2018一級建筑師考試《建筑材料與構造》知識點：鋼材

第七節(jié)建筑 鋼 材

　　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;低合金結構鋼的屈強比一般為0.65～0.75。

　　3.伸長率

　　設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(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構，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系，故可

　　在結構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，結構復雜硬脆、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%)，具有層狀結構，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。建筑結構用的鋼材多為含碳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。