第十二章土木工程材料
第七节 建筑钢材 一、建筑钢材的分类
结构主要采用碳素结构钢和低合金钢。 钢材的分类：
(1)按化学成分分为碳素钢和合金钢，细分为：
碳钢分为：
①低碳钢，含碳量小于0.25%；
②中碳钢，含碳量0.25~0.60%；
③含碳量大于0.6%的高碳钢。
合金钢按合金元素总量分为：
①低合金钢，合金元素总量小于5%
②中合金钢，总合金元素5~10%
③高合金钢，合金元素总含量大于10%
(2)按脱氧程度分类
①沸腾钢（F）
② 半镇静钢（b）
③镇静钢（Z）
④特种镇静钢（TZ）
（3）按有害物质（P、S）含量分：普通钢、优质钢、高级优质钢
(4)按用途：结构钢、工具钢、特殊性能钢
低碳钢的失效：弹性阶段→屈服阶段→强化阶段→收缩失效。
低碳钢的屈服强度：设计时一般采用屈服点作为确定强度的依据。
屈服强度/抗拉强度称为屈强比。 屈强比越小，结构越安全。
中碳钢和高碳钢无明显屈服现象，延伸率小。 一般以发生0.2%残余变形时的应力值作为屈服点，也称条件屈服点，用σ0.2表示。
【关注书中低碳钢和高碳钢的损伤曲线】
2.伸长率和断面收缩率。 伸长率与原标距长度的百分比称为伸长率：
。
断裂处横截面的减少量占原始横截面积的百分比称为面积收缩率：
。
伸长率和面积收缩率越大，塑性越好。
3、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，代表钢材在剧烈变形条件下的塑性。
4、冲击韧性
冲击韧性代表钢材抵抗冲击载荷的能力。 试验方法：夏比摆锤冲击试验，用V形缺口冲击试件，其断裂时吸收的功称为冲击吸收能。 当温度下降时，冲击吸收能量减少。 温度降到一定温度以下后，冲击吸收能急剧下降。 这种现象称为冷脆性。
5、硬度
常用布氏硬度/洛氏硬度/维氏硬度。
6、抗疲劳性
疲劳极限：试件在交变应力作用下工作且在规定周期内不断裂的最大应力。
三、影响建筑钢力学性能的主要因素 1、建筑钢的晶体结构
钢中的铁和碳可以以固溶体（C为Fe中的固溶体）、化合物（Fe3C）及其混合物的形式形成一定形式的聚合物，称为钢的组织，包括：
（1）铁素体：C在α-Fe中的固溶体，C含量低（塑性好，韧性好，强度低，硬度低。
(2)珠光体：是铁素体和渗碳体的机械混合物。 碳含量低，约为0.8%。 具有层状结构、塑性好、强度高、硬度高。
(3)奥氏体：C在β-Fe中的固溶体，C含量0.8~2.26%，强度低，硬度低，塑性好。
(4)渗碳体：Fe3C，结构复杂，硬而脆，强度低，塑性差。
建筑钢材的C含量基本小于0.8%。 基本组织由珠光体和铁素体组成。 它具有高强度、良好的韧性和塑性。 随着C含量的增加（0.8%以内），珠光体增加，铁素体减少。 当C含量为0.8%时，全部为珠光体。 当C含量超过0.8%时，钢的晶体组织含有珠光体和渗碳体。
钢材中的缺陷对钢材的性能影响较大。 主要缺陷有：
(1)点缺陷：空位削弱原子间的结合力，间隙原子使强度增加，塑性降低。
(2)线缺陷：棱形位错使晶格在滑移时从缺陷处滑落，强度大大降低。
(3)表面缺陷：晶体界面上的原子排列无序，使强度增加，塑性下降。
2、化学成分
(1)C：一般不大于0.8%。 C含量增加，会增加钢的抗拉强度和硬度，降低韧性和塑性，降低焊接性能和耐蚀性。 当C含量超过1%时，由于珠光体界面上渗碳体呈网状分布，使钢变脆，钢的强度下降。
(2)Si：当含量小于1%时，增加Si可显着提高钢的强度和硬度，而对塑性和韧性影响不显着。 Si是钢中添加的主要元素之一。
(3)Mn：具有脱氧、除硫作用，有效降低S引起的热脆性，显着提高耐蚀性。 耐磨，增加强度和硬度。
(4)S：有害元素，引起热脆性，热加工时易断裂，使钢的各项指标降低，特别是焊接性。 硫含量应小于0.045%。
(5)P：有害元素，引起冷脆性、塑性、韧性显着下降，焊接性和冷弯性能变差，但抗拉强度增加。
(6)O：有害元素。
(7)N：有害元素。
总结：C、Si、Mn为有益元素（但含量不宜过高），S、P、O、N为有害元素。
3、冶炼工艺
主要体现在脱氧过程和其他元素的含量上。
4. 加工
利用形变强化的原理，通过冷拔、冷拔、冷轧等手段提高钢材的屈服强度。 原理：增加晶格缺陷，增加晶格间的滑移阻力。
冷加工可以提高钢的屈服点，降低其塑性和韧性。
冷拔：材料两端被拉伸但不被压缩，可以在不增加抗压强度的情况下增加屈服点和抗拉强度。
冷拔：材料在两端受到拉伸和径向压缩，可提高屈服点、抗拉强度、抗压强度。
时效处理：冷作钢材在室温下放置15天或加热保温一定时间，可进一步提高屈服点，增加抗拉强度，塑性、韧性继续下降，消除冷加工产生的内应力。 原理：钢中的C、N原子向缺陷移动并富集，使缺陷增多q235钢材的屈服强度，抗位错能力增大。 时效处理后弹性模量基本保持不变。
四、钢结构用钢标准及选用 1、普通碳素结构钢
包括热轧钢板、带钢、型钢、棒钢等。
碳素结构钢共有5个牌号，用Q+屈服点值+质量等级符号+脱氧方法符号表示。 例如：Q235-AF代表A级沸腾钢，屈服点为。 等级字母越大，质量越好。
选用钢材时应考虑结构和施工的重要性、荷载类型、连接方式、环境温度等条件。 下列条件限制沸腾钢的使用：
①直接承受动载荷的焊接构件；
②非焊接结构但计算温度低于或等于-20℃；
③承受静载荷和间接动载荷但计算温度低于或等于-30℃的焊接结构。
2、低合金高强度结构钢
在低碳结构钢的基础上添加总量低于5%的合金元素即可得到低合金高强度结构钢。 强度高，塑性、韧性和焊接性良好q235钢材的屈服强度，成本不高。 特别适用于大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构。
低合金高强度结构钢牌号及牌号：
Q345、Q390、Q420：有五个质量等级：A、B、C、D、E； Q460、Q500、Q550、Q620、Q690：有C、D、E三个质量等级。等级字母越大，质量越好。
3、型钢
型钢和钢板有两种类型：热轧和冷轧。
(1)热轧钢材：常用角钢。 工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等主要材质为Q235A。
(2)冷弯薄壁型钢：由2~6mm钢板冷弯或模压而成。 主要包括角钢、槽钢等开口薄壁钢材和方、矩形钢等空心薄壁钢材。 可用于轻钢结构。
(3)钢板和压型钢板：有热轧和冷轧两种，主要材质为碳素结构钢。
(4)轻钢龙骨。
五、混凝土结构用钢材标准及选用 1、热轧钢筋
根据强度（屈服极限、抗拉强度）和变形（冷弯性能、延伸率）性能，热轧钢筋分为四个等级：
表面
形状
螺纹钢
年级
力量
代码名称
标称
直径
特征
光环
R235
6~22
采用Q235轧制而成，强度较低，塑性好，易焊接，主要用于非预应力钢筋。
新月
肋骨
二
6~25,
28~50岁
由低合金钢轧制而成，可制成预应力或非预应力钢筋。
三、
6~25,
28~50岁
等高
肋骨
四号
6~25,
28~50岁
优选由低合金钢轧制而成的预应力钢筋。
2、冷拔、热轧钢筋
热轧钢筋在室温下拉伸至超过屈服点的一定应力，然后卸荷，得到冷拔热轧钢筋。 屈服点升高，伸长率降低。 一级钢筋冷拔后可用作钢筋混凝土中的受拉钢筋。 II、III、IV级钢筋经冷拔后可用作预应力钢筋。 然而，它们在负温度、冲击载荷和重复载荷下容易发生脆性断裂。
3、冷拔低碳钢丝
直径为6.6~8mm的Q235（或Q215）热轧盘条在室温下通过截面小于钢筋直径的拉丝模。 经过一道或多道后，得到冷拔低碳钢丝。 屈服强度大大提高，使其硬而脆。 A级为预应力钢丝（伸长率必须合格），B级为非预应力钢丝。
4、冷轧带肋钢筋
热轧圆棒经冷轧、冷拔后，三面带肋钢筋表面进行冷轧。 强度高，塑性好，与混凝土包裹性好。 LL550用于非预应力混凝土主筋，LL650、LL800可用于中小型预应力混凝土受力主筋。
5、热处理钢筋
热轧带肋钢筋经调质、调质热处理而成。 强度显着提高，韧性好，塑性降低不多，综合性能良好。 直径有 6、8 和 10 毫米。 表面轧制全长纵筋，分布均匀。 横向筋在使用过程中不能焊接或焊接，但可以用于预应力混凝土中。
6、冷轧扭钢筋
轻微地
7、预应力混凝土用钢丝、钢绞线
采用优质碳素结构钢经冷加工、调质、冷轧、扭绞而成，适用于大荷载、大跨度、弯曲钢筋的预应力混凝土结构。
六、建筑钢材的防锈、防火 1、钢材的防锈
钢会被O2、SO2、H2S等腐蚀性气体氧化，并且在潮湿环境或含有电解质的溶液中可能会因微电池效应而发生电化学腐蚀。 主要原因：电化学腐蚀。
防止钢材生锈的措施：表面涂防锈漆，或镀锌、镀塑。
防止混凝土中钢筋腐蚀的措施：限制水灰比和水泥用量、限制氯盐外加剂的使用、提高混凝土的密实度、掺入防锈剂（重铬酸盐）等。
2、钢材防火
钢结构防火的主要方法是涂装阻燃隔热涂料。
