钢材的分类和技术性质

间，为质量较好的钢，其代号为“ｂ”。 （４）特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻 底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工 程，代号为“TZ”。
3. 按有害杂质含量分类
接钢中有害杂质磷（Ｐ）和硫（S）含量 的多少，钢材可分为以下四类： （１）普通钢。磷含量不大于0.045％；硫含 量不大于0.050%。 （２）优质钢。 磷含量不大于0.035%；硫含 量不大于0.035%。 （３）高级优质钢。磷含量不大于0.025%； 硫含量不大于0.015%。 （４）特级优质钢。磷含量不大于0.025%； 硫含量不大于0.015%。
缺陷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。
发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低， 说明钢材的低温冲击性能愈好。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为 低的钢材。 随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲 击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过 程可达数十年，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。
如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的 比值为常数，因此，该阶段被称为弹性阶段。 当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段ＢＣ 时，称屈服下限Ｃ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材，规 定以0.2％残余变形时的应力σ0.2作为屈服强 度。
2. 按冶炼时脱氧程度分类
（１）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则
脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的 ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故 称沸腾钢，代号为“Ｆ“。沸腾钢组织不够致密， 成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质 量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于 一般建筑工程。
而弹性模量则基本恢复。
2. 钢材的热处理
按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在 此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进 行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进 行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需 求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。 钢材的热处理通常有以下几种基本方法： (１) 淬火。将钢材加热至723℃（相变温度）以上某 一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中 冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后， 强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。

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4. 硬度
钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物 压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方 法有布氏法和洛氏法。 布氏法的测定原理是利用直径为Ｄ（ｍｍ） 的淬火钢球，以 P （Ｎ）的荷载将其压入试件表 面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得到直径 为ｄ（ｍｍ）的压痕，以压痕表面积Ｆ（ｍｍ） 除荷载Ｐ，所得的应力值即为试件的布氏硬度值 ＨＢ，以数字表示，不带单位。 洛氏法测定的 原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深 度来表示硬度值，洛氏法压痕很小，常用于判定 工件的热处理效果。
（２）合金钢。是指在炼钢过程中，有意识地加
入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得 的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、 铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为 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）硅：当硅在钢中的含量较低
（小于1%）时，可提高钢材的强度， 而对塑性和韧性影响不明显。 （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度 提高，锰还能消减硫和氧引起的热 脆性，使钢材的热加工性质改善。
（４）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂
钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、 磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各 种合金元素。 （ 1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于 0.8％。 在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和 硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳 还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性 和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。

（３）渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物 Fe3C ，其含Ｃ量高
（达 6.67 ％），晶体结构复杂，塑性差，性硬 脆，抗拉强度低。 （４）珠光体 珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物， 含Ｃ量较低（0.8％），层状结构，塑性较好， 强度和硬度较高。
第4节. 钢材的冷加工和热处理
1. 钢材的冷加工
物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机 械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产 生热裂纹，显著降低可焊性。 （５）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度 提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对 韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈， 使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。
步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。 由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本 恢复。 钢材产生时效的主要原因是，溶于α一 Fe 中 的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度 大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集， 使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难， 因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，
2.2 钢的基本晶体组织
碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中，其Fe和Ｃ有以下 三种结合形式： 固溶体——铁（Fe）中固溶着微量的碳(C)； 化合物——铁和碳结合成化合物Fe3Ｃ； 机械混合物——固溶体和化合物的混合物。 以上三种形式的 Fe— Ｃ合金，于一定条件下能形 成具有一定形态 的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下
(3) 伸长率：图2－１中当曲线到达Ｄ
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。 量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的 伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长 率。即 L L

1
0
L0
100%
伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在
塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标 距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中 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（ｄ0 为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材， δ5应大于δ10。
工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原 理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或 冷拔加工，以提高屈服强度。 将经过冷拉的钢筋于常温下存放 15 ～ 20 ｄ， 或加热到 100 ～ 200°Ｃ并保持一段时间，这个过 程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为 人工时效。

冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一

能观察到它们的微观形貌图像，故也称显微组织。
钢的基本组织主要有以下几种：
（１）铁素体
钢材中的铁素体为Ｃ在α一 Fe 中的固溶体，由于 α一 Fe 体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差， 故铁素体含Ｃ量很少（小于 0.02 ％），由此决定其塑 性、韧性很好，但强度、硬度很低。 （２）奥氏体 奥氏体为Ｃ在γ一 Fe 中的固溶体，溶碳能力较强， 高温时含碳量可达 2.06％，低温时下降至 0.8％。其强 度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。
3. 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。 以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面 积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击 韧性ak（Ｊ/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。
钢材的化学成分、组织状态、内在

5.
耐疲劳性 在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在 应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为 钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极 限来表示，它是指疲劳试验中，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。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起 的，因此，钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关， 一般抗拉强度高，其疲劳极限也较高。由于疲劳 裂纹是在应力集中处形成和发展的，故钢材的疲 劳极限不仅与其内部组织有关，也和表面质量有 关。
第二节
钢材的技术性质 1. 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指 标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。 低碳钢（软钢）受拉的应力一应变图能够较好地解 释这些重要的技术指标，见图2－１.低碳钢受拉时 的应力一应变图
（１）屈服点：当试件拉力在 ＯＢ范围内时，
第一节
钢材的分类 1. 按化学成分分类 （１）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是 铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含 碳量为 0.02 ％～ 2.06 ％。此外尚含有极少 量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素 钢按含碳量又可分为： 低碳钢（含碳量小于0.25％）、 中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％） 高碳钢（含碳量大于0.60％）
6.
焊接性能 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。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆 及热裂纹。又如，含碳量超过0.3％，可焊性显著下 降等。
第三节 钢材的化学成分及晶体组织 1. 钢材的化学成分及对性能的影响
在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢
的合金元素使用。 （８）钛：钛是强脱氧剂。它能显著提高强度， 改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合 金元素。 （９）钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。 能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加
焊接时的淬硬倾向。
2.
钢材的晶体组织 钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以 金属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑 性的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成 不同的晶格，如体心立方晶格是原子排列在一个正 六面体的中心和各个顶点而构成的空间格子；面心 立方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点 和六个面的中心而构成的空间格子。铁和碳两种元 素可以不同的形态存在，这种形态称为晶体组织。
磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合
其他元素作为合金元素使用。 （６）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内， 可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向 的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。 （７）氮：氮对钢材性质 的影响与碳、磷相似，使钢材
的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时 效敏感性和冷脆性，降低可焊性。
（２）抗拉强度：从图2－１中ＣＤ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Ｄ的应力称为抗拉强度， 用σb表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强 比σs ／σb 有一定意义。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。但屈强比太小，则 反映钢材不能有效地被利用。
（２）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等
作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这 种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故 称镇静钢，代号为“Ｚ”。镇静钢虽成本较高， 但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。 适用于预应力混凝土等重要的结构工程。
（３）半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之
将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产 生塑性变形，从而提高屈服强度，这个过程称为 钢材的冷加工强化。 冷加工强化的原理是：钢材在塑性变形中晶 格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格 的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点 提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形 中产生内

应力，故钢材的弹性模量Ｅ降低。
2.
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（ｄ /a ） 区分的，试件按规定的弯曲角和弯心直 径进行试验，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。