2018一级建筑师考试《建筑材料与构造》知识点：钢材

　　钢的主要元素是铁与碳，含碳量在2%以下。

　　一、钢的分类

　　1.屈服点(吼)

　　以低碳钢为例，试件被拉伸进入塑性变形屈服段BC(图20—lO)，屈服下限CT所对应的应力fs称为屈服强度或屈服点。设计中，一般采用fq作为强度取值的依据。

　　但对于屈服现象不明显的钢如中碳钢或高碳钢(硬钢)，其应力一应变曲线则与低碳钢的明显不同(见图20—10、图20—11)，其抗拉强度高，塑性变形小，屈服现象不明显。

　　对这类钢材难以测得屈服点，故规范规定以产生o.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，以吣.：表示。

　　2.抗拉强度

　　应力—应变图(图20—10)中，曲线最高点D对应的应力fb称为抗拉强度。在设计中，屈强比吨/吼有参考价值。在一定范围内，屈强比小则表明钢材在超过屈服点工作时可靠性较高，较为安全。但屈强比太小，反映钢材不能有效地被利用。Q235钢的屈强比约为0.56～0.63;低合金结构钢的屈强比一般为0.65～0.75。

　　3.伸长率

　　设试件拉断后标距部分的长度11，原标距长度为L。，则伸长率J规定为：

　　J—ll云i6X100% (20—39)

　　占表征了钢材的塑性变形能力。a的值还与试件的厶/Jo值有关(do为试件直径)。常用厶/do=5及厶/do=10两种试件，相应的a分别记作J5与J1。。对同一种钢材，J5>J1。。

　　(二)冷弯性能

　　冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，它表征在恶劣变形条件下钢材的塑性， 是建筑钢材一项重要的工艺性能(焊接性能也是钢材的工艺性能)。冷弯性能指标以试件被弯曲的角度(90‘，180~)及弯心直径d与试件厚度(或直径)d的比值(d/d)来表示。

　　(三)冲击韧性

　　冲击韧性指钢材抵抗冲击载荷的能力，按《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(CB/T 229—2007)的规定，将带有V形或U形缺口的试件，进行冲击试验。试件在冲击荷载作用下折断时所吸收的能量，称为冲击吸收能量K(J)。钢材的化学成分、组成状态、内在缺陷及环境等都是影响冲击韧性的重要因素。K值随试验温度的下降而减小，当温度降低达到某一范围时，K急剧下降而呈现脆性断裂，这种现象称为冷脆性。发生冷脆时的温度称为脆性临界温度，其数值越低，说明钢材的低温冲击韧性越好。因此，对直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性检验。

　　(四)硬度

　　硬度指表面层局部体积抵抗其他较硬物体压人产生塑性变形的能力。表征值常用布氏硬度HB(还有洛氏硬度、维氏硬度)，用专门试验测得。硬度与强度有一定关系，故可

　　在结构上通过测量钢材硬度来推算近似的强度值。

　　(五)耐疲劳性

　　材料在交变应力作用下，在远低于抗拉强度时突然发生断裂，称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限表示，其含义是：试件在交变应力下工作，在规定的周期基数内不发生断裂的最大应力。

　　三、影响建筑钢材力学性能的主要因素

　　(一)建筑钢材的晶体组织

　　钢中的铁与碳可以由固溶体(Fe中固溶着微量的C)、化合物(Fe3C)及它们的混合物的形式构成一定形态的聚合体，称为钢的组织。主要有：

　　L铁素体

　　它是C在。一Fe中的固溶体。铁素体中含C很少(<0.02%)，故其塑性、韧性良好而强度与硬度较差。

　　2.奥氏体

　　它是C在Y--Fe中的固溶体。溶碳能力较强，约在0.8%～2.06%之间，其强度、硬度不高，但塑性好。

　　3.渗碳体

　　是铁碳化合物Fe3C，结构复杂硬脆、强度低、塑性差。

　　4.珠光体

　　它是铁素体与渗碳体的机械混合物。含碳量较低(o.8%)，具有层状结构，故塑性较好，强度与硬度均较高。

　　· 建筑钢材的含碳量不大于o.8%，其基本组织为铁素体与珠光体，含碳量增大时，珠光体的相对含量随之增大，铁素体则相应减少。因此，钢的强度随之提高，而塑性与韧性则相应下降。

　　(二)化学成分 ，

　　建筑钢材中除铁元素外，还包含碳(C)，硅(S1)，锰(比)，磷(P)，硫(S)，氧(O)等元素，在许多情况下还要考虑各种合金元素。它们对钢材会产生有利或不利的影响，分述如下：

　　1.碳(C)

　　当含碳量≤o.8%时，C含量的增加将提高钢的抗拉强度与硬度，但使塑性与韧性降低，焊接性能、耐腐蚀性能也随之下降。见图20—12。含碳量超过0.3%时，钢的可焊性显著降低。建筑结构用的钢材多为含碳0.25%以下的低碳钢及含碳0.52%

　　以下的低合金钢。

　　2.硅(S0

　　当含硅量 显著提高钢材的强度及硬度，且对塑性及韧性无显著影响，其原因在于，此时大部分S1溶于铁素体中，使铁素体得以强化。正是由于适量的51可以多方面改善钢的力学性能，所以它是钢材的主加合金元素之一。

　　3.锰(Mn)

　　锰可起脱氧去硫作用，故可有效消减因硫引起的热脆性，还可显著改善耐腐及耐磨性，增强钢材的强度及硬度。锰的这些作用的机理在于：锰原子溶于铁素体中使其强化，而且还将珠光体细化，从而提高了强度。

　　4.硫(S)

　　为有害元素。它引发热脆性，使各种力学性能降低，在热加工过程中易断裂。建筑钢材要求含硫量低于0.045%。

　　5.磷(P)

　　为有害元素。它能引起冷脆性。造成塑性、韧性显著下降，可焊性、冷弯性也变差。

　　其原因在于：磷在钢中的偏析与富集使铁素体晶格严重畸变所致。但磷可使钢的耐磨性及耐腐蚀性提高。

　　其他如氧也是钢中有害元素;氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，在有铝、铌、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素。合金元素还有钛、钒、铌等。

　　(三)冶炼过程

　　钢的冶炼过程对钢材的性能有直接的影响。钢在冶炼过程中，使化学成分得以严格控制，其中要特别指出的是要进行脱氧。通过加入脱氧剂(铝、锰、硅等)将氧化铁还原。

　　按脱氧程度分为沸腾钢(脱氧不充分，铸锭时大量CO气体逸出)、镇静钢(脱氧充分)及介于二者之间的半镇静钢。沸腾钢中S、P、N等有害夹杂偏析严重，氧化夹杂物较多，因而可焊性、冲击韧性等性能均较差。镇静钢与之相反，因而性能良好，半镇静钢则介于二者之间。

　　(四)加工处理

　　建筑钢材的加工处理亦对其性能产生影响，施工中，利用变形强化原理，通过冷拉、冷拔、冷轧等加工手段可提高钢材的屈服强度。其原理为前面所述的增加晶格缺陷，因而加大了晶格间滑移阻力。冷加工可提高钢材的屈服点，使塑性、韧性下降，但抗拉强度维 持不变。时效处理是指经过冷加工的钢材，在常温下存放15d左右，或加热到100～200℃并保持一定的时间。经这样处理可使屈服点进一步提高，抗拉强度也有增长，塑性、韧性继续下降，还可使冷加工产生的内应力消除。时效处理效果的内在原因是使钢中C、N原子向缺陷处移动与富集，使钢中缺陷增加，位错阻力增大。钢材的弹性模量在时效处理后基本维持不变。

　　四、建筑钢材的标准与选用

　　(一)建筑钢材的主要钢种

　　1.碳素结构钢

　　包括热轧钢板、钢带、型钢和棒钢等制品。

　　按《碳素结构钢》(GB/T 700—2006)规定，碳素结构钢共有五个牌号，牌号由屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号与脱氧方法符号组成。例如Q235一A.F，表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。各牌号钢的化学成分、力学性质及工艺性质应符合表20-32～表20-34的规定。

　　选用钢材时，应考虑荷载类型、焊接情况及环境温度等条件。通常下列几种情况限制使用沸腾钢：

　　(1)直接承受动荷载的焊接结构;

　　(2)非焊接结构而计算温度等于或低于一20℃;

　　(3)受静荷载及间接动荷载作用，而计算温度等于或低于一30℃时的焊接结构。

　　建筑工程中应用最多的碳素钢是Q235号钢。

　　2.低合金高强度结构钢

　　在碳素结构钢的基础上加入总量小于5%的合金元素(如硅、锰、钒等)即得低合金高强度结构钢。

　　3.优质碳素结构钢

　　特点是生产过程中对硫、磷等有害杂质控制较严(S<0.035%，P 能主要取决于含碳量。优质碳素钢的钢号用两位数字表示，它表示平均含碳量的万分数。

　　根据其含锰量不同，可分为普通含锰量(含Mn (含MnO.7%～1.2%，共11个钢号)。例如45Mn即表示含碳量为0.42%～0.52%，含锰量为0.?0%～1.00%的优质碳素结构钢。

　　优质碳素结构钢可用于重要结构的钢铸件、碳奉钢丝及钢绞线等。

　　(二)常用建筑钢材 .

　　1.钢筋

　　(1)热轧钢筋。

　　按力学性能热轧钢筋可分为四级，见表20-39。

　　I级钢筋用Q235轧制而成，强度较低，塑性好，容易焊接，主要用作非预应力钢筋。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋均用低合金轧制，Ⅱ、Ⅲ级可作预应力或非预应力钢筋，预应力钢筋应优先选用Ⅳ级钢筋。

　　钢筋代换：当施工中遇有钢筋的品种或规格与设计要求不符时，可参照以下原则进行代换：

　　1)等强度代换(构件受强度控制时);

　　2)等面积代换(构件按最小配筋率配筋时);

　　3)代换后应进行裂缝宽度或挠度验算(当构件受裂缝宽度或挠度控制时)。

　　(2)冷拉热轧钢筋与冷拔低碳钢丝。将I～Ⅳ级热轧钢筋，在常温下拉伸至超过屈服点(小于抗拉强度)的某一应力，然后卸荷即得冷拉钢筋，冷拉可使屈服点提高17%一27%，但伸长率J1。降低。冷拉后不得有裂纹、起层等现象。冷拉钢筋分为四个等级，冷拉I级钢筋适用于钢筋混凝土结构中的受拉钢筋，冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋可用作预应力混凝土结构中的预应力筋，但在负温及冲击或重复荷载下易脆断。

　　将直径为6.6～8mm的Q235(或Q215)热轧盘条，在常温下通过截面小于钢筋截面的拔丝模，经一次或多次拔制即得冷拔低碳钢丝。冷拔可提高屈服强度40%一60%。材质硬脆，属硬钢类钢丝。其级别可分为甲级及乙级，甲级为预应力钢丝，乙级为非预应力钢丝。凡伸长率不合格者，不得用于预应力?昆凝土构件中。

　　(3)冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋是用热轧盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。其强度较热轧钢筋明显提高，塑性较好，与混凝土的握裹力较好。其级别有三个，LL550可用于非预应力混凝土的受力主筋，LL650及LL800可用于中、小型预应力混凝土的受力主筋。

　　(4)热处理钢筋。热处理钢筋是钢厂将热轧中碳低合金钢筋经淬火和回火调质热处理而成。强度显著提高，韧性高，而塑性降低不大，综合性能较好。通常有直径为6mm、 8.2mm、lOmm三种规格。表面常轧有通长的纵筋与均布的横肋。使用时不能用电焊切割，也不能焊接。可用于预应力混凝土工程中。

　　(5)冷轧扭钢筋。采用直径为6.5～lOmm的低碳热轧盘条钢筋(Q235钢)，经冷轧扁和冷扭转而成的具有一定螺距的钢筋。冷轧扭钢筋屈服强度高，与混凝土的握裹力大，因此无需预应力和弯钩即可用于普通混凝：Em程，可节约钢材30%。可用于预应力及承重荷载较大的建筑部位如梁、柱等。

　　(6)预应力混凝土用钢丝及钢绞线。为钢厂用优质碳素结构钢经冷加工、再回火、冷轧或绞捻等加工而成，又称优质碳素钢丝及钢绞线。若将预应力钢丝经辊压出规律性凹痕，即成刻痕钢丝。钢绞线以一根钢丝为芯、6根钢丝围绕其周围绞合而成七股的钢绞线。

　　钢丝与钢绞线适用于大荷载、大跨度及曲线配筋的预应力混凝土结构。

　　2.型钢

　　(1)热轧型钢。常用的有角钢、工字钢等，我国建筑用热轧型钢主要采用Q235—A钢。

　　(2)冷弯薄壁型钢。通常用2—6mm的薄钢板冷弯或模压而成，可用于轻型钢结构。

　　(3)钢板和压型钢板。用光面轧辊轧制而成的扁平钢材，以平板状态供货的称钢板;以卷状供货的称钢带。主要用碳素结构钢经热轧或冷轧而成。按厚度可分为中厚板和薄板。

　　薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等形状，称为压型钢板。可采用有机涂层薄钢板(即彩色钢板)、镀锌薄钢板等生产。压型钢板主要用于围护结构、楼板、屋面等。

　　(4)轻钢龙骨。由镀锌钢带或薄钢板轧制而成，具有强度高、自重轻、通用性强、耐火性好、安装简易等优点。可装配各种类型的石膏板、钙塑板、吸声板等，用作墙体和吊顶的龙骨支架。

　　五、建筑钢材的防锈

　　当钢材表面与环境介质发生各种形式的化学作用时，就有可能遭到腐蚀，例如，因受()2、S()2、H2S等腐蚀性气体作用而被氧化，当环境潮湿或与含有电解质的溶液接触时，也可能因形成微电池效应而遭电化学腐蚀。

　　防止钢结构锈蚀的常用方法是表面涂刷防锈漆。常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等。面漆有灰铅油、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁钢材也可进行表面镀锌或涂塑，但费用较高。

　　埋于混凝土中的钢筋具有一层碱性保护膜，故在碱性介质中不致锈蚀。但氯等卤素的离子可加速锈蚀反应，甚至破坏保护膜，造成锈蚀迅速发展。因此，混凝土配筋的防锈措施应考虑：限制水灰比和水泥用量;限制氯盐外加剂的使用;采取措施保证混凝土的密实性;还可以采用掺加防锈剂(如重铬酸盐等)的方法。