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第九章 建筑钢材
目 录
9.1 钢材的冶炼和分类
9.2 钢材的主要技术性能
9.3 建筑工程中常用钢材
9.4 钢材的锈蚀、防锈与防火
9.2 建筑钢材的主要技术性能
钢材的力学性能
钢材的工艺性能
钢材的化学性能
9.2.1 钢材的力学性能
钢材的力学性能
-------即是指钢材在外力（载荷）作用时
表现出来的性能，包括：强度、塑
性、硬度、韧性和疲劳强度等。
即：抗拉性能
冲击韧性
疲劳强度
荷 载 形 式
拉伸
压缩
弯曲
剪切
扭转
8.2.1.1 抗拉性能
拉伸性能是建筑钢材的主要性能。
由拉伸试验测定的屈服强度、抗拉强度
和伸长率是钢材的主要技术指标。
钢材受拉后的技术性能指标可以用
应力—应变图来反映。
标准试件：按照一定的要求，对表面进行
车削加工后的试件。
1.低碳钢的拉伸性能：
σ
ε
0
钢材拉伸过程的σ-ε图
OA—弹性阶段
AB—屈服阶段
BC—强化阶段
CD—颈缩阶段
A
B
0
C
D
F
B上
上屈服点
B下
下屈服点
（1）拉伸试验过程----四阶段
σ
ε
0
钢材拉伸弹性阶段示意图
A
弹性
阶段
在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为
弹性阶段。
σp
σ
ε
0
钢材拉伸屈服阶段示意图
屈服
阶段
当应力超过弹性极限，应力和应变不
再成正比关系，应
力在B上至B下小范
围内波动，而应变
迅速增长，出现了
一个接近水平的线
段。如果卸去外力
已出现塑性变形，
此时这个阶段称为
屈服阶段。
A
B下
B上
B
定义：
在屈服阶段内，如果卸去外力，则变形不能
完全恢复，即产生了塑性变形。
B上点对应的应力称为屈服上限，B下点对应
的应力称为屈服下限。
由于B下点比较稳定且容易测定，所以用屈服
下限作为钢材的屈服强度。
屈 服 强 度
意义：
1.是弹性变形转变为塑性的转折点。
2.钢材受力达到屈服强度后，尽管未断裂，
但由于变形的迅速增长，已不能满足使
用要求，所以，屈服强度是确定钢结构
容许应力值的依据，是设计中钢材强度
取值的依据。
屈 服 强 度
公式：　　　　
屈 服 强 度
σs---屈服强度
Fs---屈服应力
Ao---试件截面积
σ
ε
0
钢材拉伸强化阶段示意图
A
0
B下
B上
B
C
σb
当应力超过屈服强
度后，由于钢材内
部组织产生畸变，
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，形成上升
曲线，这一过程称
为强化阶段。
强化阶段
定义：
是钢材所能承受的最大拉应力。
意义：
当外力大于抗拉强度时，钢材完全丧失对
变形的抵抗能力而断裂。
抗 拉 强 度
定义：
屈服强度与抗拉强度之比。
意义：
屈强比反映了钢材的利用率和安全可靠
程度。
合理屈强比：
碳素钢 0.58～0.63
低碳合金结构钢 0.65～0.75
屈 强 比（σs/σb）
σb
σs2
σs1
σ
ε
屈强比的意义
σs/σb低 σs/σb高
可利用率 小 大
安全性 大 小
钢材的屈强比、可利用率及安全性之间的关系
σ
ε
0
D
钢材拉伸颈缩阶段示意图
A
0
B下
B上
B
C
颈缩阶段
当应力达到抗拉强度后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂，这一过程称为颈缩阶段。
建筑钢材要有很好的塑性
----指钢材在外力作用下发生塑性变形
而不破坏的能力。
伸长率是表示钢材塑性变形能力的重要指标。
塑性指标：
δn-----伸长率
常用δ5和δ10
且同一种钢材
δ5＞δ10
2.中碳钢和高碳钢（硬钢）的拉伸性能：
硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度σ0.2来代替屈服强度。
条件屈服点σ0.2 ：
使硬钢产生0.2%塑性
变形时的应力。
σ
ε
0
A
0.2%
a
b
oa——总变形
ob——塑性变形0.2%
9.2.2 工艺性能
工艺性能：
冷弯性能
冷加工性能和时效
焊接性能
9.2.2.1 冷弯性能
定义：
常温下钢材能承受较大的弯曲变形而
不破坏的能力。
是建筑钢材的重要工艺性能。
冷弯是通过弯曲处的塑性变形来实现的，
因此它也是反映钢材塑性的一个指标。
即：钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变
形能力的反映。
（1）冷弯性能试验：
(a)试样安装；(b)弯曲90°；(c)弯曲180°；
(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心
（2）判定标准：
若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或
起层，认为冷弯性能合格。
（3）冷弯试验意义：
1.能反映试件弯曲处的塑性变形，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。
2.冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严
格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未
熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。
9.2.2.2 冷加工性能和时效
（1）冷加工强化
定义：钢材在使用前，在常温下进行加工，
使其性能发生变化的工艺过程。
目的：提高钢材的屈服强度，节约钢筋。
缺点：屈服强度、硬度提高，但塑性、韧性
降低。
钢材的冷加工方式有：冷拉、冷拔和冷轧。
1、冷 拉
定义：
将钢筋拉至超过屈服点但不超过抗拉强
度的应力，然后缓慢卸去荷载，则当再
度加载时，其屈服极限将有所提高，而
其塑性变形能力都有所降低的冷加工强
化方式。
2、冷 拔
定义：
将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝
模孔中强行拉拔，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压
力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。
（2）时 效
定义：
钢材随时间的延长，其强度、硬度提
高，而塑性、冲击韧性降低的现象。
分类：
分为自然时效和人工时效两种。
1.自然时效是将其冷加工后，在常温下放
置15～20d；
2.人工时效是将冷加工后的钢材加热至
100～200℃保持2h以上。
钢材的时效是普遍而客观存在的一种现象。
经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉
强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。
建筑工程中的冷加工，主要是对钢筋的冷拉和钢丝的冷拔。
冷加工的意义：
1.冷加工具有明显的经济效益。
冷拉后钢筋的屈服强度可提高20%～30%，冷拔后钢筋的屈服强度可提高40%～60%，节约钢材。
2.冷拉可以简化施工工艺。
冷拉一方面提高强度，节约钢材，同时可使盘条钢筋的开盘、矫直、冷拉三道工序合为一道工序，直条钢筋则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。
3.冷加工和时效同时采用。
强度较低的钢筋宜采用自然时效，
强度较高的钢筋则应采用人工时效。
9.2.2.3 焊接性能
可焊性：
是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。
3.焊接要求：
① 焊接处（焊缝及其附近过热区）不产
生裂缝及硬脆倾向。
② 焊接处与母材一致，即拉伸试验，强
度不低于原钢材强度。
4.影响因素：碳、合金元素等杂质元素越
多，可焊性越小
9.2.3 钢的化学成分对钢材性能
的影响
钢材的化学成分
1.主要化学成分——铁（Fe）
2.少量元素——碳（C）
硅（Si）、锰（Mn）
磷（P）、硫（S）
氧（O）、氮（N）
钛（Ti）、钒（V）
（1）碳
碳是决定钢材性能的最重要元素。
当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；
当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。
一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳
量小于0.25%；
工程所用低合金钢，其含碳量小于0.52%。
（2）硅
硅是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的
有益元素。硅含量较低（小于1.0%）时，
能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无明
显影响。 　
（3）锰
锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢
中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的
脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引
起的热脆性，能提高钢材的强度和硬度。
（4）磷
磷是钢中很有害的元素。磷能使钢的
强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性
和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降
更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫
做冷脆性。
（5）硫
硫是钢中很有害的元素。硫的存在会
使钢材在加热过程中发生脆裂，这种现象叫做热脆性。降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。
（6）氧、氮
未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式
存在，他们降低了钢材的强度、塑性、韧性、
冷弯性能和焊接性能。
（7）钛、钒、铌　
是钢的脱氧剂和合金元素。能改善钢的
组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高
强度。
Chapter 9

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