建筑钢材的力学性能及其技术指标

1、建筑钢材的力学性能及其技术指标钢筋作为一种建筑材料，广泛用于各种建筑结构、特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建 筑结构。钢筋是指钢筋混凝土用和预应力钢筋混凝土用钢材。钢筋的分类钢筋可按化学成分、外形、加工方法和供货形式进行分类。钢筋按化学成分的不同可分为碳素钢筋和合金钢筋，碳元素和合金元素的含量还有低、中、高之分。钢筋按外形的不同分为光圆钢筋、带肋钢筋、刻痕钢筋和钢绞线（建筑结构第三版图 2-1 ）。 带肋是指表面带有凸纹。目前，带肋钢筋的凸纹一般为月牙纹。刻痕是将刻出椭圆形的浅坑。钢绞线则由多股高强度光圆钢筋绞合而成。钢筋按加工方法的不同可分为热轧钢筋、冷拉钢筋、冷拔钢筋、冷轧钢筋和热处理钢筋

2、等。热轧钢筋是用低碳钢或低合金钢在高温下轧制而成。根据其强度标准值的不同，热轧钢筋又分为235、335、400、500四个级别。级别越高，钢筋的强度也越高，但塑性越差。235级钢筋用普通低碳钢（含碳不大于0.25%）制成，表面光圆，最小直径为6mm 335、400、500级钢筋用低、中碳的低合金钢（含碳不大于0.6%，其他合金总量不大于 5%制成，表面有肋纹，最小直径一般为10mm各种级别热轧钢筋的符号和所用，钢材的牌号列于表 2-1。各种级别热轧钢筋的符号和牌号表2-1热扎钢筋级别符号牌号曾用牌号235HPB235Q235335HRB33520Mn Si400HRB400 RRB40020M

3、nSiV、20MNnTi、20MnSiNb K20MnSi500HRB50040Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr注：400级K20MnSi钢筋系余热处理钢筋，牌号为RRB400牌号中的字母 H表示热轧；P表示光圆，R表示带肋；B表示钢筋。数字表示最低屈服强度标准值。冷拉钢筋是在常温下， 把热轧钢筋拉伸至强化阶段所得到的钢筋。热轧钢筋经冷拉后屈服强度有较大提高，经时效处理后抗拉极限强度也有所提高，但钢筋的塑性则有所下降。冷拉钢筋也分为四个级别，符号分别为。由于冷拉钢筋塑性较差，现已很少采用。冷拔钢筋是在常温下，使热轧光圆钢筋通过硬质合金拔丝模上比钢筋直径稍小的锥形孔， 强行拉拔而成（建

4、筑结构第三版图2-2 ）。拉拔次数越多，直径就越小，强度就越高。冷拔低碳钢筋用Q235热轧钢筋冷拔而成，分为甲、乙两级；甲级强度较高，但必须逐盘检验， 并根据检验所得的抗拉强度分为I、n两组，其直径有4mm和 5mm两种；乙级强度较低，仅要求分批检验，直径为35mm冷拔低碳钢筋的符号为 1111。冷拔钢筋强度虽高，但表面光滑，与 之间的粘结力较差，现已很少采用。冷轧钢筋是在常温下，将光圆的普通低碳或低合金钢筋（Q215 Q235 20MnSi、24MnTi）经过轧制，使其减小直径，并且表面带肋（一般为三面带有月牙纹肋）的钢筋。目前使用的 冷轧带肋钢筋按其极限抗拉强度分为CRB550 CRB65

5、0和CRB800三个牌号。其中，CRB550一般用Q215圆钢冷轧而成，CRB650用 Q235圆钢冷轧而成，CRB800则是用20MnSi或24MnTi 圆钢冷轧而成、CRB550钢筋的直径为 412mm CRB650钢筋的直径为 46mm CRB800钢筋 的直径目前只有 5mm一种。冷轧钢筋强度较高， 且表面带肋，可用来取代小直径的 Q235光圆钢筋或冷拔低碳钢丝。 目前，CRB55O钢筋一般用来取代 Q235光圆钢筋，用于现浇板或梁柱箍筋；而CRB650和CRB800 钢筋则一般用来取代甲级冷拔低碳钢丝，用于中小型预应力构件，如预应力多孔板。热处理钢筋是将 500 级热轧钢筋经过加热、

6、 淬火和回火等调质处理后得到的钢筋， 其强度 比 500 级钢筋高得多， 而塑性却降低不多。 热处理钢筋用于大型预应力混领土构件。 该种钢 筋的符号位 1111 。大型预应力混领土构件除采用热处理钢筋外， 还常用消除应力钢丝和钢绞线。 它们的强度 均很高。消除应力钢丝采用高碳圆钢（含碳量0.7%1.4%）,经过加热、淬火、冷拔和回火等工艺制成，其符号为 。钢绞线是将多根碳素钢丝 （一般为 7 根）用绞盘绞制而成。 其标志直径为截面外接圆的直 径，其符号为 。钢筋按供货形式可分为直条钢筋和盘园钢筋两种。直径为1015mmB勺钢筋通常用直条供应，长度为612m;直径小于10mnm勺钢筋通常用圆盘供

7、应。钢筋勺强度和变形钢筋勺强度和变形方面勺性能主要用钢筋拉伸试验所得勺应力-应变曲线来表示。钢筋勺种类、 级别不同， 其应力 - 应变曲线也不同。 热轧和冷拉钢筋勺应力 -应变曲线具有明显勺流 幅，该类钢筋又被称为软钢；冷拔、冷轧、热处理钢筋、高强钢丝和钢绞线勺应力- 应变曲线则无明显流幅，该类钢筋又被称为硬钢。软钢典型的拉伸应力-应变曲线如图2-3所示。建筑结构第三版在a点之前，材料处于弹 性阶段，应力与应变成正比，其比值即为钢筋的弹性模量11111111。对应于a点的应力称为比例极限。 a 点以后，应变增加变快，图形变曲，钢筋开始表现出塑性的性质。当到达b点时， 应力不再增加而应变却继续增

8、加， 钢筋开始塑性流动， 直至 c 点。这种现象称为钢筋 的“屈服”，对应于b点的应力称为屈服强度，be水平段称为流幅或屈服台阶。C点以后，钢筋又部分恢复弹性，应力沿曲线上升至最高点d，对应于d点的应力称为极限强度，ed段称为强化阶段。 d 点以后，钢筋在薄弱 发生局部颈缩现象，塑性变形迅速增加，而应力 却随之下降，到达 e点时试件断裂。断裂后的残余应变称为伸长率，用3表示。强度级别不同的软钢，其应力 -应变曲线也有所不同。 235500 级热轧钢筋的应力 -应变 曲线如图 2-4 所示， 建筑结构第三版 由图可知，随着级别的提高，钢筋的强度增加， 但伸长 率降低。硬钢典型的拉伸应力 -应变曲

9、线如图 2-5 所示建筑结构第三版 ，由图可知，这类钢筋无明 显的流幅和屈服强度。与软钢相比，这类钢筋的极限强度较高而伸长率较小。钢筋的变形性能除伸长率之外， 还有冷弯性能。 它是指钢筋在常温下承受弯曲的性能， 采 用冷弯试验测定。冷弯试验的合格标准为：在规定的弯心直径 D和冷弯角度a下弯曲后，在弯曲处钢筋无裂纹、鳞落或断裂现象。按钢筋技术标准，不同种类钢筋的D和a的取值不同， 例如335级月牙纹钢筋的a =180°,当直径不大于 25 mm时，弯心直径 D=3d,当直径d大于 25 m时，弯心直径 D=4do钢筋在弹性阶段的应力与应变之比称为弹性模量, 用 11111 表示,各种钢

10、筋的 11111 数值 见附表 5 和附表 6 建筑结构第三版钢筋混凝土结构计算时, 软钢和硬钢设计强度的取值依据不同。 软钢取屈服强度作为设计 强度的依据, 这是因为这种钢筋屈服后有较大的塑性变形, 这时即使荷载基本不增加, 构件 也会产生很大的裂缝和变形, 以致不能使用。 硬钢无明显的屈服点, 但为防止构件突然破坏 并防止构件裂缝和变形太大, 设计强度也不能取为抗拉极限强度, 而是取其残余应变为 0.2% 时相应的强度 1111111（称为条件屈服强度）作为设计强度的依据,如图 2-5 所示。 建筑结 构第三版钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构对钢筋性能的要求 钢筋混凝土结构及预应力混凝土结

11、构对钢筋性能的要求主要有以下几点：1) 有较高的强度和适宜的屈强比。这里的强度是指屈服强度或条件屈服强度。屈强比是指 屈服强度与极限强度之比，该值可反映结构的可靠程度：屈强比小，结构可靠，但钢材 强度的利用率低，不经济；屈强比太大，则结构不可靠。2) 有较好的塑性。这里保证构件破坏前有较明显的预兆(明显的变形和裂缝)，保证好塑性的措施是钢筋拉伸率不小于规定值，并且冷弯试验合格。3) 与混凝土之间有良好粘结力。这是钢筋与混凝土共同工作的基础。4) 具有较好的可焊性。保证焊接后接头的受力性能良好，拉伸破坏不发生在接头处。此外，在寒冷地区(例如-20 C以下)，对钢筋的低温性能也有一定的要求，不宜采

12、用冷 加工钢筋，以免发生脆性破坏。钢筋的选用 钢筋混凝土结构及预应力混凝土结构的钢筋，应按下列规定选用：1) 钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力混凝土结构中的非预应力钢筋宜采用牌号为HRB335、HRB400的热轧钢筋，也可采用 HPB235( d < 12 mm)热轧钢筋；2) 预应力钢筋宜采用钢绞线和消除应力钢丝，也可采用热处理钢筋；对中小型构件中的预应力钢筋，宜采用牌号为 CRB650或CRB800的冷轧带肋钢筋。影响建筑钢材力学性能的因素 影响钢材机械和加工等性能的因素有很多，其中钢材的化学成分及其微观组织结构是 最主要的，而冶炼、浇铸、轧制的过程，残余应力、温度、钢材硬化、热处理的

13、影响等也 是重要的因素，先分述如下。一、化学成分钢材是含碳量小于 2%的铁碳合金， 碳大于 2%时则为铸铁。 制造钢结构所用的材料有碳 素结构钢中的低碳钢和低合金结构钢。碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁 约占 99%，碳及杂质元素约占 1%；低合金结构钢种，除了铁、碳之外还加入总量不超过3%的合金元素。碳及其他元素虽然所占比例不大，但对钢材性能却有重要影响。碳的含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。含碳量增加，钢材的抗 拉强度和屈服强度也随之提高。但是其塑性、冷弯性能和冲击韧性，特别是在低温冲击韧 性降低，可焊性变坏。因此钢结构的含碳量不宜太高，一般不超过0.22%，在

14、焊接结构中则应限制在0.22 %以内。锰是结构钢中的常有元素。锰能够显著提高钢材强度而不过多降低塑性和冲击韧性。 锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢材的热脆作用。碳素钢种锰是有益杂质， 低合金钢中锰是合金元素。我国低合金钢中锰的含量在1.2%1.6 %。锰可使钢材的可焊性降低，故含量应受限制。硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。而且硅能使钢材的晶粒变细，适量 的硅可提高钢材的强度而对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性不会产生不良的影响。 过量的硅将降低钢材的塑性和冲击韧性，恶化其抗绣能力和焊接性。硅的含量，在碳素镇 静钢中为 0.12%0.3%，低合金钢中为 0.2%0.55%

15、。钒是熔炼锰钒低合金时特意添加的一种合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒， 钒的化合物具有高温稳定性，使钢材的高温硬度提高。15MnV钢是在低合金16Mn的基础上加上适量的钒而熔炼成功的一种新的强度较高的低合金结构钢。硫和磷是两种极为有害的元素。硫与铁化合成硫化铁(FeS) , 散步在纯铁体晶粒的间层中。含硫量过大时，会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。当温度在800 C1200 C时，如在焊、铆和热加工时，硫化铁将融化使钢材变脆而产生裂纹， 称之为 “热脆”。故应限制结构尤其是焊接结构的含硫量，一般要求不超过 0.033%0.050%。磷 的有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并

16、且容易产生脆性破坏， 称之为 “冷脆”。故也应 限制其含量不超过 0.035%0.045%。氧和氮容易从铁液中逸出，含量较少。这两种物质是及其有害的元素，使钢材变脆。 氧的作用与硫类似，是引起热脆的因素之一。氮能使钢材强化，与磷的作用相似，显著降 低钢材的塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增大时效倾向和冷脆性。因此，重要的钢结构， 特别是在低温动载下的结构用钢也应严格限制其含量。二、冶炼、浇铸、轧制过程的影响1. 冶炼和浇铸过程 冶炼和浇铸这一冶金过程形成了钢的化学成分与含量、金相组织结构以及不可避免的冶金缺陷，从而确定不同的钢种钢号和相应的力学性能。我国目前钢结构冶炼的方法主要是平炉和氧气顶吹转

17、炉两种，其质量大体相当。电路 钢结构精良，但成本高，钢结构中一般不用。注锭过程中因脱氧程度不同，分别称为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。镇静钢因为浇铸 时投入锰和适量的硅作脱氧剂，保温时间长，气体容易逸出，没有沸腾现象。镇静钢杂质 少，偏析等冶金缺陷不严重，因而性能比沸腾钢好，但价格略高。脱氧程度的不同和脱氧剂部分进入钢材，对钢材的化学成分产生影响，镇静钢中硅的 含量较多，因而与沸腾钢相比，其强度和冲击韧性较高。冶炼和浇铸的过程会产生偏析、非金属夹杂、气孔等冶金缺陷，从而降低钢材的力学 性能。偏析是指钢材中化学成分分布不均；非金属夹杂是指钢中混有硫化物、氧化物等杂 志；气泡是指浇铸时气体不能充分逸出

18、而留在钢锭内形成的缺陷。2. 轧制过程轧制的过程使得金属的晶粒变细， 也使气孔、 裂缝焊合， 因而改善了钢材的力学性能。 薄板因多次的辊扎而比厚板强度更高。浇铸时的非金属夹杂物在轧制后可能造成钢材的分 层，在设计中应避免拉力垂直板面的情况，以防止层间撕裂发生。三、应力集中的影响 前述的钢材的工作性能及力学性能指标，通常是以轴心受力构件中应力均匀分布的情况为基础的，事实上钢构件当中不可避免地存在着孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及厚度或宽 度的突然改变，此时构件中的应力不再保持均匀分布，而是在某些区域产生高峰应力，另 外一些区域则应力降低，即所谓应力集中的现象见图 2-5 钢结构设计原理通常把截面高峰应

19、力与平均应力（当截面受轴心力作用时）的比值称之为应力集中系 数，其数值取决去构件形状改变的急剧程度，表明应力集中程度的高低。在应力集中的高峰应力区内，通常存在着同号的平面或三向应力状态。力学知识告诉 我们， 三向同号应力且各应力数值接近时， 材料不易屈服。 当为数值相等的三向拉应力时， 直到材料断裂也不屈服。所以，三向拉应力的应力状态使得钢材塑性变形的发展受到制约 而导致脆性破坏。四、钢材的硬化1. 时效硬化 钢材随着时间推移，其屈服强度和抗拉强度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象，称 之为时效硬化， 如图 2-6 。 钢结构设计原理 由于钢在冶炼时留在其纯铁体中少量的氮的固 溶体，随着时间的增

20、长逐渐析出并形成氮化物，它阻止了纯铁体晶粒间的滑移，从而约束 了钢材的塑性发展。时效硬化的过程有长有短，可以从几小时至几十年。对重要结构用的钢材，为了加快 测定其时效后的机械性能，常使钢材在产生10%的塑性变形，再加热到一定温度进行试验，这样可以大大缩短时效的过程，称之为人工时效。2. 冷作硬化 如前述，钢材在弹性阶段加、卸载后，不产生残余变形，也不影响钢材性能， 但超过 此范围则引起钢材性能的变化。当重复加载、卸载，其屈服点提高，而塑性和人性降低， 如图 2-7 。 钢结构设计原理 钢材在制造时一般需经过冷拉、冷拔、冷弯、冲孔、剪切等冷 加工过程，使得钢材有很大的塑性变形，因而产生冷作硬化。

21、冷作硬化虽然可提高钢材的 屈服强度，但同时降低了塑性和韧性，增加了脆性破坏的危险。为了消除其不利影响，对 重要结构，如重级工作制吊车梁，须刨去因剪切形成的冷作硬化边缘金属。五、温度变化的影响 钢材的力学性能随着温度的变化而有所改变。钢材在低温下的性能相比较而言更为重 要。正温范围 钢材在正温范围内，各项力学性能与温度的关系详见图 2-8 ， 钢结构设计 原理 其总的趋势是随温度的增加，强度降低而变形加大。温度在200C以内，钢材的性能没有很大的变化。 温度在250C时，抗拉强度达到最大 值，塑性、韧性下降，钢材表面氧化膜呈蓝色，称之为“蓝脆”现象，在蓝脆区进行热加 工，可能引起裂纹。温度超过

22、300 C时，屈服强度、抗拉强度、弹性模量均有所下降，而 塑性增加。温度超过400C时，强度和弹性模量急剧降低。 当达到600C时强度很低，已不 能承受荷载。负温范围 钢材在负温范围内屈服强度和抗拉强度都增加，而塑性、韧性降低，材料 转脆。图 2-9 钢结构设计原理 是冲击韧性与温度的关系示意曲线。图中左边和右边部分曲 线变化比较平缓，温度带来的变化较小，而中间部分曲线陡峭，破坏时需要的能量随温度 急剧变化，其所对应的温度分别为 T1和T2，称之为温度转化区。在此区间内塑性破坏转 变为脆性破坏，曲线的反弯点所对应的温度 T0称为冷脆转变温度。冷脆转变温度因受力情况、缺口形状和截取方向的不同而不

23、同。构件设计中应避免脆 性破坏，即所处温度不大于 T1;但不一定大于 T2，以免不必要的浪费。六. 重复荷载作用的影响 在重复荷载的作用下，钢材的破坏强度低于静力作用下的抗拉强度，且呈现突发性的脆性破坏特征，这种现象称之为疲劳。七. 残余应力的影响 残余应力是钢材在轧制、焊接、气割过程中，由于不均匀的加热和冷却而产生的。对构件的不同形状、不同尺寸、不同的加工方式，其残余应力的分布和大小也不尽相同。残 余应力的存在，使得构件的刚度和稳定性都有所降低。建筑钢材的种类及选用一. 钢材的种类及选用 在品种繁多的钢材中，钢结构常有的钢材主要有碳素结构钢和低合金结构钢两种。后 者因含有锰、钒等合金元素而具

24、有较高的强度。处在腐蚀介质中的结构，则采用因加入铜、 磷、铬、镍等元素而具有较高抗绣能力的高耐候结构钢。钢结构所使用的钢材有不同的种类， 每个钢种又有不同的牌号。 以下分别叙述碳素结 构钢和低合金钢的牌号和性能（紧固件中的普通螺栓、高强度螺栓和焊条的钢材）1. 碳素结构钢我国生产的碳素钢分为 Q195 Q215 Q235 Q255和Q275五个牌号。其中的Q是屈服 强度屈字的汉语拼音的字头， 后面的阿拉伯数字表示屈服强度值 （N/mm2）.有Q195到Q275 主要是以强度由低到高排列的， 钢材强度主要由其中碳元素的含量的多少来确定。 钢结构用 钢主要是Q235,其中碳含量在 0.12 %0.

25、22 %之间。碳素结构钢的表示方法为 Q235 #.#,# 分别表示质量等级和浇铸方法。例如Q235A.F,Q235 C 等。Q235分为A、B、C、D四个等级，其中D级质量最好，A级质量最差。A B级按脱氧 程度分为沸腾钢（F）,半镇静钢（b）, C级为镇静钢（Z）, D级为特殊镇静钢（TZ）,其中镇 静钢（Z）.特殊镇静钢（TZ）可以不写。质量优劣主要是以 V 形缺口试件的冲击韧性的要求来区分的， 对冷弯试验只在需方有 要求时菜进行。 B C、D级分别要求20C、0 C、-20 C时的冲击韧性值， B C D级也要求 冷弯试验合格。不同等级的Q235钢对化学元素的含量的要求略有不同，对CD

26、级钢要提高其锰的含量以改进韧性， 同时降低其含碳量的上限以保证可焊性。 此外，对硫、磷含量的限 制也应得到保证。2. 低合金结构钢 合金元素总量低于 5 %的钢称之为低合金钢， 高于5%为高合金钢。建筑结构仅用低合 金钢，其牌号和性能如下：由于生产和使用经验的关系，规范推荐使用低合金钢有两种：16Mn（16 锰）和 15MnV（15锰钒），规范还推荐与这两种类似而质量较高的桥梁用钢，即16Mnq（16锰桥），15MnVq（15锰钒桥 ） 钢。低合金钢的品牌前两位数表示平均含碳量的万分数，后面再标出所含合金元素的符号。当其平均含量低于 1.5 %时只列元素的符号，当高于 1.5 %时在元素符号后

27、列百分之几 并取整数。例如16Mn表示其含碳量为 0.16 %及主要合金元素为锰且合金量低于 1.5 %。低合金结构钢的化学成分与碳素结构钢相似，但加入少量的合金元素。16M n和15M nV的屈服强度比Q235分别高出47%和66%并具有较好的塑性、韧性和加工性能，是强度高且 综合使用性能好的钢材。用于钢结构可比碳素结构钢节约材料15%- 25%当仅用于受拉及受弯时则节约比例更大。二. 钢材的选择1. 钢材选用的原则和考虑因素 刚才选用的原则是：既使结构安全可靠地满足使用要求，又要尽最大可能节约钢材， 降低造价。对于不同的使用条件，应当有不同的质量要求。钢材的力学性质中，屈服点、抗拉强 度、伸长率、冷弯性能、冲击韧性等各项指标是从不同的方面来衡量钢材的质量。显然，没 有必要在不同的使用条件下都要符合这些质量指标。钢材的选用应考虑以下主要因素：（ 1 ） 结构的类型和重要性结构和构件， 按其用途、 部位和破