2.5钢材

钢 材

一、钢材的分类及主要技术性能

钢材的品种繁多，分类方法也很多。（表钢材的分类）

钢材的分类 分类方法 类别 碳素钢 按化学成分分类 低碳钢 中碳钢 高碳钢 含碳量<0.25% 含碳量0.25%~0.60% 含碳量>0.60% 特性 低合金钢 合金元素总含量<5% 合金钢 中合金钢 合金元素总含量5%~10% 高合金钢 合金元素总含量>10% 沸腾钢 镇静钢 特殊镇静钢 普通钢 优质钢 高级优质钢 脱氧不完全，硫、磷等杂质偏析较严重，代号为“F” 脱氧完全，同时去硫，代号为“Z” 比镇静钢脱氧程度还要充分彻底，代号为“TZ” 含硫量≤0.055%~0.065%，含磷量≤0.045%~0.085% 含硫量≤0.03％~0.045%，含磷量<0.035％~0.045% 含硫量≤0.02%~0.03%，含磷量≤0.027%~0.035% 按脱氧程度分类 按质量分类

建筑工程中目前常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。 钢材的技术性能主要包括力学性能和工艺性能。 （一）力学性能

力学性能又称机械性能，是钢材最重要的使用性能。 1、抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服强度抗拉强度和伸长率。

将低碳钢拉伸时的应力-应变关系曲线如图2-4所示。从图中可以看出,低碳钢从受拉至拉断,经历了四个阶段:弹性阶段(OA)、屈服阶段(AB)、强化阶段(BC)和颈缩阶段(CD)。

（1）屈服强度。当试件拉力在OB范围内时,如卸去拉力,试件能恢复原状,应力与应变的比值为常数,因此,该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时,称屈服下限B下所对应的应力为屈服强度或屈服点,记做σs。

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σ0.2表示。如图2-5所示。

(2)抗拉强度。从图2-5中BC曲线逐步上升可以看出:试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性变形的能力又重新提高,称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度,用σb表示。

（3）伸长率。图2-5中当曲线到达C点后,试件薄弱处急剧缩小,塑性变形迅速增加,产生“颈缩现象”而断裂。将拉断后的试件拼合起来,测定出标距范围内的长度Ll(mm),其与试件原标距l0(mm)之差为塑性变形值,塑性变形值与之比l0称为伸长率,用δ表示,如图2-6所示。

Δ = l1-l0/l0×100％

伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标,δ越大说明钢材的塑性越好。 2、冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击初性

试验确定的,见图2-7。以摆锤打击试件,于刻槽处将其打断,试件单位截面积上所消耗的功,即为钢材的冲击韧性指标,用冲击韧性ak(J/cm3)表示。ak值愈大,冲击初性愈好。 3、硬度

钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。

布氏硬度试验是利用直径为D(mm)的火钢球,以一定荷载F(N)将其压入试件表面,经规定的持续时间后卸除荷载,即得到直径为d(m)的压痕。以压痕表面积除荷载F,所得的应力值即为试件的布氏硬度值。布氏硬度的代号为HB。

洛氏硬度试验是将金刚石圆锥体或钢球等压头,按一定压力压入试件表面,以压头压入试件的深度来表示硬度值。洛氏硬度的代号为HR。 4、耐疲劳性

在反复荷载作用下的结构构件,钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂,这种现象称为钢材的疲劳破坏。钢材抵抗疲劳破坏的能力称为耐疲劳性。 （二）工艺性能

良好的工艺性能,可以保证钢材顺利通过各种加工,而使钢材制品的质量不受影响钢材的工艺性能主要包括冷弯性能、焊接性能、冷拉性能、冷拔性能等、下面只介绍冷弯性能和焊接性能 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。钢材的冷弯性能指标是以试件弯曲的角度(α)和弯心直径对试件厚度(或直径)的比值(d/a)来表示。

钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件,采用标准规定的弯心直径d(d=na),弯曲到规定的弯曲角(180°或90°)时,试件的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层,即认为冷弯性能合格。钢材弯曲时的弯曲角度愈大,弯心直径愈小,则表示其冷弯性能愈好。

图2-8为弯曲时不同弯心直径的钢材冷弯试验。 2、焊接性能

在建筑工程中,各种型钢、钢板、钢筋及预埋件等需用焊接加工。焊接的质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢的焊接性能。

钢材的可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。可焊性好的钢材指易于用一般焊接方法和工艺施焊,焊口处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷;焊接后钢材的力学性能,特别是强度不低于原有钢材,硬脆倾向小。钢材可焊性能的好坏,主要取决于钢的化学成分。含碳量高将增加焊接接头的硬脆性,含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性。 二、钢结构用钢材的品种及特性

建筑钢结构用钢材主要有碳素结构钢和低合金高强度结构钢两种。 （一）、钢材的牌号及其表示方法 1、碳素结构钢

碳素结构钢的牌号由字母Q、屈服点数值、质量等级代号、脱氧方法代号四个部分组成。其中Q是“屈”字汉语拼音的首位字母；屈服点数值(以N/mm2为单位)分为195、215、235、275；质量等级代号有A、B、C、D，表示质量由低到高；脱氧方法代号有F、Z、TZ，分别表示沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢，其中代号Z、TZ可以省略不写。钢结构一般采用Q235钢，分为A、B、C、D四级，A、B两级有沸腾钢和镇静钢，C级全部为镇静钢，D级全部为特殊镇静钢。例如Q235A代表屈服强度为235N/m，A级，镇静钢。 2、低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢均为镇静钢或特殊镇静钢，所以它的牌号只有Q、屈服点数值、质量等级三部分。屈服点数值(以N/mm2为单位)分为295、345、390、420、460。质量等级有

A~E五个级别。A级无冲击功要求，B、C、D、E级均有冲击功要求。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。例如Q345E代表屈服点为345N/mm2的E级低合金高强度结构钢。 （二）、钢结构用钢材的规格

钢结构所用钢材主要是型钢和钢板。型钢和钢板的成型有热轧和冷轧两种。 1、热轧型钢

热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235A、低合金高强度结构钢Q345和Q390热轧成型。 常用的热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。（图热轧型钢） （1）热轧角钢

角钢可分为等边角钢和不等边角钢。

等边角钢的规格以“边宽度×边宽度×厚度”(mm)或“边宽号”(cm)表示。规格范围为20×20×(3~4)~200×200×(14~24)。

不等边角钢的规格以“长边宽度×短边宽度×厚度”(mm)或“长边宽度/短边宽度”(cm)表示。规格范围为25×16×(3~4)~200×125×(12~18)。 （2）热轧普通工字钢

工字钢的规格以“腰高度×腿宽度×腰厚度”(mm)表示，也可用“腰高度＃”(cm)表示；规格范围为10＃~63＃。若同一腰高的工字钢，有几种不同的腿宽和腰厚，则在其后标注a、b、c表示相应规格。

工字钢广泛应用于各种建筑结构和桥梁，主要用于承受横向弯曲(腹板平面内受弯)的杆件，但不易单独用做轴心受压构件或双向弯曲的构件。 （3）热轧普通槽钢

槽钢规格以“腰高度×腿宽度×腰厚度”(mm)或“腰高度号”(cm)来表示。同一腰高的槽钢，若有几种不同的腿宽和腰厚，则在其后标注a、b、c表示该腰高度下的相应规格。

槽钢主要用于承受轴向力的杆件、承受横向弯曲的梁以及联系杆件，主要用于建筑钢结构、车辆制造等。 （4）热轧H型钢

H型钢由工字型钢发展而来。H型钢的规格型号以“代号腹板高度×翼板宽度×腹板厚度×翼板厚度”(mm)表示，也可用“代号腹板高度×翼板宽度”表示。

与工字型钢相比，H型钢优化了截面的分布，具有翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强，翼缘两表面相互平行、连接构造方便，重量轻、节省钢材等优点。

H型钢分为宽翼缘(代号为HW)、中翼缘(代号为HM)和窄翼缘H型钢(HN)以及H型钢桩(HP)。宽翼缘和中翼缘H型钢适用于钢柱等轴心受压构件，窄翼缘H型钢适用于钢梁等受弯构件。

2、冷弯薄壁型钢

冷弯薄壁型钢指用钢板或带钢在常温下弯曲成的各种断面形状的成品钢材。

冷弯薄壁型钢的类型有C型钢、U型钢、Z型钢、带钢、镀锌带钢、镀锌卷板、镀锌C型钢、镀锌U型钢、镀锌Z型钢。冷壁型钢的表示方法与热轧型钢相同。（图冷弯薄壁型钢）

在房屋建筑中，冷弯型钢可用做钢架、桁架、梁、柱等主要承重构件，也被用做屋面檩条、墙架梁柱、龙骨、门窗、屋面板、墙面板、楼板等次要构件和围护结构。 3、钢板

钢板是用碳素结构钢和低合金高强度结构钢经热轧或冷轧生产的扁平钢材。按轧制方式可分为热轧钢板和冷轧钢板。

表示方法:宽度×厚度×长度（mm）。

厚度大于4mm以上为厚板；厚度小于或等于4mm的为薄板。

热轧碳素结构钢厚板，是钢结构的主要使用的钢材。低合金高强度结构钢厚板，用于重型结构、大跨度桥梁和高压容器等。薄板用于屋面、墙面或轧型板原料等。 三、钢筋混凝土结构用钢材的品种及特性

钢筋混凝土结构用钢材主要是由碳素结构钢和低合金结构钢轨制而成的各种钢筋,其主要品种有热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线等。 （一）、热轧钢筋

经热轧成型并自然冷却的成品钢筋,称为热轧钢筋。根据表面特征不同,热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两大类。 1、热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋,横截面为圆形,表面光圆。其牌号由HPB+屈服强度特征值构成。其中HPB为热轧光圆钢筋的英文( Hot rolled Plain Bars)缩写,屈服强度值分为235、300两个级别。

热轧光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性能很好,故广泛用于钢筋混凝土结构的构造筋。

2、热轧带肋钢筋

热轧带肋钢筋通常为圆形横截面,且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。

热轧带肋钢筋按屈服强度值分为335、400、500三个等级，其牌号的构成及其含义见表2-11。其中，细晶粒热扎钢筋是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋。通过控轧和控冷工艺获得的超细组织，从而在不增加合金含量条件下大幅度提高钢材的性能。（表构成及其含义）

热轧带肋钢筋牌号的构成及其含义(GB1499.22007) 类别 普通热 轧钢筋 细晶粒 热轧钢筋 牌号 HRB335 HRB400 HRB500 HRBF335 HRBF400 HRBF+屈服强度特征值 HRBF500 HRB+屈服强度特征值 牌号构成 英文字母含义 HRB——热轧带肋钢筋的英文( Hot rolled Ribbed bars)缩写 HRBF——在热轧带肋钢筋的英文缩写后加“细”的英文(Fine)首位字母

热轧带肋钢筋的延性、可焊性、机械连接性能和锚固性能均较好,且其400MPa、500MPa级钢筋的强度高,因此HRB400、HRBF400、HRB500、HRBF500钢筋是混凝土结构的主导钢筋,实际工程中主要用做结构构件中的受力主筋、箍筋等。 （二）预应力混凝土用钢丝

钢丝按加工状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类。

冷拉钢丝,用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而成,以盘卷供货的钢丝。

消除应力钢丝,即钢丝在塑性变形下(轴应变)进行的短时热处理,得到的应是低松弛钢丝;或钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行的短时热处理,得到的应是普通松弛钢丝,故消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝和普通松弛级钢丝。

钢丝按外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝三种。螺旋肋钢丝表面沿着长度方向上具有规则间隔的肋条;刻痕钢丝表面沿着长度方向上具有规则间隔的压痕。（图螺旋肋钢丝外形、三面刻痕钢丝外形）

预应力钢丝的抗拉强度比钢筋混凝土用热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋高很多,在物件中采用预应力钢丝可节省钢材、减少构件截面和节省混凝土。主要用于桥梁、吊车梁、大跨度屋架和管桩等预应力钢筋混凝土构件中。

（三）钢绞线

预应力混凝土钢绞线是按严格的技术条件,绞捻起来的钢丝束。

预应力钢绞线按捻制结构分为五类:用两根钢丝捻制的钢绞线(代号为1×2)、用三根钢丝捻制的钢绞线(代号为1×3)、用三根刻痕钢丝捻制的钢绞线(代号为1×31)、用七根钢丝捻制的标准型钢绞线(代号为1×7)、用七根钢丝捻制又经模拔的钢绞线[代号为(1X7)C]。（图钢绞线外形示意）

预应力钢丝和钢绞线具有强度高、柔度好,质量稳定,与混凝土粘结力强,易于锚固,成盘供应不需接头等诸多优点。主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、轨枕、屋架、大跨度吊车梁等结构的预应力筋。