土木工程材料第七章 金屬材料

第7章

金屬材料返回總目錄鋼的冶煉與分類鋼材的力學性能與工藝性能鋼的組織和化學成分對鋼材性能的影響建筑鋼材的銹蝕與防護建筑鋼材的品種與選用常用建筑鋼材鋁合金及制品思考題本章內容鋼的冶煉與分類表7-1煉鋼方法的特點和應用鋼的冶煉與分類爐種原料特點生產鋼種氧氣轉爐鐵水、廢鋼冶煉速度快，生產效率高，鋼質較好碳素鋼、低合金鋼電爐廢鋼容積小，耗電大，控制嚴格，鋼質好，但成本高合金鋼、優(yōu)質碳素鋼平爐生鐵、廢鋼容量大，冶煉時間長，鋼質較好且穩(wěn)定，成本較高碳素鋼、低合金鋼在鑄錠冷卻過程中，由于鋼內某些元素在鐵的液相中的溶解度大于固相，這些元素便向凝固較遲的鋼錠中心集中，導致化學成分在鋼錠中分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為化學偏析，其中以硫、磷偏析最為嚴重。偏析會嚴重降低鋼材質量。在冶煉鋼的過程中，由于氧化作用使局部鐵被氧化成FeO，使鋼的質量降低，因而在煉鋼后期精煉時，需在爐內或鋼包中參加錳鐵、硅鐵或鋁錠等脫氧劑進行脫氧，脫氧劑與FeO反響生成MnO、SiO2或Al2O3等氧化物，它們成為鋼渣而被除去。假設脫氧不完全，鋼水澆入錠模時，會有大量的CO氣體從鋼水中逸出，引起鋼水呈沸騰狀，產生所謂沸騰鋼。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質偏析較嚴重，故鋼材的質量差。二、鋼的分類鋼的分類方法很多，目前的分類方法主要有下面幾種。1.按化學成分分類(1)碳素鋼。碳素鋼含碳量為0.02%～2.06%，按含碳量又可分為低碳鋼(含碳量＜0.25%)、中碳鋼(合碳量0.25%～0.6%)、高碳鋼(含碳量＞0.6%)。在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。(2)合金鋼。合金鋼可以分為低合金鋼(合金元素總量＜5%)、中合金鋼(合金元素總量為5%～l0%)、高合金鋼(合金元素總量＞l0%)。建筑上常用低合金鋼。2.按有害雜質含量分類(1)普通鋼。硫含量≤0.050%，磷含量≤0.045%。(2)優(yōu)質鋼。硫含量≤0.035%，磷含量≤0.035%。(3)高級優(yōu)質鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.025%。(4)特級優(yōu)質鋼。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.015%。建筑中常用普通鋼，有時也用優(yōu)質鋼。鋼的冶煉與分類3.根據冶煉時脫氧程度分類(1)沸騰鋼。煉鋼時參加錳鐵進行脫氧，脫氧很不完全，故稱沸騰鋼，代號為“F〞。沸騰鋼組織不夠致密，雜質和夾雜物多，硫、磷等雜質偏析較嚴重，故質量較差。但其生產本錢低、產量高、可廣泛用于一般的建筑工程。(2)鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時一般采用硅鐵、錳鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧充分，這種鋼水鑄錠時能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，根本無CO氣泡產生，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號為“Z〞(亦可省略不寫)。鎮(zhèn)靜鋼雖本錢較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質量好。適用于預應力混凝土等重要結構工程。(3)特殊鎮(zhèn)靜鋼。比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，其質量最好。適用于特別重要的結構工程，代號為“TZ〞(亦可省略不寫)。(4)半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質量較好的鋼，其代號為“b〞。4.根據用途分類(1)結構鋼。主要用作工程結構構件及機械零件的鋼。(2)工具鋼。主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。(3)特殊鋼。具有特殊物理、化學或機械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。建筑上常用的是結構鋼。鋼的冶煉與分類鋼材的力學性能與工藝性能圖7.1低碳鋼受拉時應力-應變圖1)彈性階段OA為彈性階段。在OA范圍內，隨著荷載的增加，應變隨應力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點相對應的應力為彈性極限，用表示。在這一范圍內，應力與應變的比值為一常量，稱為彈性模量，用E表示，即E=。彈性模量反映鋼材的剛度，是鋼材在受力條件下計算結構變形的重要指標。常用低碳鋼的彈性模量E=2.0×105～2.1MPa，彈性極限=180MPa～200MPa。2)屈服階段AB為屈服階段。在AB曲線范圍內，應力與應變不成比例，開始產生塑性變形，應變增加的速度大于應力增長速度，鋼材抵抗外力的能力發(fā)生“屈服〞了。圖中點是這一階段應力最高點，稱為屈服上限，點為屈服下限。因比較穩(wěn)定易測，故一般以點對應的應力作為屈服點，用表示。常用低碳鋼的為195MPa～300MPa。該階段在材料萬能試驗機上表現(xiàn)為指針不動(即使加大送油)或來回窄幅搖動。鋼材受力達屈服點后，變形即迅速開展，盡管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依據。3)強化階段BC為強化階段。過B點后，抵抗塑性變形的能力又重新提高，變形開展速度比較快，隨著應力的提高而增強。對應于最高點C的應力，稱為抗拉強度，用表示。常用低碳鋼的為385～520MPa。鋼材的力學性能與工藝性能抗拉強度不能直接利用，但屈服點與抗拉強度的比值(即屈強比)，能反映鋼材的平安可靠程度和利用率。屈強比越小，說明材料的平安性和可靠性越高，結構越平安。但屈強比過小，那么鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用碳素鋼的屈強比為0.58～0.63，合金鋼為0.65～0.75。4)頸縮階段CD為頸縮階段。過C點后，材料變形迅速增大，而應力反而下降。試件在拉斷前，于薄弱處截面顯著縮小，產生“頸縮現(xiàn)象〞，直至斷裂。通過拉伸試驗，除能檢測鋼材屈服強度和抗拉強度等強度指標外，還能檢測出鋼材的塑性。塑性表示鋼材在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力，它是鋼材的一個重要性指標。鋼材塑性用伸長率或斷面收縮率表示。將拉斷后的試件于斷裂處對接在一起(如圖7.2所示)，測得其斷后標距l(xiāng)1。試件拉斷后標距的伸長量與原始標距(l0)的百分比稱為伸長率()。伸長率的計算公式如下：(7.1)鋼材的力學性能與工藝性能鋼材拉伸時塑性變形在試件標距內的分布是不均勻的，頸縮處的伸長較大。所以原始標距(l0)與直徑(d0)之比越大，頸縮處的伸長值在總伸長值中所占的比例就越小，計算出的伸長率()也越小。通常鋼材拉伸試件取l0=5d0或l0=10d0，對應的伸長率分別記為和，對于同一鋼材，。測定試件拉斷處的截面積(A1)。試件拉斷前后截面積的改變量與原始截面積(A0)的百分比稱為斷面收縮率()。斷面收縮率的計算公式如下：

(7.2)鋼材的力學性能與工藝性能圖7.2鋼材拉斷前后的試件伸長率和斷面收縮率都表示鋼材斷裂前經受塑性變形的能力。伸長率越大或者斷面收縮率越高，表示鋼材塑性越好。盡管結構是在鋼的彈性范圍內使用，但在應力集中處，其應力可能超過屈服點，此時產生一定的塑性變形，可使結構中的應力產生重分布，從而使結構免遭破壞。另外，鋼材塑性大，那么在塑性破壞前，有很明顯的塑性變形和較長的變形持續(xù)時間，便于人們發(fā)現(xiàn)和補救問題，從而保證鋼材在建筑上的平安使用；也有利于鋼材加工成各種形式。中碳鋼與高碳鋼(硬鋼)拉伸時的應力—應變曲線與低碳鋼不同，無明顯屈服現(xiàn)象，伸長率小，斷裂時呈脆性破壞，其應力—應變曲線如圖7.3所示。這類鋼材由于不能測定屈服點，標準規(guī)定以產生0.2%剩余變形時的應力值作為名義屈服點，也稱條件屈服點用表示。鋼材的力學性能與工藝性能圖7.3中碳鋼、高碳鋼的應力—應變曲線2.沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力，用沖斷試件所需能量的多少來表示。鋼材的沖擊韌性試驗是采用中部加工有V型或U型缺口的標準彎曲試件，置于沖擊機的支架上，試件非切槽的一側對準沖擊擺，如圖7.4所示。當沖擊擺從一定高度自由落下將試件沖斷時，試件吸收的能量等于沖擊擺所作的功，以缺口底部處單位面積上所消耗的功，即為沖擊韌性指標，沖擊韌性計算公式如下：(7.3)式中αk——沖擊韌性(J/cm2)。m——擺錘質量(9.81m/s2)。A——試件槽口處斷面積(cm2)。αk值越大，沖擊韌性越好，即其抵抗沖擊作用的能力越強，脆性破壞的危險性越小。影響鋼材沖擊韌性的因素很多，當鋼材內硫、磷的含量高，脫氧不完全，存在化學偏析，含有非金屬夾雜物及焊接形成的微裂紋，都會使鋼材的沖擊韌性顯著下降。同時環(huán)境溫度對鋼材的沖擊韌性影響也很大。試驗說明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，開始時下降緩慢，當到達一定溫度范圍時，突然下降很快而呈脆性。這種性質稱為鋼材的冷脆性，這時的溫度稱為脆性轉變溫度，如圖7.5所示。脆性轉變溫度越低，鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，在負溫下使用的結構，應中選用脆性轉變溫度低于使用溫度的鋼材。脆性臨界溫度的測定較復雜，標準中通常是根據氣溫條件規(guī)定-20℃或-40℃的負溫沖擊值指標。鋼材的力學性能與工藝性能冷加工時效處理也會使鋼材的沖擊韌性下降。鋼材的時效是指鋼材隨時間的延長，鋼材強度逐漸提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。完成時效的過程可達數十年，但鋼材如經過冷加工或使用中受振動和反復荷載作用，時效可迅速開展。因時效導致鋼材性能改變的程度稱為時效敏感性。時效敏感性大的鋼材，經過時效后，沖擊韌性的降低越顯著。為了保證結構平安，對于承受動荷載的重要結構，應中選用時效敏感性小的鋼材。3.疲勞強度鋼材在交變荷載反復作用下，可在遠小于抗拉強度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞指標用疲勞強度(或稱疲勞極限)來表示，它是指試件在交變應力下，作用107周次，不發(fā)生疲勞破壞的最大應力值。鋼材的力學性能與工藝性能圖7.4沖擊韌性試驗示意圖圖7.5鋼材的沖擊韌性與溫度的關系鋼材的力學性能與工藝性能圖7.6布氏硬度測定示意圖在測定前應根據試件厚度和估計的硬度范圍，按試驗方法的規(guī)定選定鋼球直徑、所加荷載及荷載持續(xù)時間。布氏法適用于HB<450的鋼材，測定時所得壓痕直徑應在0.25D<d<0.6D范圍內，否那么測定結果不準確。當被測材料硬度HB>450時，鋼球本身將發(fā)生較大變形，甚至破壞，應采用洛氏法測定其硬度。布氏法比較準確，但壓痕較大，不適宜用于成品檢驗，而洛氏法壓痕小，它是以壓頭壓入試件的深度來表示硬度值的，常用于判斷工件的熱處理效果。材料的硬度是材料彈性、塑性、強度等性能的綜合反映。實驗證明，碳素鋼的HB值與其抗拉強度之間存在較好的相關關系，當HB<175時，≈3.6HB；當HB>175時，≈3.5HB。根據這些關系，可以在鋼結構原位上測出鋼材的HB值，來估算鋼材的抗拉強度。二、工藝性能鋼材應具有良好的工藝性能，以滿足施工工藝的要求。冷彎、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑鋼材的重要工藝性能。1.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。鋼材的冷彎性能是以試驗時的彎曲角度(α)和彎心直徑(d)為指標表示，如圖7.7所示。鋼材的力學性能與工藝性能鋼材冷彎試驗時，用直徑(或厚度)為a的試件，選用彎心直徑d=na的彎頭(n為自然數，其大小由試驗標準來規(guī)定)，彎曲到規(guī)定的角度(90о或180о)后，彎曲處假設無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，即認為冷彎試驗合格。鋼材的冷彎性能與伸長率一樣，也是反映鋼材在靜荷作用下的塑性，但冷彎試驗條件更苛刻，更有助于暴露鋼材的內部組織是否均勻，是否存在內應力、微裂紋、外表未熔合及夾雜物等缺陷。2.焊接性能建筑工程中，鋼材間的連接90%以上采用焊接方式。因此，要求鋼材應有良好的焊接性能。在焊接中，由于高溫作用和焊接后急劇冷卻作用，焊縫及其附近的過熱區(qū)將發(fā)生晶體組織及結構變化，產生局部變形及內應力，使焊縫周圍的鋼材產生硬脆傾向，降低了焊接的質量?？珊感粤己玫匿摬?，焊縫處性質應盡可能與母材相同，焊接才牢固可靠。鋼材的化學成分、冶煉質量、冷加工、焊接工藝及焊條材料等都會影響焊接性能。含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量大于0.3%時可焊性變差；硫、磷及氣體雜質會使可焊性降低；參加過多的合金元素，也會降低可焊性。對于高碳鋼和合金鋼，為改善焊接質量，一般須要采用預熱和焊后處理，以保證質量。鋼材焊接后必須取樣進行焊接質量檢驗，一般包括拉伸試驗，有些焊接種類還包括了彎曲試驗，要求試驗時試件的斷裂不能發(fā)生在焊接處。同時還要檢查焊縫處有無裂紋、砂眼、咬肉和焊件變形等缺陷。鋼材的力學性能與工藝性能3.冷加工性能及時效處理1)冷加工強化與時效處理的概念將鋼材于常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋，使之產生塑性變形，從而提高強度，但鋼材的塑性和韌性會降低，這個過程稱為冷加工強化處理。將經過冷拉的鋼筋，于常溫下存放15d～20d，或加熱到100℃～200℃并保持2h～3h后，那么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，強度較高的鋼筋那么須采用人工時效。對鋼材進行冷加工強化與時效處理的目的是提高鋼材的屈服強度，以便節(jié)約鋼材。2)常見冷加工方法建筑工地或預制構件廠常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。(1)冷拉，將熱軋鋼筋用冷拉設備進行張拉，拉伸至產生一定的塑性變形后，卸去荷載。鋼材的力學性能與工藝性能圖7.7鋼材冷彎冷拉參數的控制直接關系到冷拉效果和鋼材質量。一般鋼筋冷拉僅控制冷拉率，稱為單控，對用作預應力的鋼筋，須采用雙控，即既控制冷拉應力，又控制冷拉率。冷拉時當拉至控制應力時可以未達控制冷拉率，反之鋼筋那么應降級使用。鋼筋冷拉后，屈服強度可提高20%～30%，可節(jié)約鋼材10%～20%，鋼材經冷拉后屈服階段縮短，伸長率降低，材質變硬。(2)冷拔，將光圓鋼筋通過硬質合金拔絲模孔強行拉拔。每次拉拔斷面縮小應在10%以內。鋼筋在冷拔過程中，不僅受拉，同時還受到擠壓作用，因而冷拔的作用比純冷拉作用強烈。經過一次或屢次冷拔后的鋼筋，外表光滑，屈服強度可提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬鋼的性質。3)鋼材冷加工強化與時效處理的機理鋼筋經冷拉、時效后的力學性能變化規(guī)律，可從其拉伸試驗的應力—應變圖得到反映(如圖7.8所示)。鋼材的力學性能與工藝性能圖7.8鋼筋經冷拉時效后應力-應變圖的變化(1)圖中OBCD曲線為未冷拉，其含義是將鋼筋原材一次性拉斷，而不是指不拉伸。此時，鋼筋的屈服點為B點。(2)圖中O′KCD曲線為冷拉無時效，其含義是將鋼筋原材拉伸至超過屈服點但不超過抗拉強度(使之產生塑性變形)的某一點K，卸去荷載，然后立即再將鋼筋拉斷。卸去荷載后，鋼筋的應力-應變曲線沿KO′恢復局部變形(彈性變形局部)，保存OO′剩余變形。通過冷拉無時效處理，鋼筋的屈服點升高至K點，以后的應力—應變關系與原來曲線KCD相似。這說明鋼筋經冷拉后，屈服強度得到提高，抗拉強度和塑性與鋼筋原材根本相同。(3)圖中O′K1C1D1曲線為冷拉時效，其含義是將鋼筋原材拉伸至超過屈服點但不超過抗拉強度(使之產生塑性變形)的某一點K，卸去荷載，然后進行自然時效或人工時效，再將鋼筋拉斷。通過冷拉時效處理，鋼筋的屈服點升高至K1點，以后的應力—應變關系K1C1D1比原來曲線KCD短。這說明鋼筋經冷拉時效后，屈服強度進一步提高，與鋼筋原材相比，抗拉強度亦有所提高，塑性和韌性那么相應降低。鋼材冷加工強化的原因是鋼材經冷加工產生塑性變形后，塑性變形區(qū)域內的晶粒產生相對滑移，導致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸變，滑移面變得凹凸不平，對晶粒進一步滑移起阻礙作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服強度得以提高。同時，冷加工強化后的鋼材，由于塑性變形后滑移面減少，從而使其塑性降低，脆性增大，且變形中產生的內應力，使鋼的彈性模量降低。鋼材的力學性能與工藝性能鋼材的力學性能與工藝性能鋼材的力學性能與工藝性能一、鋼的組織及其對鋼材性能的影響純鐵在不同的溫度下有不同的晶體結構。鋼的組織和化學成分對鋼材性能的影響表7-2鋼的根本組織及其性能鋼的組織和化學成分對鋼材性能的影響C溶于C溶于組織名稱含碳量(%)結構特征性

能鐵素體≤0.02-Fe中的固溶體強度、硬度很低，塑性好，沖擊韌性很好奧氏體0.8-Fe中的固溶體強度、硬度不高，塑性大滲碳體6.67化合物Fe3C抗拉強度很低，硬脆，很耐磨，塑性幾乎為零珠光體0.8鐵素體與的機械混合物強度較高，塑性和韌性介于鐵素體和滲碳體之間二、鋼的化學成分對鋼材性能的影響鋼的化學成分對鋼材性能的影響如表7-3所示。表7-3鋼的化學成分對鋼材性能的影響鋼的組織和化學成分對鋼材性能的影響化學

成分化學成分對鋼材性能的影響備注碳(C)含碳量在0.8%以下時，隨含碳量的增加，鋼的強度和硬度提高，塑性和韌性降低；但當含碳量大于1.0%時，隨含碳量增加，鋼的強度反而下降。含碳量增加，鋼的焊接性能變差，尤其當含碳量大于0.3%時，鋼的可焊性顯著降低建筑鋼材的含碳量不可過高，但是在用途上允許時，可用含碳量較高的鋼，最高可達0.6%硅(Si)硅含量在1.0%以下時，可提高鋼的強度、疲勞極限、耐腐蝕性及抗氧化性，對塑性和韌性影響不大，但可焊性和冷加工性能有所影響。硅可作為合金元素，用以提高合金鋼的強度硅是有益元素，通常碳素鋼中硅含量小于0.3%，低合金鋼含硅量小于1.8%錳(Mn)錳可提高鋼材的強度、硬度及耐磨性。能消減硫和氧引起的熱脆性，改善鋼材的熱工性能。錳可作為合金元素，提高鋼材的強度錳是有益元素，通常錳含量在1%～2%硫(S)硫引起鋼材的“熱脆性”，會降低鋼材的各種機械性能，使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低硫是有害元素，建筑鋼材的含硫量應盡可能減少，一般要求含硫量小于0.045%磷(P)磷引起鋼材的“冷脆性”，磷含量提高，鋼材的強度、硬度、耐磨性和耐蝕性提高，塑性、韌性和可焊性顯著下降磷是有害元素，建筑用鋼要求含磷量小于0.045%氧(O)含氧量增加，使鋼材的機械強度降低、塑性和韌性降低，促進時效，還能使熱脆性增加，焊接性能變差氧是有害元素，建筑鋼材的含氧量應盡可能減少，一般要求含氧量小于0.03%氮(N)氮使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮會加劇鋼的時效敏感性和冷脆性，使可焊性變差。但在鋁、鈮、釩等元素的配合下，可細化晶粒，改善鋼的性能，故可作為合金元素。建筑鋼材的含氮量應盡可能減少，一般要求含氮量小于0.008%一、鋼材銹蝕機理鋼材的銹蝕是指鋼材外表與周圍介質發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象。根據鋼材與環(huán)境介質作用的機理，腐蝕可分為化學銹蝕和電化學銹蝕。1.化學銹蝕化學銹蝕是指鋼材與周圍介質(如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等)發(fā)生化學反響，生成疏松的氧化物而產生的銹蝕。一般情況下，是鋼材外表FeO保護膜被氧化成黑色的Fe3O4。在常溫下，鋼材外表能形成FeO保護膜，可以防止鋼材進一步銹蝕。所以，在枯燥環(huán)境中化學銹蝕速度緩慢，但在溫度和濕度較大的情況下，這種銹蝕進展加快。2.電化學銹蝕電化學銹蝕是指鋼材與電解溶液接觸而產生電流，形成原電池而引起的銹蝕。電化學銹蝕是建筑鋼材在存放和使用中發(fā)生銹蝕的主要形式。鋼材由不同的晶體組織構成，并含有雜質，由于這些成分的電極電位不同，當有電解質溶液存在時，形成許多微電池。電化學銹蝕過程如下：陽極：Fe=Fe2++2e陰極：H2O+1/2O2=2OH--2e總反響式：Fe2++2OH-=Fe(OH)2Fe(OH)2不溶于水，但易被氧化：2Fe(OH)2+H2O+1/2O2=2Fe(OH)3(紅棕色鐵銹)，該氧化過程會發(fā)生體積膨脹。建筑鋼材的銹蝕與防護由此可知，鋼材發(fā)生電化學銹蝕的必要條件是水和氧氣的存在。鋼材銹蝕后，受力面積減小，使承載能力下降。在鋼筋混凝土中，因銹蝕時固相體積增大，從而引起鋼筋混凝土順筋開裂。二、鋼筋混凝土中鋼筋銹蝕普通混凝土為強堿性環(huán)境，pH為12.5左右，使之對埋入其中的鋼筋形成堿性保護。在堿性環(huán)境中，陰極過程難于進行。即使有原電池反響存在，生成的Fe(OH)2也能穩(wěn)定存在，并成為鋼筋的保護膜。所以，用普通混凝土制作的鋼筋混凝土，只要混凝土外表沒有缺陷，里面的鋼筋是不會銹蝕的。但是，普通混凝土制作的鋼筋混凝土有時也發(fā)生鋼筋銹蝕現(xiàn)象。其主要原因有以下幾個方面：一是混凝土不密實，環(huán)境中的水和空氣能進入混凝土內部；二是混凝土保護層厚度小或發(fā)生了嚴重的碳化，使混凝土失去了堿性保護作用；三是混凝土內Cl－含量過大，使鋼筋外表的保護膜被氧化；四是預應力鋼筋存在微裂縫等缺陷，引起應力銹蝕。加氣混凝土堿度較低，電化學腐蝕過程能順利進行，同時這種混凝土多孔，外界的水和空氣易深入內部，所以，加氣混凝土中的鋼筋在使用前必須進行防腐處理。輕骨料混凝土和粉煤灰混凝土的護筋性能，經過多年試驗研究和應用，證明是良好的，其耐久性不低于普通混凝土。建筑鋼材的銹蝕與防護綜上所述，對于普通混凝土、輕骨料混凝土和粉煤灰混凝土，為了防止鋼筋銹蝕，應保證混凝土的密實度以及鋼筋保護層的厚度。在二氧化碳濃度高的工業(yè)區(qū)采用硅酸鹽水泥或普通水泥，限制含氯鹽外加劑的摻量并使用混凝土用鋼筋防銹劑(如亞硝酸鈉)。預應力混凝土應禁止使用含氯鹽的骨料和外加劑。對于加氣混凝土等可以在鋼筋外表涂環(huán)氧樹脂或鍍鋅等方法來防止。三、鋼材銹蝕的防止1.外表刷漆外表刷漆是鋼結構防止銹蝕的常用方法。刷漆通常有底漆、中間漆和面漆三道。底漆要求有較好的附著力和防銹能力，常用的有紅丹、環(huán)氧富鋅漆、云母氧化鐵和鐵紅環(huán)氧底漆等。中間漆為防銹漆，常用的有紅丹、鐵紅等。面漆要求有較好的牢度和耐候性能保護底漆不受損傷或風化，常用的有灰鉛、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。鋼材外表涂刷漆時，一般為一道底漆、一道中間漆和兩道面漆。要求高時可增加一道中間漆或面漆。使用防銹涂料時，應注意鋼構件外表的除銹，注意底漆、中間漆和面漆的匹配。2.外表鍍金屬用耐腐蝕性好的金屬，以電鍍或噴鍍的方法覆蓋在鋼材的外表，提高鋼材的耐腐蝕能力。常用的方法有鍍鋅(如白鐵皮)、鍍錫(如馬口鐵)、鍍銅和鍍鉻等。建筑鋼材的銹蝕與防護建筑鋼材的銹蝕與防護建筑鋼材的銹蝕與防護2.力學性能及工藝性能根據國家標準?碳素結構鋼?(GB/T700—1988)的規(guī)定，碳素結構鋼的機械性能(強度、沖擊韌性等)應符合表7-4的規(guī)定，冷彎性能應符合表7-5的規(guī)定。表7-4碳素結構鋼的機械性能建筑鋼材的品種與選用伸長率牌號等級拉

伸

試

驗沖擊試驗屈服點(MPa)抗拉強度MPa(%)溫度(℃)V型沖擊功(縱向)(J)鋼筋厚度(直徑)(mm)鋼筋厚度(直徑)(mm)≤16>16～40>40～60>60～100>100～150>150≤16>16～40>40～60>60～100>100～150>150≥≥≥Q195—(195)(185)————315～4303332——————Q215A215205195185175165335～450313029282726——B2027Q235A235225215205195185375～500262524232221——B2027C0D-20Q255A255245235225215205410～550242322212019——B2027Q275—275265255245235225490～630201918171615——表7-5碳素結構鋼冷彎試驗指標建筑鋼材的品種與選用牌

號試樣方向冷彎試驗(試樣寬度=2a，180о)鋼筋厚度(直徑)a(mm)≤60>60～100>100～200彎心直徑dQ195縱橫00.50a——Q215縱橫0.50aa1.5a2a2a2.5aQ235縱橫a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255—2a3a3.5aQ275—3a4a4.5a3.特性及應用(1)Q195鋼強度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好。主要用于軋制薄板和盤條等。(2)Q215鋼用途與Q195鋼根本相同，由于其強度稍高，還大量用做管坯和螺栓等。(3)Q235鋼既有較高的強度，又有較好的塑性和韌性，可焊性也好，在土木工程中應用最廣泛，大量用于制作鋼結構用鋼、鋼筋和鋼板等。其中Q235—A級鋼，一般僅適用于承受靜荷載作用的結構，Q235—C和Q235—D級鋼可用于重要的焊接結構。另外，由于Q235—D級鋼含有足夠的形成細晶粒結構的元素，同時對硫、磷有害元素控制嚴格，故其沖擊韌性好，有較強的抵抗振動、沖擊荷載能力，尤其適用于負溫條件。(4)Q255鋼強度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用于做鉚接或栓接結構，以及鋼筋混凝土的配筋。(5)Q275鋼強度、硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差。不宜用于建筑結構，主要用于制作機械零件和工具等。二、低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼是一種在碳素結構鋼的根底上添加總量不小于5%合金元素的鋼材。所加合金元素主要有錳(Mn)、硅(Si)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鉻(Cr)、鎳(Ni)及稀土元素。均為鎮(zhèn)靜鋼。1.牌號及其表示方法低合金高強度結構鋼有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五個牌號，其表示方法如下：屈服點等級—質量等級屈服點等級：Q295、Q345、Q390、Q420和Q460，Q表示屈服點，195、215、235、255和275為屈服強度值(MPa)。質量等級：各牌號按沖擊韌性至多劃分有A、B、C、D、E五個等級。(1)A級——不要求沖擊韌性。(2)B級——要求+20℃沖擊韌性。(3)C級——要求0℃沖擊韌性。(4)D級——要求-20℃沖擊韌性。(5)E級——要求-40℃沖擊韌性。建筑鋼材的品種與選用2.力學性能根據國家標準?低合金高強度結構鋼?(GB/T1591—1994)的規(guī)定，低合金高強度結構鋼的機械性能(強度、沖擊韌性、冷彎等)應符合表7-6的規(guī)定。3.特性及應用由于合金元素的細晶強化作用和固溶強化等作用，使低合金高強度結構鋼與碳素結構相比，既具有較高的強度，同時又有良好的塑性、低溫沖擊韌性、可焊性和耐蝕性等特點，是一種綜合性能良好的建筑鋼材。Q345級鋼是鋼結構的常用牌號，Q390也是推薦使用的牌號。與碳素結構鋼Q235相比，低合金高強度結構鋼Q345的強度更高，等強度代換時可以節(jié)省鋼材15%～25%，并減輕結構自重。另外，Q345具有良好的承受動荷載和耐疲勞性。低合金高強度結構鋼廣泛應用于鋼結構和鋼筋混凝土結構中，特別是大型結構、重型結構、大跨度結構、高層建筑、橋梁工程、承受動荷載和沖擊荷載的結構。建筑鋼材的品種與選用表7-6低合金高強度結構鋼的力學性能建筑鋼材的品種與選用伸長率牌號質量等級屈服點(MPa)抗拉強度(MPa)(%)沖擊功(縱向)(J)180о冷彎試驗d=彎心直徑a=試樣厚度/直徑厚度(直徑，邊長)(mm)≤16>16～35>35～50>50～100+20℃0℃-20℃-40℃≥≥a≤16a>50～100Q295AB295275255235390～57023—34d=2ad=3aQ345ABCDE345325295275470～6302121222222—34343427Q390ABCDE390370350330490～6501919202020—34343427Q420ABCDE420400380360520～6801818191919—34343427Q460CDE460440420400550～720171717343427三、優(yōu)質碳素結構鋼國家標準?優(yōu)質碳素結構鋼?(GB/T699—1999)，將優(yōu)質碳素結構鋼劃分為31個牌號，分為低含錳量(0.25%～0.50%)、普通含錳量(0.35%～0.80%)和較高含錳量(0.70%～1.20%)三組，其表示方法如下：平均含碳量的萬分數—含錳量標識—脫氧程度32個牌號是08F、10F、15F、08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn、50Mn、55Mn、60Mn、65Mn、70Mn。如“10F〞表示平均含碳量為0.10%，低含錳量的沸騰鋼；“45〞表示平均含碳量為0.45%，普通含錳量的鎮(zhèn)靜鋼；“30Mn〞表示平均含碳量為0.30%，較高含錳量的鎮(zhèn)靜鋼。優(yōu)質碳素結構對有害雜質含量控制嚴格，質量穩(wěn)定，綜合性能好，但本錢較高。其性能主要取決于含碳量的多少，含碳量高，那么強度高，塑性和韌性差。在建筑工程中，30～45號鋼主要用于重要結構的鋼鑄件和高強度螺栓等，45號鋼用做預應力混凝土錨具，65～80號鋼用于生產預應力混凝土用鋼絲和鋼鉸線。建筑鋼材的品種與選用一、鋼筋鋼筋與混凝土之間有較大的握裹力，能牢固嚙合在一起。鋼筋抗拉強度高、塑性好，放入混凝土中可很好地改善混凝土脆性，擴展混凝土的應用范圍，同時混凝土的堿性環(huán)境又很好地保護了鋼筋。鋼筋混凝土結構用的鋼筋主要由碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼和優(yōu)質碳素鋼制成。1.熱軋鋼筋鋼筋混凝土用熱軋鋼筋，根據其外表形狀分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋兩類。1)熱軋光圓鋼筋根據?鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋?(GB13013—1991)的規(guī)定，熱軋光圓鋼筋級別為Ⅰ級，強度等級代號為R235?！癛〞表示“熱軋〞，“235〞表示屈服強度要求值(MPa)，其力學性能和工藝性能應符合表7-7的規(guī)定。表7-7熱軋光圓鋼筋力學性能和工藝性能要求常用建筑鋼材伸長率表面形狀鋼筋級別強度等級代號①公稱直徑(mm)屈服點(MPa)抗拉強度(MPa)

(%)冷彎d—彎心直徑a—鋼筋公稱直徑≥光圓ⅠR2358～2023537025180о

d=a注：①在?混凝土結構工程施工質量驗收標準?(GB50504—2002)中代號為HPB235。光圓鋼筋的強度低，但塑性和焊接性能好，便于各種冷加工，因而廣泛用做小型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋以及各種鋼筋混凝土結構中的構造筋。2)熱軋帶肋鋼筋熱軋帶肋鋼筋外表有兩條縱肋，并沿長度方向均勻分布有牙形橫肋，如圖7.9所示。根據?鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋?(GB1499—1998)的規(guī)定，熱軋帶肋鋼筋分為HRB335、HRB400、HRB500三個牌號。其中H、R、B分別為熱軋(Hotrolled)、帶肋(Ribbed)和鋼筋(Bars)三個詞的英文首字母，數字表示相應的屈服強度要求值(MPa)。熱軋帶肋鋼筋的力學性能和工藝性能應符合表7-8的規(guī)定。HRB335和HRB400鋼筋的強度較高，塑性和焊接性能較好，廣泛用用大、中型鋼筋混凝土結構的受力筋。HRB500鋼筋強度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預應力鋼筋。常用建筑鋼材圖7.9帶肋鋼筋外形圖表7-8熱軋帶肋鋼筋的力學性能和工藝性能要求常用建筑鋼材3)低碳鋼熱軋圓盤條低碳鋼熱軋圓盤條是由屈服強度較低的碳素結構鋼軋制的盤條?？捎米骼z、建筑、包裝及其他用途，是目前用量最大、使用最廣的線材，也稱普通線材。普通線材大量用作建筑混凝土的配筋、拉制普通低碳鋼絲和鍍鋅低碳鋼絲。供拉絲用盤條代號為“L〞，供建筑和其他用途盤條代號為“J〞。盤條的公稱直徑為5.5mm、6.0mm、6.5mm、7.0mm、8.0mm、9.0mm、10.0mm、11.0mm、12.0mm、13.0mm、14.0mm。根據?低碳鋼熱軋盤條?GB/T701—1997的規(guī)定，低碳鋼熱軋盤條的力學性能和工藝性能應符合表7-9及表7-10的要求。表面形狀牌

號公稱直徑(mm)屈服點(MPa)抗拉強度(MPa)

(%)冷彎d—彎心直徑a—鋼筋公稱直徑≥帶肋HRB3356～2528～5033549016180о

d=3ad=4aHRB4006～2528～5040057014180о

d=4ad=5aHRB5006～2528～5050063012180о

d=6ad=7a表7-9供拉絲用盤條力學性能和工藝性能常用建筑鋼材牌

號力學性能冷彎試驗，180оd=彎心直徑a=試樣直徑抗拉強度(MPa)≥伸長率(%)≥Q195Q215Q235420420470282622d=0d=0.5ad=a表7-10供建筑及包裝用盤條力學性能和工藝性能常用建筑鋼材表7-11冷軋帶肋鋼筋的力學性能和工藝性能常用建筑鋼材注：D為彎心直徑，d為鋼筋公稱直徑。表7-12冷軋帶肋鋼筋反復彎曲試驗的彎曲半徑(mm)鋼筋公稱直徑456彎曲半徑101515常用建筑鋼材表7-13預應力混凝土用熱處理鋼筋的力學性能常用建筑鋼材預應力混凝土用熱處理鋼筋強度高，可代替高強鋼絲使用；配筋根數少，節(jié)約鋼材；錨固性好不易打滑，預應力值穩(wěn)定；施工簡便，開盤后自然伸直，不須調直及焊接。主要用于預應力鋼筋混凝土軌枕，也可用于預應力梁、板結構及吊車梁等。6)預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線(1)預應力混凝土用鋼絲是用優(yōu)質碳素結構鋼制成，?預應力混凝土用鋼絲?(GB/T5223—2002)按加工狀態(tài)分為冷拉鋼絲(WCD)和消除應力鋼絲兩類。消除應力鋼絲按松弛性能又分為低松弛級鋼絲(WLR)和普通松弛鋼絲(WNR)。按外形分類光圓(P)、螺旋肋鋼絲(H)和刻痕鋼絲(I)。預應力混凝土用鋼絲有強度高(抗拉強度在1470MPa～1770MPa以上，屈服強度在1100MPa～1330MPa以上)，柔性好(標距為200mm的伸長率大于1.5%，彎曲180о達4次以上)，無接頭，質量穩(wěn)定可靠，施工方便，不須冷拉、不須焊接等優(yōu)點。主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊車梁、橋梁、電桿和軌枕等的預應力鋼筋等。(2)預應力混凝土用鋼絞絲是以數根優(yōu)質碳素結構鋼鋼絲經絞捻和消除內應力的熱處理而制成。?預應力混凝土用鋼絞線?(GB/T5224—2004)根據捻制結構(鋼絲的股數)，將其分為1×2、1×3、1×3I、1×7和(1×7)C五類。預應力混凝土用鋼絞線的最大負荷隨鋼絲的根數不同而不同，7根捻制結構的鋼絞線，整根鋼絞線的最大力達384kN以上，規(guī)定非比例延伸力可達346kN以上，1000h松弛率≤1.0%～4.5%。預應力混凝土用鋼絞線亦具有強度高、柔韌性好、無接頭、質量穩(wěn)定和施工方便等優(yōu)點，使用時按要求的長度切割，主要用于大跨度、大負荷的后張法預應力屋架、橋梁和薄腹板等結構的預應力筋。二、型鋼鋼結構用鋼材主要是熱軋成型的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結構中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼。常用建筑鋼材1.熱軋型鋼鋼結構常用型鋼有工字鋼、H型鋼、T型鋼、Z型鋼、槽鋼、等邊角鋼和不等邊角鋼等。如圖7.10所示為幾種常用型鋼示意圖。型鋼由于截面形式合理，材料在截面上分布對受力最為有利，且構件間連接方便，所以它是鋼結構中采用的主要鋼材。常用建筑鋼材圖7.10幾種常用熱軋型鋼截面示意圖(a)工字鋼(b)槽鋼(c)等邊角鋼(d)不等邊角鋼鋼結構用鋼的鋼種和鋼號，主要根據結構與構件的重要性、荷載的性質(靜載或動載)、連接方法(焊接、鉚接或螺栓連接)、工作條件(環(huán)境溫度及介質)等因素來選擇。我國建筑用熱軋型鋼主要采用碳素結構鋼和低合金鋼，其中應用最多是碳素鋼Q235-A，低合金鋼Q345(16Mn)及Q390(15MnV)，前者適用于一般鋼結構工程，后者可用于大跨度、承受動荷載的鋼結構工程。工字鋼廣泛應用于各種建筑結構和橋梁，主要用于承受橫向彎曲(腹板平面內受彎)的桿件，但不宜單獨用作軸心受壓構件或雙向彎曲的構件。與工字鋼相比，H型鋼優(yōu)化了截面的分布，有翼緣寬，側向剛度大，抗彎能力強，翼緣兩外表相互平行、連接構造方便、省勞力，重量輕、節(jié)省鋼材等優(yōu)點。常用于承載力大、截面穩(wěn)定性好的大型建筑，其中寬翼緣和中翼緣H型鋼適用于鋼柱等軸心受壓構件，窄翼緣H型鋼適用于鋼梁等受彎構件。槽鋼可用做承受軸向力的桿件、承受橫向彎曲的梁以及聯(lián)系桿件，主要用于建筑結構、車輛制造等。