三、建筑鋼材
建筑鋼材是指用于建筑結構中的鋼結構和鋼筋混凝土結構的鋼材。主要有型鋼、鋼板、鋼管和各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線等。
鋼材的優(yōu)點是材質均勻、性能可靠、強度高而結構自重輕;具有良好的塑性和韌性;能承受較大的沖擊荷載和振動荷載;既可以采用焊縫連接，又可以采用螺栓和鉚釘連接;便于裝配，易于拆卸。適用于重型工業(yè)廠房、大跨度結構、可裝配移動的結構以及高聳結構和高層建筑。
鋼材的缺點是易銹蝕，需經常進行維護，維護費高，且耐火性差。
在鋼筋混凝土中，鋼材能彌補混凝土抗拉、抗彎、抗剪和抗裂性能低的缺點。
(一)鋼材的分類(掌握)
鋼材將生鐵(含碳量高于2.06%)在鋼爐中冶煉，使其含碳量降低到指定的范圍，去除雜質后即得到鋼。
1.按化學成分分類。鋼是含碳量低于2.06%的鐵碳(fe—c)合金。按所含化學成分分類，鋼材可分為碳素鋼和合金鋼：
(1)碳素鋼。碳素按其含碳(c)量的高低可分為：低碳鋼(c：<0.25%)，中碳鋼(c：0.25%～0.6%)，;高碳鋼(c：0.6%-1.3%)。
鋼的含碳量越高，鋼材的硬度、強度越高，但其塑性、韌性越差。
硫(s)、磷(p)是鋼材中的有害物質，含量越高，其脆性越大。
(2)合金鋼。除pe和c之外，另加入一種或多種的合金元素的鋼，稱為合金鋼。
加入少量合金元素后，鋼材的性質變得高強，具有彈性、韌性和良好的可焊性。根據合金元素總含量的大小，合金鋼可分為：
低合金鋼：合金元素總含量小于5%的合金鋼。
中合金鋼：合金元素總含量為5%—10%的合金鋼。
高合金鋼：合金元素總含量大于10%的合金鋼。
2.根據用途不同，鋼材可分為：結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼等)。
建筑工程常用的鋼材多為普通碳素鋼中的結構鋼和低合金鋼，軋材占絕大部分。
(二)鋼材的技術性能(掌握)
鋼材的主要技術性能包括：抗拉性能、沖擊韌性、疲勞強度、硬度、冷彎性能、時效反應、焊接性能等。
1.抗拉性能?？估阅苁墙ㄖ摬淖钪匾妥畛Ｓ玫男阅堋Ｍㄟ^拉伸試驗可以測出彈性極限(或比例極限)、屈服強度、抗拉強度及伸長率等技術指標?？己酥攸c。
圖2—2為拉伸試驗中反映鋼材在拉力作用下的應力與應變曲線圖。
其縱坐標為鋼材單位面積上施加的拉應力，橫坐標為在鋼材單位長度上產生的應變。從圖2—2中可看出，鋼材拉伸變形過程可分為(o—a)、(a—b)、(b—c)和(c～d)四個階段。
(1)第1階段：彈性階段(o～a)。和a點對應的應力稱為彈性極限，用fp表示。
(2)第ⅱ階段：屈服階段(a—b)。應力超過a點以后，應力與應變不再成正比關系，這時如卸去拉力，試件變形不能完全消失，已有部分殘余變形。拉力繼續(xù)增加則曲線達到b點，此時鋼材屈服。故與b點對應的應力稱為屈服強度，用fy表示。屈服強度是鋼材的重要指標，是鋼材彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃蔚霓D折點。如果鋼材在超過屈服強度下工作，將會引起塑性變形。鋼材在正常使用情況下，不允許超過屈服點。
(3)第ⅲ階段：強化階段(b—c)。鋼材應力超過屈服點b以后，變形即迅速發(fā)展，進入(b-c)階段，此階段盡管鋼材尚未破壞，但已不能滿足使用要求。故設計中一般以屈服點作為強度取值的依據。從圖中bc曲線逐步上升可以看出，試件在屈服階段以后，由于鋼材內部組織產生晶格畸變，鋼材得到強化，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，故稱(b～c)為強化階段。對應于點c的應力稱為抗拉強度，用fu表示?？估瓘姸仍诮Y構設計上雖然不能應用，超過抗拉強度鋼材會被拉斷，但是屈服強度與抗拉強度的比值，即屈強比fy/fu，卻有一定的意義。在一定范圍內，屈強比小，則表明鋼材在超過屈服點工作時結構的可靠性較高，較為安全。
(4)第ⅳ階段：頸縮階段(c～d)。應力一應變曲線超過c點以后，變形加快，應力迅速下降，鋼材試件斷面收縮，在d點被拉斷，c—d頸縮階段是鋼材從拉伸到破壞的最后階段。
2.沖擊韌性。沖擊韌性是指在抗沖擊荷載作用下，鋼材抵抗破壞的能力。
3.疲勞強度。鋼材在交變荷載的作用下，在遠低于抗拉強度時突然發(fā)生斷裂破壞，稱為疲勞破壞。一般把鋼材承受規(guī)定次數交變荷載發(fā)生破壞所能承受的應力稱為疲勞強度。
4.硬度。硬度是指材料抵抗其他較硬物體壓人的能力，也可以說是材料表面抵抗變形的能力。
5.冷彎性能。冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。承受彎曲變形程度越大，說明鋼材冷彎性能越好。
6.鋼材的冷加工強化與時效反應。
將鋼材在常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋，使之產生一定的塑性變形，強度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個過程稱為鋼材的冷加工強化。
鋼筋冷拉是在常溫下將其拉至應力超過屈服點，但遠小于抗拉強度時即卸荷，這樣在后期使用時，鋼筋的強度有明顯的提高。
將經過冷拉的鋼筋，常溫下存放15-20d，或加熱到100c—200c并保持2-3h后，則鋼筋強度將進一步提高，這個過程稱為時效處理，前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。通常對強度較低的鋼筋可采用自然時效，強度較高的鋼筋則需采用人工時效。
7.焊接性能?？珊感允侵镐摬脑谝欢ê附庸に嚄l件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產生裂縫及硬脆傾向，焊接后的力學性能，特別是強度不得低于原材料。
鋼材含碳量高將增加焊接的硬脆性，含碳量低于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，加入合金元素降低可焊性。
建筑鋼材是指用于建筑結構中的鋼結構和鋼筋混凝土結構的鋼材。主要有型鋼、鋼板、鋼管和各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線等。
鋼材的優(yōu)點是材質均勻、性能可靠、強度高而結構自重輕;具有良好的塑性和韌性;能承受較大的沖擊荷載和振動荷載;既可以采用焊縫連接，又可以采用螺栓和鉚釘連接;便于裝配，易于拆卸。適用于重型工業(yè)廠房、大跨度結構、可裝配移動的結構以及高聳結構和高層建筑。
鋼材的缺點是易銹蝕，需經常進行維護，維護費高，且耐火性差。
在鋼筋混凝土中，鋼材能彌補混凝土抗拉、抗彎、抗剪和抗裂性能低的缺點。
(一)鋼材的分類(掌握)
鋼材將生鐵(含碳量高于2.06%)在鋼爐中冶煉，使其含碳量降低到指定的范圍，去除雜質后即得到鋼。
1.按化學成分分類。鋼是含碳量低于2.06%的鐵碳(fe—c)合金。按所含化學成分分類，鋼材可分為碳素鋼和合金鋼：
(1)碳素鋼。碳素按其含碳(c)量的高低可分為：低碳鋼(c：<0.25%)，中碳鋼(c：0.25%～0.6%)，;高碳鋼(c：0.6%-1.3%)。
鋼的含碳量越高，鋼材的硬度、強度越高，但其塑性、韌性越差。
硫(s)、磷(p)是鋼材中的有害物質，含量越高，其脆性越大。
(2)合金鋼。除pe和c之外，另加入一種或多種的合金元素的鋼，稱為合金鋼。
加入少量合金元素后，鋼材的性質變得高強，具有彈性、韌性和良好的可焊性。根據合金元素總含量的大小，合金鋼可分為：
低合金鋼：合金元素總含量小于5%的合金鋼。
中合金鋼：合金元素總含量為5%—10%的合金鋼。
高合金鋼：合金元素總含量大于10%的合金鋼。
2.根據用途不同，鋼材可分為：結構鋼、工具鋼和特殊鋼(如不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼等)。
建筑工程常用的鋼材多為普通碳素鋼中的結構鋼和低合金鋼，軋材占絕大部分。
(二)鋼材的技術性能(掌握)
鋼材的主要技術性能包括：抗拉性能、沖擊韌性、疲勞強度、硬度、冷彎性能、時效反應、焊接性能等。
1.抗拉性能?？估阅苁墙ㄖ摬淖钪匾妥畛Ｓ玫男阅堋Ｍㄟ^拉伸試驗可以測出彈性極限(或比例極限)、屈服強度、抗拉強度及伸長率等技術指標?？己酥攸c。
圖2—2為拉伸試驗中反映鋼材在拉力作用下的應力與應變曲線圖。
其縱坐標為鋼材單位面積上施加的拉應力，橫坐標為在鋼材單位長度上產生的應變。從圖2—2中可看出，鋼材拉伸變形過程可分為(o—a)、(a—b)、(b—c)和(c～d)四個階段。
(1)第1階段：彈性階段(o～a)。和a點對應的應力稱為彈性極限，用fp表示。
(2)第ⅱ階段：屈服階段(a—b)。應力超過a點以后，應力與應變不再成正比關系，這時如卸去拉力，試件變形不能完全消失，已有部分殘余變形。拉力繼續(xù)增加則曲線達到b點，此時鋼材屈服。故與b點對應的應力稱為屈服強度，用fy表示。屈服強度是鋼材的重要指標，是鋼材彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃蔚霓D折點。如果鋼材在超過屈服強度下工作，將會引起塑性變形。鋼材在正常使用情況下，不允許超過屈服點。
(3)第ⅲ階段：強化階段(b—c)。鋼材應力超過屈服點b以后，變形即迅速發(fā)展，進入(b-c)階段，此階段盡管鋼材尚未破壞，但已不能滿足使用要求。故設計中一般以屈服點作為強度取值的依據。從圖中bc曲線逐步上升可以看出，試件在屈服階段以后，由于鋼材內部組織產生晶格畸變，鋼材得到強化，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，故稱(b～c)為強化階段。對應于點c的應力稱為抗拉強度，用fu表示?？估瓘姸仍诮Y構設計上雖然不能應用，超過抗拉強度鋼材會被拉斷，但是屈服強度與抗拉強度的比值，即屈強比fy/fu，卻有一定的意義。在一定范圍內，屈強比小，則表明鋼材在超過屈服點工作時結構的可靠性較高，較為安全。
(4)第ⅳ階段：頸縮階段(c～d)。應力一應變曲線超過c點以后，變形加快，應力迅速下降，鋼材試件斷面收縮，在d點被拉斷，c—d頸縮階段是鋼材從拉伸到破壞的最后階段。
2.沖擊韌性。沖擊韌性是指在抗沖擊荷載作用下，鋼材抵抗破壞的能力。
3.疲勞強度。鋼材在交變荷載的作用下，在遠低于抗拉強度時突然發(fā)生斷裂破壞，稱為疲勞破壞。一般把鋼材承受規(guī)定次數交變荷載發(fā)生破壞所能承受的應力稱為疲勞強度。
4.硬度。硬度是指材料抵抗其他較硬物體壓人的能力，也可以說是材料表面抵抗變形的能力。
5.冷彎性能。冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。承受彎曲變形程度越大，說明鋼材冷彎性能越好。
6.鋼材的冷加工強化與時效反應。
將鋼材在常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋，使之產生一定的塑性變形，強度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個過程稱為鋼材的冷加工強化。
鋼筋冷拉是在常溫下將其拉至應力超過屈服點，但遠小于抗拉強度時即卸荷，這樣在后期使用時，鋼筋的強度有明顯的提高。
將經過冷拉的鋼筋，常溫下存放15-20d，或加熱到100c—200c并保持2-3h后，則鋼筋強度將進一步提高，這個過程稱為時效處理，前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。通常對強度較低的鋼筋可采用自然時效，強度較高的鋼筋則需采用人工時效。
7.焊接性能?？珊感允侵镐摬脑谝欢ê附庸に嚄l件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產生裂縫及硬脆傾向，焊接后的力學性能，特別是強度不得低于原材料。
鋼材含碳量高將增加焊接的硬脆性，含碳量低于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，加入合金元素降低可焊性。