钢筋的基本知识
第一节钢筋的分类
钢筋种类很多，通常按化学成分、机械性能、生产工艺等进行分类。
一、按化学成分分
碳素钢钢筋和普通低合金钢筋。
碳素钢钢筋按碳量多少，又分为低碳钢钢筋（含碳量低于0.25％，如I级钢筋），中碳钢钢筋（含碳量0.25％～0.7％，如IV级钢筋），高碳钢钢筋（含碳量0.70％～1.4％，如碳素钢丝），碳素钢中除含有铁和碳元素外，还有少量在冶炼过程中带有的硅、锰、磷、硫等杂质。普通低合金钢钢筋是在低碳钢和中碳钢中加入少量合金无素，获得强度高和综合性能好的钢种，在钢筋中常用的合金元素有硅、锰、钒、钛等，普通低合金钢钢筋主要品种有：20MnSi、40Si2MnV、45SiMnTi等。
各种化学成分含量的多少，对钢筋机械性能和可焊性的影响极大。一般建筑用钢筋在正常情况下不作化学成分的检验，但在选用钢筋时，仍需注意钢筋的化学成分。下面介绍钢筋中主要的五种元素对其性能的影响。
碳（C）：碳与铁形成化合物渗碳休（Fe3C）,材性硬且脆，钢中含碳量增加渗碳体量就大，钢的硬度和强度也提高，而塑性和韧性则下降，材性变脆，其焊接性也随之变差。
锰（Mn）：它是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的，可使钢的塑性及韧性下降，因此含量要合适，一般含量在1.5％以下。
硅（Si）：它也是作为脱氧剂加入钢中的，可使钢的强度和硬度增加。有时特意加入一些使其含量大于0.4％，但不能超过0.6％，因为它含量大时与碳（C）含量大时的作用一样。
硫（S）:它是一种导致钢热脆性、使钢在焊接时出现热裂纹的有害杂质。它在钢中的存在使钢的塑性和韧性下降。一般要求其含量不得超过0.045％。
磷（P）：它也是一种有害物质。磷使钢容易发生冷脆并恶化钢的焊接性能，尤其在200℃时，它可使钢材或焊缝出现冷裂纹。一般要求其含量低于0.045％，即使有些低合金钢也必须控制在0.050％～0.120％之间。
二、按机械性能分
钢筋混凝土结构用热轧钢筋，过去大都采用碳钢。随着普通低合金钢的发展，现行热轧钢筋，除了碳钢的3号钢外，全为普通低合金钢。按机械性能把钢筋分为四级：
Ⅰ级钢筋-235/370级
Ⅱ级钢筋-335/510级
Ⅲ级钢筋-370/570
Ⅳ级钢筋-540/835级
分子是屈服强度，分母是抗拉强度，单位是MPa。
三、按生产工艺及轧制外形分
钢筋混凝土用钢筋分为热轧带肋钢筋（GB1499-91）、余热处理钢筋（GB13014-91）、热轧光圆钢筋（GB13013-91）和普通低碳钢热轧圆盘条。
1、热轧带肋钢筋
热轧带肋钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋。它的横截面通常为圆形，且表面带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋，当横肋的纵截面呈月牙形，且与纵肋不相交时，称为月牙形钢筋；当横肋的纵截面高度相等，且与纵肋相交时，称为等高肋钢筋，其形状见图1-1和图1-2，Ⅱ、Ⅲ级带肋钢筋，采用月牙肋表面形状，其尺寸及允许偏差应符合表1-1的规定。
2、余热处理钢筋
余热处理钢筋是指将钢材热轧成型后立即穿水，进行表面冷却控制，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋，它也是带肋钢筋，目前仅有月牙钢筋，其钢筋表面及截面形状与热轧带肋钢筋相同，余热处理带肋钢筋的级别为Ⅲ级。
月牙形钢筋外形尺寸
公称 内径a 横肋高h 纵肋高h1 横肋
宽b 纵肋
宽a 间距I 横肋末
端最大
间隙
公称
尺寸 允许
偏差 公称
尺寸 允许
偏差 公称
尺寸 允许
偏差 公称
尺寸 允许
偏差
8 7.7 ±0.4 0.8 ＋0.4
-0.2 ±0.5 0.5
0.6 1.5
1.5 5.5
7.0 ±0.5 2.5
10 9.6 1.0 ＋0.4
-0.3 1.0 3.1
12 11.5 ±0.4 1.2 ±0.4 1.2 ±0.8 0.7 1.5 8.0 ±0.5 3.7
14 13.4 1.4 1.4 0.8 1.8 9.0 4.3
16 15.4
18 17.3 1.5 1.5 0.9 1.8 10.0 5.0
1.6 ＋0.5
-0.4 1.6 1.0 2.0 10.0 5.6
20 19.3 ±0.5 1.7 ±0.5 1.7 ±0.9 1.2 2.0 10.0 6.2
22 21.3 1.9 ±0.6 1.9 1.3 2.5 10.5 ±0.8 6.8
25 24.2 2.1 2.1 1.5 2.5 12.5 7.7
28 27.2 ±0.6 2.2 2.2 ±1.1 1.7 3.0 12.5 8.6
32 31.0 2.4 ＋0.8
-0.7 2.4 1.9 3.0 14.0 ±1.0 9.9
36 35.0 2.6 ＋1.0
-0.8 2.6 2.1 3.5 15.0 11.1
40 38.7 ±0.7 2.9 ±1.1 2.9 2.3 3.5 15.0 12.4
注：1.纵肋斜角θ为0-30°；
2.尺寸a、b为参考数据。
3、光圆钢筋
光圆钢筋是指横载面为圆形，且表面为光滑的钢筋混凝土配筋用钢材，此类钢筋属Ⅰ级钢筋，钢筋的公称直径范围为8mm～20mm.
第二节 钢筋的机械性能
一、钢筋的拉伸试验
钢筋主要机械性能的各项指标是通过静力拉伸试验和冷弯试验来获得的。由静力拉伸试验得出的应力一应变曲线，是描述钢筋在单向均匀受拉下工作特性的重要方式，静力拉伸试验是由四个阶段组成的（见图1-3）
1、弹性阶段（O-A）
从图1-3中可以看出，在OA范围内，拉力增加，变形也增加；卸去拉力，试件能恢复原状。材料在卸去外力后能恢复原状的性质，叫做弹性。因此，这一阶段叫做弹性阶段。
弹性阶段的最高点（图中的A点）所对应的应力称为弹性极限，因弹性阶段的应力与应变成正比，所以也称比例极限，用f0表示
2、屈服阶段（A-B）
当应力超过比例极限后，应力与应变不再成比例增加，开始时图形还接近直线，而后形成接近于水平的锯齿形线，这时，应力在很小的范围内波动，而应变急剧地增长，这种现象好象钢筋对于外力屈服了一样，所以，这一阶段叫做屈服阶段（A-B）。在屈服阶段，钢筋的性质由弹性转化为塑性，如将外力卸去，试件的变形不能完全恢复。不能恢复的变形称为残余变形或称塑性变形。
与锯齿线最高点B上相对应的应力称为屈服上限。对应于最低点B下的应力称为屈服下限。工程上取屈服下限作为计算强度指标，叫屈服强度（或称屈服点、流限），用fy表示。
3、强化阶段（B-C）
钢筋拉试验过了第二阶段即屈服阶段以后，钢筋内部组织发生了剧烈的变化，重新建立了平衡，钢筋抵抗外力的能力又有了很大的增加。应力与应变的关系表现为上升的曲线，这个阶段称为强化阶段。
与强化阶段最高点C相对应的应力就是钢筋的极限强度，称为抗拉强度，用fu表示。
4、颈缩阶段（C-D）
当应力达到拉伸曲线的最高点C后，试件的薄弱截面开始显著缩小，产生颈缩现象（见图1-4），即进入颈缩阶段。由于试件颈缩处截面急剧缩小，能承受的拉力随着下降，塑性变形迅速增加，最后该处发生断裂。
图1-3是软钢（I-Ⅳ级钢筋属于软钢）的拉伸曲线图。在软钢中，钢筋的屈服阶段较为明显；而硬钢（碳素钢丝、刻痕钢丝、冷拔低碳钢丝属于硬钢）在拉伸试验中屈服则很不明显，也没有明显的屈服点，如图1-5所示。
从图1-5中可以看出，a点以前为弹性阶段，a点应力称比例极限（约为极限强度的0.65倍）。a点以后，钢筋表现出一定的塑性，到b点达到极限强度，b点以后会因“颈缩”现象而具有下降阶段bc.
两者对比，可以看出，硬钢的特点是抗拉强度高和伸长率小，没有明显的屈服阶段，弹性阶段长而塑性阶段短，试件破坏时没有明显的信号而突然断裂。因此，在构件中采用硬钢配筋时，必须注意这些特点。
二、钢筋的机械性能
钢筋的机械性能通过试验来测定，微量钢筋质量标准的机械性能有屈服点、抗拉强度、伸长率，冷弯性能等指标。
1、屈服点(fy)
当钢筋的应力超过屈服点以后，拉力不增加而变形却显著增加，将产生较大的残余变形时，以这时的拉力值除以钢筋的截面积所得到的钢筋单位面积所承担的拉力值，就是屈服点σs°
2、抗拉强度（fu）
抗拉强度就是以钢筋被拉断前所能承担的最大拉力值除以钢筋截面积所得的拉力值，抗拉强度又称为极限强度。它是应力一应变曲线中最大的应力值，虽然在强度计算中没有直接意义，但却是钢筋机械性能中必不可少的保证项目。因为：
（1）抗拉强度是钢筋在承受静力荷载的极限能力，可以表示钢筋在达到屈服点以后还有多少强度储备，是抵抗塑性破坏的重要指标。
（2）钢筋有熔炼、轧制过程中的缺陷，以及钢筋的化学成分含量的不稳定，常常反映到抗拉强度上，当含碳量过高，轧制终止时温度过低，抗拉强度就可能很高；当含碳量少，钢中非金属夹杂物过多时，抗拉强度就较低。
（3）抗拉强度的高低，对钢筋混凝土结构抵抗反复荷载的能力有直接影响。
3、伸长率
伸长率是应力一应变曲线中试件被拉断时的最大应变值，又称延伸率，它是衡量钢筋塑性的一个指标，与抗拉强度一样，也是钢筋机械性能中必不可少的保证项目。
伸长率的计算，是钢筋在拉力作用下断裂时，被拉长的那部分长度占原长的百分比。把试件断裂的两段拼起来，可量得断裂后标距段长L1(见图1-6），减去标距原长L0就是塑性变形值，此值与原长的比率用δ表示，即
伸长率δ值越大，表明钢材的塑性越好。伸长率与标距有关，对热轧钢筋的标距取试件直径的10倍长度作为测量的标准，其伸长率以δ10表示。对于钢丝取标距长度为100mm作为测最检验的标准，以δ100表示。对于钢绞线则为δ200。
4、冷弯性能
冷弯性能是指钢筋在经冷加工（即常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯试验是测定钢筋在常温下承受弯曲变形能力的试验。试验时不应考虑应力的大小，而将直径为d的钢筋试件，绕直径为D的弯心（D规定有1d、3d、4d、5d）弯成180°或90°（见图1-7）。然后检查钢筋试样有无裂缝、鳞落、断裂等现象，以鉴别其质量是否合乎要求，冷弯试验是一种较严格的检验，能揭示钢筋内部组织不均匀等缺陷。
三、热轧带肋钢筋的技术标准
热轧带肋钢筋是钢筋混凝土结构中最常用的受力主筋，其力学性能、工艺性能应符合表1-2的要求。
第三节 金属材料的硬度和弹性模量
一、硬度
金属材料硬度常用的测定方法为布氏法、洛氏法等，故硬度指标有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）。
1、布氏硬度
在直径为D的淬火钢球上，加以荷载为P的压力，使其压入被测金属材料的表面，并保持一定的时间，然后去除载荷，测量金属表面上的凹痕面积，求出单位面积所受的压力，即表面布氏硬度值，用HB表示，
式中P-所加载荷（N）；
D--标准钢球直径（mm）；
d--压痕直径（mm）。
在实际测定中，用放大镜测得压痕直径d后，可以直接查表求得硬度值。
由于布氏硬度的压头是淬火钢球，因此它只适用于硬度较低，HB<450的金属材料。当被测材料硬度较高时，钢球本身也会发生变形，这样便失去了测量的准确性。因此布氏硬度适用于测量退火、正火、调质及灰口铸铁等零件的硬度。
2、洛氏硬度
洛氏硬度所用的压头顶角为120°的金钢石圆锥体或直径为1.588mm(1/16英寸)的淬火钢球。以一定的载荷使其压入被测金属材料的表面，以测量压痕深度来确定金属材料的硬度。压痕愈深，表示材料愈软；反之，则材料愈硬。金属材料的硬度可以直接在刻度盘上读出。
洛氏硬度有三种：分别以HRA、HRB和HRC来表示。它们的应用范围是：HRA用于测量表面硬度极高的合金，如硬质合金等；HRB用于测量表面硬度较小的金属，如退火钢、有色金属等；HRC用于测量表面硬度大的金属，如淬火钢等。在热处理质量检查中以HRC应用最多。HRC与HB有一定的关系，大约为1：10。例如：HRC40相当于HB400左右（但在HB<200的硬度范围时，不能用这种方法来换算）。
一般情况下，硬度高时，耐磨性也较好，并且硬度和强度之间有一定的关系。根据硬度可以大致估计材料的抗拉强度。
低碳钢：σb=0.036HB
高碳钢：σb=0.034HB
调质合金钢：σb=0.0325HB
二、弹性模量
弹性是指金属品格受力后发生畸变。即在和方向，原子间距离增大或缩短（拉伸或压缩)，但在作用力去除后能恢复原状的一种性能。弹性的大小用弹性模量表示，弹性模量是物质本身固有的一种量。
当材料的单向拉伸应力超过材料的比例极限时，材料的应力与应变成正比，该比例常数E称为弹性模量。表2-1为各种钢筋的弹性模量。
钢筋的弹性模量（N/mm2）
种 类 ES
Ⅰ级钢筋、冷接Ⅰ级钢筋 2.1×105
Ⅱ级钢筋、Ⅲ级钢筋、Ⅳ级钢筋、热处理钢筋 2.0×105
冷拉Ⅱ级钢筋、冷拉Ⅲ级钢筋、冷拉Ⅳ级钢筋 1.8×105
选于《带肋钢筋套筒挤压连接技术》一书
1级钢筋（名称为HPB235)，材料为Q235，抗拉屈服强度是235N/mm2
2级钢筋（名称为HRB335)，材料为20MnSi，抗拉屈服强度是335N/mm2
3级钢筋（名称为HRB400)，材料为20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi，抗拉屈服强度是400N/mm2
4级钢筋（名称为RRB400)，材料为K20MnSi，抗拉屈服强度是400N/mm2
