第七章建筑钢材

l1l0100% l0
通常以δ5和δ10分另表示L0＝5d0和L0＝10 d0时的伸长 率。对于同一种钢材，其δ5 >δ10。
（2）断面收缩率(Ψ)
A0 A1 A0
Ａ0——试件原始截面积； Ａ1——试件拉断后颈缩处的截面积。
伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑 性变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越 高，说明钢材塑性越大。
7.4.2 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。
屈服强度
中碳钢与高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳 钢不同，屈服现象不明显，难以测定屈服点， 则规定产生残余变形为原标距长度的0.2％时 所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也 称条件屈服点，用 表示。0 .2
屈强比
屈服强度和抗拉强度之比。
屈 强 比 =s/b
屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。
(２) 回火。将淬火后的钢材重新加热到723℃以下某一 温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室 温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产 生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温 度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以 改善。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质 处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得 以改善。 （３）退火。退火是指将钢材加热至723℃以上某一温度， 保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢 材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低， 塑性和韧性提高。 （４）正火。是将钢材加热到723℃以上某一温度，并保 持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀 细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较 退火为小
（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。
4.硬度
测定钢材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法和维氏法。 建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。
布氏硬度是用一定直径D(毫米)的硬质钢球，在规定荷裁 P(牛顿)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸载，量 出压痕直径d(毫米)，然后计算每单位压痕球面积所承受的 荷载值，即布氏硬度值(HB)。计算公式为：
钢材的冷弯示意图：
：
2. 焊接性能
钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件 下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬 脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强 度不低于原有钢材的强度。 随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量 的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量 超过0.25％时，可焊性明显降低；硫含量较 多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊 接质量。钢材的焊接须执行有关规定。
7.3 建筑钢材的的晶体组织和化学成分
7.3.1 钢的组织及其对钢性能的影响
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。
7.2.2 工艺性能
1.冷弯性能 钢材的冷弯性能，是指它在常温下承受弯曲变形的 能力。钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承 受的弯曲程度表示。冷弯性能是将钢材试件（圆形 或板形）置于冷弯机上弯曲至规定角度（90°或 180°）观察其弯曲部位是否有裂纹、起层或断裂现 象，如无，则为合格。弯曲角度越大，弯心直径对 试件厚度（直径）比值越小，则表示钢材的冷弯性 能越好。
δ铁：温度下降到1535℃直接由液态铁凝固而成， 为体心立方晶格；
γ铁：温度下降到1394℃时，由体心立方晶格转 变为面心立方晶格；
α铁：温度下降到912℃时，由面心立方晶格转变 为体心立方晶格。
纯铁的同素异晶转变
7.3.1.1 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：
（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。
7.3.2 钢的化学成分对钢材性能的影响
（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。
屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，不易因局部 超载而造成脆性断裂而破坏； 但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢 材浪费。
建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。
Q225钢材的屈服比为0.58～0.63 普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。
2.塑性
建筑钢材应具有很好的塑性。钢材的塑性通常用伸长 率和断面收缩率表示。 （1）伸长率
第七章 建筑钢材
3. 按质量（杂质含量）分类
根据钢材中所含有害杂质的多少工业用钢可分为： (1)普通钢：含硫量≤0.050％；含磷量≤0.045％。 (2)优质钢：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。 (3)高级优质钢：含硫量≤0.025％；含磷量 ≤0.025％。 (4)特级优质钢：含硫量≤0.015％；含磷量 ≤0.025％。 在土木工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通 低合金结构钢。
(1)、对钢材进行冷加工，是充分发挥材料效用， 节约钢材的一种有效方法。钢材经过冷加工后，其 屈服强度提高，塑性、韧性和弹性模量则降低。
（2）、时效处理
将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15～20 d，或加热至100～200 ℃后保持一定时间（2～3 h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高， 同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢 复。这个过程称为时效处理。前者称为自然时效， 用加热的方法则称为人工时效。
（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。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。
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 能观察到它们的微观形貌图像，故也称显微组织。
7.3.1.1钢的基本组织的种类及对钢性能的影响：
例如：Q235－A·F表示屈服点为235 MPa的A 级沸腾钢。
7.5.2 优质碳素结构钢
按国家标准GB/T 699－1999《优质碳素结构钢》 的规定，优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为： 普通锰含量（锰含量＜0.8％）钢和较高锰含量（锰 含量0.7％～1.2％）钢两组。
共优质碳素结构钢有31个牌号，其牌号由数字 和字母两部分组成。两位数字表示平均碳含量的万 分数；字母分别表示锰含量、脱氧程度。锰含量为 0.35％～0.80％时，不注“Mn”；锰含量为0.70 ％～1.2％时，数字后加注“Mn”。如35Mn表示平均 含碳量0.35％较高含锰量的钢。“30”表示平均含 碳量为0.30%普通含锰量的钢。
3.冲击韧性
冲击韧性就是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性是通过 夏比（V型缺口）冲击试验来测定的。将标准弯曲试样置于 冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。用摆锤打断试
件，测得试件单位截面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，
用冲击值 表 示k ，单位为J/cm2。
k
Ak F
F——试件断口处的截面积； Ak——冲断试件所消耗的功。
7.5 建筑用钢
7.5.1 碳素结构钢
国家标准GB 700-88《碳素结构钢》规定，碳 素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、 质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其 中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、 215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 MPa五种； 质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、 B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表 示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和 TZ在钢的牌号中予以省略。随着牌号的增大，对钢 材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要 求降低。
纯铁的晶格（即原子的 有序排列）以下二种类 型：体心立方体、面心 立方体。
体心立方体
面心立方体
纯铁的同素异构晶体转变
某些金属结晶之后，当温度改变时，它的晶格类型 还会随之变化。这种变化称为同素异晶转变。晶格 发生转变的温度称为临界温度。转变的产物称为同 素异构体。