掌握建筑常用钢材性能，全面了解技术性质

【任务背景】　钢材作为主要的受力结构材料，不仅需要具有优良的力学性能，同时还需要具有良好的工艺性能、化学性能等。如在建筑结构中，对承受静荷载作用的钢材，要求具有一定的力学强度，并要求所产生的变形不致影响结构的正常工作和安全使用；对承受动荷载作用的钢材，还要求具有较高的韧性而不致发生断裂。在现场进行加工时，要求钢材有良好的冷弯性能和可焊接性能，才能保证结构的安全。为了满足建筑工程中对钢材的不同需求，建筑工程技术人员必须清楚掌握钢材的各种力学、工艺、化学等方面的性能，才能做到正确、经济、合理地选择和使用钢材。

1.钢材的力学性能

1）钢材的拉伸性能

拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要指标。根据国家标准《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》（GB/T228.1—2010），将低碳钢制成一定规格的试件，放在材料试验机上进行拉伸试验，可绘出如图4-2所示的应力-应变关系曲线。从图中可以看出，低碳钢受拉至断裂，经历了弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段共4个阶段。

（1）弹性阶段（O~A）

曲线中OA段是一条直线，应力与应变成正比，如卸去外力试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。与A点对应的应力称为弹性极限，以σP表示。当应力稍低于A点的应力时，应力σ与应变ε的比值为常数，即弹性模量E，E=σ/ε。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。E值越大，钢材抵抗弹性变形的能力越大，在一定的荷载作用下，钢材发生的弹性变形量越小。

图4-2　低碳钢应力-应变关系曲线

（2）屈服阶段（A~B）

当应力超过A点后，应力、应变不再成正比关系，开始出现塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长，当应力达B上点后（上屈服点），瞬时下降至B下点（下屈服点），变形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到B点，这就是所谓的“屈服现象”，AB段称为屈服阶段。

拉伸试验中当金属材料呈现屈服现象时，达到塑性变形发生而力不增加的应力点，称该应力点为屈服强度（或屈服点），包括上屈服强度ReH和下屈服强度ReL。上屈服强度ReH是试样发生屈服而力首次下降前的最大应力；下屈服强度ReL是在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最小应力。通常所说的屈服强度用ReL表示，因为B下点较稳定、易测定。钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求。因此，屈服强度是设计上钢材强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。

（3）强化阶段（B~C）

当应力超过屈服强度后，由钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。因此称BC阶段为强化阶段，直至应力达到最大值，此时钢材承受的最大应力值Rm称为极限抗拉强度（简称抗拉强度），是钢材抵抗破坏能力的一个重要指标。

材料的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值称为屈强比。屈强比是评价钢材使用可靠性和强度利用率的一个参数。屈强比越小，其结构的可靠性越高，但屈强比过小时，钢材强度的利用率偏低，造成浪费。建筑结构钢材合理的屈强比值一般为0.60~0.75。抗震结构要求较高时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25，钢筋的屈服强度实测值与强度标准的比值不应大于1.3。

（4）缩颈阶段（C~D）

试件受力达到最高点C点后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂，故CD段称为颈缩阶段。

2）钢材的塑性

建筑钢材应具有很好的塑性，钢材的塑性通常用断后伸长率A和断面收缩率Z表示。将拉断后的试件拼合起来，测定出标距范围内的长度Lu，Lu与试件原标距L0之差为塑性变形值，塑性变形值与L0之比称为断后伸长率，如图4-3所示。

图4-3　钢材的断后伸长率

按下式分别计算断后伸长率A及断面收缩率Z：

式中　S0——试件原始截面积；

　　　Su——试件拉断后颈缩处的截面积。

断后伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标，A越大说明钢材的塑性越好。对于钢材而言，一定的塑性变形能力可保证应力重新分布，避免应力集中，钢材用于结构的安全性越大。

因为塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远，其变形越小，所以原标距与直径之比越小，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大，计算出来的A值就大。在拉伸试验中，依据拉伸试样的原始标距与原始横截面积的平方根的比值是否为常数，将试样分为比例试样与非比例试样。比例试样是指拉伸试样的原始标距与原始横截面积的平方根的比值为常数（即）的试样，对于k=5.65的试样称为短比例试样，其断后伸长率用符号A表示（对应旧标准GB/T228—1987的δ5）；k=11.3的试样称为长比例试样，其断后伸长率为A11.3（对应旧标准GB/T228—1987的符号δ10）；试验时，一般优先选用短比例试样，但要保证原始标距不小于15mm，否则，建议选用长比例试样或其他类型试样。对于非比例试样，符号A应附以下脚注说明所使用的原始标距（单位：mm）表示。例如，A40mm表示原始标距为40mm的断后伸长率。

3）钢材的冲击韧性

冲击韧性是指在冲击荷载作用下，钢材抵抗破坏的能力。钢材冲击韧性的测定方法采用国家标准《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》（GB/T229—2020）中规定的试验方法测定，用试验测定的吸收能量K（单位：J）作为钢材的冲击韧性指标。K值越大，表明钢材的冲击韧性越好。

钢材冲击韧性的影响因素有很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始时下降较平缓，当达到一定温度范围时，冲击韧性会突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。此时的温度称为脆性临界温度。它的数值越低，钢材的低温冲击性能越好，在负温下使用的结构应选用脆性临界温度较低的钢材。

在承受动荷载或在低温下工作的结构（如吊车梁、桥梁等），应按规范要求检验钢材的冲击韧性。

4）钢材的疲劳强度

钢材在交变荷载的反复作用下，往往在最大应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳性。疲劳破坏的危险应力用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般把钢材承受交变荷载106~107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。疲劳破坏经常是突然发生的，因而具有很大的危险性，往往造成严重事故。设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时，应了解所用钢材的疲劳极限。

研究证明，钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，然后因裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材内部成分的偏析、夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。

5）钢材的硬度

硬度是指金属材料在表面局部体积内，抵抗硬物压入表面的能力，即材料表面抵抗塑性变形的能力。测定钢材硬度采用压入法，即以一定的静荷载（压力）将一定的压头压在金属表面，然后测定压痕的面积或深度来确定硬度。按压头或压力不同有布氏法、洛氏法等，相应的硬度试验指标称布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。较常用的方法是布氏法，其硬度指标是布氏硬度值。各类钢材的HB值与抗拉强度之间有一定的相关关系，材料的强度越高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也就越大。

2.钢材的工艺性能

1）冷弯性能

钢材的冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯是通过检验试件经规定的弯曲程度后，弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、断裂等情况进行评定。

将钢材按规定的弯曲角度（α=180°或α=90°）与弯心直径d相对于钢材厚度或直径a的比值n=d/a进行弯曲，并检查受弯部位的外面及侧面，若未发生裂纹、起层或裂断则为合格，如图4-4所示。可见，弯曲角度大，n值越小，则表示钢材的冷弯性能越好。

图4-4　钢筋冷弯试验装置(www.chuimin.cn)

通过冷弯试验更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，相对伸长率而言，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。

2）焊接性能

钢材的焊接性能是指钢材在焊接后反映其焊缝处联结的牢固程度和硬脆倾向大小的一种性能。在焊接中，由于高温作用和焊接后急剧冷却的作用，焊缝及附近的过热区将发生晶体组织及结构变化，产生局部变形及内应力，使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，降低了焊接的质量。要可焊性良好，焊缝处性质应与钢材尽可能相同，焊接才牢固可靠。

建筑工程中，各种型钢、钢板、钢筋及预埋件等都需要用焊接加工，钢结构中90%以上是焊接结构。钢材可焊性能的好坏，主要取决于钢的化学成分。若钢材内硫的含量较高，则在焊接中易发生热脆，产生裂纹；含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性，含碳量超过0.3%的碳素钢，可焊性变差。对于高碳钢和合金钢，为了改善焊接质量，一般需采用预热和焊后处理，以保证质量。此外，正确的焊接工艺也是保证焊接质量的重要措施。

3）冷加工强化及时效

（1）冷加工强化

在常温下，对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧等机械加工，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。

冷拉是将热轧钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长。钢材经冷拉后屈服强度可提高20%~30%，可节约钢材10%~20%，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。

冷拔是将ϕ6~ϕ8mm的光面圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，每次拉拔断面缩小应在10%以下。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉同时还受到挤压作用，因而冷拔作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度高，屈服强度提高40%~60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。建筑工程中，常采用对钢筋进行冷拉和对盘条进行冷拔的方法，以达到节约钢材的目的。

冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面按一定规律变化的钢筋，可提高强度与混凝土的握裹力。在冷轧时，钢筋纵向和横向同时产生变形，因而能较好地保持塑性和内部结构的均匀性。

（2）时效处理

钢材经冷加工后，在常温下放置15~20d或加热到100~200℃保持一段时间（2h左右），钢材的强度和硬度将进一步提高，塑性和韧性进一步下降，这种现象称为时效。前者称为自然时效，后者称为人工时效。通常对强度较低的钢筋采用自然时效，对强度较高的钢筋宜采用人工时效。

钢材经冷加工及时效处理后，其性质变化的规律可明显地在应力-应变图上得到反映，如图4-5所示。图中OABCD为未经冷拉和时效处理的试件的应力-应变曲线。当试件冷拉至超过屈服强度的任意一点K，卸去荷载，此时因试件已产生塑性变形，则曲线沿KO′下降，KO′大致与AO平行。如立即再拉伸，则应力-应变曲线将成为O′KCD（虚线），屈服强度由B点提高到K点。但如在K点卸荷后进行时效处理，然后再拉伸，则应力-应变曲线将成为O′KK1C1D1，这表明冷拉时效以后，屈服强度和抗拉强度均得到提高，但塑性和韧性则相应降低。

图4-5　钢筋冷拉时效后应力-应变图的变化

【课堂思考与讨论4-2】

（1）为什么说屈服点、抗拉强度和伸长率是建筑工程用钢的重要性能指标？

（2）通过前面学习的知识，讨论并总结钢材经过冷加工和时效处理后，对钢材产生哪些方面的影响？

3.建筑钢材常用钢种及性能要求

建筑钢材可分为钢结构用型钢和钢筋混凝土结构用钢筋。各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及加工方式。在建筑工程中，钢结构所用的各种型钢，钢筋混凝土结构所用的各种钢筋、钢丝、锚具等钢材，基本上都是碳素结构钢和低合金结构钢等钢种，经热轧或冷轧、冷拔、热处理等工艺加工而成。

1）碳素结构钢

碳素结构钢是碳素钢中的一类，可加工成各种型钢、钢筋和钢丝，含碳量为0.05%~0.70%，个别可高达0.90%。碳素结构钢可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。其用途很多，用量很大，主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程，制造承受静载荷的各种金属构件及不需要热处理的机械零件和一般焊接件。

（1）碳素结构钢的牌号及表示方法

碳素结构钢的牌号由4部分组成，即屈服点的字母（Q）、屈服点数值（MPa）、质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧程度符号（F，Z，TZ）。碳素结构钢的质量等级是按钢中硫、磷含量由多至少划分的，随着A，B，C，D的顺序质量等级逐级提高。脱氧程度以F表示沸腾钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，b表示半镇静钢，Z，TZ在钢的牌号中可以省略。碳素结构钢有四个牌号，即Q195，Q215，Q235，Q275。Q215有A，B两个质量等级，Q235和Q275有A，B，C，D4个质量等级。

（2）碳素结构钢的性能要求

碳素结构钢的性能要求主要包括拉伸性能和冷弯性能。根据《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）的规定，碳素结构钢的相关性能应符合表4-1及表4-2的要求。

表4-1　碳素结构钢的拉伸性能

注：a.Q195的屈服强度值仅供参考，不做交货条件。
b.厚度大于100mm的钢材，抗拉强度下限允许降低20N/mm2。宽带钢（包括剪切钢板）抗拉强度上限不做交货条件。
c.厚度小于25mm的Q235B级钢材，如供方能保证冲击吸收功值合格，经需方同意，可不作检验。

表4-2　碳素钢的冷弯性能

续表

注：a.B为试样宽度，a为试样厚度（直径）。
b.钢材厚度（或直径）大于100mm时，弯曲试验由双方协商确定。

建筑工程中常用的碳素结构钢牌号为Q235，由于该牌号钢既具有较高的强度，又具有较好的塑性和韧性，可焊性也好，故能较好地满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求。其中Q235A级钢，一般仅适用于承受静荷载作用的结构，Q235C级和Q235D级钢可用于重要焊接的结构。另外，由于Q235D级钢含有足够的形成细晶粒结构的元素，同时对硫、磷有害元素控制严格，故其冲击韧性很好，具有较强的抗冲击、抗振动荷载的能力，尤其适宜在较低温度下使用。

Q195，Q215级钢强度低，塑性和韧性较好，易于加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q215级钢经冷加工后可代替Q235级钢使用。Q275级钢强度较高，但塑性、韧性、可焊接性较差，不易焊接和冷加工，可用于轧制带肋钢筋、做螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。

2）低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入总量小于5%的合金元素而制成的钢种，具有良好的焊接性能，塑性，韧性和加工工艺性，较好的耐蚀性、较高的强度和较低的冷脆临界转换温度。低合金高强度结构钢的牌号由屈服点的字母（Q）、屈服点数值及质量等级符号（A，B，C，D，E）3个部分按顺序组成，共有8个牌号，即Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690。

低合金高强度结构钢除了强度高外，还有良好的塑性和韧性，硬度高，耐磨性好，耐腐蚀性能强，耐低温性能好。一般情况下，其含碳量≤0.2%，因此，仍具有较好的可焊性。冶炼碳素钢的设备可用来冶炼低合金高强度结构钢，故冶炼方便、成本低。低合金高强度结构钢是综合性较为理想的建筑钢材，特别适合高层建筑、大跨度结构、承受动荷载和冲击荷载的结构。

【课堂思考与讨论4-3】

钢结构用钢材的牌号Q235-AF，Q345A表示什么意思？