钢材的强化

6　建 筑 钢 材

(1)了解钢材的生产工艺及种类。

(2)掌握钢材的主要技术性能及标准，能够合理选用钢材。

建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢(圆钢、方钢、角钢、槽钢、工字钢等)、钢板(中厚板、低合金板、不锈钢板、彩涂板、镀锌卷板等)、钢管(焊接钢管、无缝钢管等)和用于钢筋混凝土结构中的线材(钢筋、钢丝等)及金属制品(钢丝绳、钢绞线等)。

建筑钢材材质均匀密实，强度和硬度高，塑性和冲击韧性好，易于加工(如切割、轧制、焊接、铆接等)，且与混凝土的黏结性能良好(二者的线性膨胀系数相近)，因此广泛应用于建筑工程中。建筑钢材的主要缺点是易锈蚀、耐火性差，而且钢结构在使用过程中的维修费用较高。

6.1　钢材的加工工艺及分类

6.1.1　钢材的冶炼

生铁是铁矿石、溶剂(石灰石)和燃料(焦炭)在高炉中经还原反应和造渣反应而生成的一种铁碳合金，其碳、磷、硫等元素的含量较高；生铁质地坚硬，属脆性材料，不能进行焊接、锻造、轧制等加工。钢是由生铁或废钢在炼钢炉内熔融后，经氧化除去过多的碳和杂质，再加入脱氧剂(如锰铁、硅铁、铝锭等)进行脱氧，使FeO还原成单质Fe而得到钢水，钢水浇铸到锭模内形成钢锭，钢锭经过加工即可得到各类钢材。

钢是指碳含量在0.0218%～2.11%范围内且杂质含量较低的铁碳合金，密度约为7.84～7.86g/cm3。工程上把碳含量小于0.0218%的铁碳合金称为工业纯铁，碳含量大于2.11%的铁碳合金称为工业铸铁。

6.1.2　钢材的主要加工方法

多数钢材都是经过压力加工，使被加工的钢(钢坯、钢锭等)产生塑性变形而制得。根据加工温度不同可分为冷加工(常温下的加工)和热加工(加热后进行加工)两种。

1)轧制

将钢材通过一对旋转轧辊的间隙(有多种形状)，通过轧辊的压力作用使材料截面积减小，长度增加的一种加工方法，有冷轧和热轧两种，是生产钢材最常用的加工方式，主要用来生产型材、板材、管材。

2)锻造

利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使钢材变形，制成规定性状和尺寸钢材的一种压力加工方法。常用作生产大型材、开坯等截面尺寸较大的钢材。

3)冷拉

将轧制过的钢筋两端施加一定的拉力(超过钢材的屈服强度，但未达到其抗拉强度)，使钢材产生塑性变形，且截面积减小、长度增加的加工方法。冷拉后的钢筋屈服强度提高20%～30%，但塑性、韧性下降。

4)冷拔

将已经轧制的钢筋通过比其直径小的硬质合金拔丝模孔，使其截面减小、长度增加的加工方法，多采用冷加工，称为冷拔。钢筋在冷拔过程中，不仅受到拉力作用，而且还受到拔丝模的侧向挤压作用，因此冷拔后的钢筋质量优于单受冷拉作用的钢筋，一次或多次冷拔后，钢筋的屈服强度提高40%～60%，表面光洁度高，但塑性、韧性明显降低。

5)挤压

将钢材放在密闭的挤压筒内，从一端施加压力，使其从规定的模孔中挤出而得到规定形状(有多种形状)和尺寸钢材的加工方法。多用于生产有色金属材料。

6.1.3　钢材的分类

1)按冶炼方法分类

(1)氧气转炉钢

在炼钢炉内可吹入空气进行氧化，一般用来炼制普通碳素钢。工厂中多用氧气代替空气，可有效去除杂质，缩短冶炼时间(约30min)，使钢材的质量明显提高，而且成本较低，可以炼制优质碳素钢和合金钢。

(2)平炉钢

以铁矿石、废钢、固态或液态生铁为原料，用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼，吹入空气或氧气及利用铁矿石或废钢中的氧使碳及杂质经氧化作用而除去。平炉炼钢法冶炼时间长(约4～12h)，有利于精确控制钢材质量，但成本较高，可以用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。

(3)电炉钢

以生铁和废钢为原料，通过电能转化为热能来进行高温炼钢的冶炼方法。电炉熔炼温度高，易调节，且杂质去除干净，因此电炉钢质量最好，但能耗大，成本高。

2)按脱氧程度分类

(1)沸腾钢

炼钢时加入脱氧剂进行脱氧且脱氧不完全的钢。钢水在浇铸到锭模的过程中，有大量的CO气体逸出，引起钢水沸腾，因此称为沸腾钢，用符号“F”表示。沸腾钢结构组织不够致密，气泡含量较多，化学偏析(钢中元素富集于某一区域的现象)较严重，质量较差，但由于成本低、产量高，广泛应用于一般建筑结构中。

(2)镇静钢

炼钢时以硅铁、锰铁和铝锭为脱氧剂，脱氧完全，钢水在铸锭时无气泡产生，在锭模内能够平静凝固，称为镇静钢，用符号“Z”表示。镇静钢结构致密，化学成分均匀，机械性能好，质量好，但成本较高。可用于承受冲击荷载的结构和预应力混凝土中。

(3)半镇静钢

脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间，用符号“b”表示。

(4)特殊镇静钢

脱氧程度比镇静钢还要完全彻底，用符号“TZ”表示。特殊镇静钢质量最好，适用于特别重要的工程。

3)按化学成分分类

(1)碳素钢

碳素钢按含碳量不同分为低碳钢(含碳量小于0.25%)、中碳钢(含碳量为0.25%～0.60%)、高碳钢(含碳量大于0.60%)3种。低碳钢在建筑工程中应用最多。

(2)合金钢

在钢中除含有铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷、硫元素以外，还含有一定量的合金元素，用以改善钢材的性能，钢中的合金元素有硅、锰、钼、镍、铬、钒、钛、铌、硼、铅、稀土等，这种含有一种或几种合金元素的钢叫做合金钢。合金钢按合金元素含量不同可分为低合金钢(合金元素含量小于5.0%)、中合金钢(合金元素含量5.0%～10%)、高合金钢(合金元素含量大于10%)。低合金钢在建筑工程中应用最多。

合金钢按主要性能或使用特性可分为以下几类：

① 工程结构用合金钢：包括一般工程结构用合金钢、供冷成型用的热轧或冷轧扁平产品用合金钢(压力容器用钢、汽车用钢和输送管线用钢)、预应力用合金钢、矿用合金钢、高锰耐磨钢等。

② 机械结构用合金钢：包括调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、冷塑性成型合金结构钢、合金弹簧钢等。

③ 不锈、耐蚀和耐热钢：包括不锈钢、耐酸钢、抗氧化钢、热强钢等。

④ 工具钢：包括合金工具钢和高速工具钢。合金工具钢分为量具刃具用钢、耐冲击工具用钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢、塑料模具钢等；高速工具钢分为钨钼系高速工具钢、钨系高速工具钢和钼系高速工具钢等。

⑤ 轴承钢：包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢、高温轴承钢等。

⑥ 特殊物理性能钢：包括软磁钢、永磁钢、无磁钢、高电阻钢和合金等。

4)按质量等级分类

按钢中有害元素S、P的含量分类。

(1)普通钢

含硫量不大于0.035%～0.050%，含磷量不大于0.045%的钢。

(2)优质钢

含硫量不大于0.035%，含磷量不大于0.035%的钢。

(3)高级优质钢

含硫量不大于0.025%，含磷量不大于0.025%的钢。高级优质钢在钢号后加“高”字或“A”。

(4)特级优质钢

含硫量不大于0.015%，含磷量不大于0.025%的钢。特级优质钢在钢号后加“E”。

6.2　建筑钢材的主要技术性质

建筑钢材的主要技术性质包括力学性能、工艺性能和化学性能等。

6.2.1　建筑钢材的力学性能

1)拉伸性能

拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是衡量钢材性能和选用钢材的重要依据。通常用低碳钢的拉伸试验来描述钢材的拉伸性能。

将低碳钢(软钢)做成标准试件，如图6.1所示，按照标准方法进行拉伸试验，其应力σ-应变ε关系曲线如图6.2所示。从图中可以看出，低碳钢从受拉到断裂的全过程可分为4个阶段：弹性阶段(OA)、屈服阶段(AB)、强化阶段(BC)和颈缩阶段(CD)。

图6.1　低碳钢拉伸实验试件

图6.2　低碳钢受拉时应力-应变曲线

(1)弹性阶段(OA)

在应力-应变关系曲线中，OA段是一条直线，应力与应变成正比，直线的最高点A点对应的应力值为弹性极限，用σp表示。如卸去荷载，试件将恢复原状，说明钢材处于弹性变形阶段。此时应力与应变的比值为常量，称为弹性模量，用E表示，即E=σ/ε。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，即钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。E越大，在相同应力下，钢材的弹性变形就越小。常用低碳钢的弹性极限σp=180～200MPa，弹性模量E=(2.0～2.1)×105MPa。

(2)屈服阶段(AB)

当应力超过弹性极限后，应力与应变不再成正比关系，钢材开始产生塑性变形。当应力达到上屈服点(B上)时，瞬时下降至下屈服点(B下)，此时变形迅速增长，而应力在很小的范围内做锯齿样波动，好像钢材受力屈服了，因此称为“屈服阶段”。由于B下点比较稳定易测，通常以B下点对应的应力作为钢材的屈服强度(或屈服点)，用σs表示。常用低碳钢的屈服强度σs=195～300MPa。钢材受力达到屈服强度后，开始出现塑性变形，尽管尚未破坏，但由于变形过大，已不能满足使用要求，因此设计中一般以屈服强度作为钢材强度的取值依据，是工程结构计算中的重要参数。

(3)强化阶段(BC)

当应力超过B点后，由于钢材内部组织产生晶格畸变，抵抗塑性变形的能力得到进一步提高，变形随着应力的增长迅速发展，钢材进入强化阶段。应力-应变曲线的最高点C点所对应的应力，称为抗拉强度(又称极限抗拉强度)，用σb表示。常用低碳钢的σb为385～520MPa。抗拉强度不能直接在设计中使用，但屈服强度与抗拉强度的比值(即屈强比σs/σb)在工程中具有重要意义，是用来反映钢材的利用率和结构的安全可靠程度的。屈强比越小，结构的安全可靠性越高，结构越安全，但钢材有效利用率降低，造成浪费；屈强比越大，钢材的有效利用率提高，但结构的安全可靠性降低。因此屈强比不宜过小或过大，合理的屈强比一般为0.60～0.75之间。

(4)颈缩阶段(CD)

当应力超过C点后，材料的塑性变形迅速增大，而应力不增反降。试件被拉长，最薄弱处(杂质或缺陷)的截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂。

拉伸试验不仅能测出钢材的屈服强度和抗拉强度等强度指标，还能测出钢材的塑性。钢材的塑性是指钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，用伸长率或断面收缩率表示。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，试件拉断后标距的伸长量与原标距的百分比为伸长率；试件拉断前后截面积的改变量与原截面积的百分比为断面收缩率。伸长率(δ)和断面收缩率(φ)可按下式计算:

%

(6-1)

%

(6-2)

式中：δ——试件的伸长率，%；

l0——试件原标距长度，mm；

l1——拉断后的标距长度，mm；

φ——试件的断面收缩率，%；

A0——试件拉伸前原标距处的截面积，mm2；

A1——试件拉断后断口处的截面积，mm2。

伸长率和断面收缩率均可反映钢材在断裂前的塑性变形能力，都是衡量钢材塑性的重要指标。伸长率和断面收缩率越大，钢材塑性越好，而强度较低。钢材的塑性变形可在其缺陷处应力超过屈服强度时，使内部的应力集中得以重新分配，从而提高结构中钢材的安全性，避免结构过早破坏。钢材拉伸时的塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长变形最大，离颈缩处越远变形越小。所以原标距l0与直径d0之比越小，颈缩处的伸长量在总伸长量中所占的比例就越大，计算出的伸长率δ也越大。钢材拉伸试件的标距通常为5d0或10d0，对应的伸长率分别记为δ5和δ10，对于同种钢材，δ5>δ10。常用低碳钢的伸长率为20%～30%，断面收缩率为60%～70%。

上述计算方法得出的伸长率只反映颈缩处及附近区域的塑性变形，无法反映出钢筋颈缩前的平均变形及断裂后恢复的弹性变形，由于各类钢筋的颈缩情况不同，且断口拼接测量有误差，难以准确反映钢筋的塑性。因此，以钢筋在最大拉力作用下的总伸长率Agt(又称均匀伸长率)来评定钢筋的塑性更科学，它能更好地反映混凝土构件中钢筋的实际工作状态。在距离钢筋断裂点较远一侧选择两个相距至少100mm的标记点Y和V，两个标记点离开夹具的距离都应不小于20mm或钢筋公称直径d(取二者之较大值)，且两个标记与断裂点之间的距离应不小于50mm或钢筋公称直径的2倍2d(取二者之较大值)，如图6.3所示。

图6.3　钢材断裂后的测定示意图

最大力作用下总伸长率Agt是钢筋在最大力作用下断裂时，其塑性变形的伸长率与弹性变形的伸长率之和，可按下式计算：

图6.4　中碳钢与高碳钢
　(硬钢)的应力-应变曲线

(6-3)

式中：L0——拉伸实验前两标记点间的距离，mm；

L——试件断裂后两标记点间的距离，mm；

——钢材抗拉强度实测值，MPa；

E——钢材的弹性模量，MPa，可取2×105MPa。

国家标准规定，有抗震要求的钢筋混凝土工程，其钢筋的最大力总伸长率不小于9%。

中碳钢与高碳钢(硬钢)的拉伸曲线与低碳钢不同，伸长率小，断裂时呈脆性破坏，而且没有明显的屈服阶段，难以测定屈服强度，其应力-应变曲线如图6.4所示。通常以产生0.2%残余变形时所对应的应力值作为屈服强度，称为条件屈服点(也称为名义屈服点)，用σ0.2表示。

2)冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用而不破坏的能力，简称为韧性。冲击韧性实验是采用中部有V形刻槽或U形缺口的标准弯曲试件，放置于冲击实验机的支架上，冲击摆锤从一定高度自由落下冲击到试件非刻槽的一侧(即刻槽的背面)，如图6.5所示，反复作用直至试件断裂。试件冲断时所吸收的能量即为冲击摆锤所做的功，通常用缺口处单位面积上所消耗的功来表示钢材的冲击韧性，用αk表示。冲击韧性可按下式计算：

(6-4)

式中：αk——钢材的冲击韧性，J/cm2；

m——摆锤质量，kg；

g——重力加速度，通常取9.81m/s2；

H——摆锤冲击前摆起的高度，m；

h——摆锤冲击后摆起的高度，m；

A0——试件槽口处断面面积，mm2。

αk值越大，即试件断裂前吸收的能就越多，钢材的冲击韧性越好，抵抗冲击作用的能力越强，发生脆性破坏的危险性越小。

影响钢材冲击韧性的因素很多，钢材内硫和磷的含量高、脱氧不完全、存在化学偏析、含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹等，都会明显降低钢材的冲击韧性。此外，环境温度对钢材的冲击韧性影响也很大。实验表明，冲击韧性随着温度的降低而降低，开始时下降缓慢，此时钢材破坏的断口呈韧性断裂状；当温度降至某一温度范围时，冲击韧性突然下降很快而使钢材呈现脆性，这种性质称为钢材的冷脆性；这个温度范围称为脆性临界温度(又称脆性转变温度)；低于这个温度时，冲击韧性又开始缓慢下降，如图6.6所示。脆性临界温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。因此，对于北方寒冷地区及有负温出现的结构，应选用脆性临界温度低于环境最低温度的钢材。由于脆性临界温度的测定工作比较复杂，标准中通常是根据气温条件测定-20℃或-40℃的冲击韧性指标。

图6.5　冲击韧性实验示意图

图6.6　钢材的冲击韧性与温度的关系

随着时间的延长，钢材强度和硬度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效的过程可达数十年，但钢材若经过冷加工或使用中受振动和反复荷载作用，时效可迅速发展。因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性越大的钢材，经过时效后冲击韧性降低得越明显。对于承受动荷载或有负温出现的重要结构，须按规范要求检测钢材的冲击韧性，尽可能选用时效敏感性小的钢材。

3)疲劳强度

钢材在交变荷载的反复作用下，可在应力远小于抗拉强度的情况下发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度(疲劳极限)来表示，是指试件在交变荷载作用1×107周次时，不发生疲劳破坏的最大应力值。

钢材的疲劳破坏过程是由拉应力首先在局部引起微裂缝，随着交变荷载的持续作用，由于应力集中而导致微裂缝不断扩大，直至形成全截面的贯通裂缝，钢材发生突然的断裂。钢材内部的组织结构、化学成分偏析、受力状态、截面变化、表面质量及内应力大小等因素，都会影响钢材的疲劳强度。钢材的抗拉强度越高，疲劳强度也越高。由于疲劳破坏瞬间发生，危险性高，所以在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。

4)硬度

图6.7　布氏硬度测定示意图

钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压入产生塑性变形的能力。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用布氏硬度表示，符号HB。布氏法的测定原理是利用直径为D(mm)的淬火钢球，用荷载P(N)将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸去荷载，即可得直径为d(mm)的压痕；以压痕表面积A(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。布氏硬度用数字表示，且无量纲。图6.7为布氏硬度测定示意图。

材料的硬度是材料弹性、塑性、强度等性能的综合反映。试验证明，钢材的HB值与其抗拉强度σb之间存在较好的相关性，强度越高，硬度也就越大。对于碳素钢，当HB<175时，σb≈3.6HB；当HB>175时，σb≈3.5HB。根据这种相关关系，可以在钢结构的原位上测出钢材的HB值，进而估算该钢材的抗拉强度。

6.2.2　钢材的工艺性能

钢材的工艺性能是指钢材在加工过程中表现出的性质。钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求，确保钢筋制品的加工质量。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑钢材的重要工艺性能。

1)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，用试验时的弯曲角度α、弯芯直径d与试件厚度a(或直径)的比值d/a来表示。钢材的冷弯性能通过冷弯试验来评定。冷弯试验采用直径(或厚度)为a的试件，选用弯芯直径d=na的弯头(n为自然数，根据实验标准确定)，使试件弯曲到规定角度(90°或180°)时，若弯曲处无裂缝、断裂或起层等现象，即认为冷弯性能合格。弯曲角度越大、弯芯直径与试件厚度的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高，如图6.8和图6.9所示。

图6.8　冷弯性能实验示意图

图6.9　钢材弯芯直径与试件厚度的关系

钢材的冷弯性能和其伸长率一样，都是检验钢材塑性的方法。冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性，因此冷弯试验对钢材塑性的检验比拉伸试验更为严格，更能暴露钢材内部的某些缺陷，如内部组织的不均匀性、夹杂物、孔隙及内应力等；同时对焊接质量也是一种严格检测，能突显焊件受弯处表面未熔合、微裂缝及夹杂物等缺陷。而在拉伸试验中，这些缺陷往往因塑性变形引起的内部应力重新分布而反映不出来。

2)焊接性能

焊接是钢材的重要连接方式。焊接质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢材的焊接性能。

可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。在焊接过程中，钢材在短时间内温度升到很高，融化的体积很小，由于钢材导热性能好，焊接后迅速冷却降温，焊缝及其附近的过热区将发生晶体组织及结构变化，产生局部变形及内应力，甚至裂缝。焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，焊接质量下降，这种现象称为钢材的热脆性。可焊性良好的钢材，焊缝及其附近过热区钢材不应产生明显的缺陷(如裂纹、气孔、夹渣等)及脆硬现象，焊接接头质量应与母材相近，焊接才牢固可靠。

钢材的化学成分、冶炼质量、冷加工、焊接工艺及焊条材料等都会影响焊接性能。含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性；加入合金元素(如硅、锰、钒、钛等)，会明显增加焊缝处的脆硬性，降低可焊性；硫会明显增加钢材的热脆性，使可焊性降低；焊接结构用钢应选用含碳量较低的氧气转炉钢或平炉镇静钢；对于高碳钢和合金钢，为改善焊接质量，一般需要采用焊前预热和焊后热处理等措施确保焊接质量。

钢材焊接后须取样检验，通常做拉伸试验，有些焊接种类需做弯曲试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处，且焊缝处应无裂纹、砂眼、咬肉和焊件变形等缺陷。

钢材焊接应注意：冷拉钢筋需在冷拉之前焊接；焊接前，接缝部位需清除铁锈、熔渣、油污等；钢材性质不确定时，不可焊接。

6.2.3　钢材的强化

1)冷加工强化

将钢材于常温下进行冷加工(如冷拉、冷拔或冷轧)，使之产生塑性变形，使其强度、硬度提高，塑性、韧性和弹性模量降低的这个过程，称为冷加工强化。

2)时效

钢材经过冷加工后，在常温下存放15～20d，或加热到100～200℃并保持2h左右，钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性和韧性下降的这种现象称为时效，前者称为自然时效，后者称为人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则须采用人工时效。由于时效过程中内应力的消减，弹性模量可基本恢复到冷加工前的数值。对钢材进行冷加工强化与时效处理的主要目的是提高钢材的屈服强度，以便节约钢材。时效的过程很漫长，可达数十年，冷加工或使用过程中经受振动及反复荷载作用，会加速时效的发展。受动荷载和冲击荷载作用的结构，应选择时效敏感性小的钢材，以保证钢材在使用过程中性能的稳定。

3)钢材冷加工强化与时效处理的机理

钢筋经冷加工及时效处理后的力学性能变化规律，可从冷拉试验的应力-应变图反映出来，如图6.10。

图6.10　钢筋经冷拉时效后应力-
　应变图的变化

(1)图中OBCD曲线为未经冷拉及时效处理的钢材的应力-应变曲线，是将钢筋试件一次性拉断的过程，曲线上的B点为钢材的屈服强度。

(2)当钢材试件拉伸至超过屈服强度但不超过抗拉强度的任一点K时，卸去荷载，由于钢材发生了塑性变形，曲线由K点沿KO′下降至O′点，KO′与原曲线基本平行。然后再立即施加荷载，钢材的应力-应变曲线将沿着O′KCD发展，直至试件断裂。观察曲线可知，屈服强度由原来的B点提高到K点，以后的应力-应变关系与原来曲线KCD相似，OO′为不可恢复的塑性变形(即残余变形)。可明显看出，钢筋经冷拉后，屈服强度得到了提高。

(3)若在K卸去荷载后对钢材进行时效处理(自然时效或人工时效)，再进行拉伸，钢筋的应力-应变曲线将沿着O′K1C1D1发展。钢筋的屈服点由原来的K点提高至K1点，以后的应力-应变关系K1C1D1比原来曲线KCD短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高，与原钢筋相比，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则降低。

钢材经过冷加工后，塑性变形区域内的晶粒产生了相对滑移，由于晶粒细化及晶格歪曲阻碍了晶粒的进一步滑移，使得屈服强度提高、塑性降低、脆性增大。钢筋冷拉后的屈服强度可提高20%～30%，冷拔后的屈服强度可提高40%～60%，因此可适当减小钢筋混凝土结构构件的截面积或配筋量，从而在减轻建筑物自重的同时又可节约钢材。此外，钢筋冷拉还有利于简化施工工序，如冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序，冷拉直条钢筋可与矫直、除锈等工序一并完成。

6.2.4　钢材的化学成分对其性能的影响

钢材的主要成分是铁，其次是碳，因此，钢也称为铁碳合金。此外，钢材还含有一些其他元素，对钢材的质量和性能都有一定的影响。

1)碳(C)

碳存在于所有的钢材中，是最重要的硬化元素。随着含碳量的增加，钢材的强度、硬度提高，但是塑性、韧性及可焊性下降，同时，钢材的冷脆性和时效敏感性提高，抗大气锈蚀性降低。

2)硅(Si)

硅是炼钢时作为脱氧剂加入的，残留在钢材中的有益合金元素。硅可增加钢材的强度，当硅的含量未超过1%时，对钢材的塑性和韧性无明显影响；当硅的含量超过1%时，钢材的冷脆性增加，可焊性变差。

3)锰(Mn)

锰同硅一样，也是炼钢时作为脱氧剂加入的，残留在钢材中的有益合金元素。锰可增加钢材的坚固性、强度和耐磨损性，当锰含量为0.8%～1%时，可显著提高钢材的强度和硬度，对塑性和韧性没有明显影响；当锰含量超过1%时，在提高钢材强度的同时，塑性和韧性下降，可焊性变差。

4)硫(S)和磷(P)

硫和磷均为炼钢原料带入钢材中的有害元素。

硫能引起钢材的热脆性，严重降低了钢材的热加工性能和可焊性，还会影响钢材的冲击韧性、疲劳强度及耐腐蚀性。

磷能提高钢材的强度、硬度和耐腐蚀性，使塑性和韧性明显降低，尤其是低温冲击韧性，钢材易发生脆裂。磷元素引起的冷脆性会使钢材的冲击韧性和焊接等性能降低。

5)氧(O)和氮(N)

氧和氮是在炼钢过程中引入的有害元素，会降低钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还能增加钢材的热脆性，氮还能增加钢材的冷脆性和时效敏感性。

6)铬(Cr)

铬不仅能增加钢材的硬度和耐磨损性，还能明显提高其耐腐蚀性，通常认为含铬量在13%以上的钢材为不锈钢，但如果保养不得当，钢材还是会生锈的。

7)镍(Ni)

镍可使钢材具有良好的强度、韧性和耐腐蚀性。

8)钒(V)

钒是炼钢时的脱氧剂，可减弱钢材中碳和氮的不利影响，增强钢材的强度和抗磨损能力，改善韧性及冷脆性，但会降低钢材的可焊性。

6.3　建筑钢材标准与选用

6.3.1　钢结构用钢

1)碳素结构钢

(1)碳素结构钢的牌号

根据国家标准《碳素结构钢》(GB/T 700—2006)规定，碳素结构钢牌号由代表屈服强度字母、屈服强度数值、质量等级符号及脱氧程度四部分按顺序组成。其中，以字母“Q”表示屈服强度；屈服强度数值有195MPa、215MPa、235MPa和275MPa四种；质量等级是按有害元素硫、磷含量由多到少的规律分为A、B、C、D四级；按脱氧程度分为沸腾钢(F)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)、特殊镇静钢(TZ)四类，Z和TZ在钢的牌号中可以省略。例如，Q235AF表示屈服强度为235MPa、质量等级为A级的沸腾钢；Q235D表示屈服强度为235MPa、质量等级为D级的特殊镇静钢。

(2)碳素结构钢的技术要求

碳素结构钢的技术要求包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态及表面质量五个方面。

① 碳素结构钢的牌号和化学成分(熔炼分析)应符合表6.1的规定。

表6.1　碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T 700—2006)

注：(1)a是指表中为镇静钢、特殊镇静钢牌号的统一数字，沸腾钢牌号的统一数字代号如下：
Q195F——U11950；
Q215AF——U12150，Q215BF——U12153
Q235AF——U12350，Q235BF——U12353
Q275AF——U12750。
(2)b表示经需方同意，Q235B的碳含量可不大于0.22%。

② 碳素结构钢的力学性能应符合表6.2的规定。

表6.2　碳素结构钢的力学性能(GB/T 700—2006)

注：(1)a表示Q195的屈服强度值仅供参考，不作交货条件；
(2)b表示厚度大于100mm的钢材，抗拉强度下限允许降低20N/mm2，宽带钢(包括剪切钢板)抗拉强度上限不作交货条件；
(3)c表示厚度小于25mm的Q235B级钢材，如供方能保证冲击吸收功值合格，经需方同意，可不做检验。

③ 碳素结构钢的冷弯性能应符合表6.3的规定。

表6.3　碳素结构钢的冷弯性能指标(GB/T 700—2006)

续表6.3

注：(1)B为试样宽度，a为试样厚度(或直径)；
(2)钢材厚度(或直径)大于100mm时，弯曲实验由双方协商确定。

(3)碳素结构钢的特性及选用

碳素结构钢随钢号增大，含碳量增加，强度和硬度提高，塑性、韧性及冷弯性能降低；质量等级按硫、磷含量分为A、B、C、D四级，D、C级钢的质量优于B、A级钢；脱氧越充分，钢材质量越好。通常根据工程结构的荷载情况、焊接情况及环境温度等因素来选择钢材的质量等级和脱氧程度。如受振动及反复荷载作用的重要焊接结构，或处于计算温度低于-20℃的环境中，宜选用质量等级为D的特殊镇静钢。

Q195、Q215号钢含碳量低、强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工和焊接，常用作铆钉、螺栓、铁丝等。

Q235号钢含碳量适中，属低碳钢，强度较高，具有良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土结构用钢要求，且成本较低，为建筑工程中主要钢号。在钢结构中，主要使用Q235号钢轧制成各种型钢、钢板。Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。

Q275号钢强度高，塑性、韧性及可焊性较差，不易焊接和冷弯加工，多用于制作机械零件和工具，可用于轧制带肋钢筋作为钢筋混凝土的配筋、制作钢结构构件及制作螺栓等。

2)低合金高强度结构钢

工程中使用的钢材需要具有较高的强度及良好的塑性。因此，为改善钢材的力学及工艺性能，或是获得特殊的理化性能，炼钢时在碳素结构钢基础上掺入一种或几种合金元素，如锰、钒、钛、铌、镍等，制成合金钢。合金元素掺量低于5%时，即为低合金高强度结构钢。

低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比，具有较高的屈服强度和抗拉强度，以及良好的耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。低合金高强度结构钢的综合性能好，尤其适用于高层建筑、大柱网、大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中，可比碳素结构钢节省20%～30%的用钢量，有利于减轻结构自重，而且成本并不很高。

(1)低合金高强度结构钢的牌号

根据《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2008)规定，低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的字母“Q”、屈服强度数值、质量等级符号三部分组成；按照力学性能和化学成分可分为Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个钢号；按硫、磷元素含量由多到少分为A、B、C、D、E五个质量等级，其中E级质量最好。例如，Q345D表示屈服强度为345MPa、质量等级为D级的低合金高强度结构钢。

(2)低合金高强度结构钢的技术要求

① 低合金高强度结构钢的化学成分(熔炼分析)应符合表6.4的规定。

表6.4　低合金高强度结构钢的化学成分(GB/T 1591—2008)

续表6.4

注：(1)型材及棒材P、S含量可提高0.005%，其中A级钢可为0.045%；
(2)当细化晶粒元素组合加入时，20(Nb+V+Ti)≤0.22%，20(Mo+Cr)≤0.30%。

② 低合金高强度结构钢的拉伸性能应符合表6.5的规定。

表6.5　低合金高强度结构钢的拉伸性能(GB/T 1591—2008)

续表6.5

注：(1)当屈服不明显时，可测量Rp0.2代替下屈服强度；
(2)宽度不小于600mm的扁平材，拉伸实验取横向试样；宽度小于600mm的扁平材、型材及棒材取纵向试样，断后伸长率最小值相应提高1%(绝对值)；
(3)厚度大于250～400mm的数值适用于扁平材。

③ 低合金高强度结构钢的冲击实验性能应符合表6.6的规定。

表6.6　低合金高强度结构钢的夏比(V形)冲击实验的实验温度和冲击吸收能量(GB/T 1591—2008)

续表6.6

注：冲击实验取纵向试样。

④ 当需方要求做弯曲实验时，低合金高强度结构钢的弯曲性能应符合表6.7的规定；当供方保证弯曲性能合格时，可不做弯曲实验。

表6.7　低合金高强度结构钢的弯曲性能(GB/T 1591—2008)

(3)低合金高强度结构钢的性能与选用

由于合金元素的强化作用，低合金高强度结构钢具备较高的强度及硬度，而且塑性、韧性及焊接性能良好。Q345、Q390的综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能也很好，质量等级为C、D、E级的钢具有良好的低温韧性，适用于承受较高荷载的焊接结构中。Q420、Q460的强度高，热处理后具有较高的综合力学性能，主要用于大型工程结构及要求强度高、荷载大的轻型结构。

钢结构中常采用低合金高强度结构钢轧制的型钢、钢板和钢管来建造桥梁、高层及大跨度钢结构建筑。

6.3.2　钢筋混凝土用钢

钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种，主要由碳素结构钢和低合金高强度结构钢轧制而成。常用的有热轧钢筋、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线等。

1)热轧钢筋

(1)热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋是经热轧成型并自然冷却，横截面通常为圆形，表面光滑的成品钢筋。热轧光圆钢筋分为HPB235、HPB300两种，其公称直径范围为6～22mm，推荐的公称直径为6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm。热轧光圆钢筋以氧气转炉或电炉冶炼，可按直条或盘卷交货，其牌号构成及含义见表6.8。

表6.8　热轧光圆钢筋的牌号构成及含义(GB 1499.1—2008)

热轧光圆钢筋的化学成分(熔炼分析)应符合表6.9的规定。

表6.9　热轧光圆钢筋的化学成分表(GB 1499.1—2008)

热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能应符合表6.10的规定。冷弯实验时，钢筋弯曲180°后，受弯曲部位表面不得产生裂纹。

表6.10　热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能(GB 1499.1—2008)

HPB235强度较低，塑性及焊接性能好，便于冷加工，主要用于钢筋混凝土构件的受力筋和各种钢筋混凝土结构的构造筋。HPB300质量稳定，塑性好，易成型，且可焊性能良好，可替代HPB235钢筋应用于建筑工程中。

(2)热轧带肋钢筋

热轧带肋钢筋是低合金结构钢经热轧成型后自然冷却、横截面为圆形且表面通常有两条纵肋(平行于钢筋轴线且均匀连续)和沿长度方向均匀分布的横肋(与钢筋轴线不平行)的钢筋，也叫做螺纹钢。按横肋的纵截面形状分为月牙肋钢筋(纵截面呈月牙形且横肋与纵肋不相交)和等高肋钢筋(横肋与纵肋相交)，其外形如图6.11。

图6.11　热轧带肋钢筋的外形

钢筋混凝土用热轧带肋钢筋分为普通热轧带肋钢筋和细晶粒热轧带肋钢筋(是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的)，公称直径范围为6～50mm，推荐的公称直径为6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm。热轧带肋钢筋的牌号构成及含义见表6.11。

表6.11　热轧带肋钢筋的牌号构成及含义(GB 1499.2—2007)

热轧带肋钢筋牌号及化学成分和碳当量应符合表6.12的规定。根据需要，钢中还可加入V、Nb，Ti等元素。

表6.12　热轧带肋钢筋牌号及化学成分和碳当量(GB 1499.2—2007)

热轧带肋钢筋的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总伸长率Agt等力学性能特征值应符合表6.13的规定。

表6.13　热轧带肋钢筋的力学性能指标(GB 1499.2—2007)

热轧带肋钢筋的弯曲性能按表6.14规定的弯芯直径弯曲180°后，要求钢筋的受弯曲部位表面不得产生裂纹。

表6.14　热轧带肋钢筋的公称直径与弯芯直径的关系(GB 1499.2—2007)　(单位：mm)

热轧带肋钢筋可根据需方要求，进行反向弯曲性能实验。反向弯曲实验的弯芯直径比弯曲实验相应增加一个钢筋公称直径。反向弯曲实验方法：先正向弯曲90°后再反向弯曲20°。两个弯曲角度均应在去载之前测量。经反向弯曲实验后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。

HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400均为普通质量低合金钢轧制而成的，适用于作非预应力钢筋和预应力钢筋。其中，HRB335钢筋强度低，逐渐被建筑工程淘汰；HRB400强度较高，塑性、可焊性好，多在钢筋混凝土结构中作受力筋及构造筋。HRB500、HRBF500是由优质合金钢轧制而成的，强度高，塑性、韧性有保证，但可焊性较差，适宜用作预应力钢筋。细化晶粒的钢筋通常在钢材牌号中带字母F，主要用于有抗震要求的钢筋混凝土结构工程。

(3)钢筋混凝土用余热处理钢筋

热轧后利用热处理原理进行表面控制冷却(热轧带肋钢筋轧后穿冷水即直接进行表面淬火)，并利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋即为钢筋混凝土用余热处理钢筋，该钢筋具有良好的综合性能，在强度较高的情况下能保持良好的塑性和韧性。钢筋混凝土用余热处理钢筋按屈服强度特征值分为400级、500级，按用途分为可焊(指闪光对焊和电弧焊等工艺)和非可焊两类，可以按直条或盘卷交货。公称直径范围为8～50mm，RRB400、RRB500钢筋推荐的公称直径为8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm，RRB400W钢筋推荐的公称直径为8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm。其牌号的构成及含义见表6.15。

表6.15　钢筋混凝土用余热处理钢筋的牌号构成及含义(GB 13014—2013)

钢筋混凝土用余热处理带肋钢筋通常带有纵肋，也可不带纵肋，带纵肋的月牙肋钢筋外形及截面形式与热轧带肋钢筋相同，如图6.12所示。

图6.12　带纵肋的月牙肋钢筋外形及截面形式

余热处理钢筋的牌号、化学成分和碳当量(熔炼分析)应符合表6.17的规定。

表6.16　钢筋混凝土用余热处理钢筋牌号、化学成分和碳当量(GB 13014—2013)

余热处理钢筋的力学性能(时效后检验的结果)应符合表6.17的规定。

表6.17　钢筋混凝土用余热处理钢筋的力学性能指标(GB 13014—2013)

余热处理钢筋的弯曲性能按表6.18规定的弯芯直径弯曲180°后，要求钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。

表6.18　钢筋混凝土用余热处理钢筋的公称直径与弯芯直径的关系(GB 13014—2013)　(单位：mm)

余热处理钢筋可根据需方要求，进行反向弯曲性能实验。经反向弯曲实验后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。

(4)低碳钢热轧圆盘条

低碳钢热轧圆盘条是低碳钢加热轧制而成，每卷盘条由一根组成，且重量应不小于1000kg。低碳钢热轧圆盘条的牌号、化学成分(熔炼分析)应符合表6.19的规定。

表6.19　低碳钢热轧圆盘条的牌号和化学成分(GB/T 701—2008)

低碳钢热轧圆盘条的力学性能和工艺性能应符合表6.20的规定。经供需双方协商并在合同中注明，可做冷弯性能实验。直径大于12mm的盘条，冷弯性能指标由供需双方协商确定。

表6.20　低碳钢热轧圆盘条的力学性能和工艺性能(GB/T 701—2008)

低碳钢热轧圆盘条应将头尾有害缺陷切除，盘条截面不应有缩孔、分层及夹杂。盘条表面应光滑，不应有裂纹、折叠、耳子、结疤，允许有压痕及局部的凸块、划痕、麻面，其深度或高度应满足相应规定。

直径在10mm以下的低碳钢热轧圆盘条多为光圆钢筋，可做钢筋混凝土构件的构造筋、架立筋及受力筋；直径为12mm及以上的盘条多为带肋盘条，多作为钢筋混凝土构件的受力筋。

2)冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是指热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋(呈月牙形)的钢筋。冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和钢筋的抗拉强度最小值构成，其中C、R、B分别为冷轧(Cold rolled)、带肋(Ribbed)、钢筋(Bars)三个词的英文首位字母。冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号。其中，CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土用钢筋。CRB550钢筋的公称直径范围为4～12mm，CRB650以上的牌号钢筋的公称直径为4mm、5mm、6mm。

冷轧带肋钢筋力学性能和工艺性能应符合表6.21的规定。当进行弯曲实验时，要求受弯曲部位表面不得产生裂纹。反复弯曲实验的弯曲半径应符合表6.22的规定。

表6.21　冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能(GB 13788—2008)

注：表中D为弯芯直径；d为钢筋公称直径。

表6.22　冷轧带肋钢筋反复弯曲实验的弯曲半径(GB 13788—2008)　(单位：mm)

冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好、与混凝土的握裹力强及成本较低等优点，因此适用于普通混凝土结构和中、小型预应力混凝土结构。CRB550钢筋适用于钢筋混凝土结构中的受力筋、钢筋焊接网、箍筋、构造钢筋以及预应力混凝土结构中的非预应力筋。CRB650、CRB800和CRB970钢筋宜用作预应力混凝土结构的预应力筋。

3)冷轧扭钢筋

冷轧扭钢筋是将低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭(或冷滚)一次成型具有规定截面形式和相应节距的连续螺旋状钢筋，其外形如图6.13所示。冷轧扭钢筋的原材料采用牌号为Q215或Q235的低碳钢，当采用Q215牌号时，其碳的含量不应低于0.12%，550级Ⅱ型和650级Ⅲ型冷轧扭钢筋应采用Q235牌号的低碳钢加工。冷轧扭钢筋轧扁的时候钢筋会变宽，扭成螺旋状时直径会增大，使得其抗拉性能提高，但抗折性能下降，多用于板筋中。

图6.13　冷轧扭钢筋外形示意图

冷轧扭钢筋的标记由产品名称代号、强度级别代号、标志代号、主参数代号以及类型代号组成。如冷轧扭钢筋650级Ⅲ型，标志直径8mm，标记为：CTB650φT8-Ⅲ。

冷轧扭钢筋力学性能和工艺性能应符合表6.23的规定。

表6.23　冷轧扭钢筋力学性能和工艺性能(JG 190—2006)

注：(1)d为冷轧扭钢筋标志直径；
(2)A、A11.3分别表示以标距或(S0为试样原始截面面积)的试样拉断伸长率，A100表示以标距100mm的试样拉断伸长率；
(3)σcon为预应力钢筋张拉控制应力；fptk为预应力冷轧扭钢筋抗拉强度标准值。

4)预应力混凝土用钢

(1)预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢经冷拔或再经回火等工艺处理制成。预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝(WCD)和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝(WLR)和普通松弛级钢丝(WNR)。钢丝按外形又可分为光圆钢丝(P)、螺旋肋钢丝(H)和刻痕钢丝(I)三种，螺旋肋钢丝外形如图6.14所示，三面刻痕钢丝外形如图6.15所示。预应力混凝土用钢丝的标记包括预应力钢丝、公称直径、抗拉强度等级、加工状态代号、外形代号及标准号，例如，直径为4.00mm、抗拉强度为1670MPa的冷拉光圆钢丝，其标记为预应力钢丝4.00-1670-WCD-P-GB/T 5223—2002。经低温回火消除应力后，钢丝的塑性比冷拉钢丝要高，刻痕钢丝是经压痕轧制而成，刻痕后与混凝土握裹力大，可减少混凝土裂缝的产生。

图6.14　螺旋肋钢丝外形示意图

图6.15　三面刻痕钢丝外形示意图

冷拉钢丝、消除应力光圆及螺旋肋钢丝、消除应力刻痕钢丝的力学性能应分别符合表6.24、表6.25、表6.26的规定。

表6.24　冷拉钢丝的力学性能(GB/T 5223—2002)

预应力混凝土用钢丝的强度高，韧性好，可节省钢材，具有质量稳定、安全可靠、无接头、施工方便等特点，主要用于大跨度屋架、薄腹梁、吊车梁或桥梁等大型预应力钢筋混凝土结构，还可用于轨枕、压力管道等预应力钢筋混凝土构件。

表6.25　消除应力光圆及螺旋肋钢丝的力学性能(GB/T 5223—2002)

表6.26　消除应力的刻痕钢丝的力学性能(GB/T 5223—2002)

(2)预应力混凝土用钢绞线

钢绞线是用2根、3根或7根钢丝在绞线机上，经绞捻后，再经低温回火处理而成。钢绞线按结构可分为5类，代号分别为：用2根钢丝捻制的钢绞线，代号为1×2；用3根钢丝捻制的钢绞线，代号为1×3；用3根刻痕钢丝捻制的钢绞线，代号为1×3I；用7根钢丝捻制的标准型钢绞线，代号为1×7；用7根钢丝捻制又经拔模的钢绞线，代号为(1×7)C。

预应力混凝土用钢绞线的标记包括预应力钢绞线、结构代号、公称直径、强度级别、标准号。例如，公称直径为15.20mm、强度级别为1860MPa的7根钢丝捻制的标准型钢绞线，其标记为预应力钢绞线1×7-15.20-1860-GB/T 5224—2003。

预应力混凝土用钢绞线的力学性能应分别符合表6.27、表6.28和表6.29的规定。

表6.27　1×2结构钢绞线的力学性能(GB/T 5224—2003)

注：规定非比例延伸力FP0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。

表6.28　1×3结构钢绞线的力学性能(GB/T 5224—2003)

注：规定非比例延伸力FP0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。

表6.29　1×7结构钢绞线的力学性能(GB/T 5224—2003)

注：规定非比例延伸力FP0.2值不小于整根钢绞线公称最大力Fm的90%。

钢绞线具有强度高、柔性好、无接头、与混凝土黏结力好、易锚固等特点，且质量稳定，安全可靠，施工时不需冷拉及焊接，主要用作大跨度桥梁、屋架、吊车梁、薄腹梁、电杆、轨枕等构件的预应力钢筋，尤其适用于需要曲线配筋的预应力混凝土结构、大跨度结构或重荷载的屋架等。

6.3.3　钢材的选用原则

钢材的选用通常遵循以下原则：

(1)荷载性质。对于经常承受动力或振动荷载的结构，容易导致应力集中部位产生裂缝或裂缝过度开展，从而引起钢材的破坏，因此应选用材质好、塑性和韧性好、强度高的钢材。

(2)连接方法。焊接结构在温度变化和受力形式改变时，焊缝附近的钢材易出现裂纹，所以焊接结构对钢材的化学成分、机械性能、力学性质等有严格要求。

(3)使用温度。经常处于低温状态下的结构，钢材由于冷脆性的影响，易发生脆断，尤其是焊缝附近，因此要求钢材具有良好的塑性和低温冲击韧性。

(4)钢材厚度。钢材的力学性能随厚度的增大而降低，钢材轧制的次数越多，内部晶格越致密，强度越高，质量越好，因此一般结构用钢材的厚度不宜超过40mm。

(5)结构重要性。对于大跨度结构及重要建筑物，应选用综合性能优良的钢材。如坐落于北京奥林匹克公园的国家体育馆——鸟巢，使用的是自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，厚度达到110mm。Q460是一种低合金高强度钢材，不仅强度高、塑性好，而且具有良好的焊接性能及低温冲击韧性，是综合性能优良的优质钢材。

6.4　钢材的防火与防腐蚀

6.4.1　钢材的防火

钢材不会燃烧，常温下性能稳定。随着温度的升高，钢材的力学性能，如强度、弹性模量等性能急剧下降，钢结构的防火已经得到广泛的重视。裸露的、未做表面防火处理的钢结构，耐火极限仅为15min左右；在温度升至550℃左右时，钢材的强度迅速降低，结构发生明显变形，甚至垮塌。因此，钢结构必须做防火处理，目的是将钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围，防止钢结构在火灾中迅速升温，导致建筑物破坏。通常采用绝热、耐火材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量传递速度，延缓钢结构升温等措施，提高钢结构的防火性能。下面介绍几种钢结构常用的防火保护方法。

(1)包封法。用现浇混凝土外包或在钢结构外表涂抹砂浆等方式形成保护层。现浇成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或小截面的钢筋来加强，以限制收缩裂缝和遇火爆裂，而且还能提高外包层的强度；但由于混凝土的密度较大，应用上受到一定限制。在施工现场对钢结构表面涂抹砂浆作为保护层时，砂浆可以是石灰水泥或是石膏砂浆，也可以掺入珍珠岩或石棉。此外，外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻混凝土做成预制板，使用胶黏剂、钉子、螺栓等使其固定在钢结构上。目前，我国生产的蒸压加气混凝土板的耐火功能已达到国家标准，在工程中得到了广泛的应用。

(2)喷涂法。在钢结构构件表面喷涂防火涂料，使之形成耐火隔热保护层，以提高钢结构的耐火极限。这种方法的隔热效果好，施工不受钢结构构件形体的约束，不需要辅助构件及设备，而且涂层密度小，自重轻，还具有一定的装饰效果，越来越多的钢结构工程选择使用防火涂料。

防火涂料分为膨胀型和非膨胀型两种。膨胀型防火涂料又称为薄型涂料，由有机树脂和发泡剂等组成，一般350℃时，涂层能迅速膨胀5～10倍，从而形成适当的保护层，这种涂料的耐火极限一般为1～1.5h。非膨胀型涂料为厚涂型防火涂料，由耐高温硅酸盐材料和高效防火添加剂等组成，是一种预发泡高效能的防火涂料；涂层表面呈粒状，密度小，导热系数小，涂层厚度一般为8～50mm，通过改变涂层厚度可以满足不同耐火极限的要求。高层钢结构设计规范中，构件的耐火极限在1.5～4h以上时，应选用厚涂型防火涂料。

(3)冲水冷却法。在钢结构空心且封闭的构件中填充水，发生火灾时，结构构件能够吸收热能，并且运用封闭空间中的水汽蒸发来消耗热能，或是通过构件内水的循环将热能消耗，使钢结构的温度控制在90～100℃之间。理论上，冲水冷却法是保护钢结构最好、最有效的方法，但其要求钢材中设有空心封闭的空间，此类钢材的应用相对较少，所以此法不适用于普通的钢结构。

(4)屏障法。将钢结构置于耐火材料组成的墙体或吊顶内，可以屏蔽火浪的冲击，延缓钢梁、钢屋架升温，从而提高钢结构的耐火性。这种方法可增加室内的美观效果，但要注意吊顶的接缝、孔洞处应严密，防止窜火。在重点部位安装隔火屏障的设计也是相对来说较为经济有效的钢结构保护方法。

6.4.2　钢材的防腐蚀

钢材表面与周围环境接触时，在一定条件下会发生化学反应而被侵蚀损耗的过程，即为钢材的腐蚀。腐蚀使钢材的有效受力面积减小，锈斑导致钢材表面凹凸不平，引起应力集中，削弱了钢材的强度。腐蚀还会使钢材的疲劳强度和冲击韧性明显降低，在受到冲击或振动荷载作用时会发生脆性断裂。混凝土中钢筋被腐蚀后，生成脆性的膨胀物质，易导致混凝土出现顺筋开裂现象。下面介绍几种钢材常用的防腐蚀措施。

(1)保护层。在钢材表面做保护层，使其与周围介质隔离，以避免或减缓对钢材的腐蚀。保护层分为金属保护层和非金属保护层两类。金属保护层是用耐蚀性较强的金属，如锌、锡、铬等，用电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。非金属保护层是用有机或无机材料做保护层，通常是在钢材表面喷涂或涂刷防锈涂料，如涂料、塑料、搪瓷、油脂等，施工方法简便，但耐久性不好。

(2)电化学保护法。分为无电流保护法和外加电流保护法。无电流保护法是在钢铁结构上连接一块比铁活泼的金属，如锌、镁等，由于锌和镁的电位比铁低，作为腐蚀电池的阳极而被破坏(牺牲阳极)，使得钢铁成为阴极而被保护。这种方法适用于不易覆盖的结构，如蒸汽锅炉、轮船外壳、地下管道、港口结构、道桥建筑等。外加电流保护法是在钢铁结构附近，安放废钢或其他难熔金属，如高硅铁及铅银合金等，将外加直流电源的负极接在被保护的钢结构上，正极接到废钢或难熔金属上，通电后，正极的金属被腐蚀，负极的钢铁结构得到保护。

(3)制成合金钢。在炼钢的过程中，加入具有防腐蚀性能的合金元素，如铬、镍、钛、铜等制成不锈钢，以提高其防腐能力。

增强混凝土中钢筋的防腐蚀能力，最简单、有效的方法是提高混凝土的密实度和碱度，且钢筋外部必须有足够厚度的混凝土保护层，以隔绝侵蚀性介质。

复习思考题

1.填空题

(1)钢材按冶炼方法可以分为_________、_________和_________3类；按脱氧方法可以分为_________、_________、_________和_________4类；按化学成分可分为_________和_________。

(2)低碳钢的拉伸性能实验经历了_________、_________、_________和_________4个阶段，确定了_________、_________和_________三大技术指标，其中_________阶段的应力-应变曲线是线性关系；高碳钢没有明显的_________阶段，通常用_________来表示其屈服点。

(3)伸长率是衡量钢材_________的指标，伸长率越大，该性能越好。

(4)钢材屈服强度与抗拉强度的比值称为_________，该值越大，钢材的利用率越_________，结构的安全可靠程度越_________。

(5)钢材由于时效而导致其性能改变的程度称为_________，受振动荷载和反复荷载作用的结构，应选择该值较_________的钢材。

(6)钢材承受冲击及振动荷载的能力称为_________，用_________表示。

(7)冷加工强化可以使钢材的强度_________、塑性和冲击韧性_________，此外，还具有调直、除锈等作用。

(8)普通碳素结构钢随钢号的增加，钢材的强度_________、塑性_________。

2.简述题

(1)低碳钢的拉伸实验分为几个阶段？各阶段的技术指标及特点是什么？

(2)为何说屈服点、抗拉强度、伸长率是建筑用钢材的重要技术性能指标？

(3)什么是钢材的冷加工强化和时效？什么是时效敏感性？它们对钢材的性能有何影响？

(4)碳素结构钢和低合金高强度结构钢的牌号如何表示？各有什么特点？

(5)热轧钢筋、冷轧钢筋和冷轧扭钢筋的牌号如何表示？各有什么特点？

(6)预应力混凝土用钢丝和钢绞线如何标记？简述各自的应用范围。

(7)工程中为何常对低碳热轧圆盘条钢筋进行冷拉？

(8)钢材的防火措施有哪些？

(9)钢材的防腐蚀措施有哪些？

3.计算题

牌号为HRB335的钢筋试件，直径为22mm，原标距为110mm。做拉伸实验，测得屈服点荷载为196.4kN，最大荷载为240.8kN，拉断后测得标距长为127mm。求该钢筋的屈服强度、抗拉强度及拉断后的伸长率。