鋼的主要元素是鐵與碳，含碳量在2%以下。

　　一、鋼的分類

　　1.屈服點(吼)

　　以低碳鋼為例，試件被拉伸進入塑性變形屈服段BC(圖20—lO)，屈服下限CT所對應的應力fs稱為屈服強度或屈服點。設(shè)計中，一般采用fq作為強度取值的依據(jù)。

　　但對于屈服現(xiàn)象不明顯的鋼如中碳鋼或高碳鋼(硬鋼)，其應力一應變曲線則與低碳鋼的明顯不同(見圖20—10、圖20—11)，其抗拉強度高，塑性變形小，屈服現(xiàn)象不明顯。

　　對這類鋼材難以測得屈服點，故規(guī)范規(guī)定以產(chǎn)生o.2%殘余變形時的應力值作為名義屈服點，以吣.：表示。

　　2.抗拉強度

　　應力—應變圖(圖20—10)中，曲線最高點D對應的應力fb稱為抗拉強度。在設(shè)計中，屈強比噸/吼有參考價值。在一定范圍內(nèi)，屈強比小則表明鋼材在超過屈服點工作時可靠性較高，較為安全。但屈強比太小，反映鋼材不能有效地被利用。Q235鋼的屈強比約為0.56～0.63;低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈強比一般為0.65～0.75。

　　3.伸長率

　　設(shè)試件拉斷后標距部分的長度11，原標距長度為L。，則伸長率J規(guī)定為：

　　J—ll云i6X100% (20—39)

　　占表征了鋼材的塑性變形能力。a的值還與試件的厶/Jo值有關(guān)(do為試件直徑)。常用厶/do=5及厶/do=10兩種試件，相應的a分別記作J5與J1。。對同一種鋼材，J5>J1。。

　　(二)冷彎性能

　　冷彎性能指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，它表征在惡劣變形條件下鋼材的塑性， 是建筑鋼材一項重要的工藝性能(焊接性能也是鋼材的工藝性能)。冷彎性能指標以試件被彎曲的角度(90‘，180~)及彎心直徑d與試件厚度(或直徑)d的比值(d/d)來表示。

　　(三)沖擊韌性

　　沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊載荷的能力，按《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》(CB/T 229—2007)的規(guī)定，將帶有V形或U形缺口的試件，進行沖擊試驗。試件在沖擊荷載作用下折斷時所吸收的能量，稱為沖擊吸收能量K(J)。鋼材的化學成分、組成狀態(tài)、內(nèi)在缺陷及環(huán)境等都是影響沖擊韌性的重要因素。K值隨試驗溫度的下降而減小，當溫度降低達到某一范圍時，K急劇下降而呈現(xiàn)脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。發(fā)生冷脆時的溫度稱為脆性臨界溫度，其數(shù)值越低，說明鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，對直接承受動荷載而且可能在負溫下工作的重要結(jié)構(gòu)，必須進行沖擊韌性檢驗。

　　(四)硬度

　　硬度指表面層局部體積抵抗其他較硬物體壓人產(chǎn)生塑性變形的能力。表征值常用布氏硬度HB(還有洛氏硬度、維氏硬度)，用專門試驗測得。硬度與強度有一定關(guān)系，故可

　　在結(jié)構(gòu)上通過測量鋼材硬度來推算近似的強度值。

　　(五)耐疲勞性

　　材料在交變應力作用下，在遠低于抗拉強度時突然發(fā)生斷裂，稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限表示，其含義是：試件在交變應力下工作，在規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂的最大應力。

　　三、影響建筑鋼材力學性能的主要因素

　　(一)建筑鋼材的晶體組織

　　鋼中的鐵與碳可以由固溶體(Fe中固溶著微量的C)、化合物(Fe3C)及它們的混合物的形式構(gòu)成一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織。主要有：

　　L鐵素體

　　它是C在。一Fe中的固溶體。鐵素體中含C很少(<0.02%)，故其塑性、韌性良好而強度與硬度較差。

　　2.奧氏體

　　它是C在Y--Fe中的固溶體。溶碳能力較強，約在0.8%～2.06%之間，其強度、硬度不高，但塑性好。

　　3.滲碳體

　　是鐵碳化合物Fe3C，結(jié)構(gòu)復雜硬脆、強度低、塑性差。

　　4.珠光體

　　它是鐵素體與滲碳體的機械混合物。含碳量較低(o.8%)，具有層狀結(jié)構(gòu)，故塑性較好，強度與硬度均較高。

　　· 建筑鋼材的含碳量不大于o.8%，其基本組織為鐵素體與珠光體，含碳量增大時，珠光體的相對含量隨之增大，鐵素體則相應減少。因此，鋼的強度隨之提高，而塑性與韌性則相應下降。

　　(二)化學成分 ，

　　建筑鋼材中除鐵元素外，還包含碳(C)，硅(S1)，錳(比)，磷(P)，硫(S)，氧(O)等元素，在許多情況下還要考慮各種合金元素。它們對鋼材會產(chǎn)生有利或不利的影響，分述如下：

　　1.碳(C)

　　當含碳量≤o.8%時，C含量的增加將提高鋼的抗拉強度與硬度，但使塑性與韌性降低，焊接性能、耐腐蝕性能也隨之下降。見圖20—12。含碳量超過0.3%時，鋼的可焊性顯著降低。建筑結(jié)構(gòu)用的鋼材多為含碳0.25%以下的低碳鋼及含碳0.52%

　　以下的低合金鋼。

　　2.硅(S0

　　當含硅量 顯著提高鋼材的強度及硬度，且對塑性及韌性無顯著影響，其原因在于，此時大部分S1溶于鐵素體中，使鐵素體得以強化。正是由于適量的51可以多方面改善鋼的力學性能，所以它是鋼材的主加合金元素之一。

　　3.錳(Mn)

　　錳可起脫氧去硫作用，故可有效消減因硫引起的熱脆性，還可顯著改善耐腐及耐磨性，增強鋼材的強度及硬度。錳的這些作用的機理在于：錳原子溶于鐵素體中使其強化，而且還將珠光體細化，從而提高了強度。

　　4.硫(S)

　　為有害元素。它引發(fā)熱脆性，使各種力學性能降低，在熱加工過程中易斷裂。建筑鋼材要求含硫量低于0.045%。

　　5.磷(P)

　　為有害元素。它能引起冷脆性。造成塑性、韌性顯著下降，可焊性、冷彎性也變差。

　　其原因在于：磷在鋼中的偏析與富集使鐵素體晶格嚴重畸變所致。但磷可使鋼的耐磨性及耐腐蝕性提高。

　　其他如氧也是鋼中有害元素;氮對鋼材性質(zhì)的影響與碳、磷相似，在有鋁、鈮、釩等的配合下，氮可作為低合金鋼的合金元素。合金元素還有鈦、釩、鈮等。

　　(三)冶煉過程

　　鋼的冶煉過程對鋼材的性能有直接的影響。鋼在冶煉過程中，使化學成分得以嚴格控制，其中要特別指出的是要進行脫氧。通過加入脫氧劑(鋁、錳、硅等)將氧化鐵還原。

　　按脫氧程度分為沸騰鋼(脫氧不充分，鑄錠時大量CO氣體逸出)、鎮(zhèn)靜鋼(脫氧充分)及介于二者之間的半鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼中S、P、N等有害夾雜偏析嚴重，氧化夾雜物較多，因而可焊性、沖擊韌性等性能均較差。鎮(zhèn)靜鋼與之相反，因而性能良好，半鎮(zhèn)靜鋼則介于二者之間。

　　(四)加工處理

　　建筑鋼材的加工處理亦對其性能產(chǎn)生影響，施工中，利用變形強化原理，通過冷拉、冷拔、冷軋等加工手段可提高鋼材的屈服強度。其原理為前面所述的增加晶格缺陷，因而加大了晶格間滑移阻力。冷加工可提高鋼材的屈服點，使塑性、韌性下降，但抗拉強度維 持不變。時效處理是指經(jīng)過冷加工的鋼材，在常溫下存放15d左右，或加熱到100～200℃并保持一定的時間。經(jīng)這樣處理可使屈服點進一步提高，抗拉強度也有增長，塑性、韌性繼續(xù)下降，還可使冷加工產(chǎn)生的內(nèi)應力消除。時效處理效果的內(nèi)在原因是使鋼中C、N原子向缺陷處移動與富集，使鋼中缺陷增加，位錯阻力增大。鋼材的彈性模量在時效處理后基本維持不變。

　　四、建筑鋼材的標準與選用

　　(一)建筑鋼材的主要鋼種

　　1.碳素結(jié)構(gòu)鋼

　　包括熱軋鋼板、鋼帶、型鋼和棒鋼等制品。

　　按《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 700—2006)規(guī)定，碳素結(jié)構(gòu)鋼共有五個牌號，牌號由屈服點字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號與脫氧方法符號組成。例如Q235一A.F，表示屈服點為235MPa的A級沸騰鋼。各牌號鋼的化學成分、力學性質(zhì)及工藝性質(zhì)應符合表20-32～表20-34的規(guī)定。

　　選用鋼材時，應考慮荷載類型、焊接情況及環(huán)境溫度等條件。通常下列幾種情況限制使用沸騰鋼：

　　(1)直接承受動荷載的焊接結(jié)構(gòu);

　　(2)非焊接結(jié)構(gòu)而計算溫度等于或低于一20℃;

　　(3)受靜荷載及間接動荷載作用，而計算溫度等于或低于一30℃時的焊接結(jié)構(gòu)。

　　建筑工程中應用最多的碳素鋼是Q235號鋼。

　　2.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼

　　在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入總量小于5%的合金元素(如硅、錳、釩等)即得低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。

　　3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

　　特點是生產(chǎn)過程中對硫、磷等有害雜質(zhì)控制較嚴(S<0.035%，P 能主要取決于含碳量。優(yōu)質(zhì)碳素鋼的鋼號用兩位數(shù)字表示，它表示平均含碳量的萬分數(shù)。

　　根據(jù)其含錳量不同，可分為普通含錳量(含Mn (含MnO.7%～1.2%，共11個鋼號)。例如45Mn即表示含碳量為0.42%～0.52%，含錳量為0.?0%～1.00%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

　　優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼可用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件、碳奉鋼絲及鋼絞線等。

　　(二)常用建筑鋼材 .

　　1.鋼筋

　　(1)熱軋鋼筋。

　　按力學性能熱軋鋼筋可分為四級，見表20-39。

　　I級鋼筋用Q235軋制而成，強度較低，塑性好，容易焊接，主要用作非預應力鋼筋。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級鋼筋均用低合金軋制，Ⅱ、Ⅲ級可作預應力或非預應力鋼筋，預應力鋼筋應優(yōu)先選用Ⅳ級鋼筋。

　　鋼筋代換：當施工中遇有鋼筋的品種或規(guī)格與設(shè)計要求不符時，可參照以下原則進行代換：

　　1)等強度代換(構(gòu)件受強度控制時);

　　2)等面積代換(構(gòu)件按最小配筋率配筋時);

　　3)代換后應進行裂縫寬度或撓度驗算(當構(gòu)件受裂縫寬度或撓度控制時)。

　　(2)冷拉熱軋鋼筋與冷拔低碳鋼絲。將I～Ⅳ級熱軋鋼筋，在常溫下拉伸至超過屈服點(小于抗拉強度)的某一應力，然后卸荷即得冷拉鋼筋，冷拉可使屈服點提高17%一27%，但伸長率J1。降低。冷拉后不得有裂紋、起層等現(xiàn)象。冷拉鋼筋分為四個等級，冷拉I級鋼筋適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的受拉鋼筋，冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級鋼筋可用作預應力混凝土結(jié)構(gòu)中的預應力筋，但在負溫及沖擊或重復荷載下易脆斷。

　　將直徑為6.6～8mm的Q235(或Q215)熱軋盤條，在常溫下通過截面小于鋼筋截面的拔絲模，經(jīng)一次或多次拔制即得冷拔低碳鋼絲。冷拔可提高屈服強度40%一60%。材質(zhì)硬脆，屬硬鋼類鋼絲。其級別可分為甲級及乙級，甲級為預應力鋼絲，乙級為非預應力鋼絲。凡伸長率不合格者，不得用于預應力?昆凝土構(gòu)件中。

　　(3)冷軋帶肋鋼筋。冷軋帶肋鋼筋是用熱軋盤條經(jīng)冷軋或冷拔減徑后，在其表面冷軋成三面有肋的鋼筋。其強度較熱軋鋼筋明顯提高，塑性較好，與混凝土的握裹力較好。其級別有三個，LL550可用于非預應力混凝土的受力主筋，LL650及LL800可用于中、小型預應力混凝土的受力主筋。

　　(4)熱處理鋼筋。熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋中碳低合金鋼筋經(jīng)淬火和回火調(diào)質(zhì)熱處理而成。強度顯著提高，韌性高，而塑性降低不大，綜合性能較好。通常有直徑為6mm、 8.2mm、lOmm三種規(guī)格。表面常軋有通長的縱筋與均布的橫肋。使用時不能用電焊切割，也不能焊接�？捎糜陬A應力混凝土工程中。

　　(5)冷軋扭鋼筋。采用直徑為6.5～lOmm的低碳熱軋盤條鋼筋(Q235鋼)，經(jīng)冷軋扁和冷扭轉(zhuǎn)而成的具有一定螺距的鋼筋。冷軋扭鋼筋屈服強度高，與混凝土的握裹力大，因此無需預應力和彎鉤即可用于普通混凝：Em程，可節(jié)約鋼材30%�？捎糜陬A應力及承重荷載較大的建筑部位如梁、柱等。

　　(6)預應力混凝土用鋼絲及鋼絞線。為鋼廠用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)冷加工、再回火、冷軋或絞捻等加工而成，又稱優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲及鋼絞線。若將預應力鋼絲經(jīng)輥壓出規(guī)律性凹痕，即成刻痕鋼絲。鋼絞線以一根鋼絲為芯、6根鋼絲圍繞其周圍絞合而成七股的鋼絞線。

　　鋼絲與鋼絞線適用于大荷載、大跨度及曲線配筋的預應力混凝土結(jié)構(gòu)。

　　2.型鋼

　　(1)熱軋型鋼。常用的有角鋼、工字鋼等，我國建筑用熱軋型鋼主要采用Q235—A鋼。

　　(2)冷彎薄壁型鋼。通常用2—6mm的薄鋼板冷彎或模壓而成，可用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。

　　(3)鋼板和壓型鋼板。用光面軋輥軋制而成的扁平鋼材，以平板狀態(tài)供貨的稱鋼板;以卷狀供貨的稱鋼帶。主要用碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱軋或冷軋而成。按厚度可分為中厚板和薄板。

　　薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、V形等形狀，稱為壓型鋼板�？刹捎糜袡C涂層薄鋼板(即彩色鋼板)、鍍鋅薄鋼板等生產(chǎn)。壓型鋼板主要用于圍護結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。

　　(4)輕鋼龍骨。由鍍鋅鋼帶或薄鋼板軋制而成，具有強度高、自重輕、通用性強、耐火性好、安裝簡易等優(yōu)點�？裳b配各種類型的石膏板、鈣塑板、吸聲板等，用作墻體和吊頂?shù)凝埞侵Ъ堋?/p>

　　五、建筑鋼材的防銹

　　當鋼材表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生各種形式的化學作用時，就有可能遭到腐蝕，例如，因受()2、S()2、H2S等腐蝕性氣體作用而被氧化，當環(huán)境潮濕或與含有電解質(zhì)的溶液接觸時，也可能因形成微電池效應而遭電化學腐蝕。

　　防止鋼結(jié)構(gòu)銹蝕的常用方法是表面涂刷防銹漆。常用底漆有紅丹、環(huán)氧富鋅漆、鐵紅環(huán)氧底漆等。面漆有灰鉛油、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁鋼材也可進行表面鍍鋅或涂塑，但費用較高。

　　埋于混凝土中的鋼筋具有一層堿性保護膜，故在堿性介質(zhì)中不致銹蝕。但氯等鹵素的離子可加速銹蝕反應，甚至破壞保護膜，造成銹蝕迅速發(fā)展。因此，混凝土配筋的防銹措施應考慮：限制水灰比和水泥用量;限制氯鹽外加劑的使用;采取措施保證混凝土的密實性;還可以采用摻加防銹劑(如重鉻酸鹽等)的方法。