2018一级建筑师考试《建筑材料与构造》知识点：钢材

2018一级建筑师考试《建筑材料与构造》知识点：钢材

第七节建筑 钢 材

　　钢的主要元素是铁与碳，含碳量在2%以下。

　　一、钢的分类

　　1.屈服点(吼)

　　以低碳钢为例，试件被拉伸进入塑性变形屈服段BC(图20—lO)，屈服下限CT所对应的应力fs称为屈服强度或屈服点。设计中，一般采用fq作为强度取值的依据。

　　但对于屈服现象不明显的钢如中碳钢或高碳钢(硬钢)，其应力一应变曲线则与低碳钢的明显不同(见图20—10、图20—11)，其抗拉强度高，塑性变形小，屈服现象不明显。

　　对这类钢材难以测得屈服点，故规范规定以产生o.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，以吣.：表示。

　　2.抗拉强度

　　应力—应变图(图20—10)中，曲线最高点D对应的应力fb称为抗拉强度。在设计中，屈强比吨/吼有参考价值。在一定范围内，屈强比小则表明钢材在超过屈服点工作时可靠性较高，较为安全。但屈强比太小，反映钢材不能有效地被利用。Q235钢的屈强比约为0.56～0.63;低合金结构钢的屈强比一般为0.65～0.75。

　　3.伸长率

　　设试件拉断后标距部分的长度11，原标距长度为L。，则伸长率J规定为：

　　J—ll云i6X100% (20—39)

　　占表征了钢材的塑性变形能力。a的值还与试件的厶/Jo值有关(do为试件直径)。常用厶/do=5及厶/do=10两种试件，相应的a分别记作J5与J1。。对同一种钢材，J5>J1。。

　　(二)冷弯性能

　　冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，它表征在恶劣变形条件下钢材的塑性， 是建筑钢材一项重要的工艺性能(焊接性能也是钢材的工艺性能)。冷弯性能指标以试件被弯曲的角度(90‘，180~)及弯心直径d与试件厚度(或直径)d的比值(d/d)来表示。

　　(三)冲击韧性

　　冲击韧性指钢材抵抗冲击载荷的能力，按《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》(CB/T 229—2007)的规定，将带有V形或U形缺口的试件，进行冲击试验。试件在冲击荷载作用下折断时所吸收的能量，称为冲击吸收能量K(J)。钢材的化学成分、组成状态、内在缺陷及环境等都是影响冲击韧性的重要因素。K值随试验温度的下降而减小，当温度降低达到某一范围时，K急剧下降而呈现脆性断裂，这种现象称为冷脆性。发生冷脆时的温度称为脆性临界温度，其数值越低，说明钢材的低温冲击韧性越好。因此，对直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性检验。

　　(四)硬度

　　硬度指表面层局部体积抵抗其他较硬物体压人产生塑性变形的能力。表征值常用布氏硬度HB(还有洛氏硬度、维氏硬度)，用专门试验测得。硬度与强度有一定关系，故可

　　在结构上通过测量钢材硬度来推算近似的强度值。

　　(五)耐疲劳性

　　材料在交变应力作用下，在远低于抗拉强度时突然发生断裂，称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限表示，其含义是：试件在交变应力下工作，在规定的周期基数内不发生断裂的最大应力。

　　三、影响建筑钢材力学性能的主要因素

　　(一)建筑钢材的晶体组织

　　钢中的铁与碳可以由固溶体(Fe中固溶着微量的C)、化合物(Fe3C)及它们的混合物的形式构成一定形态的聚合体，称为钢的组织。主要有：

　　L铁素体

　　它是C在。一Fe中的固溶体。铁素体中含C很少(<0.02%)，故其塑性、韧性良好而强度与硬度较差。

　　2.奥氏体

　　它是C在Y--Fe中的固溶体。溶碳能力较强，约在0.8%～2.06%之间，其强度、硬度不高，但塑性好。

　　3.渗碳体

　　是铁碳化合物Fe3C，结构复杂硬脆、强度低、塑性差。

　　4.珠光体

　　它是铁素体与渗碳体的机械混合物。含碳量较低(o.8%)，具有层状结构，故塑性较好，强度与硬度均较高。

　　· 建筑钢材的含碳量不大于o.8%，其基本组织为铁素体与珠光体，含碳量增大时，珠光体的相对含量随之增大，铁素体则相应减少。因此，钢的强度随之提高，而塑性与韧性则相应下降。

　　(二)化学成分 ，

　　建筑钢材中除铁元素外，还包含碳(C)，硅(S1)，锰(比)，磷(P)，硫(S)，氧(O)等元素，在许多情况下还要考虑各种合金元素。它们对钢材会产生有利或不利的影响，分述如下：

　　1.碳(C)

　　当含碳量≤o.8%时，C含量的增加将提高钢的抗拉强度与硬度，但使塑性与韧性降低，焊接性能、耐腐蚀性能也随之下降。见图20—12。含碳量超过0.3%时，钢的可焊性显著降低。建筑结构用的钢材多为含碳0.25%以下的低碳钢及含碳0.52%

　　以下的低合金钢。

　　2.硅(S0

　　当含硅量 显著提高钢材的强度及硬度，且对塑性及韧性无显著影响，其原因在于，此时大部分S1溶于铁素体中，使铁素体得以强化。正是由于适量的51可以多方面改善钢的力学性能，所以它是钢材的主加合金元素之一。

　　3.锰(Mn)

　　锰可起脱氧去硫作用，故可有效消减因硫引起的热脆性，还可显著改善耐腐及耐磨性，增强钢材的强度及硬度。锰的这些作用的机理在于：锰原子溶于铁素体中使其强化，而且还将珠光体细化，从而提高了强度。

　　4.硫(S)

　　为有害元素。它引发热脆性，使各种力学性能降低，在热加工过程中易断裂。建筑钢材要求含硫量低于0.045%。

　　5.磷(P)

　　为有害元素。它能引起冷脆性。造成塑性、韧性显著下降，可焊性、冷弯性也变差。

　　其原因在于：磷在钢中的偏析与富集使铁素体晶格严重畸变所致。但磷可使钢的耐磨性及耐腐蚀性提高。

　　其他如氧也是钢中有害元素;氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，在有铝、铌、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素。合金元素还有钛、钒、铌等。

　　(三)冶炼过程

　　钢的冶炼过程对钢材的性能有直接的影响。钢在冶炼过程中，使化学成分得以严格控制，其中要特别指出的是要进行脱氧。通过加入脱氧剂(铝、锰、硅等)将氧化铁还原。

　　按脱氧程度分为沸腾钢(脱氧不充分，铸锭时大量CO气体逸出)、镇静钢(脱氧充分)及介于二者之间的半镇静钢。沸腾钢中S、P、N等有害夹杂偏析严重，氧化夹杂物较多，因而可焊性、冲击韧性等性能均较差。镇静钢与之相反，因而性能良好，半镇静钢则介于二者之间。

　　(四)加工处理

　　建筑钢材的加工处理亦对其性能产生影响，施工中，利用变形强化原理，通过冷拉、冷拔、冷轧等加工手段可提高钢材的屈服强度。其原理为前面所述的增加晶格缺陷，因而加大了晶格间滑移阻力。冷加工可提高钢材的屈服点，使塑性、韧性下降，但抗拉强度维 持不变。时效处理是指经过冷加工的钢材，在常温下存放15d左右，或加热到100～200℃并保持一定的时间。经这样处理可使屈服点进一步提高，抗拉强度也有增长，塑性、韧性继续下降，还可使冷加工产生的内应力消除。时效处理效果的内在原因是使钢中C、N原子向缺陷处移动与富集，使钢中缺陷增加，位错阻力增大。钢材的弹性模量在时效处理后基本维持不变。