊鋼具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。建筑上常用的是結(jié)構(gòu)鋼。金書緣文化2.鎮(zhèn)靜鋼金書緣文化二、鋼材的主要技術(shù)性能鋼材作為重要的工程結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和工藝性能。（一）鋼材的力學(xué)性能1.抗拉性能抗拉性能是鋼材的主要技術(shù)性質(zhì)，通過(guò)低碳鋼軸向拉伸的應(yīng)力（a）-應(yīng)變（e）曲線，如圖8-1所示，可以了解鋼材抗拉性能的特征指標(biāo)和變化規(guī)律。低碳鋼拉伸過(guò)程分為四個(gè)階段。圖8-1低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線金書緣文化二、鋼材的主要技術(shù)性能金書緣文化（1）彈性階段（OA段）在OA范圍內(nèi)，試樣受力時(shí)發(fā)生變形，應(yīng)力和應(yīng)變成比例增加，OA是一條直線段，卸除拉力后變形完全恢復(fù)，此性質(zhì)稱為彈性。應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）保持直線關(guān)系時(shí)的最大應(yīng)力稱為彈性極限，即A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，用σp表示。在彈性范圍內(nèi)，鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值為常數(shù)，該常數(shù)稱為彈性模量，用E表示：彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力，它是計(jì)算鋼材在受力條件下結(jié)構(gòu)變形能力的重要指標(biāo)，其值越大，在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形越小。土木工程中常用低碳鋼的彈性模量為2.0×105～2.1×105MPa，彈性極限為180～200MPa。（2）屈服階段（AB段）金書緣文化（1）彈性階段（OA段）金書緣文化當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)，應(yīng)變?cè)黾雍芸?，而?yīng)力基本不變，這種現(xiàn)象稱為屈服。此時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例變化，試件開始出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)擺動(dòng)，擺動(dòng)的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力分別稱為屈服上限和屈服下限。由于屈服下限數(shù)值較為穩(wěn)定，容易測(cè)試，所以規(guī)范規(guī)定以屈服下限的應(yīng)力值定義為鋼材的屈服強(qiáng)度，用σS表示。屈服強(qiáng)度是鋼材開始喪失對(duì)變形抵抗的能力。當(dāng)受力大于屈服強(qiáng)度后，鋼材將出現(xiàn)不可恢復(fù)的永久變形，雖未破壞但已不能滿足使用要求，因此，屈服強(qiáng)度是鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值的依據(jù)和工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中的重要技術(shù)參數(shù)。（3）強(qiáng)化階段（BC段）當(dāng)載荷超過(guò)屈服強(qiáng)度以后，試件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗塑性變形的能力重新得到提高，此階段稱為強(qiáng)化。對(duì)應(yīng)于曲線最高點(diǎn)（C點(diǎn)）的應(yīng)力是鋼材受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示，抗拉強(qiáng)度不能直接作為工程設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算依據(jù)。鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比（σs/σb）稱為屈強(qiáng)比，它能反映鋼材的利用率和結(jié)構(gòu)的安全可靠度。屈強(qiáng)比越小，延緩結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程的潛力越大，結(jié)構(gòu)的安全可靠度越高。如果屈強(qiáng)比過(guò)小，則鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，造成鋼材浪費(fèi)。碳素鋼合理的屈強(qiáng)比一般為0.58～0.63；合金鋼合理的屈強(qiáng)比一般為0.65～0.75。金書緣文化當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)，應(yīng)變?cè)黾雍芸?，而?yīng)力基本（4）頸縮階段（CD段）當(dāng)鋼材強(qiáng)化達(dá)到最高點(diǎn)后，試件局部截面將急劇縮小，呈杯狀變細(xì)，此現(xiàn)象稱為頸縮。由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增大，直至試件斷裂。常用斷后伸長(zhǎng)率、最大力總伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表征鋼材的塑性變形能力。圖8-2鋼材拉伸試件金書緣文化（4）頸縮階段（CD段）金書緣文化斷后伸長(zhǎng)率是指試件拉斷后，試件標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)量占原始標(biāo)距的百分率，它是衡量鋼材塑性的重要技術(shù)指標(biāo)，用δn表示。鋼材拉伸試件如圖8-2所示。式中δn——伸長(zhǎng)率（%），n為長(zhǎng)或短試件的標(biāo)識(shí)，n=10或n=5；Lo——試件原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；L1——試件拉斷后標(biāo)距部分的長(zhǎng)度（mm）。圖8-3硬鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線金書緣文化斷后伸長(zhǎng)率是指試件拉斷后，試件標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)量占原始標(biāo)距的百分鋼材在拉伸時(shí)產(chǎn)生的塑性變形主要集中在試件的頸縮處，試件原始標(biāo)距Lo與試件直徑do之比愈大，頸縮處的伸長(zhǎng)量在總伸長(zhǎng)值中所占的比例愈小，計(jì)算所得的伸長(zhǎng)率也愈小。通常采用標(biāo)距與直徑尺寸關(guān)系為L(zhǎng)o＝5do和Lo=10do的兩種標(biāo)準(zhǔn)比例試件，所得到的斷后伸長(zhǎng)率分別用δs和8δ10表示。對(duì)同一種材料試件，δ5>δ10。工程中把斷后伸長(zhǎng)率δn≥5%的材料稱為塑性材料，伸長(zhǎng)率δn<5%的材料稱為脆性材料。對(duì)硬鋼（高碳鋼、中碳鋼）來(lái)講，其拉伸曲線與低碳鋼不同，屈服現(xiàn)象不明顯，屈服點(diǎn)難以測(cè)定，為便于應(yīng)用，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，也稱為條件屈服點(diǎn)，用σ0.2表示，如圖8-3所示。斷后伸長(zhǎng)率實(shí)際上只反映了試件頸縮斷口區(qū)域的殘余變形，對(duì)試件頸縮出現(xiàn)之前整體的平均變形及彈性變形情況則不能予以表征，這與試件在拉斷時(shí)應(yīng)變狀態(tài)下的變形相差較大，且不同鋼材的頸縮特征存在差異，端口拼接也有誤差，較難真實(shí)地反映試件的拉伸變形特性。因此，可用試件在最大力時(shí)的總伸長(zhǎng)率來(lái)表示鋼材的拉伸變形指標(biāo)，按下式計(jì)算：金書緣文化鋼材在拉伸時(shí)產(chǎn)生的塑性變形主要集中在試件的頸縮處，試件原始標(biāo)式中δgt——最大力總伸長(zhǎng)率（%）；L——試件拉斷后測(cè)量區(qū)標(biāo)記間的距離（mm）；Lo——試驗(yàn)前測(cè)量區(qū)標(biāo)記間的距離（mm）；σb——試件的抗拉強(qiáng)度（MPa）；E——鋼材的彈性模量。斷面收縮率是指試件拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分率，用φ表示：式中φ——斷面收縮率（%）；A0——試件原始橫截面積（mm2）；A1——縮頸處最小橫截面積（mm2）。2.沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用下的塑性變形和斷裂能力。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件的沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，以試件沖斷時(shí)單位面積上所吸收的能量來(lái)表示鋼材的沖擊韌性指標(biāo)，按式（8-5）計(jì)算。沖擊韌性值αk越大，鋼材的沖擊韌性越好。金書緣文化式中δgt——最大力總伸長(zhǎng)率（%）；金書緣文化式中ak——沖擊韌性值（J/cm2）；W——試件沖斷時(shí)所吸收的沖擊能（J）；A——試件槽口處最小橫截面面積（cm2）。鋼材的沖擊韌性取決于晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、軋制與焊接質(zhì)量、溫度及時(shí)間等多種因素。細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼材較粗晶組織結(jié)構(gòu)鋼材的沖擊韌性值高；鋼中S、P雜質(zhì)含量較高、存在偏析及存在其他非金屬夾雜物時(shí)，鋼材的沖擊韌性值降低；沿軋制方向取樣的鋼材沖擊韌性值高；焊接件中形成的熱裂紋及晶體組織的不均勻分布，使鋼材的沖擊韌性值降低。圖8-4為鋼材沖擊韌性隨溫度變化示意圖，在較高溫度環(huán)境下，沖擊韌性值隨溫度下降而緩慢降低，破壞時(shí)呈韌性斷裂。當(dāng)溫度降至一定范圍內(nèi)，隨著溫度的下降，沖擊韌性值大幅度降低，鋼材開始發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。鋼材發(fā)生冷脆時(shí)的溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，表明鋼材低溫沖擊性能越好。在嚴(yán)寒地區(qū)使用的鋼材，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其冷脆性。由于脆性臨界溫度的測(cè)定較復(fù)雜，通常根據(jù)氣溫條件在-20℃或-40℃時(shí)測(cè)定的沖擊韌性值，來(lái)推斷其脆性臨界溫度范圍。金書緣文化式中ak——沖擊韌性值（J/cm2）；金書緣文化隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼材的強(qiáng)度與硬度升高、塑性與韌性降低的現(xiàn)象稱為時(shí)效。時(shí)效也是降低鋼材沖擊韌性的因素之一。表8-1為普通低合金結(jié)構(gòu)鋼在低溫及時(shí)效后的沖擊韌性變化值。圖8-4鋼材沖擊韌性隨溫度變化曲線金書緣文化隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼材的強(qiáng)度與硬度升高、塑性與韌性降低的現(xiàn)象稱表8-1普通低合金結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性值

3.耐疲勞性鋼材在交變荷載反復(fù)作用下，在遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的突然破壞稱為疲勞破壞。疲勞破壞過(guò)程一般要經(jīng)歷疲勞裂紋萌生、緩慢發(fā)展和迅速斷裂三個(gè)階段。鋼材的疲勞破壞，先在應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)疲勞微裂紋，鋼材內(nèi)部的各種缺陷（晶錯(cuò)、氣孔、非金屬夾雜物）和構(gòu)件集中受力處等，都是容易產(chǎn)生微裂紋的地方，由于反復(fù)作用，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中使微裂紋逐漸擴(kuò)展成肉眼可見的宏觀裂縫，直到最后導(dǎo)致鋼材突然斷裂。疲勞強(qiáng)度是試件在交變應(yīng)力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值，一般把鋼材承受荷載106～107次時(shí)不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度。4.硬度硬度是指鋼材抵抗硬物壓入表面的能力，它是衡量鋼材軟硬程度的一個(gè)指標(biāo)。測(cè)定鋼材硬度的方法很多，主要有布氏法、洛氏法和維氏法等。金書緣文化表8-1普通低合金結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性值

金書緣文化布氏法是利用一定直徑D（mm）的硬質(zhì)鋼球，施以一定的荷載F（N），將其壓入試件表面，經(jīng)過(guò)規(guī)定的持荷時(shí)間后卸去荷載，試件表面將殘留一定直徑d（mm）的壓痕。然后計(jì)算單位壓痕面積所承受的荷載，即為布氏硬度值，無(wú)量綱，代號(hào)為HB。布氏法測(cè)定時(shí)所得壓痕的直徑d應(yīng)在0.25D～0.60D范圍內(nèi)，否則測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，測(cè)量前應(yīng)根據(jù)試件的厚度和估計(jì)的硬度范圍，按試驗(yàn)方法的規(guī)定選擇鋼球直徑、所加荷載及持荷時(shí)間。當(dāng)被測(cè)鋼材的硬度較大（HB>450）時(shí)，鋼球本身可能會(huì)發(fā)生變形甚至破壞，所以布氏法僅適用于HB<450鋼材的硬度測(cè)定。布氏法測(cè)定結(jié)果比較準(zhǔn)確，但壓痕較大，不宜用于成品檢驗(yàn)。對(duì)于HB>450的鋼材，應(yīng)采用洛氏法測(cè)定其硬度。洛氏法是根據(jù)壓頭壓入試件深度的大小來(lái)表示材料的硬度值。按照不同的荷載和壓頭類型，洛氏硬度值又可分為HRA、HRB和HRC。洛氏法操作簡(jiǎn)便，壓痕較小，可用于成品檢驗(yàn)，但若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷時(shí)，所測(cè)硬度值重復(fù)性差。根據(jù)硬度值的大小，可以判定鋼材的軟硬程度，據(jù)此還可以估計(jì)鋼材的抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)碳素鋼的硬度HB≤175時(shí)，其抗拉強(qiáng)度σb≈0.36HB；當(dāng)HB>175時(shí)，σb≈0.35HB。（二）鋼材的工藝性能對(duì)鋼材提出具有良好的工藝性能要求，主要是考慮在實(shí)際工程中便于加工制作各種工程構(gòu)件和施工。金書緣文化布氏法是利用一定直徑D（mm）的硬質(zhì)鋼球，施以一定的荷載F（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)以試件在常溫下所承受的彎曲程度來(lái)表示，用彎曲角度a、彎心直徑d與試件直徑（或厚度）a的比值來(lái)表征，如圖8-5所示。a角越大、d/a越小，表明試件冷彎性能越好。圖8-5鋼材冷彎規(guī)定彎心直徑金書緣文化1.冷彎性能金書緣文化為鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖，當(dāng)按規(guī)定的彎曲角度a和d/a值對(duì)試件進(jìn)行冷彎時(shí)，試件受彎處不發(fā)生裂縫、斷裂或起層現(xiàn)象，即認(rèn)為鋼材冷彎性能合格。圖8-6鋼材冷彎試驗(yàn)2.焊接性能工程中經(jīng)常需要對(duì)鋼材進(jìn)行連接，焊接是各種型鋼、鋼筋、鋼板等鋼材的主要連接方式。因此，鋼材應(yīng)具有良好的可焊性。焊接是通過(guò)電弧焊或接觸對(duì)焊的方法，將被連接的鋼材進(jìn)行局部加熱，使其接縫部分迅速熔融，冷卻后將其牢固連接起來(lái)。在焊接過(guò)程中，由于高溫作用和焊接后的急劇冷卻作用，焊縫及周圍的過(guò)熱區(qū)（熱影響區(qū)）將發(fā)生晶體組織及結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應(yīng)力，使焊縫周圍的鋼材出現(xiàn)硬脆效應(yīng)。因此，焊接性能良好的鋼材，焊接以后應(yīng)盡可能地保持原有鋼材（母材）的力學(xué)性能。金書緣文化為鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖，當(dāng)按規(guī)定的彎曲角度a和d/a值對(duì)試件進(jìn)鋼材的焊接性能與鋼材的化學(xué)成分及含量有關(guān)。鋼材中硫、硅、錳、釩等雜質(zhì)均會(huì)降低鋼材的可焊性，尤其是硫能使焊縫處出現(xiàn)熱脆并產(chǎn)生裂紋。含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量大于0.30%的碳素鋼，其可焊性變差。對(duì)于高碳鋼和合金鋼，為減輕焊接后的硬脆效應(yīng)，焊接時(shí)一般要采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理等措施。此外，正確的焊接工藝也是提高焊接質(zhì)量的重要措施。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)行冷拉、冷拔或冷軋等冷加工，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，使鋼材的強(qiáng)度和硬度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個(gè)過(guò)程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化處理。土木工程施工現(xiàn)場(chǎng)或預(yù)制構(gòu)件廠常用的冷加工強(qiáng)化處理方法是冷拉和冷拔。冷拉后的熱軋鋼筋，其屈服強(qiáng)度可提高20%～30%，同時(shí)，鋼筋的長(zhǎng)度增加4%～10%，冷拉也是節(jié)約鋼材的一項(xiàng)措施。但鋼筋冷拉后，其伸長(zhǎng)率減小、材質(zhì)變硬。冷拔是將光圓鋼筋在常溫下使其多次通過(guò)比其直徑小0.5～1mm的硬質(zhì)合金拔絲?？椎倪^(guò)程。在拉拔過(guò)程中，使鋼筋受拉的同時(shí)，還受到擠壓作用，經(jīng)過(guò)一次或多次拉拔之后，可使鋼筋的屈服強(qiáng)度提高40%～60%，但冷拔后的鋼筋塑性大大降低，具有硬鋼的性質(zhì)。金書緣文化鋼材的焊接性能與鋼材的化學(xué)成分及含量有關(guān)。鋼材中硫、硅、錳、（2）時(shí)效處理經(jīng)過(guò)冷加工后的鋼筋，在常溫下存放15～20d或加熱至100～200℃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，而塑性及韌性相應(yīng)降低，這種過(guò)程稱為時(shí)效處理。前者稱為自然時(shí)效，后者稱為人工時(shí)效。通常對(duì)強(qiáng)度較低的鋼筋采用自然時(shí)效；對(duì)強(qiáng)度較高的鋼筋采用人工時(shí)效。（三）工程案例【案例8-1】某廠125t吊車在向混鐵爐兌鐵水時(shí)，吊車司機(jī)將主小車升至極限位置，大車對(duì)準(zhǔn)混鐵爐口，將小車向混鐵爐方向移動(dòng)，當(dāng)主小車移動(dòng)1m時(shí)，聽到有異常響聲，同時(shí)整個(gè)吊車開始晃動(dòng)，接著吊車梁中部突然斷裂，下翼緣板、腹板全部撕開；上翼緣與腹板的連接焊縫撕開，長(zhǎng)2.5m；主梁一頭墜地，另一頭懸掛在東橫梁上；兩根副梁端焊縫全部脫焊而墜落；北主梁因橫梁出軌道變形而呈弓形彎曲，但未落地；主小車落地，副小車落地后沖出廠房外約1m。值得慶幸的是，盛有鐵水的鐵水罐坐在地面上未翻倒，沒有發(fā)生更大的次生災(zāi)害。金書緣文化（2）時(shí)效處理金書緣文化原因分析：根據(jù)調(diào)查分析，吊車梁的破壞與使用和設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，其主要原因是由于南側(cè)主梁下翼板距端頭13.1m處發(fā)生的疲勞斷裂，而南側(cè)主梁下翼板的開裂則是由于主梁下翼板與走道板的焊接缺陷引起。疲勞斷裂與焊接裂紋有關(guān)，焊縫缺陷和焊接殘余應(yīng)力引起微裂，并沿著垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展。由于早期沒有發(fā)現(xiàn)，使用中裂紋又有了新的發(fā)展，裂紋從下翼緣板發(fā)展到腹板的相當(dāng)高度，但由于環(huán)境很差，多次檢查仍沒有發(fā)現(xiàn)，甚至在有明顯變形直至斷裂的期間內(nèi)也沒有發(fā)現(xiàn)或注意到。因此，縫缺陷和焊接殘余應(yīng)力是該吊車大梁產(chǎn)生疲勞破壞的主要原因。三、鋼材的化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響鋼材中除了主要化學(xué)成分鐵元素以外，還有少量的碳、硅、錳、硫、磷、氮、氧、鈦、釩、鈮等元素，其中碳元素含量對(duì)鋼材性能的影響最大，其他元素雖然含量相對(duì)較小，但對(duì)鋼材的性能也有明顯影響。1.碳（C）金書緣文化原因分析：金書緣文化圖8-7含碳量對(duì)鋼材性能的影響碳含量的大小對(duì)鋼材的力學(xué)及工藝性能均有較大的影響。如圖8-7所示，當(dāng)含碳量小于0.8%時(shí)，鋼材的強(qiáng)度、硬度隨著含碳量的增加而提高，而塑性、韌性和冷彎性能則隨著含碳量的增加而降低；當(dāng)含碳量在0.8%～1.0%時(shí)，鋼材的硬度繼續(xù)增大，而塑性降低。當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，鋼材的脆性增大，而強(qiáng)度和塑性降低。此外，隨著含碳量的增加，鋼材的焊接性能變差（含碳量大于0.3%時(shí)，鋼材的可焊性顯著下降），冷脆性和時(shí)效敏感性增大，耐大氣銹蝕性下降。一般工程所用低碳鋼含碳量小于0.25%，工程中所用的低合金鋼的含碳量小于0.52%。金書緣文化金書緣文化2.硅（Si）、錳（Mn）硅是鋼筋用鋼的主加合金元素，當(dāng)鋼中的硅含量不大（小于1%）時(shí)，可提高鋼的強(qiáng)度、疲勞極限、耐腐蝕性和抗氧化性，而且對(duì)鋼的塑性及韌性無(wú)明顯影響；當(dāng)鋼中的硅含量較大（大于1%）時(shí)，則會(huì)使鋼變脆，降低可焊性和耐銹蝕性能。硅作為鋼中的有益元素，在碳素鋼和低合金鋼中的含量應(yīng)分別小于0.3%和1.8%。錳是低合金鋼的主加合金元素，在煉鋼時(shí)起脫氧去硫作用。錳含量一般控制在1%～2%，適宜的錳含量，可減小鋼中硫元素所引起的熱脆性，改善鋼材的熱加工性能，同時(shí)提高鋼材的強(qiáng)度和硬度。當(dāng)鋼中錳含量過(guò)高時(shí)，則會(huì)顯著降低鋼的焊接性能。3.硫（S）、磷（P）硫在鋼中以非金屬硫化物（FeS）形式存在，由于FeS的熔點(diǎn)低，在鋼材熱加工或焊接時(shí)，會(huì)增大鋼材的熱脆性，降低鋼材的可焊性、熱加工性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等性能。因此，鋼中的硫元素屬于有害成分，工程用鋼要求硫含量不得超過(guò)0.045%。在常溫下，鋼中的磷含量增加，雖可提高鋼材的強(qiáng)度和耐磨性，但鋼材的塑性和韌性下降顯著，且溫度越低，對(duì)鋼材的塑性和韌性影響越大，使鋼材表現(xiàn)出顯著的冷脆性。另外，磷也會(huì)使鋼材的可焊性顯著降低。因此，磷也是有害成分之一，在低合金鋼中可配合其他合金元素（如銅）作合金元素使用。工程用鋼要求磷含量不得超過(guò)0.045%。金書緣文化2.硅（Si）、錳（Mn）金書緣文化4.氧（O）、氮（N）氧和氮元素均是在煉鋼過(guò)程中帶入的，在鋼中大部分以非金屬化合物的形式存在（如FeO）。這些非金屬化合物會(huì)降低鋼的力學(xué)性能，尤其使鋼材的塑性和韌性顯著降低。鋼中的氧元素可使鋼的熱脆性增加，氮元素可使鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性增加。因此，鋼中的氧和氮也是有害成分，氧含量不得超過(guò)0.03%，氮含量不得超過(guò)0.008%。若在鋼中加入少量的鋁、釩等元素，并使其變?yōu)榈铮蓽p少氮的不利影響，從而得到強(qiáng)度較高的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼。5.鋁（Al）、鈦（Ti）、鈮（Nb）以上元素均是煉鋼時(shí)的強(qiáng)脫氧劑，適量加入鋼內(nèi)，可改善鋼的組織和細(xì)化晶粒，改善鋼的韌性和可焊性，但鋼的塑性會(huì)稍有降低。6.釩（V）釩是弱脫氧劑，加入鋼中可減弱碳和氮的不利影響，有效地提高強(qiáng)度，但有時(shí)也會(huì)增加焊接淬硬傾向。釩也是常用的微量合金元素。四、鋼材冷加工與時(shí)效鋼材在常溫下進(jìn)行冷加工（冷拉、冷拔或冷軋）使其產(chǎn)生塑性變形，使抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高，這個(gè)過(guò)程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化。鋼材冷加工強(qiáng)化的原因是由于鋼材在塑性變形中晶格缺陷增多，發(fā)生畸變，對(duì)進(jìn)一步變形起到阻礙作用。因此，鋼材的屈服點(diǎn)提高，塑性、韌性和彈性模量下降。金書緣文化4.氧（O）、氮（N）金書緣文化圖8-8鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力-應(yīng)變圖的變化在土木工程施工中常對(duì)鋼筋和低碳鋼盤條按一定規(guī)定進(jìn)行冷加工，以達(dá)到提高強(qiáng)度、節(jié)約鋼材的目的。經(jīng)過(guò)冷加工的鋼材經(jīng)時(shí)效后，其強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性逐漸降低，如圖8-8所示。金書緣文化金書緣文化在施工過(guò)程中，常將經(jīng)冷拉或冷拔的鋼筋，在常溫下存放15～20d，或加熱到100～200℃并保持2～3h后，鋼筋強(qiáng)度進(jìn)一步提高，這個(gè)過(guò)程稱為時(shí)效處理。前者稱為自然時(shí)效，后者稱為人工時(shí)效。通常對(duì)強(qiáng)度較低的鋼筋采用自然時(shí)效，強(qiáng)度較高的鋼筋采用人工時(shí)效。冷拉與時(shí)效處理后的鋼筋，在冷拉的同時(shí)還被調(diào)直并清除了銹皮，簡(jiǎn)化了施工工序。在冷加工時(shí)，一般鋼筋嚴(yán)格控制冷拉率，稱為單控。對(duì)于用作預(yù)應(yīng)力的鋼筋，既要控制冷拉率，又要控制冷拉應(yīng)力，稱為雙控。在土木工程中大量使用的鋼筋，同時(shí)采用冷拉與時(shí)效處理可取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，它可使鋼筋的屈服強(qiáng)度提高20%～50%，可節(jié)約鋼材20%～30%。五、土木工程中常用的鋼材土木工程中所用鋼材可分為鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土用鋼兩大類，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、荷載性質(zhì)（動(dòng)荷載或靜荷載）、連接方法（焊接、鉚接或螺栓連接）、溫度條件（正溫或負(fù)溫）等，綜合考慮鋼種或鋼號(hào)、質(zhì)量等級(jí)和脫氧程度等選用，以保證結(jié)構(gòu)的安全。（一）主要鋼種1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合表8-2，力學(xué)性能應(yīng)符合表8-3，冷彎試驗(yàn)應(yīng)符合表8-4的要求。金書緣文化在施工過(guò)程中，常將經(jīng)冷拉或冷拔的鋼筋，在常溫下存放15～20根據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T700-2006）的規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法由代表屈服強(qiáng)度的字母、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)4個(gè)部分按順序組成。代表屈服強(qiáng)的字母以“屈”字的漢語(yǔ)拼音首位字母“Q”代表；質(zhì)量等級(jí)分為A、B、C、D4級(jí)；脫氧方法符號(hào)分為F（為沸騰鋼），Z（為鎮(zhèn)靜鋼），TZ（為特殊鎮(zhèn)靜鋼）。在牌號(hào)表示方法中，“Z”與“TZ”符號(hào)可以省略。例如，Q235-B，表示屈服強(qiáng)度為235MPa（當(dāng)鋼材厚度或直徑<16mm時(shí)），質(zhì)量等級(jí)為B級(jí)的鎮(zhèn)靜碳素結(jié)構(gòu)鋼。金書緣文化根據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T700-2006）的規(guī)定，碳素表8-2碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（GB/T700-2006）金書緣文化表8-2碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（GB/T700-2表8-3碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能（GB/T700-2006）金書緣文化表8-3碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能（GB/T700-20土木工程中主要使用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。由于023s號(hào)鋼材的強(qiáng)度較高，塑性、韌性和加工性能好，時(shí)效敏感性小，可軋制成鋼筋、型鋼、鋼板和鋼管等。Q235-A級(jí)鋼材適用于承受靜載的結(jié)構(gòu)。Q235-C、D級(jí)鋼材可用于重要焊接、沖擊、振動(dòng)和在較低溫度條件下工作的結(jié)構(gòu)。Q195、Q215號(hào)鋼材的強(qiáng)度低，塑性、韌性和冷加工性能好，可制作鋼釘、鉚釘和鐵絲等。Q275號(hào)鋼材的強(qiáng)度高，塑性、韌性和可焊性差，可用于螺栓、工具等。知識(shí)要點(diǎn)提醒碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235中D級(jí)鋼的綜合性能優(yōu)于A級(jí)鋼；碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能一般包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和沖擊韌性四個(gè)指標(biāo)。2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T699-1999）的規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)用兩位數(shù)字表示，它表示平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)。含錳較高時(shí)，在鋼號(hào)后加注“Mn”。在優(yōu)質(zhì)碳素鋼中，只有3個(gè)鋼號(hào)屬沸騰鋼，應(yīng)在鋼號(hào)后加注“F”，其余均為鎮(zhèn)靜鋼。例如，45Mn即表示含碳量為0.42%～0.50%，含錳量0.70%～1.00%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼用平爐、氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧爐冶煉，脫氧程度大部分為鎮(zhèn)靜狀態(tài)，質(zhì)量較穩(wěn)定。在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)硫、磷等有害雜質(zhì)控制較嚴(yán)（S≤0.035%，P≤0.035%），其性能主要取決于含碳量，含碳量高則強(qiáng)度高；但塑性和韌性下降。金書緣文化土木工程中主要使用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼。由于023s號(hào)鋼材的強(qiáng)在土木工程中，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件及高強(qiáng)螺栓，常用30～45號(hào)鋼。在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中用于制作錨具的常用45號(hào)鋼。碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線常用65～80號(hào)鋼。3.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在碳素結(jié)構(gòu)鋼中加入總量小于5%的合金元素即得低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。主要合金元素有錳、硅、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素等。根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-2008）的規(guī)定，低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)的表示方法由屈服點(diǎn)的漢語(yǔ)拼音字母“Q”，屈服點(diǎn)的數(shù)值MPa，質(zhì)量等級(jí)A、B、C、D、E五級(jí)表示。低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分見表8-4，力學(xué)性能應(yīng)符合表8-5～表8-7的要求。金書緣文化在土木工程中，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件及高強(qiáng)螺表8-4低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（GB/T1591-2008）金書緣文化表8-4低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（GB/T15金書緣文化金書緣文化金書緣文化金書緣文化表8-6鋼材沖擊韌性金書緣文化表8-6鋼材沖擊韌性金書緣文化表8-7彎曲試驗(yàn)由于合金元素的作用，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼不但具有較高的強(qiáng)度，而且也具有較好的塑性、韌性和可焊性，是土木工程中較為理想的鋼材。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相比強(qiáng)度高，自重輕，塑性、韌性、可焊性好，抗沖擊性強(qiáng)，耐低溫和腐蝕。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼主要用于軋制型鋼、鋼板、鋼管及鋼筋，特別適用于重型、大跨度、高層結(jié)構(gòu)和橋梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)中。金書緣文化表8-7彎曲試驗(yàn)金書緣文化（二）鋼筋混凝土用鋼材1.熱軋光圓、帶肋鋼筋熱軋鋼筋是土木工程中用量最大的鋼材品種之一，主要用于鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土。根據(jù)《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》（GB1499.1-2008）和《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2007）的規(guī)定，熱軋鋼筋的表面形狀有兩類：光圓鋼筋和帶肋鋼筋。帶肋鋼筋如圖8-9所示，其鋼筋的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、伸長(zhǎng)率σ5、冷彎性等力學(xué)性能特征值應(yīng)符合表8-8的規(guī)定。圖8-9帶肋鋼筋金書緣文化（二）鋼筋混凝土用鋼材金書緣文化表8-8熱軋鋼筋的力學(xué)性能HPB235是用碳素結(jié)構(gòu)鋼軋制而成的光圓鋼筋。其強(qiáng)度低，但塑性、韌性和工藝性能好，廣泛用于普通鋼筋混凝土的主要受力鋼筋、構(gòu)造筋和箍筋等。HRB335和HRB400是用低合金鎮(zhèn)靜鋼軋制而成的帶肋鋼筋。其強(qiáng)度高，塑性和可焊性較好，與混凝土的黏結(jié)力強(qiáng)，廣泛用于大中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。經(jīng)冷拉后，其可用做預(yù)應(yīng)力鋼筋。金書緣文化表8-8熱軋鋼筋的力學(xué)性能金書緣文化HRB500是用中碳低合金鋼軋制而成的帶肋鋼筋。其質(zhì)量好、強(qiáng)度高，在提高強(qiáng)度的同時(shí)可保證塑性和韌性。但其焊接性較差，主要用做預(yù)應(yīng)力鋼筋。如需焊接，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)暮附臃椒ê秃负鬅崽幚砉に?，以保證焊接接頭及其熱影響區(qū)不產(chǎn)生淬硬組織，不發(fā)生脆性斷裂。土木工程中用低合金鋼主要有20MnSi、20MnNb、20MnSiV、20MnSiTi、25MnSi、40Si2MnV、45SiMnV、45Si2MnTi。注意：若合金元素后未附數(shù)字，表示平均含量在1.5%以下，若附有“2”的數(shù)字，表示平均含量在1.5%～2.5%。2.冷軋帶肋鋼筋根據(jù)《冷軋帶肋鋼筋》（GB13788-2008）的規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤條經(jīng)冷軋后，在其表面帶有沿長(zhǎng)度方向均勻分布的三面或兩面橫肋的鋼筋。冷軋帶肋鋼筋的牌號(hào)由“CRB”和鋼筋的抗拉強(qiáng)度最小值構(gòu)成，分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個(gè)牌號(hào)。CRB550鋼筋的公稱直徑范圍為4～12mm，CRB650及以上牌號(hào)鋼筋的公稱直徑為4mm、5mm、6mm。CRB550為普通鋼筋混凝土用鋼筋，其他牌號(hào)為預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋。冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表8-9的規(guī)定。當(dāng)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，受彎曲部位表面不得產(chǎn)生裂紋。反復(fù)彎曲試驗(yàn)的彎曲半徑應(yīng)符合表8-9的規(guī)定。金書緣文化HRB500是用中碳低合金鋼軋制而成的帶肋鋼筋。其質(zhì)量好、強(qiáng)表8-9冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能3.預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋是一種熱軋成帶有不連續(xù)外螺紋的直條鋼筋，在鋼筋的任意截面處，均可用帶有匹配形狀的內(nèi)螺紋的連接器或錨具進(jìn)行連接或錨固。公稱直徑有18mm、25mm、32mm、40mm和50mm等規(guī)格，強(qiáng)度等級(jí)分PSB785、PSB830、PSB930和PSB1080四級(jí)。鋼筋以熱軋狀態(tài)、軋后余熱處理狀態(tài)或熱處理狀態(tài)按直條供貨。金書緣文化表8-9冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能金書緣文化根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》（GB/T5223-2002）的規(guī)定，按加工狀態(tài)可分為冷拉鋼絲（WCD）和消除應(yīng)力鋼絲，消除應(yīng)力鋼絲按松弛性能又分為低松弛級(jí)鋼絲（WLR）和普通松弛級(jí)鋼絲（WNR）。鋼絲按外形可分為光圓（P）、螺旋肋（H）、刻痕（I）三種。冷拉鋼絲是用盤條通過(guò)拔絲模或軋輥經(jīng)冷加工而成產(chǎn)品，以盤卷供貨。低松弛級(jí)鋼絲是鋼絲在塑性變形下（軸應(yīng)變）進(jìn)行的短時(shí)熱處理得到的。普通松弛級(jí)鋼絲是鋼絲通過(guò)矯直工序后在適當(dāng)溫度下進(jìn)行的短時(shí)熱處理得到的。螺旋肋鋼絲的表面沿長(zhǎng)度方向具有規(guī)則間隔的肋條?？毯垆摻z的表面沿長(zhǎng)度方向具有規(guī)則間隔的壓痕。預(yù)應(yīng)力混凝土內(nèi)鋼絲的強(qiáng)度高、柔性好、無(wú)接頭，適用于大跨度屋架、大跨度吊車梁、橋梁、電桿、軌枕等預(yù)應(yīng)力混凝土工程。經(jīng)低溫回火消除應(yīng)力的鋼絲塑性好，經(jīng)刻痕的鋼絲與混凝土的握裹力大，故可節(jié)約鋼材，且施工方便，安全可靠，但成本較高。其預(yù)應(yīng)力混凝土用冷拔低碳鋼絲的力學(xué)性能見表8-10。金書緣文化根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲》（GB/T5223-2002）的表8-10預(yù)應(yīng)力混凝土用冷拔鋼絲的力學(xué)性能根據(jù)《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）的規(guī)定，鋼絞線按結(jié)構(gòu)分為5類，其代號(hào)為1×2、1×3、1×31、1×7、（1×7）C，它們分別表示用2根鋼絲捻制的鋼絞線、用3根鋼絲捻制的鋼絞線、用3根刻痕鋼絲捻制的鋼絞線、用7根鋼絲捻制的標(biāo)準(zhǔn)型鋼絞線、用7根鋼絲捻制又經(jīng)模拔的鋼絞線。（三）鋼結(jié)構(gòu)用鋼材在鋼結(jié)構(gòu)中常使用各種規(guī)格和型號(hào)的型鋼，構(gòu)件之間可直接連接或附以鋼板進(jìn)行連接。連接方式可鉚接、螺栓連接或焊接。鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要是型鋼、鋼板和鋼管。1.熱軋型鋼根據(jù)《熱軋型鋼》（GB/T706-2008）和《熱軋H型鋼和部分T型鋼》（GB/T11263-2005），常用的熱軋型鋼有等邊角鋼、不等邊角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼、L型鋼、H型鋼等。型鋼以熱軋狀態(tài)按理論質(zhì)量交貨（理論質(zhì)量密度為7.85g/cm3），經(jīng)供需雙方協(xié)商并在合同中注明，也可按實(shí)際質(zhì)量交貨。金書緣文化表8-10預(yù)應(yīng)力混凝土用冷拔鋼絲的力學(xué)性能金書緣文碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A制成的熱軋型鋼，強(qiáng)度適中，塑性和可焊性較好，冶煉容易，成本低，適用于土木工程中的各種鋼結(jié)構(gòu)。低合金鋼Q345和Q390制成的熱軋型鋼性能較前者好，適用于大跨度、承受動(dòng)載的鋼結(jié)構(gòu)。2.冷彎型鋼冷彎型鋼是用冷加工變形的冷軋或熱軋鋼板和鋼帶在連續(xù)輥式冷彎?rùn)C(jī)組上生產(chǎn)而成。土木工程中常用冷彎型鋼的厚度為2～6mm。冷彎型鋼按截面形狀分為等邊或不等邊角鋼、等邊或不等邊槽鋼、內(nèi)或外卷邊槽鋼、Z型鋼、圓形空心型鋼、方形空心型鋼、矩形空心型鋼、異形空心型鋼等。另外，建筑用壓型鋼板是另一種形式的冷彎型鋼。其具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工快、外形美觀等特點(diǎn)，主要用于維護(hù)結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。冷彎型鋼由于壁薄、性能優(yōu)良，因此可節(jié)約材料、降低成本，常用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。3.鋼板、鋼帶和鋼管鋼板、鋼帶是用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼軋制而成的扁平鋼材。以平板狀態(tài)供貨的稱鋼板，以卷狀供貨的稱鋼帶。厚度>4mm以上的為厚板，厚度≤4mm的為薄板。熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼厚板是鋼結(jié)構(gòu)的主要用材。薄板用于屋面、墻面或壓型板的原料。低合金厚板用于重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁和高壓容器等。土木工程常用鋼管有無(wú)縫鋼管和焊接鋼管。金書緣文化碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A制成的熱軋型鋼，強(qiáng)度適中，塑性和可焊性六、鋼材的腐蝕與防護(hù)（一）鋼材腐蝕原因鋼材的腐蝕是指鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用而引起的破壞現(xiàn)象。鋼材的腐蝕會(huì)使鋼材的有效截面積減小，局部產(chǎn)生銹坑，并引起應(yīng)力集中，從而降低鋼材的強(qiáng)度。對(duì)于鋼筋混凝土，鋼筋腐蝕膨脹易使混凝土脹裂，削弱混凝土對(duì)鋼筋的握裹力。在沖擊和交變荷載作用下，則產(chǎn)生腐蝕疲勞現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)脆性斷裂。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，鋼材的腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。鋼材在大氣中的腐蝕，實(shí)際上是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕共同作用所致，以電化學(xué)腐蝕為主。化學(xué)腐蝕是指鋼材與周圍介質(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現(xiàn)象。化學(xué)腐蝕在干燥環(huán)境中的速度緩慢，但在干濕交替的情況下腐蝕速度則大大加快。電化學(xué)腐蝕是指鋼材與電解質(zhì)溶液接觸形成微電池而產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。鋼材在潮濕的環(huán)境中，其表面會(huì)被一層電解質(zhì)水膜覆蓋，由于鋼材中的鐵、碳及雜質(zhì)成分的電極電位不同，當(dāng)有電解質(zhì)溶液（如水）存在時(shí)，就在鋼材表面形成許多局部微電池。在陽(yáng)極區(qū)，鐵被氧化成Fe2+離子進(jìn)入水膜。在陰極區(qū)，溶于水膜中的氧被還原為OH-離子。隨后二者結(jié)合生成不溶于水的Fe（OH）2，并進(jìn)一步氧化成為疏松的紅色鐵銹Fe（OH）3。金書緣文化六、鋼材的腐蝕與防護(hù)金書緣文化（二）鋼材的防護(hù)鋼材的腐蝕原因既有其成分與材質(zhì)等方面的內(nèi)在因素，又有環(huán)境介質(zhì)的外部作用與影響。在鋼中加入少量的銅、鉻、鎳等合金元素，可制成耐腐蝕性較強(qiáng)的耐候鋼（不銹鋼）。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)用型鋼和混凝土用鋼筋，防止鋼材腐蝕應(yīng)從隔離環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)和改變鋼材表面的電化學(xué)等過(guò)程等方面，選擇有效措施予以防護(hù)。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)用型鋼的防銹，主要采用在鋼材表面涂覆耐腐蝕性好的金屬（鍍鋅、鍍錫、鍍銅和鍍鉻等）和刷漆的方法，來(lái)提高鋼材的耐腐蝕能力。表面刷漆分為底漆、中間漆和面漆等工序。底漆要求有比較好的附著力，中間漆為防銹漆，面漆要求有較好的牢固度和耐候性。使用時(shí)，應(yīng)注意鋼構(gòu)件表面的除銹以及底漆、中間漆和面漆的匹配。對(duì)于混凝土用鋼筋的防銹，主要是提高混凝土的密實(shí)度，保證鋼筋外側(cè)混凝土保護(hù)層的厚度，限制氯鹽外加劑的摻加量。此外，采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋或鍍鋅鋼筋也是有效的防銹措施。任務(wù)二鋁合金及制品本任務(wù)主要學(xué)習(xí)鋁合金的相關(guān)知識(shí)，包括鋁合金、鋁合金門窗、鋁合金裝飾板及吊頂?shù)葍?nèi)容。金書緣文化（二）鋼材的防護(hù)金書緣文化鋁合金近年來(lái)在建筑裝修領(lǐng)域中，廣泛用作門窗和室內(nèi)裝修、裝飾，有優(yōu)良的建筑功能及獨(dú)特的裝飾效果。銅、鋁及其合金由于具有質(zhì)量輕、可裝配化生產(chǎn)等特點(diǎn)，在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用也很廣泛。一、鋁合金鋁為銀白色輕金屬，純鋁的密度為2.7g／cm3，約為鋼的1/3。鋁的性質(zhì)活潑，在空氣中能與氧結(jié)合形成致密堅(jiān)固的氧化鋁薄膜，覆蓋在下層金屬表面，阻止其繼續(xù)腐蝕。因此，鋁在大氣中有良好的抗腐蝕能力。由于純鋁的強(qiáng)度低而限制了它的應(yīng)用范圍，工業(yè)生產(chǎn)中常采用合金化的方式，即在鋁中加入一定量的合金元素，如銅、鎂、錳、鋅和硅等來(lái)提高強(qiáng)度和耐腐蝕性。鋁合金由于一般力學(xué)性能明顯提高并仍保持鋁質(zhì)量輕的固有特性，所以使用價(jià)值也大為提高，在建筑裝飾中得到廣泛的應(yīng)用。常用的鋁合金有防銹鋁合金（LF）、硬鋁合金（LY）、超硬鋁合金（LC）和鍛鋁合金（LD）。防銹鋁合金中主要的合金元素是錳和鎂。錳的主要作用是提高合金的抗腐蝕能力，起到固溶強(qiáng)化作用。在鋁中加入鎂也可以起到固溶強(qiáng)化作用。硬鋁合金主要是鋁銅鎂合金，這類合金的強(qiáng)度高但其抗腐蝕性差。超硬鋁合金抗腐蝕性差，在高溫下軟化快。鍛鋁合金在鋁中加入了鎂、硅及銅等元素，這類合金具有良好的熱塑性并有較好的機(jī)械性能，常用來(lái)制造建筑型材。金書緣文化鋁合金近年來(lái)在建筑裝修領(lǐng)域中，廣泛用作門窗和室內(nèi)裝修、裝飾，二、鋁合金門窗在現(xiàn)代建筑裝飾工程中，盡管鋁合金門窗比普通門窗的造價(jià)高3～4倍，但由于其具有長(zhǎng)期維修費(fèi)用低、性能好、美觀和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，故在世界范圍內(nèi)仍得到廣泛應(yīng)用。與普通木門窗、鋼門窗相比，鋁合金門窗具有如下特點(diǎn)。1.質(zhì)量輕鋁合金門窗用材省、質(zhì)量輕，每平方米耗用鋁型材平均為8～12kg，比用鋼、木門窗的質(zhì)量減輕50%左右。2.性能好如氣密性、水密性、隔聲性、隔熱性均比普通門窗好，故對(duì)安裝空調(diào)設(shè)備的建筑，相對(duì)防塵、隔聲、保溫隔熱等有特殊要求的建筑，更適宜采用鋁合金門窗。3.色澤美觀制作鋁合金門窗框料的型材，表面可經(jīng)過(guò)氧化著色處理，可著銀白色、古銅色、暗紅色、黑色等柔和的顏色或帶色的花紋，還可以涂裝聚丙烯酸樹脂膜，使其表面光亮，增加了建筑物的立面和內(nèi)部的美觀。4.使用維修方便鋁合金門窗不需要涂漆，不褪色、不脫落，表面不需要維修。鋁合金門窗強(qiáng)度較高、剛性好、堅(jiān)固耐用、零部件經(jīng)久不壞、開關(guān)靈活輕便、無(wú)噪聲。金書緣文化二、鋁合金門窗金書緣文化5.便于工業(yè)化生產(chǎn)鋁合金門窗的加工、制作、裝配、試驗(yàn)都可在工廠進(jìn)行大批量工業(yè)化生產(chǎn)。有利于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、零配件通用化以及產(chǎn)品的商品化。三、鋁合金裝飾板及吊頂鋁合金裝飾板是現(xiàn)代較為流行的建筑裝飾板材，具有質(zhì)量輕、不燃燒、耐久性好、施工方便、裝飾效果好等特點(diǎn)。在裝飾工程中用得較多的鋁合金板材有以下幾種。1.鋁合金花紋板及淺紋板是采用防銹鋁合金材料，用特殊的花紋機(jī)輥軋而成的?；y美觀大方、筋高適中、不易磨損、防滑性好、防腐蝕性能強(qiáng)、便于沖洗，通過(guò)表面處理可以得到各種不同的顏色，花紋板板材平整、裁剪尺寸精確、便于安裝。廣泛用于現(xiàn)代建筑墻面裝飾及樓梯、踏板等處。鋁合金淺花紋板，其花紋精巧別致，色澤美觀大方，同普通鋁合金相比，剛度提高20%，抗污垢、防劃傷、耐擦傷能力均有提高，是優(yōu)良的建筑裝飾材料之一。2.鋁合金壓型板它的特點(diǎn)是質(zhì)量輕、外形美觀、耐腐蝕、經(jīng)久耐用、安裝容易和施工快速等，經(jīng)表面處理可得到各種優(yōu)美的色彩，是現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的一種新型建筑材料。主要用作墻面和屋面。金書緣文化5.便于工業(yè)化生產(chǎn)金書緣文化3.鋁合金穿孔平板它是用各種鋁合金平板經(jīng)機(jī)械穿孔而成的。根據(jù)需要孔型有圓孔、方孔、長(zhǎng)方孔、三角孔和大小組合孔等。是近年來(lái)開發(fā)的一種吸聲并兼有裝飾效果的新產(chǎn)品。鋁合金穿孔板具有良好的防腐蝕性能，光潔度高，有一定的強(qiáng)度，易加工成各種形狀、尺寸，有良好的防震、防水、防火性能及良好的消音效果，廣泛用于賓館、飯店、劇場(chǎng)、影院、播音室等公共建筑和中高級(jí)民用建筑中。4.鋁合金波紋板這種板材有銀白色等多種顏色，主要用于墻面裝飾，也可用作屋面，有很強(qiáng)的反射陽(yáng)光的能力，且十分經(jīng)久耐用，在大氣中使用20年不需要更換。更換拆卸下來(lái)的花紋板仍可使用，因此得到了廣泛應(yīng)用。5.鋁合金吊頂具有質(zhì)量輕、不燃燒、耐腐蝕、施工方便和裝飾華麗等特點(diǎn)。能力訓(xùn)練1.填空題（1）在煉鋼過(guò)程中，由于脫氧程度不同，鋼材一般可分為

。（2）吊車梁和橋梁選用鋼材的一般原則是

。（3）評(píng)定鋼材冷彎性能的指標(biāo)有

。金書緣文化3.鋁合金穿孔平板金書緣文化（4）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)直接承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用的鋼材為

。（5）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，低碳鋼作為設(shè)計(jì)計(jì)算取值的依據(jù)是

。（6）鋼材冷加工的目的是

。（7）鋼材焊接質(zhì)量主要取決于

。（8）對(duì)于鋼材而言，有害元素一般包括

。（9）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼分為A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)的主要依據(jù)是

。（10）低碳鋼在受拉過(guò)程中經(jīng)歷的四個(gè)階段是

。（11）表示鋼材冷彎性能的指標(biāo)一般包括

。（12）鋼筋混凝土用鋼材一般包括

。（13）冷軋帶肋鋼筋的牌號(hào)分為

。（14）熱軋帶肋鋼筋的牌號(hào)分為

。（15）預(yù)應(yīng)力混凝土用的螺紋鋼筋強(qiáng)度等級(jí)分為

。（16）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按加工狀態(tài)可分為

。（17）鋼結(jié)構(gòu)中常使用的連接方式有

。（18）土木工程中主要用的四種變形鋁合金是

。2.判斷題（1）與沸騰鋼比較，鎮(zhèn)靜鋼的沖擊韌性和焊接性較差，特別是低溫沖擊韌性的降低更為顯著。（）金書緣文化（4）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)直接承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)選用的鋼材為（2）鋼筋同時(shí)取樣做拉伸試驗(yàn)時(shí)，其伸長(zhǎng)率810>8s。（）（3）鋼筋冷拉后可提高其屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，而時(shí)效只能提高其屈服點(diǎn)。（）（4）鋼材中含磷較多呈熱脆性，含硫較多呈冷脆性。（）（5）鋼材中沖擊韌性ak值越大，表示鋼材抵抗沖擊荷載的能力越低。（）（6）在鋼材設(shè)計(jì)時(shí)，屈服點(diǎn)是確定鋼材容許應(yīng)力的主要依據(jù)。（）（7）鋼材屈強(qiáng)比越大，表示結(jié)構(gòu)使用安全度越高。（）（8）δs是表示鋼筋拉伸至變形達(dá)5%時(shí)的伸長(zhǎng)率。（）（9）鋼筋進(jìn)行冷拉處理是為了提高其加工性能。（）（10）碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)越大，表示其強(qiáng)度越高，塑性越好。（）（11）對(duì)于大跨度、重負(fù)荷的后張法預(yù)應(yīng)力屋架、薄腹梁、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)一般優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力鋼筋。（）3.問(wèn)答題（1）鋼材與生鐵在化學(xué)成分上有何區(qū)別？鋼材按化學(xué)成分不同可分為哪幾種？土木工程中常用哪幾種鋼材？（2）含碳量對(duì)鋼材各技術(shù)性能有何影響？（3）什么是鋼材的屈強(qiáng)比？其大小對(duì)使用性能有什么影響？（4）鋼材的冷加工對(duì)性能有什么影響？什么是自然時(shí)效和人工時(shí)效？金書緣文化（2）鋼筋同時(shí)取樣做拉伸試驗(yàn)時(shí)，其伸長(zhǎng)率810>8s。（（5）低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼有哪些不同？（6）解釋Q235-C與Q390-D符號(hào)的含義？（7）熱軋鋼筋各等級(jí)符號(hào)的含義是什么？試述各鋼筋的用途。（8）對(duì)于有沖擊、震動(dòng)荷載和在低溫下工作的結(jié)構(gòu)應(yīng)采用什么鋼材？（9）解釋產(chǎn)品標(biāo)記為預(yù)應(yīng)力鋼絞線1×7-15.20-1860-GB/T5224-2003的含義？（10）鋁合金是如何分類的？試述鋁合金在建筑上的主要用途？4.計(jì)算題從新進(jìn)貨的一批熱軋鋼筋中抽樣，截取兩根做拉伸試驗(yàn)，測(cè)得結(jié)果如下：屈服下限荷載分別為53.5kN和54.6kN；抗拉極限荷載分別為72.2kN和71.8kN；鋼筋公稱直徑為16mm，標(biāo)距為80mm，拉斷時(shí)長(zhǎng)度分別為92.6mm和91.5mm。試評(píng)定該鋼筋的級(jí)別，其強(qiáng)度利用率和結(jié)構(gòu)安全度如何？項(xiàng)目自測(cè)金書緣文化（5）低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼有哪些不同？金書緣文化土木工程材料——項(xiàng)目八金屬材料土木工程材料——項(xiàng)目八金屬材料金屬材料金屬材料任務(wù)一建筑鋼材任務(wù)二鋁合金及制品任務(wù)一建筑鋼材能力目標(biāo)熟悉鋼材的分類掌握鋼材的主要技術(shù)性能重點(diǎn)掌握鋼材的拉伸性能熟悉鋼材的化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響掌握鋼材冷加工及時(shí)效案例索引1951年1月31日，加拿大魁北克鋼橋突然斷裂，其中3跨墜入河中，當(dāng)時(shí)氣溫為-35℃。比利時(shí)在1938～1950年期間，有17座橋梁發(fā)生脆斷，其中有9起事故發(fā)生在-40～-14℃的低溫下。鋼材具有低溫“冷脆性”，在負(fù)溫下使用的鋼材應(yīng)經(jīng)沖擊韌性檢驗(yàn)合格后方可使用。任務(wù)驅(qū)動(dòng)任務(wù)一建筑鋼材任務(wù)導(dǎo)航任務(wù)主要學(xué)習(xí)建筑鋼材的相關(guān)知識(shí)，包括鋼材的分類、主要技術(shù)性能、化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響、鋼材冷加工與時(shí)效、常用鋼材以及鋼材的腐蝕與防護(hù)等內(nèi)容。金書緣文化能力目標(biāo)金書緣文化金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指以鐵元素為主要成分的金屬及其合金，如鋼和生鐵。有色金屬是指黑色金屬以外的金屬，如鋁、銅、鉛、鋅等金屬及其合金。土木工程中應(yīng)用的金屬材料主要有建筑鋼材和鋁合金兩種。建筑鋼材是指用于工程建設(shè)的各種鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的各種型鋼（圓鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼），鋼板，鋼筋混凝土用的各種鋼筋、鋼絲和鋼絞線。除此之外，還包括用作門窗和建筑五金等的鋼材。建筑鋼材強(qiáng)度高、品質(zhì)均勻，具有一定的彈性和塑性變形能力，能承受沖擊振動(dòng)荷載。鋼材還具有很好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，裝配施工方便。建筑鋼材廣泛用于大跨度結(jié)構(gòu)、多層及高層建筑、受動(dòng)力荷載結(jié)構(gòu)和重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，廣泛用于鋼筋混凝土之中，因此建筑鋼材是最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。鋼材的缺點(diǎn)是容易生銹、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差。一、鋼材的分類鋼的分類方法很多，目前的分類方法主要有下面幾種。（一）按化學(xué)成分分類1.碳素鋼碳素鋼含碳量為0.02%～2.06%，按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量<0.25%）、中碳鋼（含碳量為0.25%～0.6%）、高碳鋼（含碳量>0.6%）。金書緣文化金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指以鐵元素為在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。2.合金鋼合金鋼可以分為低合金鋼（合金元素總量<5%）、中合金鋼（合金元素總量為5%～10%）、高合金鋼（合金元素總量>10%）。建筑上常用低合金鋼。（二）按有害雜質(zhì)的含量分類（1）普通鋼。硫含量≤0.050%，磷含量≤0.045%。（2）優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.035%，磷含量≤0.035%。（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.025%。（4）特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.015%。建筑中常用普通鋼，有時(shí)也用優(yōu)質(zhì)鋼。（三）根據(jù)冶煉時(shí)的脫氧程度分類1.沸騰鋼煉鋼時(shí)加入錳鐵進(jìn)行脫氧，脫氧很不完全，故稱沸騰鋼，代號(hào)為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，雜質(zhì)和夾雜物多，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高，可廣泛用于一般的建筑工程。金書緣文化在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。金書緣文化2.鎮(zhèn)靜鋼煉鋼時(shí)一般采用硅鐵、錳鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧充分，這種鋼水鑄錠時(shí)能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，基本無(wú)CO氣泡產(chǎn)生，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號(hào)為“Z”（亦可省略不寫）。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。3.特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好。適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程，代號(hào)為“TZ”（亦可省略不寫）。4.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”。（四）根據(jù)用途分類1.結(jié)構(gòu)鋼主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。2.工具鋼主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。3.特殊鋼具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。建筑上常用的是結(jié)構(gòu)鋼。金書緣文化2.鎮(zhèn)靜鋼金書緣文化二、鋼材的主要技術(shù)性能鋼材作為重要的工程結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和工藝性能。（一）鋼材的力學(xué)性能1.抗拉性能抗拉性能是鋼材的主要技術(shù)性質(zhì)，通過(guò)低碳鋼軸向拉伸的應(yīng)力（a）-應(yīng)變（e）曲線，如圖8-1所示，可以了解鋼材抗拉性能的特征指標(biāo)和變化規(guī)律。低碳鋼拉伸過(guò)程分為四個(gè)階段。圖8-1低碳鋼拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線金書緣文化二、鋼材的主要技術(shù)性能金書緣文化（1）彈性階段（OA段）在OA范圍內(nèi)，試樣受力時(shí)發(fā)生變形，應(yīng)力和應(yīng)變成比例增加，OA是一條直線段，卸除拉力后變形完全恢復(fù)，此性質(zhì)稱為彈性。應(yīng)力（σ）與應(yīng)變（ε）保持直線關(guān)系時(shí)的最大應(yīng)力稱為彈性極限，即A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，用σp表示。在彈性范圍內(nèi)，鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值為常數(shù)，該常數(shù)稱為彈性模量，用E表示：彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力，它是計(jì)算鋼材在受力條件下結(jié)構(gòu)變形能力的重要指標(biāo)，其值越大，在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形越小。土木工程中常用低碳鋼的彈性模量為2.0×105～2.1×105MPa，彈性極限為180～200MPa。（2）屈服階段（AB段）金書緣文化（1）彈性階段（OA段）金書緣文化當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)，應(yīng)變?cè)黾雍芸?，而?yīng)力基本不變，這種現(xiàn)象稱為屈服。此時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例變化，試件開始出現(xiàn)塑性變形，應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)擺動(dòng)，擺動(dòng)的最大應(yīng)力與最小應(yīng)力分別稱為屈服上限和屈服下限。由于屈服下限數(shù)值較為穩(wěn)定，容易測(cè)試，所以規(guī)范規(guī)定以屈服下限的應(yīng)力值定義為鋼材的屈服強(qiáng)度，用σS表示。屈服強(qiáng)度是鋼材開始喪失對(duì)變形抵抗的能力。當(dāng)受力大于屈服強(qiáng)度后，鋼材將出現(xiàn)不可恢復(fù)的永久變形，雖未破壞但已不能滿足使用要求，因此，屈服強(qiáng)度是鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值的依據(jù)和工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中的重要技術(shù)參數(shù)。（3）強(qiáng)化階段（BC段）當(dāng)載荷超過(guò)屈服強(qiáng)度以后，試件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗塑性變形的能力重新得到提高，此階段稱為強(qiáng)化。對(duì)應(yīng)于曲線最高點(diǎn)（C點(diǎn)）的應(yīng)力是鋼材受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示，抗拉強(qiáng)度不能直接作為工程設(shè)計(jì)時(shí)的計(jì)算依據(jù)。鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比（σs/σb）稱為屈強(qiáng)比，它能反映鋼材的利用率和結(jié)構(gòu)的安全可靠度。屈強(qiáng)比越小，延緩結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程的潛力越大，結(jié)構(gòu)的安全可靠度越高。如果屈強(qiáng)比過(guò)小，則鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，造成鋼材浪費(fèi)。碳素鋼合理的屈強(qiáng)比一般為0.58～0.63；合金鋼合理的屈強(qiáng)比一般為0.65～0.75。金書緣文化當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過(guò)彈性極限時(shí)，應(yīng)變?cè)黾雍芸?，而?yīng)力基本（4）頸縮階段（CD段）當(dāng)鋼材強(qiáng)化達(dá)到最高點(diǎn)后，試件局部截面將急劇縮小，呈杯狀變細(xì)，此現(xiàn)象稱為頸縮。由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增大，直至試件斷裂。常用斷后伸長(zhǎng)率、最大力總伸長(zhǎng)率和斷面收縮率來(lái)表征鋼材的塑性變形能力。圖8-2鋼材拉伸試件金書緣文化（4）頸縮階段（CD段）金書緣文化斷后伸長(zhǎng)率是指試件拉斷后，試件標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)量占原始標(biāo)距的百分率，它是衡量鋼材塑性的重要技術(shù)指標(biāo)，用δn表示。鋼材拉伸試件如圖8-2所示。式中δn——伸長(zhǎng)率（%），n為長(zhǎng)或短試件的標(biāo)識(shí)，n=10或n=5；Lo——試件原始標(biāo)距長(zhǎng)度（mm）；L1——試件拉斷后標(biāo)距部分的長(zhǎng)度（mm）。圖8-3硬鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線金書緣文化斷后伸長(zhǎng)率是指試件拉斷后，試件標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)量占原始標(biāo)距的百分鋼材在拉伸時(shí)產(chǎn)生的塑性變形主要集中在試件的頸縮處，試件原始標(biāo)距Lo與試件直徑do之比愈大，頸縮處的伸長(zhǎng)量在總伸長(zhǎng)值中所占的比例愈小，計(jì)算所得的伸長(zhǎng)率也愈小。通常采用標(biāo)距與直徑尺寸關(guān)系為L(zhǎng)o＝5do和Lo=10do的兩種標(biāo)準(zhǔn)比例試件，所得到的斷后伸長(zhǎng)率分別用δs和8δ10表示。對(duì)同一種材料試件，δ5>δ10。工程中把斷后伸長(zhǎng)率δn≥5%的材料稱為塑性材料，伸長(zhǎng)率δn<5%的材料稱為脆性材料。對(duì)硬鋼（高碳鋼、中碳鋼）來(lái)講，其拉伸曲線與低碳鋼不同，屈服現(xiàn)象不明顯，屈服點(diǎn)難以測(cè)定，為便于應(yīng)用，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，也稱為條件屈服點(diǎn)，用σ0.2表示，如圖8-3所示。斷后伸長(zhǎng)率實(shí)際上只反映了試件頸縮斷口區(qū)域的殘余變形，對(duì)試件頸縮出現(xiàn)之前整體的平均變形及彈性變形情況則不能予以表征，這與試件在拉斷時(shí)應(yīng)變狀態(tài)下的變形相差較大，且不同鋼材的頸縮特征存在差異，端口拼接也有誤差，較難真實(shí)地反映試件的拉伸變形特性。因此，可用試件在最大力時(shí)的總伸長(zhǎng)率來(lái)表示鋼材的拉伸變形指標(biāo)，按下式計(jì)算：金書緣文化鋼材在拉伸時(shí)產(chǎn)生的塑性變形主要集中在試件的頸縮處，試件原始標(biāo)式中δgt——最大力總伸長(zhǎng)率（%）；L——試件拉斷后測(cè)量區(qū)標(biāo)記間的距離（mm）；Lo——試驗(yàn)前測(cè)量區(qū)標(biāo)記間的距離（mm）；σb——試件的抗拉強(qiáng)度（MPa）；E——鋼材的彈性模量。斷面收縮率是指試件拉斷后，縮頸處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分率，用φ表示：式中φ——斷面收縮率（%）；A0——試件原始橫截面積（mm2）；A1——縮頸處最小橫截面積（mm2）。2.沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用下的塑性變形和斷裂能力。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件的沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，以試件沖斷時(shí)單位面積上所吸收的能量來(lái)表示鋼材的沖擊韌性指標(biāo)，按式（8-5）計(jì)算。沖擊韌性值αk越大，鋼材的沖擊韌性越好。金書緣文化式中δgt——最大力總伸長(zhǎng)率（%）；金書緣文化式中ak——沖擊韌性值（J/cm2）；W——試件沖斷時(shí)所吸收的沖擊能（J）；A——試件槽口處最小橫截面面積（cm2）。鋼材的沖擊韌性取決于晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、軋制與焊接質(zhì)量、溫度及時(shí)間等多種因素。細(xì)晶結(jié)構(gòu)鋼材較粗晶組織結(jié)構(gòu)鋼材的沖擊韌性值高；鋼中S、P雜質(zhì)含量較高、存在偏析及存在其他非金屬夾雜物時(shí)，鋼材的沖擊韌性值降低；沿軋制方向取樣的鋼材沖擊韌性值高；焊接件中形成的熱裂紋及晶體組織的不均勻分布，使鋼材的沖擊韌性值降低。圖8-4為鋼材沖擊韌性隨溫度變化示意圖，在較高溫度環(huán)境下，沖擊韌性值隨溫度下降而緩慢降低，破壞時(shí)呈韌性斷裂。當(dāng)溫度降至一定范圍內(nèi)，隨著溫度的下降，沖擊韌性值大幅度降低，鋼材開始發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。鋼材發(fā)生冷脆時(shí)的溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，表明鋼材低溫沖擊性能越好。在嚴(yán)寒地區(qū)使用的鋼材，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其冷脆性。由于脆性臨界溫度的測(cè)定較復(fù)雜，通常根據(jù)氣溫條件在-20℃或-40℃時(shí)測(cè)定的沖擊韌性值，來(lái)推斷其脆性臨界溫度范圍。金書緣文化式中ak——沖擊韌性值（J/cm2）；金書緣文化隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼材的強(qiáng)度與硬度升高、塑性與韌性降低的現(xiàn)象稱為時(shí)效。時(shí)效也是降低鋼材沖擊韌性的因素之一。表8-1為普通低合金結(jié)構(gòu)鋼在低溫及時(shí)效后的沖擊韌性變化值。圖8-4鋼材沖擊韌性隨溫度變化曲線金書緣文化隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼材的強(qiáng)度與硬度升高、塑性與韌性降低的現(xiàn)象稱表8-1普通低合金結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性值

3.耐疲勞性鋼材在交變荷載反復(fù)作用下，在遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的突然破壞稱為疲勞破壞。疲勞破壞過(guò)程一般要經(jīng)歷疲勞裂紋萌生、緩慢發(fā)展和迅速斷裂三個(gè)階段。鋼材的疲勞破壞，先在應(yīng)力集中的地方出現(xiàn)疲勞微裂紋，鋼材內(nèi)部的各種缺陷（晶錯(cuò)、氣孔、非金屬夾雜物）和構(gòu)件集中受力處等，都是容易產(chǎn)生微裂紋的地方，由于反復(fù)作用，裂紋尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中使微裂紋逐漸擴(kuò)展成肉眼可見的宏觀裂縫，直到最后導(dǎo)致鋼材突然斷裂。疲勞強(qiáng)度是試件在交變應(yīng)力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值，一般把鋼材承受荷載106～107次時(shí)不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度。4.硬度硬度是指鋼材抵抗硬物壓入表面的能力，它是衡量鋼材軟硬程度的一個(gè)指標(biāo)。測(cè)定鋼材硬度的方法很多，主要有布氏法、洛氏法和維氏法等。金書緣文化表8-1普通低合金結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性值

金書緣文化布氏法是利用一定直徑D（mm）的硬質(zhì)鋼球，施以一定的荷載F（N），將其壓入試件表面，經(jīng)過(guò)規(guī)定的持荷時(shí)間后卸去荷載，試件表面將殘留一定直徑d（mm）的壓痕。然后計(jì)算單位壓痕面積所承受的荷載，即為布氏硬度值，無(wú)量綱，代號(hào)為HB。布氏法測(cè)定時(shí)所得壓痕的直徑d應(yīng)在0.25D～0.60D范圍內(nèi)，否則測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，測(cè)量前應(yīng)根據(jù)試件的厚度和估計(jì)的硬度范圍，按試驗(yàn)方法的規(guī)定選擇鋼球直徑、所加荷載及持荷時(shí)間。當(dāng)被測(cè)鋼材的硬度較大（HB>450）時(shí)，鋼球本身可能會(huì)發(fā)生變形甚至破壞，所以布氏法僅適用于HB<450鋼材的硬度測(cè)定。布氏法測(cè)定結(jié)果比較準(zhǔn)確，但壓痕較大，不宜用于成品檢驗(yàn)。對(duì)于HB>450的鋼材，應(yīng)采用洛氏法測(cè)定其硬度。洛氏法是根據(jù)壓頭壓入試件深度的大小來(lái)表示材料的硬度值。按照不同的荷載和壓頭類型，洛氏硬度值又可分為HRA、HRB和HRC。洛氏法操作簡(jiǎn)便，壓痕較小，可用于成品檢驗(yàn)，但若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷時(shí)，所測(cè)硬度值重復(fù)性差。根據(jù)硬度值的大小，可以判定鋼材的軟硬程度，據(jù)此還可以估計(jì)鋼材的抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)碳素鋼的硬度HB≤175時(shí)，其抗拉強(qiáng)度σb≈0.36HB；當(dāng)HB>175時(shí)，σb≈0.35HB。（二）鋼材的工藝性能對(duì)鋼材提出具有良好的工藝性能要求，主要是考慮在實(shí)際工程中便于加工制作各種工程構(gòu)件和施工。金書緣文化布氏法是利用一定直徑D（mm）的硬質(zhì)鋼球，施以一定的荷載F（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)以試件在常溫下所承受的彎曲程度來(lái)表示，用彎曲角度a、彎心直徑d與試件直徑（或厚度）a的比值來(lái)表征，如圖8-5所示。a角越大、d/a越小，表明試件冷彎性能越好。圖8-5鋼材冷彎規(guī)定彎心直徑金書緣文化1.冷彎性能金書緣文化為鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖，當(dāng)按規(guī)定的彎曲角度a和d/a值對(duì)試件進(jìn)行冷彎時(shí)，試件受彎處不發(fā)生裂縫、斷裂或起層現(xiàn)象，即認(rèn)為鋼材冷彎性能合格。圖8-6鋼材冷彎試驗(yàn)2.焊接性能工程中經(jīng)常需要對(duì)鋼材進(jìn)行連接，焊接是各種型鋼、鋼筋、鋼板等鋼材的主要連接方式。因此，鋼材應(yīng)具有良好的可焊性。焊接是通過(guò)電弧焊或接觸對(duì)焊的方法，將被連接的鋼材進(jìn)行局部加熱，使其接縫部分迅速熔融，冷卻后將其牢固連接起來(lái)。在焊接過(guò)程中，由于高溫作用和焊接后的急劇冷卻作用，焊縫及周圍的過(guò)熱區(qū)（熱影響區(qū)）將發(fā)生晶體組織及結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應(yīng)力，使焊縫周圍的鋼材出現(xiàn)硬脆效應(yīng)。因此，焊接性能良好的鋼材，焊接以后應(yīng)盡可能地保持原有鋼材（母材）的力學(xué)性能。金書緣文化為鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖，當(dāng)按規(guī)定的彎曲角度a和d/a值對(duì)試件進(jìn)鋼材的焊接性能與鋼材的化學(xué)成分及含量有關(guān)。鋼材中硫、硅、錳、釩等雜質(zhì)均會(huì)降低鋼材的可焊性，尤其是硫能使焊縫處出現(xiàn)熱脆并產(chǎn)生裂紋。含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量大于0.30%的碳素鋼，其可焊性變差。對(duì)于高碳鋼和合金鋼，為減輕焊接后的硬脆效應(yīng)，焊接時(shí)一般要采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理等措施。此外，正確的焊接工藝也是提高焊接質(zhì)量的重要措施。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)行冷拉、冷拔或冷軋等冷加工，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，使鋼材的強(qiáng)度和硬度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個(gè)過(guò)程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化處理。土木工程施工現(xiàn)場(chǎng)或預(yù)制構(gòu)件廠常用的冷加工強(qiáng)化處理方法是冷拉和冷拔。冷拉后的熱軋鋼筋，其屈服強(qiáng)度可提高20%～30%，同時(shí)，鋼筋的長(zhǎng)度增加4%～10%，冷拉也是節(jié)約鋼材的一項(xiàng)措施。但鋼筋冷拉后，其伸長(zhǎng)率減小、材質(zhì)變硬。冷拔是將光圓鋼筋在常溫下使其多次通過(guò)比其直徑小0.5～1mm的硬質(zhì)合金拔絲模孔的過(guò)程。在拉拔過(guò)程中，使鋼筋受拉的同時(shí)，還受到擠壓作用，經(jīng)過(guò)一次或多次拉拔之后，可使鋼筋的屈服強(qiáng)度提高40%～60%，但冷拔后的鋼筋塑性大大降低，具有硬鋼的性質(zhì)。金書緣文化鋼材的焊接性能與鋼材的化學(xué)成分及含量有關(guān)。鋼材中硫、硅、錳、（2）時(shí)效處理經(jīng)過(guò)冷加工后的鋼筋，在常溫下存放15～20d或加熱至100～200℃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，而塑性及韌性相應(yīng)降低，這種過(guò)程稱為時(shí)效處理。前者稱為自然時(shí)效，后者稱為人工時(shí)效。通常對(duì)強(qiáng)度較低的鋼筋采用自然時(shí)效；對(duì)強(qiáng)度較高的鋼筋采用人工時(shí)效。（三）工程案例【案例8-1】某廠125t吊車在向混鐵爐兌鐵水時(shí)，吊車司機(jī)將主小車升至極限位置，大車對(duì)準(zhǔn)混鐵爐口，將小車向混鐵爐方向移動(dòng)，當(dāng)主小車移動(dòng)1m時(shí)，聽到有異常響聲，同時(shí)整個(gè)吊車開始晃動(dòng)，接著吊車梁中部突然斷裂，下翼緣板、腹板全部撕開；上翼緣與腹板的連接焊縫撕開，長(zhǎng)2.5m；主梁一頭墜地，另一頭懸掛在東橫梁上；兩根副梁端焊縫全部脫焊而墜落；北主梁因橫梁出軌道變形而呈弓形彎曲，但未落地；主小車落地，副小車落地后沖出廠房外約1m。值得慶幸的是，盛有鐵水的鐵水罐坐在地面上未翻倒，沒有發(fā)生更大的次生災(zāi)害。金書緣文化（2）時(shí)效處理金書緣文化原因分析：根據(jù)調(diào)查分析，吊車梁的破壞與使用和設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，其主要原因是由于南側(cè)主梁下翼板距端頭13.1m處發(fā)生的疲勞斷裂，而南側(cè)主梁下翼板的開裂則是由于主梁下翼板與走道板的焊接缺陷引起。疲勞斷裂與焊接裂紋有關(guān)，焊縫缺陷和焊接殘余應(yīng)力引起微裂，并沿著垂直于拉應(yīng)力的方向擴(kuò)展。由于早期沒有發(fā)現(xiàn)，使用中裂紋又有了新的發(fā)展，裂紋從下翼緣板發(fā)展到腹板的相當(dāng)高度，但由于環(huán)境很差，多次檢查仍沒有發(fā)現(xiàn)，