水電第05章 建筑金屬材料

第05章建筑金屬材料金屬材料是一種或兩種以上的金屬元素或金屬與某些非金屬元素組成的合金的總稱。金屬材料一般分為兩大類：黑色金屬：是以鐵元素為主要成分的鐵金屬及其合金，鋼和鐵是鐵碳合金。含碳量小于2.11％的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.11％的鐵碳合金稱為生鐵。有色金屬：是除黑色金屬以外的其它金屬，如鋁、鉛、鋅、銅、錫等金屬及其合金，其中鋁合金是一種重要的輕質結構材料。5.1鋼的生產與分類鋼材的生產可分為三個過程：冶煉鑄錠壓力加工其生產流程的概況如圖所示。5.1.1鋼的冶煉主要的鐵礦石有赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、菱鐵礦(FeCO3)、褐鐵礦（Fe2O3?2Fe(OH)3）和黃鐵礦(FeS2)。把鐵礦石、焦炭、石灰石(助熔劑)按一定比例裝入高爐中，在爐內高溫條件下，焦炭中的碳與礦石中的氧化鐵發(fā)生化學反應，將礦石中的鐵還原出來，生成的一氧化碳和二氧化碳由爐頂排出，使礦石中的鐵和氧分離，此過程稱為煉鐵。其化學反應式如下：

C+FeO→Fe+CO↑

高爐結構圖將鐵在煉鋼爐中進一步熔煉，并供給足夠的氧氣，通過爐內的高溫氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳氣體而逸出，其它雜質則形成氧化物進入爐渣中除去，這樣可得到含碳量合乎要求的產品，即為鋼，此過程稱為煉鋼。煉鋼的過程基本上是一個氧化過程。碳被氧化形成CO氣體而逸出，硅、錳等形成氧化硅和氧化錳進入渣中除去；磷和硫在石灰的作用下，形成（CaO）4P2O5和CaS，亦進入渣中被排除。在冶煉后期應加入脫氧劑以除去鋼液中的氧，這個步驟稱為“脫氧”。常用的脫氧劑有硅鐵、錳鐵和鋁錠等。煉鋼的主要反應過程:①產生氧化劑：2Fe+O2=2FeO

（氧氣）②除硅，錳，碳等雜質：

Si+2FeO=SiO2+2FeMn+FeO=MnO+FeC+FeO=CO+Fe③造渣：CaO+SiO2=CaSiO3

（生石灰）硫、磷雜質與生石灰作用形成爐渣被除去。④脫氧：Si+2FeO=SiO2+2Fe

（脫氧劑：硅鐵，錳鐵）調節(jié)合金元素1.轉爐煉鋼法轉爐煉鋼根據風口位置分：底吹、頂吹、側吹三種；根據所鼓風的不同分：空氣轉爐和氧氣轉爐；根據爐襯材料的不同分：酸性轉爐和堿性轉爐。轉爐煉鋼的主要原料是熔化的高溫鐵水及部分廢鋼。轉爐煉鋼不需要另外使用燃料?？諝廪D爐法只能用來煉制普通碳素鋼。但其成本較低。氧氣轉爐法可煉優(yōu)質碳素鋼和合金鋼。轉爐的結構圖2.平爐煉鋼法（也叫馬丁法）根據所用耐火材料不同分為堿性平爐和酸性平爐。平爐煉鋼法是以固體或液體生鐵、鐵礦石或廢鋼作原料。反應所需的熱量是由燃燒氣體燃料（高爐煤氣，發(fā)生爐煤氣）或液體燃料（重油）所提供。平爐可煉制優(yōu)質碳素鋼和合金鋼。但由于設備投資較大，燃料熱效率不高，冶煉時間較長，故其成本較高。視頻：鞍鋼平改轉工程3.電爐煉鋼法電爐的種類很多，分電弧爐、感應爐、電渣爐三種。電爐鋼的質量最好，但成本高，主要用于冶煉優(yōu)質碳素鋼和特殊性能鋼。表5－1三種煉鋼法列表比較

爐名原料氧的來源熱的來源產品及優(yōu)缺點轉爐液態(tài)生鐵空氣雜質氧化時放出的熱出鋼快，不用燃料，設備簡單。鐵的耗損率較大，管理不便。鋼質量較差。氧氣出鋼快，不用燃料，設備簡單。鋼質量較高。平爐廢鐵、廢鋼及鐵礦石空氣、氧化鐵、鐵礦石氣體燃料燃燒制合金鋼。質量高，管理方便。反應時間較長，消耗燃料，建設費用高。電爐同上氧化鐵、鐵礦石電能制鎢等高級合金鋼。反應時間較平爐短，管理方便，電能消耗量大，成本高。5.1.2鋼的鑄錠冶煉后的鋼水注入錠模，澆鑄成柱狀的鋼錠（鋼坯），這種工藝稱為鑄錠。在鑄錠冷卻過程中，由于鋼內某些元素在鐵的液相中的溶解度高于固相，使這些元素向凝固較遲的鋼錠中心集中，導致化學成分在鋼錠截面上分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為化學偏析，其中尤以硫、磷最為嚴重。偏析現(xiàn)象對鋼的質量有很大影響。根據脫氧程度的不同，澆鑄的鋼錠可分為：沸騰鋼：是脫氧不完全的鋼。沸騰鋼中碳和有害雜質磷、硫等的偏析嚴重，再加上鋼的致密程度較差，使它的沖擊韌性和可焊性較差，特別是低溫沖擊韌性的降低更為顯著。但成本較低。鎮(zhèn)靜鋼：是脫氧完全的鋼。是質量較好的鋼種，但成本較高。半鎮(zhèn)靜鋼：其脫氧程度和材質介于上述兩種鋼之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼：比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，質量最好。兩鋼錠的縱剖面(A)沸騰鋼縱剖面圖(B)鎮(zhèn)靜鋼縱剖面圖5.1.3鋼的壓力加工壓力加工可分為冷加工和熱加工。熱加工是將鋼錠加熱到塑性狀態(tài)，依靠外力來改變形狀的加工。常用的熱加工方式有碾軋和鍛造。1.碾軋：將鋼坯加熱（900～1250℃）至塑性狀態(tài)，軋成所需形狀的鋼材。工程上常用的鋼筋、工字鋼、角鋼及鋼板等都是碾軋制成的。2.鍛造：將鋼材加熱至塑性狀態(tài)，用錘擊或靜壓的方法，使之加工成一定形狀的制品。如建筑及機械用的鋼零件。鋼材經熱加工后，其內部氣泡由于外力的擠壓而焊合，疏松組織密實，從而提高了鋼的強度和質量，一般碾軋的次數越多，鋼的強度提高也越大。5.1.4鋼的分類1.按化學成分分類當鋼材組分元素中含量僅次于鐵元素的成分為碳時，則稱為碳素鋼；當鋼材組分元素中含量僅次于鐵元素的成分為其他合金元素時，則稱為合金鋼。(1)碳素鋼—根據含碳量多少，碳素鋼可分為：①低碳鋼：含碳量0.25％以下。②中碳鋼：含碳量0.25％～0.6％。③高碳鋼：含碳量大于0.6％。(2)合金鋼—根據合金元素的含量，合金鋼可分為：低合金鋼：合金元素總含量小于5％；中合金鋼：合金元素總含量在5％～10％之間；高合金鋼：合金元素總含量大于10％。2.按用途分類鋼材按照用途可分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼三類。（1）結構鋼：工程結構構件用鋼、機械制造用鋼。（2）工具鋼：根據化學成分不同分碳素工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼，廣泛用于各種刃具、模具、量具等。（3）特殊性能鋼：具有特殊物理、化學或機械性能的鋼，多為高合金鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等。3.按質量（雜質含量）分類根據鋼材中所含有害雜質的多少工業(yè)用鋼可分為：

(1)普通鋼：含硫量≤0.050％；含磷量≤0.045％。(2)優(yōu)質鋼：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。(3)高級優(yōu)質鋼：含硫量≤0.025％；含磷量≤0.025％。(4)特級優(yōu)質鋼：含硫量≤0.015％；含磷量≤0.025％。在土木工程中常用的鋼種是普通碳素結構鋼和普通低合金結構鋼。5.2建筑鋼材的主要技術性能鋼材的技術性質主要包括力學性能和工藝性能兩個方面。5.2.1力學性能主要技術指標有：抗拉屈服強度、抗拉極限強度、伸長率、韌性和硬度等。1.拉伸性能

拉伸試驗視頻

低碳鋼拉伸的應力－應變曲線圖5－9低碳鋼拉伸的應力－應變曲線硬鋼的屈服強度規(guī)定產生殘余變形為原標距長度的0.2％時所對應的應力值，作為硬鋼的屈服強度，也稱條件屈服點，用σ0.2表示。屈強比屈服強度和抗拉強度之比。屈強比能反映鋼材的利用率和結構安全可靠程度。屈強比越小，其結構的安全可靠程度越高，不易因局部超載而造成脆性斷裂而破壞；屈強比過小，又說明鋼材強度的利用率偏低，造成鋼材浪費。建筑結構鋼合理的屈強比一般為0.60～0.75。Q225鋼材的屈服比為0.58～0.63普通的合金鋼的屈強比在0.67～0.75之間。兩種鋼材的選用觀察圖中Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼的應力-應變曲線的差異。討論：(1)若對于變形要求嚴格的構件，Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼選用誰者更合適。(2)使用Ⅰ、Ⅱ兩種鋼材，哪一個安全性較高。兩種低碳鋼的應力-應變曲線2.塑性鋼材的塑性通常用伸長率和斷面收縮率表示。（1）伸長率

通常以δ5和δ10分另表示L0＝5d0和L0＝10d0時的伸長率。對于同一種鋼材，其δ5>δ10。（2）斷面收縮率(Ψ)式中：Ａ0——試件原始截面積；Ａ1——試件拉斷后頸縮處的截面積。伸長率和斷面收縮率表示鋼材斷裂前經受塑性變形的能力。伸長率越大或斷面收縮率越高，說明鋼材塑性越大。3.沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。沖擊韌性是通過夏比（V型缺口）沖擊試驗來測定的。將標準彎曲試樣置于沖擊機的支架上，并使切槽位于受拉的一側。用擺錘打斷試件，測得試件單位截面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標，用沖擊值ak表示，單位為J/cm2。F——試件斷口處的截面積；Ak——沖斷試件所消耗的功。沖擊韌性試驗影響鋼材沖擊韌性的因素鋼材的沖擊韌性對鋼的化學成分、內部組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質量都較敏感。鋼中磷、硫含量較高，存在偏析或非金屬夾雜物，以及焊接中形成的微裂紋等，都會使沖擊值顯著降低。沖擊值與試驗溫度有關。當達到某一溫度范圍時，沖擊值突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形而發(fā)生脆性斷裂，這種性質稱為鋼材的冷脆性，這時的溫度稱為脆性臨界溫度。通常根據氣溫條件規(guī)定－20℃或－40℃的負溫沖擊值指標。時效隨時間的延長而表現(xiàn)出強度提高，塑性和沖擊韌性下降，這種現(xiàn)象稱為時效。完成時效變化的過程可達數十年。鋼材如經受冷加工變形，或使用中經受振動和反復荷載的影響，時效可迅速發(fā)展。因時效而導致性能改變的程度稱為時效敏感性。時效敏感性愈大的鋼材，經過時效以后，其沖擊韌性和塑性的降低愈顯著，對于承受動荷載的結構物，如橋梁等，應選用時效敏感性較小的鋼材。普通低合金鋼沖擊韌性指標時效沖擊功，是按標準方法將樣坯拉伸后制成試件經熱處理，然后進行常溫沖擊韌性試驗所得的結果。沖擊功（J）不小于常溫時（20℃）－40℃時效59～6930～3430～34兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較

請觀察圖中Ⅰ、Ⅱ兩低合金鋼曲線，若在東北地區(qū)，應選用何種鋼更有利？

兩種低合金鋼沖擊值-溫度曲線4.耐疲勞性受交變荷載反復作用，鋼材在應力低于其屈服強度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象，稱為疲勞破壞。鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應力值，稱為疲勞強度極限，實際測量時常以2×106次應力循環(huán)為基準。鋼材疲勞曲線示意圖5.硬度測定鋼材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法和維氏法。建筑鋼材常用的是布氏法，所測硬度稱布氏硬度。布氏硬度是用一定直徑D(毫米)的硬質鋼球，在規(guī)定荷裁P(牛頓)作用下壓入試件表面，并持續(xù)一定時間后卸載，量出壓痕直徑d(毫米)，然后計算每單位壓痕球面積所承受的荷載值，即布氏硬度值(HB)。計算公式為：HB是以10MPa計的數字表示，如HB＝150，即表示HB值為1500兆帕。布氏硬度采用的鋼球直徑D分為10、5、2.5毫米三種。試驗時，D和P應按規(guī)定選取。一般硬度較大的鋼材應選用較大的P/D2。HB＞140的鋼材，P/D2應采用30，HB＜140的鋼材，P/D2則應采用10。由于壓痕附近的金屬將產生塑性變形，其影響深度可達壓痕深度的8～10倍以上，所以試件厚度一般應大于壓痕深度的10倍。荷載保持時間以10～15s為宜。鋼材的HB值與抗拉強度之間有較好的相關關系。對于碳素鋼：當HB＜175時，σb＝0.36HB；當HB＞175時，σb

＝0.35HB。根據這些關系，我們可以在鋼結構的原位上測出鋼材的HB值，并估算出該鋼材的σb

，而不破壞鋼結構本身。布氏硬度測定法比較準確，用途較廣，其缺點是不能測量硬度較高(當HB＞450時)和厚度太薄的鋼材。5.2.2工藝性能1.冷彎性能鋼材的冷彎性能指標用試件在常溫下所能承受的彎曲程度表示。彎曲程度則通過試件被彎曲的角度和彎心直徑對試件厚度（或直徑）的比值來區(qū)分。鋼材的冷彎冷彎性能視頻

2.焊接性能鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學性能，特別是強度不低于原有鋼材的強度。隨鋼材的含碳量、合金元素及雜質元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25％時，可焊性明顯降低；硫含量較多時，會使焊口處產生熱裂紋，嚴重降低焊接質量。某運輸廊倒塌某燒結礦倉庫運輸廊道于1965年1月發(fā)生倒塌。事故發(fā)生時室外氣溫為36℃左右。經現(xiàn)場調查及取樣試驗可知所用的沸騰鋼含碳0.23％～0.25％，含硫0.06％。事故原因：①：所使用的鋼材不符合標準要求，發(fā)生脆性斷裂。所用鋼材含碳量及含硫量均超過用于焊接結構鋼材要求，即含碳不超過0.22％，含硫量不超過0.055％。硫的析出集中點正是弦桿鋼發(fā)生脆性破壞部位。②：斷裂處焊縫低劣，以及焊接結構處有應力集中現(xiàn)象，助長了此衍架的斷裂破壞。經檢查，多處焊縫明顯未焊透，有焊瘤，夾雜缺陷，焊接質量差。5.3鋼材的組成結構及對性能的影響

5.3.1純鐵的同素異晶轉變1.金屬的結晶概念金屬的晶格（即原子的有序排列）以下三種類型：體心立方體、面心立方體和緊密六方體。面心立方點陣體心立方點陣

密排六方點陣

金屬晶體存在許多間隙，間隙對金屬的性能、合金相變等都有重要影響。位于4個原子所組成的四面體中間的間隙稱為四面體間隙位于6個原子所組成的八面體中間的間隙稱為八面體間隙

體心立方點陣四面體間隙

面心立方點陣四面體間隙密排六方點陣四面體間隙

體心立方點陣八面體間隙

面心立方點陣八面體間隙密排六方點陣八面體間隙

多晶體金屬的結晶過程，由于各個晶體在長大過程中互相接觸和制約，使各個晶體形成不規(guī)則形狀。單個的這種不規(guī)則的小晶體稱為晶粒。晶粒與晶粒間的分界面稱為晶界。由很多的晶粒再組成多晶體。金屬材料都是多晶體構造。就單個晶體而言是各向異性的，但就多晶體來講則是各向同性的，所以金屬材料都是各向同性的。2.純鐵的同素異構晶體轉變某些金屬結晶之后，當溫度改變時，它的晶格類型還會隨之變化，此變化稱為同素異晶轉變。晶格發(fā)生轉變的溫度稱為臨界溫度。轉變的產物稱為同素異構體。

純鐵的三種同素異構晶體。δ鐵：溫度下降到1535℃直接由液態(tài)鐵凝固而成，為體心立方晶格；γ鐵：溫度下降到1390℃時，由體心立方晶格轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?；α鐵：溫度下降到910℃時，由面心立方晶格轉變?yōu)轶w心立方晶格。910℃～769℃的α鐵亦稱β鐵。5.3.2合金的概念合金是指熔合兩種或兩種以上元素（其中至少一種是金屬元素）所組成的具有金屬特性的物質。有以下三種基本類型：1.固溶體固溶體是以一種金屬為溶劑，另一種金屬或非金屬為溶質，共溶后所形成的固態(tài)溶液。固溶體中的溶劑元素仍保持原來晶格，溶質原子溶解其中?？煞譃橹脫Q固溶和間隙固溶兩種。當溶質原子溶入溶劑中形成固溶體時，溶質原子占據溶劑點陣的陣點，或者說溶質原子置換了溶劑點陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為置換固溶體。溶質原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。

固溶強化作用：增加固溶體的強度和硬度。2.金屬化合物是兩種元素的原子按一定比例結合的一種新的化合物。如Fe3C（滲碳體），其晶格與原來兩種元素的晶格不同，性質也各異，表現(xiàn)出非常的硬脆。3.機械混合物是兩種組成既不溶解也不化合，而是機械地組合成的一種混合物。這兩種組成物各保持其各自的晶格和性質，其混合物的性質取決于各組成物的相對比例。5.3.2鐵碳合金的晶體組織與性能1.鐵素體碳在α-Fe中的固溶體，以符號“F”表示。鐵素體內原子間的空隙較小，常溫下僅能溶碳0.0008％，600℃時0.0057%，在727℃時溶碳量最大，但也只有0.0218％，由于溶碳量少，其性質極其柔軟，強度較低。抗拉強度約為180～280MPa，伸長率為30～50％，HB約為50～80，沖擊韌性約為160～200J/cm2。2.滲碳體碳和鐵形成的化合物Fe3C。滲碳體含碳量達6.67％，晶格結構復雜，性質非常硬脆，HB約800，抗拉強度很低，熔點為1600℃(有資料介紹其計算值為1227℃,有資料說其熔點為1227~1600℃)。工業(yè)上不單獨使用它。它是鐵碳合金中的一種基本組織。針狀和塊狀鐵素體（100倍）3.珠光體鐵素體和滲碳體組成的機械混合物。兩種成分相間成片狀存在于同一晶粒內，含碳量為0.77％，在珠光體中鐵素體占88%，滲碳體占12%，由于鐵素體的數量大大多于滲碳體，所以鐵素體層片要比滲碳體厚得多。珠光體性質介于鐵素體和滲碳體之間。在腐蝕后用肉眼直接觀看有珍珠光澤，故名珠光體。用符號“P”表示。4.奧氏體碳在γ-Fe中的固溶體，以符號“A”表示。只存在于高溫。碳的溶解度隨著溫度而變，當溫度達1148℃時，碳的溶解度達2.11％。隨著溫度的降低，碳在γ-Fe中的溶解度降低而析出二次滲碳體，當冷卻到727℃時，其含碳量降為0.77％，奧氏體便分解為珠光體。奧氏體的塑性和韌性很好。片狀珠光體（1000倍）鐵碳合金在常溫下的基本組織是鐵素體、滲碳體和珠光體三種，它們的機械性能見下表。鐵碳合金的性質則取決于這些晶體組織在合金中所占的比例。鐵碳合金（室溫時）基本組織機械性能名稱符號組織類型σb（MPa）HBδ（％）ak（J/cm2）鐵素體F碳在α－Fe中的固溶體（體心立方晶格）2508050160～200滲碳體Fe3C鐵和碳的化合物（復雜晶格）30800≈0≈0珠光體P鐵素體與滲碳體的層狀機械混合物75018020～2524～325.3.3鐵碳合金相圖的概念鐵碳合金相圖是在平衡狀態(tài)下表示不同成分的鐵碳合金，在不同溫度下晶體組織變化的一種圖形。它是研究各種晶體組織隨溫度和成分變化規(guī)律的圖形。鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有實用意義并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常稱其為Fe-Fe3C相圖，又稱為鐵碳平衡圖，此時相圖的組元為Fe和Fe3C。它表示鐵碳合金在極其緩慢冷卻下各階段的組織結構狀況。ABCD線是合金的液相線。AHJECFD線稱為固相線。GSE是奧氏體開始分解溫度線，又稱上臨界溫度線。PSK線是下臨界溫度線，即奧氏體存在的下限溫度。

Fe-Fe3C相圖中各點的溫度、碳含量及含義

符號溫度,℃碳含量ω(C)%含義A15350純鐵的熔點B14950.53包晶轉變時液態(tài)合金的成分C11484.30共晶點Lc

→

AE+Fe3CD12276.69Fe3C的熔點E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69Fe3C的成分G9120

α-Fe→

γ-Fe同素異構轉變點(A3)H14950.09碳在δ-Fe中的最大溶解度J14950.17包晶點LB+δH

→

AJ

K7276.69Fe3C的成分N13940

γ-Fe→

δ-Fe同素異構轉變點(A4)P7270.02碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(A1)As→FP+Fe3CQ6000.0057600℃時碳在α-Fe中的溶解度

(室溫)(0.0008)

隨著含碳量的增加鋼晶體組織的變化含碳量在0.02％～0.77％之間的鋼，晶體組織為鐵素體和珠光體，并將具有這兩種組織的鋼通稱為亞共析鋼。建筑鋼材的含碳量低于0.77％，故是由鐵素體和珠光體所組成的。含碳量為0.77％的鋼，其晶體組織全部是珠光體，這種鋼稱為共析鋼。含碳量在0.77％～2.11％之間的鋼，晶體組織為珠光體和滲碳體，而具有這兩種組織的鋼通常稱為過共析鋼。綜上所述，在常溫下隨著含碳量的增加，鋼中鐵素體含量逐漸減少，滲碳體的含量逐漸增多。5.3.4鋼的化學成分對鋼材性能的影響

1.碳鋼材的硬度和強度隨含碳的增加而提高。鋼材的塑性、韌性和冷彎性能隨含碳量的增加而下降。當含碳量增至1％時，強度最大，但當含碳量超過1％以后，強度反而下降。碳還是降低鋼材可焊性的元素之一，含碳量超過0.3％時，鋼的可焊性顯著降低。碳還會降低鋼的塑性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。2.硅硅是在煉鋼時作為脫氧劑加入的，它都能從鋼水的FeO中奪取氧，生成氧化物以降低鋼中的含氧量。硅的氧化物與鋼水中堿性氧化物能進一步形成硅酸鹽，反應式如下：

Si＋2FeO＝SiO2＋FeSiO2＋CaO＝CaSiO3

或SiO2＋Fe2O3＋C＝CO↑＋Fe2SiO4硅在一般碳素鋼中含量為0.1～0.4％，硅的脫氧能力較錳還強。硅溶入鐵素體可提高鋼的強度和硬度。但由于硅在碳鋼中的含量很低，因此這一效果并不明顯。若作為合金元素加入鋼中，使含量提高到1.0～1.2％時，鋼材的抗拉強度可提高15～20％，但塑性和韌性明顯下降，焊接性能變差，并增加鋼材的冷脆性。3.錳錳也是煉鋼時為脫氧及脫硫加入鋼水中的，形成MnO及MnS。

MnO＋FeS＝MnS＋FeO

Mn＋FeO＝MnO＋Fe

錳能消減硫和氧所引起的熱脆性。溶于鐵素體的錳可提高鋼材的強度。鋼中含錳量在0.8％以下時，錳對鋼的性能影響不顯著。若將錳作為合金元素加入鋼中，使鋼中錳的含量提高到0.8～1.2％或者更高，就成為力學性能優(yōu)于一般碳鋼的錳鋼。但當錳含量大于1.0％時，在提高強度的同時，塑性及韌性有所降低，可焊性變差，耐腐蝕性降低。普通碳素鋼中，錳含量為0.25～0.8％，在低合金鋼中的含量一般為1～2％。錳在低合金鋼中的作用主要是：溶于鐵素體中使其強化，降低奧氏體的分解溫度，起到細化珠光體的作用，使強度提高。有的合金鋼含錳量高達11～14％，稱高錳鋼。4.磷磷是煉鋼原料中帶入的有害元素。磷溶入鐵素體時，可使鋼的強度、硬度增加，并顯著降低其塑性和韌性。當鋼中含磷量達0.3％時，鋼完全變脆，沖擊韌性接近于零，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。雖然鋼中的磷很難達到這個數量，但鋼中的磷在結晶時極易偏析，使其局部地區(qū)達到較高的磷含量而變脆，冷脆性使鋼材不宜在低溫條件下工作。因此在各種質量鋼中，都嚴格規(guī)定了磷的允許含量范圍，普通碳素鋼中的含磷量不得超過0.045％。磷能有效地改善鋼的切削加工性能，因此在易削鋼中還要提高磷的含量。5.硫硫是鋼中極有害元素。硫不溶于鐵素體，而與鐵化合成FeS。FeS與Fe在985℃時形成共晶體。這些低熔點共晶體在結晶時，總是分布在晶界處，在1000℃以上熱加工時，由于共晶體熔化，使鋼材產生裂紋。這種現(xiàn)象稱為熱脆性。它能降低鋼的機械性能，并可使可焊性和耐蝕性變壞。硫也有強烈的偏析作用，增加了危害性。因此在各種質量的鋼中也都規(guī)定了硫的允許含量范圍，要求在0.055％以下。鋼水中加入錳可削弱硫的有害作用，因為錳可以從FeS中奪取硫。反應式如下：

Mn＋FeS＝MnS＋FeMnS在1620℃熔化，而在鋼的熱加工溫度范圍(800～1200℃)內，MnS有較好的塑性，因此不會影響鋼材的熱加工性能。6.氧氧是冶煉氧化過程中進入鋼水，經脫氧處理后殘留下來的，是鋼中的有害雜質。它主要存在于非金屬夾雜物，少量溶于鐵素體中。非金屬夾雜物主要是：A12O3、FeO、MnO、SiO2以及硅酸鹽等。這些氧化物在鋼經鍛壓后，一般以鏈狀或條狀分布于鋼中，尤其容易分布在晶界處，這時會降低鋼的塑性及韌性，使用時，可能造成工件突然斷裂。氧有促進時效傾向的作用。氧化物所造成的低熔點也使鋼的可焊性變壞。7.氮氮主要以原子狀態(tài)嵌溶于鐵素體中，也可呈化合物形式（Fe4N）存在。氮對鋼材的性質的影響與硫、磷相似，使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著下降。溶于鐵素體中的氮，有向晶格的缺陷處移動、集中的傾向，故可加劇鋼材的時效敏感性和冷脆性，也增加熱脆性，降低可焊性。若在鋼中加入適當金屬鋁或鈦，則氮和它們可生成氮化鋁(AlN)或氮化鈦（TiN）而脫氮。氮化鋁和氮化鈦如果以分散的微粒分布在鋼中，則能控制鋼的晶粒大小，能增強鋼的韌性、塑性、耐磨性等；如果以聚集狀態(tài)出現(xiàn)，則會使鋼的機械性能產生方向性，使耐磨性顯著降低。8.氫在熱軋、鍛后冷卻到200℃左右時，原子氫就聚集成分子狀態(tài)而出現(xiàn)在鋼的內部，由氫氣所產生的壓力可把鋼從內部脹裂，形成幾乎是圓圈狀的平坦的斷裂面，即所謂的“白紋”。這就要求在冶煉方面采取措施，如控制氫的含量在百萬分之1.5以下或對鋼水進行真空處理；或控制鍛軋后的冷卻方式來防止白紋的發(fā)生，以避免工件的碎裂。9.鈦

是強脫氧劑，能細化晶粒。鈦能顯著提高強度，但稍降低塑性；由于晶粒細化，故可改善韌性。鈦并能減少時效傾向，改善可焊性，是常用的合金元素。10.釩是強的碳化物和氮化物形成元素。釩能細化晶粒，有效地提高強度，并能減少時效傾向。但增加焊接的淬硬傾向。5.4鋼材的冷加工強化、時效與熱處理

5.4.1冷加工強化鋼材的冷加工是在常溫下通過冷拉、冷拔或冷軋，使鋼材產生塑性變形，得到所需形狀的工藝過程。通過冷加工的鋼材，可使強度提高，稱為冷加工強化（冷作硬化）。對鋼材進行冷加工，是充分發(fā)揮材料效用，節(jié)約鋼材的一種有效方法。鋼材經過冷加工后，其屈服強度提高，塑性、韌性和彈性模量則降低。1.冷拉冷拉是將鋼筋拉至其σ-ε曲線的強化階段內任一點K處，然后緩慢卸去荷載，則當再度加載時，其屈服極限將有所提高，而其塑性變形能力都有所降低的冷加工強化。冷拉一般可控制冷拉率，預應力混凝土的預應力筋則宜采用控制應力法。鋼筋經冷拉后，一般屈服點可提高20％～25％。2.冷撥冷拔是將直徑為6.5～8mm的碳素結構鋼的Q235（或Q215）盤條，通過拔絲機中鎢合金做成的比鋼筋直徑小0.5～1.0mm的冷拔?？祝浒纬杀仍睆叫〉匿摻z，稱為冷拔低碳鋼絲。經過一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳鋼絲，其屈服點可提高40％～60％，但失去軟鋼的塑性和韌性，而具有硬質鋼材的特點。3.冷軋冷軋是將圓鋼在軋鋼機上軋成斷面形狀規(guī)則的鋼筋，可以提高其強度（屈服強度可提高30～60％）及與混凝土的粘接力。圖為一冷軋機的示意圖。冷軋機是由若干對軋輥組成，帶鋼從一端輸入經過各對軋輥逐步減薄后輸出。鋼筋在冷軋時，縱向與橫向同時產生變形，因而能較好地保持其塑性和內部結構的均勻性。5.4.2時效處理將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放15～20d（自然時效）或加熱至100～200℃后保持2～3h（人工時效），其屈服強度進一步提高，且抗拉強度也提高，同時塑性和韌性也進一步降低，彈性模量則基本恢復。這個過程稱為時效處理。5.4.3熱處理熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度，進行加熱、保溫和冷卻處理，以改變其組織，得到所需要的性能的一種工藝。熱處理的方法有：退火正火淬火回火鋼的熱處理工藝5.5建筑鋼材的標準與選用5.5.1建筑鋼材的主要鋼種1.碳素結構鋼國家標準GB700-88《碳素結構鋼》規(guī)定，碳素結構鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成。其中：以“Q”代表屈服點；屈服點數值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa和275MPa五種；質量等級以硫、磷等雜質含量由多到少，分別為A、B、C、D符號表示；脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號中予以省略。例如：Q235－A·F，表示屈服點為235MPa的A級沸騰鋼。碳素結構鋼的化學成分(GB700—88)

牌號質量等級化學成分（％）脫氧方法CMnSiSP不大于Q195—0.06～0.0120.25～0.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09～0.150.05～0.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.650.300.0500.045F、b、ZB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040ZD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q275—0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045b、Z碳素結構鋼的力學性能指標牌號等級拉伸試驗沖擊試驗屈服點/(N/mm2)抗拉強度(N/mm2)伸長率/%溫度/℃V形沖擊功(縱向)/J鋼材厚度(直徑)/mm鋼材厚度(直徑)/mm≤16>16～40>40～60>60～100>100～150>150≤16>16～40＞40～60>60～100>100～150>150≥≥≥Q195-195185————315～4303332——————Q215AB215205195185175165335～450313029282726—

20—27Q235ABCD235225215205195185375～500262524232221—200-20—27Q255A

B255245235225215205410～550242322212019—20—27Q275—275265255245235225490～630201918171615——碳素結構鋼的冷彎性能指標牌號式樣方向冷彎試驗B=2a，180鋼材厚度（直徑）/mm≤6060～100＞100～200彎心直徑dQ195縱a——橫0.5aQ215縱0.5a1.5a2a橫a2a2.5aQ235縱a2a2.5a橫1.5a2.5aaQ255－2a3a3.5aQ275－3a4a4.5a注：①B為試樣寬度，a為鋼材厚度（直徑）。②A級鋼的冷彎試驗在需方要求時才進行。

各牌號碳素結構鋼的用途隨著牌號的增大，含碳量由小到大，抗拉強度逐漸提高，而伸長率及冷彎性能則降低。碳素結構鋼的質量等級，取決于鋼中有害元素S和P的含量，S、P含量越低，鋼的質量越好，其焊接性能和低溫抗沖擊性能都得到提高。Q195：強度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條等。Q215：與Q195鋼基本相同，其強度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235：強度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也較好，是鋼結構最常用的牌號，大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板用于建造房屋和橋梁等。Q235能滿足一般鋼結構用鋼的要求。Q235-A一般用于只承受靜荷載作用的鋼結構Q235-B適合用于承受動荷載焊接的普通鋼結構Q235-C適合用于承受動荷載焊接的重要鋼結構Q235-D適合用于低溫環(huán)境使用的承受動荷載焊接的重要鋼結構Q255：強度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用做鉚接或栓接結構，以及鋼筋混凝土的配筋。Q275：強度、硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，不宜在建筑結構中使用，主要用于制造軸類、農具、耐磨零件和墊板等。2.優(yōu)質碳素結構鋼按GB/T699－1999《優(yōu)質碳素結構鋼》，根據錳含量的不同分為兩組：普通錳含量鋼：（0.25％＜錳含量＜0.8％）較高錳含量鋼：（錳含量0.7％～1.2％）共有31個牌號，牌號由數字和字母兩部分組成。兩位數字表示平均碳含量的萬分數；字母分別表示錳含量、冶金質量等級、脫氧程度：普通錳含量鋼，不注“Mn”；較高錳含量鋼，兩位數字后加注“Mn”如果是高級優(yōu)質碳素結構鋼，應加注“A”如果是特級優(yōu)質碳素結構鋼，應加注“E”。對于沸騰鋼，牌號后面為“F”對于半鎮(zhèn)靜鋼，牌號后面為“b”。例如：15F——表示平均碳含量為0.15％，錳含量為0.25％～0.80％，冶金質量等級為優(yōu)質，脫氧程度為沸騰狀態(tài)的優(yōu)質碳素結構鋼。35Mn——表示平均含碳量0.35％，含錳量為0.7％～1.2％的優(yōu)質碳素結構鋼。優(yōu)質碳素結構鋼的特點是生產過程中對有害雜質控制較嚴：優(yōu)質鋼：P≤0.035％，S≤0.035％；高級優(yōu)質鋼：P≤0.030％，S≤0.030％；特級優(yōu)質鋼：P≤0.025％，S≤0.020％）。合金元素主要有：錳：含Mn在0.25％～1.2％硅：08F鋼含Si≤0.03％、10F鋼和15F鋼含Si≤0.07％、其他28個牌號的鋼含Si在0.17％～0.37％鉻：08F鋼和08號鋼含Cr≤0.1％、10F鋼和10號鋼含Cr≤0.15％、其他27個牌號的鋼含Cr≤0.25％鎳：含Ni≤0.30％銅：含Cu≤0.25％。30～45號鋼主要用于重要結構的鋼鑄件和高強度螺栓等，45號鋼用做預應力混凝土錨具，65～80號鋼用于生產預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線。3.低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼是一種在碳素鋼的基礎上添加總量小于5％合金元素的鋼材。曾稱為普通低合金鋼、低合金結構鋼。為了使鋼種系列和技術標準與國際接軌，在修訂和制定標準時參照采用了ISO4950和ISO4951高屈服強度鋼標準，改名為低合金高強度結構鋼。根據國家標準《低合金高強度結構鋼》（GB1591-94）規(guī)定，共有5個牌號，即Ｑ295、Q345、Q390、Q420、Q460。所加入元素主要有錳、硅、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。其牌號的表示是：由屈服點字母Q、屈服點數值、質量等級（A、B、C、D、E）3個部分組成。例如：Q390A，其中:Q——鋼材屈服點的“屈”字漢語拼音的首位字母；390——屈服點數值，單位MPa；A——為質量等級符號。低合金高強度結構鋼牌號、化學成分

低合金高強度結構鋼的力學性能低合金高強度結構鋼鋼材的質量要求還有：尺寸、外形和表面質量。各類鋼材表面無裂紋、折疊、結疤、氣泡和夾雜等缺陷，各類鋼材無分層，條鋼無縮孔殘余。低合金高強度結構鋼屈服點比普通碳素鋼高25%以上，在相同使用條件下，可比碳素結構鋼節(jié)省用鋼20%～30%，對減輕結構自重有利。同時，加之大多低碳，而具有良好的塑性韌性和焊接性能，有的還具有耐腐蝕、耐低溫等特性。低合金高強度結構鋼主要用于：軋制各種型鋼、鋼板、鋼管及鋼筋，廣泛用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中，特別適用于各種重型結構、高層結構、大跨度結構及橋梁工程等。新舊低合金結構鋼標準牌號對照GB/T

1591-94GB1591-88Q29509Mn、V09MnNb、09Mn2、12MnQ34512MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18NbQ39015MnV、15MnTi、16MnNbQ42015MnVN、14MnVTiREQ460

鳥巢用鋼：Q460E-Z35，造價為每噸13000元左右。鳥巢總用鋼量達到11萬噸，總投資31.3億元。4.合金結構鋼根據國家標準《合金結構鋼》（GB/T3077－1999）規(guī)定，合金結構鋼共有77個牌號，通常以熱軋或熱鍛狀態(tài)供應，也可以熱處理（退火、正火或高溫回火）狀態(tài)供應，產品型式多為圓鋼、方鋼、扁鋼、六角鋼等。合金結構鋼的牌號表示按順序：由兩位數字、合金元素符號、合金元素平均含量、冶金質量等級等四部分組成。兩位數字表示平均含碳量的萬分數；當含硅量的上限≤0.45％或含錳量的上限≤0.9％時，不加注Si或Mn，其他合金元素無論含量多少均加注合金元素符號；合金元素平均含量<1.5％者不加注，合金元素平均含量為1.50％～2.49％、2.50％～3.49％、3.50％～4.49％時，在合金元素符號后面分別加注2、3、4；優(yōu)質鋼不加注，高級優(yōu)質鋼加注“A”，特級優(yōu)質鋼加注“E”。例如：20Mn2，它表示平均含碳量為0.20％、含硅量上限≤0.45％、平均含錳量為1.5％～2.49％的優(yōu)質合金結構鋼。合金結構鋼的特點是:所有合金結構鋼均為鎮(zhèn)靜鋼，均含有Si和Mn，生產過程中對硫、磷等有害雜質控制嚴格：優(yōu)質鋼：P≤0.035％、S≤0.035％；高級優(yōu)質鋼：P≤0.025％、S≤0.025％；特級優(yōu)質鋼：P≤0.025％、S≤0.015％。合金結構鋼與碳素結構鋼相比，具有較高的強度和較好的綜合性能，有利于節(jié)省用鋼和增長結構使用壽命。合金結構鋼主要用于軋制各種型鋼、鋼板、鋼管、鉚釘、螺栓、螺帽及鋼筋，特別是用于各種重型結構、大跨度結構、高層結構等，其技術經濟效果更為顯著。5.5.2混凝土結構用鋼鋼筋混凝土結構用鋼，主要由碳素結構鋼和低合金結構鋼軋制而成，主要有熱軋鋼筋、冷加工鋼筋、熱處理鋼筋、預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線等。按直條或盤條（也稱盤圓）供貨。1.鋼筋混凝土用鋼筋

鋼筋主要用于鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土的配筋，是土木工程中用量最大的鋼材之一。鋼筋混凝土用鋼筋，根據其表面形狀分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋兩類。鋼筋主要有以下幾種：（1）低碳鋼熱軋盤條光圓鋼筋盤條建筑用的低碳鋼熱軋圓盤條由Q215和Q235碳素結構鋼經熱軋而成。根據《低碳鋼熱軋圓盤條》（GB/T701-1997）的規(guī)定，土木工程用低碳鋼熱軋盤條光圓鋼筋的力學性能和工藝性能應符合下表的規(guī)定。牌號力學性能冷彎試驗180°d=彎心直徑a=試樣直徑σs（MPa）σb（MPa）δ10（％）≥Q215Q2352152353754102723d＝0d＝0.5a（2）鋼筋混凝土用熱軋直條光圓鋼筋

光圓鋼筋是用Q235碳素結構鋼軋制而成的鋼筋。其強度較低，塑性及焊接性能好，伸長率高，便于彎折成型和進行各種冷加工，廣泛用于普通鋼筋混凝土構件中，作為中小型鋼筋混凝土結構的主要受力鋼筋和各種鋼筋混凝土結構的箍筋等。鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋力學性能和工藝性能

鋼筋級別

強度等級代號

牌號

公稱直徑a（mm）

屈服點（MPa）

抗拉強度（MPa）

伸長率δ（％）

冷彎試驗（180°）彎心直徑（d）

不小于

Ⅰ

R235

Q235

8～20

235

370

25

d=a

（3）鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋采用低合金鋼熱軋而成，橫截面通常為圓形，且表面帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。熱軋帶肋鋼筋的牌號有HRB335，HRB400、HRB500三種。牌號是由HRB和屈服點最小值組成。其中H、R、B分別為熱軋（Hotrolled）、帶肋（Ribbed）、鋼筋（Bars）3個詞的英文首位字母。帶肋鋼筋(a)月牙肋鋼筋(b)等高肋鋼筋熱軋帶肋鋼筋的力學性能和彎曲性能

（4）冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是由熱軋圓盤條為母材，經冷軋減徑后在其表面冷軋成二面或三面橫肋（月牙肋）的鋼筋。冷軋帶肋鋼筋橫截面上月牙肋分布情況①牌號根據國家標準GB13788－2000《冷軋帶肋鋼筋》的規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋的牌號由CRB和鋼筋的抗拉強度最小值構成。C、R、B分別為冷軋（ColdRolled）、帶肋（Ribbed）、鋼筋（Bar）三個詞的英文首位字母。冷軋帶肋鋼筋分為：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個牌號。CRB550為普通鋼筋混凝土用鋼筋，鋼筋的公稱直徑范圍為4～12mm。CRB650及以上牌號鋼筋為預應力混凝土鋼筋，鋼筋的公稱直徑為4、5、6mm。②技術性能D——彎心直徑；d——為鋼筋公稱直徑。

（5）預應力混凝土用熱處理鋼筋預應力混凝土用熱處理鋼筋是由熱軋螺紋鋼筋（即普通熱軋中碳低合金鋼筋）經淬火和回火等調質處理制成。按其螺