钢材 - 001百科

2023年8月26日 09:16:3060字数 7996阅读模式

简介

钢材是最重要的土木工程材料，主要分为钢结构用钢和钢筋混凝土用钢，广泛应用于土木工程、水利水电工程、市政工程及道路桥梁建设工程中。

冶炼

钢的冶炼是将炼钢生铁和废钢等原料在炼钢炉内的高温氧化作用，将所含的碳氧化，使含碳量降至要求的范围，同时将其中的磷、硫等有害元素降至一定范围的过程。生铁是用铁矿石在高炉内经高温熔炼而得的铁碳合金。

常见的炼钢方法为电炉炼钢法、平炉炼钢法及转炉炼钢法三种。

电炉炼钢法

是以电为能源迅速加热生铁或废钢料来冶炼的一种方法。该方法的优点是熔炼温度高、温度可自由调节、易消除杂质、炼钢质量高等。由于要耗费大量的电能，故成本较高。主要用来冶炼优质碳素钢和合金钢及其他特殊钢种。

平炉炼钢法

以生铁、废钢铁及铁矿石为原料，以煤气或重油的燃烧提供能量，利用空气中的氧或铁矿石中的氧使杂质氧化而被除去的一种冶炼方法。该方法的优点是易于调整和控制钢的成分、冶炼时间长、杂质少、质量高。缺点是投资大、成本高。可用来冶炼优质碳素钢和合金钢及其他特殊钢种。

转炉炼钢法

以熔融的铁水为原料，无需电能和燃料，由转炉侧面或底面吹入高压热空气，使铁水中的杂质被氧化而除去的一种冶炼方法。转炉炼钢由于直接吹入的是空气，极易将空气中的杂质元素带入铁中，因此，其冲击韧性、抗腐蚀性能都较平炉钢差，且冷脆性和时效敏感性也较平炉钢大，所以转炉钢的质量不如平炉钢。但是目前在转炉钢中用纯氧顶吹法炼得的钢材，其有害杂质含量甚至比平炉钢还少，因此纯氧顶吹转炉钢的质量完全不亚于平炉钢。转炉钢的优点是冶炼周期短、速度快、生产效率高、钢质较好。可用来冶炼优质碳素钢和合金钢。

性能

在土木工程中，掌握钢材的性能是合理选用钢材的基础。钢材的性能主要包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等）和工艺性能（冷弯性能、焊接性能和热处理性能等）两个方面。

力学性能

力学性能又称机械性能，是钢材最重要的使用性能。在建筑结构中，对承受静荷载作用的钢材，要求具有一定的力学强度，并要求所产生的变形不致影响到结构的正常工作和安全使用。对承受动荷载作用的钢材，还要求具有较高的韧性而不致发生断裂。

1.抗拉性能

拉伸作用是建筑钢材的主要受力形式，通过拉伸试验，可以测得钢材的屈服强度、抗拉强度及伸长率等重要的技术性能指标，因此，抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。

2.冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力，由弯曲冲击韧性试验确定。将中部加工有V形或U形的标准试件，在冲击试验机上的摆锤冲击下，以缺口处单位面积上所消耗的功来作为其指标，以符号αk表示冲击韧性的值。αk越大，表明冲断试件消耗的能量越多，钢材的冲击韧性越好。

3.耐疲劳性

钢材承受交变荷载的反复作用时，常常在远低于屈服点时突然发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材抵抗疲劳破坏的能力叫做钢材的耐疲劳性。钢材疲劳破坏的指标用疲劳强度，或用疲劳极限表示。疲劳强度是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值，一般把钢材承受交变荷载106～107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。

4.硬度

硬度是指钢材表面局部体积内抵抗硬物压入表面的能力，即材料表面抵抗塑性变形的能力。钢材的软硬程度就用其硬度来衡量，硬度同时也间接地反映了钢材的强度和耐磨性能，是材料弹性、塑性、变形强化率和韧性等一系列性能的综合反映。目前测定钢材硬度的方法有布氏法（HB）、洛氏法（HRC）和维氏法三种，常用的为布氏法。

工艺性能

钢材兼具优良的力学性能和良好的工艺性能，在土木工程中应用非常广泛。良好的工艺性能可以保证钢材顺利通过各种加工，而使钢材制品的质量不受影响。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑钢材的重要工艺性能。

1.冷弯性能

冷弯性能是反映钢材在常温下受弯曲变形而不破坏的能力。其指标是以常温下规定试件弯曲角度α和弯心直径d对试件厚度d0（或直径）的比值来表示。

试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，表示的冷弯性能越好。冷弯检验是按规定的弯曲角度和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、起层或裂断为冷弯性能合格。

钢材的冷弯性能不仅揭示了钢材在常温下承受弯曲抵抗破坏的能力，还可以作为钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷以及冷加工性能的检验指标。通常，钢材的塑性越大，冷弯性能越好。

2.焊接性能

钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，焊缝及附近过热区不产生裂纹、缺陷及硬脆倾向，焊接后钢材整体的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。焊接是各种型钢、钢板及钢筋的重要连接方式。建筑工程的钢结构有90%以上是焊接结构。焊接结构质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢材本身的焊接性能，焊接性能好的钢材，焊口处不易形成裂纹、孔洞、夹渣等缺陷；焊接后的焊头牢固、饱满，硬脆倾向小。

钢的化学成分对钢材焊接性能有较大影响。含碳量低于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性，碳含量高将增加焊接接头的硬脆性，钢材的焊接性能降低；若钢材中合金元素（如硅、锰、钒、钛等）含量提高，也会降低钢材的焊接性。特别是钢中含硫会使其在焊接时产生热脆性。

钢筋焊接时，为了改善高碳钢和合金钢，一般采用焊前预热和焊后热处理等工艺手段来提高钢材的可焊性；冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行；焊接部位应清除锈蚀、熔渣和油污等。

组成结构

金属的晶体结构

1.晶体结构的类型

金属是晶体或晶粒的聚集体，金属原子以金属键相结合。破坏金属键需要较高的能量，故当金属晶体受荷载作用时，金属键不易断裂，而原子或离子产生滑移，使金属材料表现出较高强度和良好塑性。

在金属晶体中，金属原子按最小单元或最紧密堆积的规律排列，所形成的空间格子称为晶格，反映排列规律的基本几何单元称为晶胞。晶格有三种类型：面心立方晶格（FCC），体心立方晶格（BCC），密集六方晶格（HCP）。

2.金属晶体结构中的缺陷

在金属晶体中原子的排列并非完整有序，而是存在不同形式的晶格缺陷，而这些缺陷对金属的强度、塑性和其他性能有明显的影响。这也是钢材的实际强度较理论强度低的根本原因。这些缺陷主要有点缺陷、线缺陷及面缺陷三类。

（1）点缺陷。点缺陷主要指晶格内的间隙原子和空位，个别能量较高的原子克服了邻近原子的束缚，形成“空位”，产生晶格畸变；或者杂质原子的嵌入成为间隙原子形成点缺陷。空位降低了原子间的结合力，是钢材的强度有所降低；间隙原子增加了晶面滑移阻力，提高了强度，但塑性和韧性下降。故在生产钢材时，可添加一些其他金属元素，因其原子大小、质量、吸引力等都不同，可增加原子间的点缺陷，进而可提高钢材的强度，优化钢材的力学性能。

（2）线缺陷。线缺陷主要指刃形错位。晶面间原子排列数目不相等形成“位错”。施加切应力后，并不在受力晶面上克服键力使原子产生移动，而是逐渐向前推移位错。当位错运动到晶体表面时，位错消失而成形一个滑移台阶，往往这个滑移并非是晶面整个滑移，而是部分滑移，因而减小了原子间的滑移阻力，可以提高钢材的塑性。

（3）面缺陷。金属晶体由许多晶格取向不同的晶粒所组成，晶粒间的边界称为晶界。在晶界处原子的排列规律受到严重干扰，使晶格发生畸变，如图6.10所示。畸变区形成一个面，这些面又交织成三维网状结构，形成面缺陷。由于这种交织网状结构，晶面滑移时受到阻力增大，故面缺陷可提高钢材强度，但塑性降低。三维网状结构越复杂，晶界越多，晶粒越细，滑移时的阻力越大，则强度越高。

铁的晶体结构

纯铁从液态转变为固态品体，并逐渐冷却到室温的过程中，发生了两次晶格形式的转变。在1394℃以上，形成体心立体晶格，称δ-Fe；由1394℃降至912℃，则转变为面心立方晶格，称γ-Fe；降至912℃以下，又转变为体心立方晶格，称α-Fe。

钢的基本组织

钢是以铁为主的铁碳合金，碳的含量虽少，但对钢材的力学性能有较大的影响。铁和碳原子的结合有三种形式：

（1）固溶体。铁中固溶着微量的碳，其中铁是溶剂，碳是溶质，铁的晶格保持不变。

（2）化合物。铁和碳结合成化合物Fe3C。

（3）机械混合物。固溶体和化合物的混合物。三种形式的Fe-C结合，在一定条件下形成不同形态的聚合物，构成钢的基本组织。

碳素钢中基本组织的含量与含碳量的关系密切。含碳量小于0.8%时，其基本组织为铁素体和珠光体，随含碳量的提高，铁素体含量逐渐减少而珠光体含量相对增多，从而使钢材的强度、硬度逐渐提高，塑性、韧性却逐渐降低；含碳量为0.8%时，钢的基本组织仅为珠光体；当含碳量大于0.8%时，钢由珠光体和渗碳体组成，随含碳量的提高，珠光体逐渐减少而渗碳体相对增多，从而使钢材塑性、韧性、强度逐渐降低，而硬度逐渐提高。

建筑钢材的含碳量低于0.8%，基本组织为铁素体和珠光体，既有较高的强度，也有良好的塑性、韧性，能很好地满足工程的需要。

化学成分

钢材的主要化学成分是铁元素和碳元素，还加入了一些金属元素如锰、钛、钒、铬等及非金属元素如硅、硫、磷、氧等，这些元素对钢材的性能有不同程度的影响。有些有害元素如磷、硫等需加以控制其含量。

1.碳

碳是决定钢材性质的主要元素。当含碳量小于0.8%时，随着含碳量的增加，钢的抗拉强度和硬度提高，塑性、韧性、和冷弯性能降低；含碳量增至0.8%～1.0%时，强度最大；含碳量超过1.0%以后，钢材变硬变脆，强度反而下降。随着含碳量的增加，还会使钢材的焊接性能、耐腐性能下降。一般工程用碳素钢均为低碳钢，含碳量小于0.25%，低合金钢含碳量小于0.52%。

2.硫

硫是钢材中最主要的有害元素，其含量是区分钢材品质的重要指标之一，通常由炼钢原料中带入。硫在钢中以FeS的形式存在于晶界上，原子间的化学键键发生了变化，使晶粒间的结合变弱。硫的存在导致钢材强度、冲击韧性和疲劳强度、抗腐蚀性等大大降低。而且使钢在热加工和焊接过程中易出现热裂纹，产生热脆性。硫含量越高，对钢材的危害性越大，故在炼钢时应严格控制其含量来满足工程中对钢材的技术要求。

3.磷

磷也是钢材中的主要有害元素，磷一般溶于铁素体中，极易产生偏析现象。磷会显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温下的冲击韧性。但钢的强度、耐磨性、耐蚀性提高，冷脆性增加，但焊接性能下降。

4.氧

氧是钢材中的有害元素，主要存在于非金属夹杂物中，少量溶于铁素体中。氧元素会降低钢的力学性能，特别是降低韧性，还会促进钢材的时效敏感性，使可焊性变差，但钢的强度有所提高。

5.氮

氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，钢材强度有所提高，但塑性、韧性下降。溶于铁素体中的氮，有向晶格缺陷移动、聚集的倾向，加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，可焊性变差。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可改善钢材性能，减少其对钢材的不利影响。

6.硅

硅是我国低合金钢的主加合金元素，炼钢主要作为脱氧剂，是钢的有益元素。当钢材中含硅量小于1.0%时，大部分溶于铁素体中，钢的强度显著提高，且对钢的塑性和韧性无明显影响；含硅量大于1.0%时，塑性和韧性显著降低，冷脆性增加，可焊性变差。

7.锰

锰是我国低合金钢的中的主要合金元素，炼钢时能起脱氧除硫的作用，是钢的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫作用，能减轻氧、硫所引起的热脆性，使钢材的热加工性能得到改善，同时能细化晶粒，提高了钢材的强度和硬度。含锰量小于1.0%时，可显著提高钢的强度和硬度，但对钢材的塑性和韧性影响不大；当锰含量大于1.0%时，会降低钢材的耐腐蚀性和焊接性能。含锰量一般为1.0%～2.0%，有较高耐磨性的高锰钢的含锰量可达11%～14%。

8.钒

钒是合金钢常用的微量合金元素，是弱的脱氧剂，在钢中形成碳化物和氮化物，可减弱碳和氮的不利影响。少量的钒能细化晶粒，有效提高强度和低温韧性，减少时效敏感性。过高则降低钢的韧性，增加了钢的焊接硬脆倾向。

9.铝

铝是钢中常用的脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和冲击韧性。铝还具有抗氧化性和耐腐蚀性，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮和耐腐蚀性能。铝的缺点是影响钢的热加工性和焊接性。

10.钛

钛是常用的微量合金元素，是强脱氧剂，能显著提高钢材的强度，改善韧性和可焊性，但稍降低其韧性。

11.镍

镍能提高钢的强度，又能保持良好的塑性，而且具有较高的耐酸碱腐蚀能力。

12.铬

在结构钢种，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性。因其在高温时具有较高的抗氧化性和耐腐蚀性，故是不锈钢和耐热钢材中重要合金元素。

13.钼

钼能使钢的晶粒细化，提高其淬透性和热强性，在高温时可保持较高的强度和抗蠕变性能。

14.钨

钨熔点高，与碳形成碳化物，具有很高的硬度和耐磨性，主要用途为制造灯丝和高速切削合金钢、超硬模具等。

强化机理

为了提高金属材料的屈服强度及其他力学性能，常常通过改变晶体缺陷的数量和分布状态来达到要求。

1.细晶强化

钢材是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大小可用单位体积内晶粒的数目来表示，晶粒数目越多，则晶粒越细，单位体积中的晶界越多，晶面阻力越大，则材料的屈服强度越高。这种通过增加单位体积中晶界面积来提高屈服强度的方法，称为细晶强化。通常加入某些合金元素使金属凝固时结晶核心增多，进而达到细晶强化的目的。

2.固溶强化

在钢材中加入另一种物质（如铁中加入碳）形成固溶体，当固溶体中溶质原子和溶剂原子的直径存在差异时会形成大量的晶体结构缺陷，从而使位错运动阻力增大，使屈服强度提高，称为固溶强化。

3.弥散强化

在均匀材料中加入硬质超细颗粒，导致位错阻力加大，使屈服强度提高，称为弥散强化。硬质颗粒一般为不溶于基体、熔点较高的氧化物、碳化物及氮化物，称为第二相或强化相，散入强化相质点的强度愈高、愈细、愈分散、数量愈多，则位错运动阻力愈大，强化作用愈明显。

4.变形强化

金属材料受荷载变形时，晶体内部的缺陷密度将明显增大，导致屈服强度提高，称为变形强化。由于这种强化作用只能在低于熔点温度40%的条件下产生，故称为冷加工强化。

冷加工

钢材的冷加工

钢材在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭等加工，称为钢材的冷加工。钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，但塑性和韧性相应降低，这个过程称为冷加工强化处理。

冷加工强化的机理是：钢材在冷加工过程中晶格的缺陷增多，晶粒发生改变，畸变晶粒增多，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用。冷加工后的钢材受到荷载后，必须再次产生晶格滑移，这就要求增加外力，这就表明提高了钢材的屈服点，但由于减少了可以利用的滑移面，塑性和韧性降低。由于塑性变形过程中产生了内应力，故钢材的弹性模量降低。

（1）冷拉。冷拉是在常温条件下，用超过钢筋强度的拉应力，强行拉伸钢筋，使钢筋产生塑性变形，来达到提高钢筋强度和节约钢材的目的。钢筋经冷拉后，一般其屈服强度可提高20%～25%，冷拉可直接在施工现场进行。

（2）冷拔。冷拔加工是强力拉拔钢筋使其通过截面小于钢筋截面的硬质合金拔丝模，使其伸长变细。钢筋在冷拔过程中，不仅受到强烈的拉力，还受到周围模具的强力挤压。经一次或多次冷拔后的钢筋，其屈服强度可大大提高，约为40%～60%，但其塑性和韧性显著降低，具有硬钢的性能。

（3）冷轧。冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面具有一定规律变化的加工过程，可提高钢材的屈服强度及与混凝土的黏结力。钢筋在冷轧时，其截面纵向和横向同时受力因而能较好地保持其塑性和内部结构均匀性。

（4）冷轧扭。冷轧扭是以热轧圆盘条为原料，经专用生产线，先冷压扁，再冷扭转，形成的一系列螺旋状直条钢筋，具有良好的塑性和较高的抗拉强度。这种螺旋状结构大大增加了其与混凝土的握裹力，是常见的混凝土用钢材。

冷加工的原理就是将钢筋拉至某一点K（大于屈服强度而小于极限强度），然后放松，钢筋则沿KO′恢复部分变形，保留OO′残余变形。这时如立即再拉伸，钢筋沿O′K发展，屈服点由原来的B点少许提高到K点。再张拉，曲线沿KCD发展至D而破坏。这种方法称不经时效处理的冷拉。结果是屈服点提高，抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低。

钢材的时效处理

钢材经冷加工后，在常温下存放15～20d，或加热至100～200℃，保持2～3h，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性和韧性继续降低的过程，称为时效。前者称为自然时效，后者称为人工时效。

经过时效处理的钢筋，再进行拉伸，屈服强度将有原来的K点上升至K1点，继续拉伸时曲线将沿着K1C1D1发展，应力-应变曲线为O′K1C1D1。由应力-应变曲线可看出，其屈服点进一步提高，抗拉强度有所增长，塑性和韧性进一步降低。

钢材产生时效的主要原因是：溶于α-Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。

土木工程中，应通过试验确定合理的冷拉应力和时效处理措施。强度较高的钢筋采用人工时效，强度较低的钢筋采用自然时效。

热处理

热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定的时间，又以不同速度冷却的一种工艺方法。通过热处理可改变晶体组织，或消除由于冷加工产生的内应力，从而改变钢材的力学性能。热处理包括淬火、回火、退火和正火四中基本工艺。

1.正火

将钢件加热至基本组织改变（相转变）温度以上，保持一定时间，然后在空气中冷却，这种热处理工艺称为正火。通过这种工艺，可使晶格细化，消除组织缺陷，提高钢的强度，改善切削加工性和力学性能。

2.退火

将钢材加热至基本组织转变（相转变）温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却），这种热处理工艺称为退火。退火工艺的目的是消除内应力，降低材料的硬度，减少缺陷和晶格畸变，提高钢材组织和成分的均匀化，使钢的塑性和韧性得到改善。

3.淬火

将钢材加热至基本组织改变（相转变）温度以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中快速冷却，使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度、硬度及耐磨性将增加，塑性和韧性明显下降。

4.回火

将经过淬火的钢件加热到基本组织改变（相转变）温度以下（150～650℃），保温后，在空气、水或油介质中冷却至室温的热处理工艺称为回火。回火过程中消除了钢件在淬火时所产生的应力，回火后的钢材，兼具强度、硬度、耐磨性及所需要的塑性和韧性。但回火温度越高，强度和硬度会降低，塑性和韧性得到提高。

钢材

简介

冶炼