建筑钢材的力学性能及其技术指标

建筑钢材的力学性能及其技术指标钢筋作为一种建筑材料，广泛用于各种建筑结构、特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构。钢筋是指钢筋混凝土用和预应力钢筋混凝土用钢材。钢筋的分类钢筋可按化学成分、外形、加工方法和供货形式进行分类。钢筋按化学成分的不同可分为碳素钢筋和合金钢筋，碳元素和合金元素的含量还有低、中、高之分。钢筋按外形的不同分为光圆钢筋、带肋钢筋、刻痕钢筋和钢绞线（建筑结构第三版图2-1）。带肋是指表面带有凸纹。目前，带肋钢筋的凸纹一般为月牙纹。刻痕是将刻出椭圆形的浅坑。钢绞线则由多股高强度光圆钢筋绞合而成。钢筋按加工方法的不同可分为热轧钢筋、冷拉钢筋、冷拔钢筋、冷轧钢筋和热处理钢筋等。热轧钢筋是用低碳钢或低合金钢在高温下轧制而成。根据其强度标准值的不同，热轧钢筋又分为235、335、400、500四个级别。级别越高，钢筋的强度也越高，但塑性越差。235级钢筋用普通低碳钢（含碳不大于0.25%）制成，表面光圆，最小直径为6mm。335、400、500级钢筋用低、中碳的低合金钢（含碳不大于0.6%，其他合金总量不大于5%）制成，表面有肋纹，最小直径一般为10mm。各种级别热轧钢筋的符号和所用，钢材的牌号列于表2-1。各种级别热轧钢筋的符号和牌号表2-1热扎钢筋级别符号牌号曾用牌号235HPB235Q235335HRB33520MnSi400HRB400、RRB40020MnSiV、20MNnTi、20MnSiNb、K20MnSi500HRB50040Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr注：400级K20MnSi钢筋系余热处理钢筋，牌号为RRB400。牌号中的字母H表示热轧；P表示光圆，R表示带肋；B表示钢筋。数字表示最低屈服强度标准值。冷拉钢筋是在常温下，把热轧钢筋拉伸至强化阶段所得到的钢筋。热轧钢筋经冷拉后屈服强度有较大提高，经时效处理后抗拉极限强度也有所提高，但钢筋的塑性则有所下降。冷拉钢筋也分为四个级别，符号分别为111111111111111。由于冷拉钢筋塑性较差，现已很少采用。冷拔钢筋是在常温下，使热轧光圆钢筋通过硬质合金拔丝模上比钢筋直径稍小的锥形孔，强行拉拔而成（建筑结构第三版图2-2）。拉拔次数越多，直径就越小，强度就越高。冷拔低碳钢筋用Q235热轧钢筋冷拔而成，分为甲、乙两级；甲级强度较高，但必须逐盘检验，并根据检验所得的抗拉强度分为Ⅰ、Ⅱ两组，其直径有4mm和5mm两种;乙级强度较低，仅要求分批检验，直径为3～5mm。冷拔低碳钢筋的符号为1111。冷拔钢筋强度虽高，但表面光滑，与之间的粘结力较差，现已很少采用。冷轧钢筋是在常温下，将光圆的普通低碳或低合金钢筋（Q215、Q235、20MnSi、24MnTi）经过轧制，使其减小直径，并且表面带肋（一般为三面带有月牙纹肋）的钢筋。目前使用的冷轧带肋钢筋按其极限抗拉强度分为CRB550、CRB650和CRB800三个牌号。其中，CRB550一般用Q215圆钢冷轧而成，CRB650用Q235圆钢冷轧而成，CRB800则是用20MnSi或24MnTi圆钢冷轧而成、CRB550钢筋的直径为4～12mm，CRB650钢筋的直径为4～6mm，CRB800钢筋的直径目前只有5mm一种。冷轧钢筋～强度较高，且表面带肋，可用来取代小直径的Q235光圆钢筋或冷拔低碳钢丝。目前，CRB55O钢筋一般用来取代Q235光圆钢筋，用于现浇板或梁柱箍筋；而CRB650和CRB800钢筋则一般用来取代甲级冷拔低碳钢丝，用于中小型预应力构件，如预应力多孔板。热处理钢筋是将500级热轧钢筋经过加热、淬火和回火等调质处理后得到的钢筋，其强度比500级钢筋高得多，而塑性却降低不多。热处理钢筋用于大型预应力混领土构件。该种钢筋的符号位1111。大型预应力混领土构件除采用热处理钢筋外，还常用消除应力钢丝和钢绞线。它们的强度均很高。消除应力钢丝采用高碳圆钢（含碳量0.7%～1.4%），经过加热、淬火、冷拔和回火等工艺制成，其符号为1111111111111。钢绞线是将多根碳素钢丝（一般为7根）用绞盘绞制而成。其标志直径为截面外接圆的直径，其符号为111111111111。钢筋按供货形式可分为直条钢筋和盘园钢筋两种。直径为10～15mm的钢筋通常用直条供应，长度为6～12m；直径小于10mm的钢筋通常用圆盘供应。钢筋的强度和变形钢筋的强度和变形方面的性能主要用钢筋拉伸试验所得的应力-应变曲线来表示。钢筋的种类、级别不同，其应力-应变曲线也不同。热轧和冷拉钢筋的应力-应变曲线具有明显的流幅，该类钢筋又被称为软钢；冷拔、冷轧、热处理钢筋、高强钢丝和钢绞线的应力-应变曲线则无明显流幅，该类钢筋又被称为硬钢。软钢典型的拉伸应力-应变曲线如图2-3所示。建筑结构第三版在a点之前，材料处于弹性阶段，应力与应变成正比，其比值即为钢筋的弹性模量11111111。对应于a点的应力称为比例极限。a点以后，应变增加变快，图形变曲，钢筋开始表现出塑性的性质。当到达b点时，应力不再增加而应变却继续增加，钢筋开始塑性流动，直至c点。这种现象称为钢筋的“屈服”，对应于b点的应力称为屈服强度，bc水平段称为流幅或屈服台阶。C点以后，钢筋又部分恢复弹性，应力沿曲线上升至最高点d，对应于d点的应力称为极限强度，cd段称为强化阶段。d点以后，钢筋在薄弱发生局部颈缩现象，塑性变形迅速增加，而应力却随之下降，到达e点时试件断裂。断裂后的残余应变称为伸长率，用δ表示。强度级别不同的软钢，其应力-应变曲线也有所不同。235～500级热轧钢筋的应力-应变曲线如图2-4所示，建筑结构第三版由图可知，随着级别的提高，钢筋的强度增加，但伸长率降低。硬钢典型的拉伸应力-应变曲线如图2-5所示建筑结构第三版，由图可知，这类钢筋无明显的流幅和屈服强度。与软钢相比，这类钢筋的极限强度较高而伸长率较小。钢筋的变形性能除伸长率之外，还有冷弯性能。它是指钢筋在常温下承受弯曲的性能，采用冷弯试验测定。冷弯试验的合格标准为：在规定的弯心直径D和冷弯角度α下弯曲后，在弯曲处钢筋无裂纹、鳞落或断裂现象。按钢筋技术标准，不同种类钢筋的D和α的取值不同，例如335级月牙纹钢筋的α=180°，当直径不大于25㎜时，弯心直径D=3d，当直径d大于25㎜时，弯心直径D=4d。钢筋在弹性阶段的应力与应变之比称为弹性模量，用11111表示，各种钢筋的11111数值见附表5和附表6建筑结构第三版钢筋混凝土结构计算时，软钢和硬钢设计强度的取值依据不同。软钢取屈服强度作为设计强度的依据，这是因为这种钢筋屈服后有较大的塑性变形，这时即使荷载基本不增加，构件也会产生很大的裂缝和变形，以致不能使用。硬钢无明显的屈服点，但为防止构件突然破坏并防止构件裂缝和变形太大，设计强度也不能取为抗拉极限强度，而是取其残余应变为0.2%时相应的强度1111111（称为条件屈服强度）作为设计强度的依据，如图2-5所示。建筑结构第三版钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构对钢筋性能的要求钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构对钢筋性能的要求主要有以下几点：1）有较高的强度和适宜的屈强比。这里的强度是指屈服强度或条件屈服强度。屈强比是指屈服强度与极限强度之比，该值可反映结构的可靠程度：屈强比小，结构可靠，但钢材强度的利用率低，不经济；屈强比太大，则结构不可靠。2）有较好的塑性。这里保证构件破坏前有较明显的预兆（明显的变形和裂缝），保证好塑性的措施是钢筋拉伸率不小于规定值，并且冷弯试验合格。3）与混凝土之间有良好粘结力。这是钢筋与混凝土共同工作的基础。4）具有较好的可焊性。保证焊接后接头的受力性能良好，拉伸破坏不发生在接头处。此外，在寒冷地区（例如-20℃以下），对钢筋的低温性能也有一定的要求，不宜采用冷加工钢筋，以免发生脆性破坏。钢筋的选用钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：1）钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜采用牌号为HRB335﹑HRB400的热轧钢筋，也可采用HPB235（d≤12㎜）热轧钢筋；2）预应力钢筋宜采用钢绞线和消除应力钢丝，也可采用热处理钢筋；对中小型构件中的预应力钢筋，宜采用牌号为CRB650或CRB800的冷轧带肋钢筋。影响建筑钢材力学性能的因素影响钢材机械和加工等性能的因素有很多，其中钢材的化学成分及其微观组织结构是最主要的，而冶炼﹑浇铸﹑轧制的过程，残余应力﹑温度﹑钢材硬化﹑热处理的影响等也是重要的因素，先分述如下。一、化学成分钢材是含碳量小于2%的铁碳合金，碳大于2%时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢和低合金结构钢。碳素结构钢由纯铁﹑碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99%，碳及杂质元素约占1%；低合金结构钢种，除了铁﹑碳之外还加入总量不超过3%的合金元素。碳及其他元素虽然所占比例不大，但对钢材性能却有重要影响。碳的含量对钢的强度﹑塑性﹑韧性和焊接性有决定性的影响。含碳量增加，钢材的抗拉强度和屈服强度也随之提高。但是其塑性﹑冷弯性能和冲击韧性，特别是在低温冲击韧性降低，可焊性变坏。因此钢结构的含碳量不宜太高，一般不超过0.22%，在焊接结构中则应限制在0.22﹪以内。锰是结构钢中的常有元素。锰能够显著提高钢材强度而不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢材的热脆作用。碳素钢种锰是有益杂质，低合金钢中锰是合金元素。我国低合金钢中锰的含量在1.2%～1.6﹪。锰可使钢材的可焊性降低，故含量应受限制。硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。而且硅能使钢材的晶粒变细，适量的硅可提高钢材的强度而对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性不会产生不良的影响。过量的硅将降低钢材的塑性和冲击韧性，恶化其抗绣能力和焊接性。硅的含量，在碳素镇静钢中为0.12﹪～0.3﹪，低合金钢中为0.2﹪～0.55﹪。钒是熔炼锰钒低合金时特意添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒，钒的化合物具有高温稳定性，使钢材的高温硬度提高。15MnV钢是在低合金16Mn的基础上加上适量的钒而熔炼成功的一种新的强度较高的低合金结构钢。硫和磷是两种极为有害的元素。硫与铁化合成硫化铁（FeS）,散步在纯铁体晶粒的间层中。含硫量过大时，会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。当温度在800℃～1200℃时，如在焊、铆和热加工时，硫化铁将融化使钢材变脆而产生裂纹，称之为“热脆”。故应限制结构尤其是焊接结构的含硫量，一般要求不超过0.033%～0.050%。磷的有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并且容易产生脆性破坏，称之为“冷脆”。故也应限制其含量不超过0.035%～0.045%。氧和氮容易从铁液中逸出，含量较少。这两种物质是及其有害的元素，使钢材变脆。氧的作用与硫类似，是引起热脆的因素之一。氮能使钢材强化，与磷的作用相似，显著降低钢材的塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增大时效倾向和冷脆性。因此，重要的钢结构，特别是在低温动载下的结构用钢也应严格限制其含量。二、冶炼、浇铸、轧制过程的影响1.冶炼和浇铸过程冶炼和浇铸这一冶金过程形成了钢的化学成分与含量、金相组织结构以及不可避免的冶金缺陷，从而确定不同的钢种钢号和相应的力学性能。我国目前钢结构冶炼的方法主要是平炉和氧气顶吹转炉两种，其质量大体相当。电路钢结构精良，但成本高，钢结构中一般不用。注锭过程中因脱氧程度不同，分别称为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。镇静钢因为浇铸时投入锰和适量的硅作脱氧剂，保温时间长，气体容易逸出，没有沸腾现象。镇静钢杂质少，偏析等冶金缺陷不严重，因而性能比沸腾钢好，但价格略高。脱氧程度的不同和脱氧剂部分进入钢材，对钢材的化学成分产生影响，镇静钢中硅的含量较多，因而与沸腾钢相比，其强度和冲击韧性较高。冶炼和浇铸的过程会产生偏析、非金属夹杂、气孔等冶金缺陷，从而降低钢材的力学性能。偏析是指钢材中化学成分分布不均；非金属夹杂是指钢中混有硫化物、氧化物等杂志；气泡是指浇铸时气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的缺陷。2.轧制过程轧制的过程使得金属的晶粒变细，也使气孔、裂缝焊合，因而改善了钢