第八章 建筑钢材

防止钢材锈蚀的根本方法是防止潮湿和隔绝空气。目前常采用表面涂漆的隔离方法。此外也可以采取渡锌后再涂塑料涂层等方法。对重要钢结构，还可以采取阴极保护的措施。在钢筋混凝土中，尤其对预应力承重结构的防锈，首先要严格控制钢筋、钢丝质量；其次要提高混凝土密实度，加大保护层厚度，严格控制氯盐掺量，必要时掺入阻锈剂来防止钢筋锈蚀。
将熔融的生铁进行氧化，使其中碳、硫、磷等杂质含量降低到允许范围内，这种碳含量
低于2%的铁碳合金称为钢。
二、 钢的分类
按合金元素含量将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类。非合金钢又叫碳素钢，按含碳量不同又分为低碳钢（碳含量小于0.25%）、中碳钢（碳含量在0.25%-0.60%）和高碳钢（碳含量大于0.60%）。建筑工程中，主要使用非合金钢中的筑钢材，包括钢结构用型钢、钢板和钢管，以及钢筋混凝土用钢筋和钢丝。是本书重点之一。
第一节 建筑钢材基本知识
一、 铁和钢的概念
（一）铁
铁分为白口铁和灰口铁。白口铁主要作为炼钢的原料；灰口铁可直接用于铸造，故称铸
铁。
（二）钢
三、化学成分对钢性能的影响：
1、 碳的影响：
碳是钢中重要元素，对钢的组织和性能有决定性影响。随含碳量增加，钢的硬度增大，塑性和韧性降低，可焊性降低，强度以含碳量为0.8%左右为最高。
2、 锰的影响：
在炼钢过程中，锰起到脱氧去硫作用，提高了强度，克服由硫引起的热脆性。但当锰含量超过1%后，塑性和韧性有所下降。固溶在铁素体中的锰，使钢的强度、硬度和韧性都提高。锰在非合金钢中含量为0.2%-0.8%，在低合金钢中含量一般为1%-2%。高锰钢的耐磨性明显提高。
级钢筋是由优质合金钢轧制的，质量好、强度高，适宜做预应力钢筋；而一级钢筋宜做非预应力钢筋。
随钢筋级别提高，钢筋的机械强度提高，塑性及冷弯性能均降低。当所选钢筋强度偏低，
塑性偏大时，可以通过冷拉加时效处理的方法调整其性质，并达到节约钢材的目的。
第五节 钢材的腐蚀及防腐措施
建筑钢材表面与周围环境接触时，往往会发生电化学腐蚀和化学腐蚀，使钢表面锈蚀。无论在堆放还是在使用过程中，钢材锈蚀后，都会造成应力截面减小，表面缺陷增多，承载力及冲击韧性降低，混凝土保护层遭受破坏，甚至造成脆性断裂。
第三节 钢材的冷加工和热处理
一、 钢材的冷加工强化和时效处理
（一）冷加工强化
在常温下，钢材经拉、拔、轧等加工，使其产生塑性变形，而调整其性能的方法称为冷
加工。冷加工后的钢材，屈服点和硬度提高，塑性降低，钢材得到强化。
若冷拉后的钢材，立即受拉，我们发现虽然屈服点提高，但抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低，弹性模量降低。
二、 钢材的热处理
热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理的方法有淬火、回火、退火和正火。热处理的具体方法本书不做要求。
第四节 建筑钢材的分类、牌号与应用
一、 碳素结构钢（非合金结构钢）
1、 牌号
冷加工强化的原因，是冷拉超过屈服点时，塑性变形造成滑移面内晶格扭曲，畸变加剧，阻碍了进一步滑移，提高了抵抗变形的能力。
（二）时效处理
冷拉后的钢材，时效加快。若在常温下存放15-20天，可完成时效，称自然时效。若加
热钢材至100-200度，则可以在更短时间内完成时效，称人工时效。
（二）可焊性
建筑工程中，钢材绝大多数是采用焊接方法联结的。这就要求钢材要有良好的可焊性。
可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，在焊缝和附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，
焊接后接头强度是否与母体相近的性能。
钢的可焊性主要受化学成分极其含量的影响。含碳量小于0.3%的非合金钢具有良好的可焊性，超过0.3%，焊接的脆硬倾向增加；硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性；杂质含量增加，会使可焊性降低。
2钢材的轧制、焊接质量：沿轧制方向取样的冲击韧性高；焊接钢件处的晶体组织均匀程度，对冲击韧性影响大。
3环境温度：当温度较高时，冲击韧性较大。当温度降至某一范围时，冲击韧性突然降低很多，钢材断口由韧性断裂状转为脆性断裂状，这种性质称为低温冷脆性。发生低温冷脆性时的温度（范围），称脆性临界温度（范围）。在严寒地区选用钢材时，必须对钢材冷脆性进行评定，此时选用钢的脆性临界温度应低于环境最低温度。
分按顺序排列。
2、 性能
低合金结构钢比碳素结构钢强度高、塑性和韧性好，尤其是抗冲击、耐低温、耐腐蚀能力
强，并且质量稳定，可节省钢材。
在钢结构中，常采用低合金结构钢轧制的型钢、钢板和钢管来建造桥梁、高层及大跨度钢结构建筑。在预应力钢筋混凝土中，二、三级钢筋即是由普通质量低合金钢轧制的。
1、 弹性阶段：在此阶段，钢材的应力和应变成正比关系。此阶段产生的变形
是弹性变形。
2、 屈服阶段：随着拉力的增加，应力和应变不再是直线关系，钢材产生了弹
性变形和塑性变形。当拉力达到某一定值时，即使应力不再增加，塑性变形仍明显增长，钢材出现了屈服现象，此点对应的应力值被称为屈服点（或称屈服强度）。屈服点是重要的指标，它表明钢材若在屈服点以上工作，虽然没有断裂，但会产生较大的塑性变形。因此，在结构设计时，屈服点是确定钢材容许应力的主要依据。
硫是有害成分。硫含量增加，显著降低了钢的热加工性能和可焊性。硫和磷一样，易于偏析，含量过高时，会降低钢的韧性
第二节 建筑钢材的主要技术性质
一、 力学性质
（一）抗拉性能
拉伸作用，是建筑钢材主要受力形式，所以，抗拉性能是表示钢材性质和选用钢材最重
要的指标。钢材受拉直至破坏经历了四个阶段：
4时效：随着时间的进展，钢材机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。
二、 工艺性能
冷弯性能和可焊性是建筑钢材的重要工艺性能。
（一）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。钢材在弯曲过程中，受弯部位产生局
部不均匀塑性变形，这种变形在一定程度上比伸长率更能反映钢的内部组织状况、内应力及杂质等缺陷。因此，也可以用冷弯的方法来检验钢的焊接质量。
例如：Q235-A.F,表示屈服点为235兆帕的质量为A级的沸腾钢。
2、 选用
建筑工程中主要应用的碳素钢是Q235号钢。它之所以普遍应用，主要是它的机械强度、
韧性和塑性及加工等综合性能好，而且冶炼方便，成本较低。
Q215号钢机械强度低、塑性大，受力后变形大，经加工及时效处理后可代替Q235使用。
国家标准规定，牌号由代表屈服点的符号（Q）、屈服点值（195、215、235、255、275
兆帕）、质量等级（A,B,C,D）和脱氧程度（F,b,Z,TZ）构成。其中A,B为普通质量钢；C,D为磷、硫杂质控制较严格的优质钢。脱氧程度以F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，T和TZ分别代表镇静钢和特殊镇静钢。
3、 强化阶段：拉力超过屈服点以后，钢材又恢复了抵抗变形的能力故称强阶
段。强化阶段对应的最高应力称为抗拉强度或强度极限。
抗拉强度是钢材抵抗断裂破坏能力的指标。虽然在结构设计时不能利用，但却可以根据屈强比来评价钢材的利用率和安全工作程度。屈强比是屈服强度比抗拉强度，若屈强比小，钢材在偶而超载时不会破坏，但屈强比过小，钢材的利用率低，是不经济的。适宜的屈强比应该是在保证安全使用的前提下，钢材有较高的利用率。通常情况下，屈强比在0.60-0.75范围内是比较合适的。
在选用钢的牌号时，还必须熟悉钢的质量。一般的说，平炉钢和氧气转炉钢较好；质量等级为D,C的钢优于B,A级纲；特殊镇静钢和镇静钢优于平镇静钢，更优于沸腾钢。
二、 低合金高强度结构钢
1、 牌号
这种钢的牌号由代表屈服点的Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部
4、 颈缩阶段：过了抗拉强度以后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在受拉试件的某处，迅速发生较大的塑性变形，出现颈缩现象，直至断裂。
（二）冲击韧性
冲击韧性是指在冲击荷载作用下，钢材抵抗破坏的能力。钢的冲击韧性受下列因素影响：
1钢材的化学组成与组织状态：钢材中硫、磷的含量高时，冲击韧性显著降低。细晶粒结构比粗晶粒结构的冲击韧性要高。
经时效处理后的钢材，若再受拉，屈服点进一步提高，抗拉强度也提高，塑性和韧性进一步降低，弹性模量得到恢复。这种现象也称时效强化。
建筑工地和混凝土构件厂，常利用冷拉和冷拔并时效处理方法，对钢材进行处理，提高钢材的机械强度，降低塑性，从而达到节约钢材的目的。冷拉并时效处理后钢筋，同时也被调直和除锈。当再冷拉时，要控制冷拉率及冷拉应力，使冷拉后的钢材性能符合规范规定。
3、 硅的影响：
在钢中，硅大部分固溶于铁素体中，少量属于非金属夹杂物。硅含量在2%以内时，可提高钢的强度，对塑性和韧性影响不大。
4、 磷的影响：
磷是铁原料中带入的杂质。磷使钢在常温下的强度和硬度增加，塑性和韧性显著降低。
5、 硫的影响：
三、 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝
主要了解热轧钢筋。
1、 热轧钢筋的级别和技术性能
热轧钢筋按强度等级分为四个级别。其中一级钢筋为Q235(A,B级)热轧光圆钢筋。二、
三和四级钢筋符合施工用钢筋的规范规定。
2、 热轧钢筋的选用
二三级钢筋属于普通质量低合金钢轧制的，适合用做非预应力钢筋和预应力钢筋；而四