钢材工艺性能及影响因素

冷弯性能和焊接性能是建筑钢材重要的工艺性能，钢材化学成分、热处理和冷加工都是钢材性能的重要影响因素。

1.冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形而不断裂的能力。在工程中，常常需要将钢板、钢筋等钢材弯成所要求的形状，冷弯试验就是模拟钢材弯曲加工而确定的。钢材的冷弯性能大小是以试验时的弯曲角度 a、弯心直径 d与钢材厚度 a 的比值来表示，如图 6.10所示。弯心直径越小，弯曲角度越大，说明钢材的冷弯性能越好。钢材试件绕着指定弯心弯曲至指定角度后，如试件弯曲处的外拱面和两侧面不出现断裂、起层现象，即认为其冷弯合格。

图6.10　钢材的冷弯试验

通过冷弯试验可以检查钢材内部存在的缺陷，如钢材因冶炼、轧制过程所产生的气孔、杂质、裂纹、严重偏析等。所以，钢材的冷弯指标不仅是工艺性能的要求，也是衡量钢材质量的重要指标。

钢材的伸长率和冷弯都可以反映钢材的塑性大小，但伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性，而冷弯却反映钢材局部产生不均匀的塑性。因此，伸长率合格的钢材，其冷弯性能不一定合格。故要求凡是建筑结构用的钢材，还必须满足冷弯性能的要求。

2.焊接性能

在建筑工程中，无论是钢结构，还是钢筋骨架、接头及预埋件的连接等，大多数是采用焊接方式连接的，这就要求钢材应具有良好的可焊性。

钢材在焊接过程中，由于局部高温的作用，焊缝及其附近的过热区将发生晶体结构的变化，使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，并由于温度急剧下降，存在残余应力，而降低焊件的使用质量。钢材的可焊性就是指钢材在焊接后，所焊部位连接的牢固程度和硬脆倾向大小的性能。可焊性良好的钢材，焊头连接牢固可靠，硬脆倾向小，焊缝及附近处仍能保持与母材基本相同的性质。

钢材的化学成分、冶炼质量及冷加工等，对钢材的可焊性影响很大。试验表明，含碳量小于 0.25% 的碳素钢具有良好的可焊性，随着含碳量的增加，可焊性下降；硫、磷以及气体杂质均会显著降低可焊性；加入过多的合金元素，也将在不同程度上降低其可焊性。因此，对焊接结构用钢，宜选用含碳量较低、杂质含量少的平炉镇静钢。对于高碳钢和合金钢，需采用焊前预热和焊后热处理等措施来改善焊接后的硬脆性。

对于焊接结构用钢及其焊缝，应按规定进行焊接接头的拉伸、冷弯、冲击、疲劳等项目试验，以检查其焊接质量。

3.化学成分对钢材性能的影响

钢中所含元素较多，除主体的铁和碳之外，还含有锰、硅、钒、钛等合金元素及硫、磷、氮、氧、氢等有害元素，这些元素对钢材的性能均有不同程度的影响。

（1）碳（C）。碳是影响钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢材的强度增加（含碳量大于1%则相反），硬度提高，塑性、韧性下降，冷脆性增加，可焊性变差，抵抗大气腐蚀的性能也下降。工业纯铁含碳小于0.04%时是很软的，而钢轨用钢含碳0.71%（再经热处理）就很硬，结构用钢的含碳量0.06%～0.85%。

（2）硅（Si）。硅是炼钢时作为脱氧剂加入的。当含硅量在 1% 以内时，能显著提高钢材的强度，而对塑性、韧性没有显著影响。在碳素钢中硅含量一般不超过 0.35%，在合金钢中含量多一些，但含硅大于l% 后，钢材的塑性、韧性有所降低，冷脆性增加，可焊性变差。

（3）锰（Mn）。锰是炼钢时为脱硫、脱氧加入的。当锰的含量在 0.8%～l% 时，可显著提高钢材的强度和硬度，而对塑性、韧性没有显著影响。加入的锰可以去硫，降低由于硫所引起的热脆性影响，改善钢的热加工和焊接性能。在碳素结构钢中，含锰量在 0.8% 以下；一般的合金钢中含锰量为l%～2%。若含锰量大于l%，钢材的塑性、韧性则有所下降。含锰量为11%～14%、含碳量为1.0%～1.4% 的高锰钢（代号GM）很硬，具有很高的耐磨性，铁路道岔上的高锰钢整铸辙叉，就是用高锰钢铸造的。

（4）钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）。钒、钛、铌是作为合金元素加入的。加入适量的钒、钛或铌，能够改善钢的组织结构，细化晶粒，提高钢材的强度和硬度，改善塑性和韧性。例如，在低合金钢中加入微量的铌（≤0.05%）或钒（0.05%～0.15%）或钛（0.02%～0.08%），可以提高钢材的强度，改善其塑性、韧性。

（5）硫（S）。硫是由铁矿石和燃料带入钢中的。硫与铁化合形成的硫化亚铁（FeS）是一种低熔点（＜1 000°C）的夹杂物，钢材在进行热轧加工或焊接加工时硫化亚铁熔化，致使钢内晶粒脱开，形成细微裂缝，钢材受力后发生脆性断裂，这种现象称为热脆性。硫在钢中的这种热脆性，降低了钢材的热加工性能和可焊性，并使钢材的冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能降低。因此，要严格控制钢中的含硫量，普通碳素结构钢的含硫量不大于0.050%，优质碳素结构钢中含硫量不大于0.035%。

（6）磷（P）。磷是由铁矿石和燃料带入钢中的。磷虽能提高钢材的耐磨性和耐腐蚀性能，但也显著地提高了钢材的脆性转变温度，增加钢材的冷脆性，降低钢材的冷弯性能和可焊性。故钢中磷的含量必须严格控制，普通碳素结构钢的含磷量不大于0.045%，优质碳素结构钢的含磷量不大于0.035%。磷对提高钢材的耐磨、耐腐蚀性能有利。规范规定，钢轨用钢含磷量不大于0.040%。

（7）氮（N）。氮是在冶炼过程中由空气带入钢内残留下来的，也是一种有害元素，通常以Fe4N形式存在。氮可提高钢材的强度和硬度，增强钢材的时效敏感性和冷脆性，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和冷弯性能。如在含有钒、钛的合金钢中加入微量的氮，形成它们的氮化物，则氮的存在就会成为有利因素，如高强度的桥梁专用钢15MnVNq便是一例。

（8）氧（O）。钢中的氧是有害元素，常以氧化物夹杂其中。氧使钢材具有热脆性，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、耐腐蚀性能，故其含量不应大于0.02%。

（9）氢（H）。钢中的氢显著降低钢材的塑性和韧性。在高温时氢能溶于钢中，冷却时便游离出来，使钢中形成微裂缝，受力时很容易发生脆断，该现象称为“氢脆”。钢材脆断的断口若有“白点”，便是氢的危害。钢轨中的“白点”常引起钢轨脆断，造成严重事故，故需要严格控制钢轨中氢的含量。(https://www.xing528.com)

4.钢材热处理对钢材性能影响

对钢材进行不同速率和时间的加热、保温与冷却的工艺操作，从而改变其内部组织，改善其性能的处理称为热处理。钢材的热处理有退火、正火、淬火和回火等，它们的处理工艺如图6.11所示。

图6.11　钢材的热处理示意图

（1）退火。将钢材加热到727°C以上的某一适当温度，并保持一定的时间后，随炉缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火可以降低钢材的硬度，提高钢材的塑性和韧性，并能消除冷加工、热加工或热处理所形成的内应力。

（2）正火。将钢材加热到727°C以上的某一适当温度，并保持一定的时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火能提高钢材的塑性和韧性，消除钢材在热轧过程中形成的组织不均匀和内应力。

（3）淬火。将钢材加热到727°C以上的某一适当温度，并保持一定的时间后，放入水、油或其他介质中急速冷却的热处理工艺称为淬火。淬火能显著提高钢材的硬度和耐磨性，但使其塑性和韧性显著降低，脆性很大，因此，常常在淬火后进行回火处理，以改善钢材的塑性和韧性。

（4）回火。将钢材加热到727°C以下的某一适当温度，并保持一定的时间后，在空气中冷却的处理工艺称为回火。对淬火后的钢材进行回火处理，可以消除钢材的内应力，降低其硬度和脆性。

回火的效果与加热的温度有关。根据加热温度不同，分为低温回火、中温回火和高温回火三种。采用低温回火（加热温度为150～250°C），可以保持钢材的高强度和高硬度，塑性和韧性稍有改善；采用中温回火（加热温度为350～500°C），可以使钢材保持较高的弹性极限和屈服强度，而又具有一定韧性，如弹簧钢就常用中温回火处理；采用高温回火（加热温度为500～600°C），可使钢材既有一定的强度和硬度，又有适当的塑性和韧性。

（5）调质处理。通常把淬火加高温回火称为调质处理。调质处理可以使钢材具有很高的强度，又具有一定的塑性和韧性，从而获得良好的综合性能，是目前用来强化钢材的有效措施。如工程上用的热处理钢筋，就是经过淬火和回火的调质处理，使其屈服强度由原来的540 MPa提高到1 300 MPa。

5.钢材冷加工对钢材性能影响

在常温下对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形的加工，称为冷加工。冷加工可以改善钢材的性能。常用的冷加工方法有冷拉、冷拔、冷轧、冷扭等。

冷拉是将钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形。通过冷拉，能使钢筋的强度提高10%～20%，长度增加6%～10%，并达到矫直、除锈、节约钢材的目的。

冷拔是将钢筋通过用硬质合金制成的拔细模孔强行拉拔，如图6.12所示。由于模孔直径略小于钢筋直径，从而在使钢筋受到拉拔的同时，钢筋与模孔接触处受到强力挤压，钢筋内部组织更加紧密，使钢筋的强度和硬度大为提高，但塑性、韧性下降很多，具有硬钢性能。

图6.12　冷拔模孔

将热轧钢筋或低碳钢试件进行拉伸试验，应得到图 6.13 中 OABCKDE的应力-应变关系曲线。如果在荷载加至强化阶段中的某一点K处时将荷载卸去，则在荷载下降的同时，弹性变形回缩，应力-应变关系沿斜线KO1落到O1点，试件留下OO1的塑性变形。如果对钢材进行了冷加工的，若立即再拉伸，试件的应力与应变关系先沿O1K上升至K点，然后沿原来的规律KDE发展至断裂。可见，原来的屈服点不再出现，在K点处发生较大的塑性变形，比例阶段和弹性阶段扩大至O1K段，这就说明，经冷加工后的钢材，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性下降（塑性变形减少了OO1段），这一效果称为钢材的冷加工强化。

图6.13　钢材冷拉的σ-ε曲线

若不立即拉伸，将卸荷后的试件在常温下放置15～20 d后，再继续拉伸，这时发现，试件的应力-应变曲线沿O1KK1D1E1发展。这说明，经冷加工强化后的钢材，由于放置一段时间，不但其屈服强度提高，抗拉强度也提高了，而塑性、韧性则进一步下降。这一现象称为钢材的冷加工时效。

冷加工强化后的钢材在放置一段时间后所产生的时效称为自然时效。若将冷加工强化后的钢材加热到100～200°C，保持2 h，同样可以达到上述的效果，这称为人工时效。

钢材经过冷拉、冷拔、冷轧等冷加工之后产生强化和时效，使钢材的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。利用这一性质，可以提高钢材的利用率，达到节省钢材、提高经济效益的目的。但应兼顾强度和塑性两方面的合理程度，不可因过分提高钢材强度而使其塑性、韧性下降过多，以免降低钢材质量，影响使用。经过冷加工的钢材，不得用于承受动荷载作用的结构，也不得用于焊接施工。