铁与铁合金用途大揭秘

1）铁

铁是一种高强度、高密度的金属，用于建造人工环境中最耐久的部分。铸铁经常用作井盖、水渠箅子等地面开口的覆盖物，承担繁重的交通负荷。铺装区域的树池箅子也是我们熟悉的铸铁用途。铸铁，顾名思义，就是将熔融状态的铁灌注到模具中，然后让其冷却（图1.36—图1.38）。

图1.36　铸铁排水沟箅子

图1.37　树池箅子

图1.38　锻铁构件

树池箅子能够兼顾给树木浇水和高密度城市交通的要求。在选择箅子的时候要考虑树干的生长。图1.37中的这款箅子还给射灯留下了位置。

锻铁是将加热的铁块锻造塑形而成的。现在很多看起来是锻铁的构件（图1.38）实际都是用注模的方法制成的。

2）钢

钢是由生铁冶炼而成。理论上凡含碳量为2%以下，有害杂质较少的铁碳合金称为钢。生铁也是一种铁碳合金，其中碳的含量为2.06%～6.67%。生铁硬而脆，无塑性和韧性，不能进行焊接、锻造、轧制等加工。钢材材质均匀，抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度都很高，具有一定的塑性和韧性，常温下能承受较大的冲击和振动荷载，具有良好的加工性，可以锻造、锻压、焊接、铆接或螺栓连接，便于装配，但其易锈蚀、维修费用大、耐火性差。

园林工程中所用的钢材包括各种型钢、钢板和钢筋混凝土中的各种钢筋与钢丝。工程上一般将直径为6～10 mm的称为钢筋，将直径为2.5～5 mm的称为钢丝。

（1）钢的分类　钢按照脱氧程度不同可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢脱氧不完全，钢组织不够致密，气泡多，成分不均匀，质量差，但成品率高，成本低。镇静钢脱氧彻底，组织致密，化学成分均匀，机械性好，质量较好，但成本较高。半镇静钢脱氧程度介于前面两者之间。

钢按照化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。其中碳素钢有低碳钢（含碳量＜0.25%）、中碳钢（含碳量0.25%～0.60%）、高碳钢（含碳量＞0.60%）三类；合金钢有低合金钢（合金元素含量＜5%）、中合金钢（合金元素含量5%～10%）、高合金钢（合金元素含量＞10%）三类。

（2）常用建筑钢材

①碳素结构钢：碳素结构钢是普通碳素结构钢的简称。其在各类钢中产量最大，用途最广，多轧制成钢板、钢带、型钢等。普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（有195，215，235，255，275 MPa五种）、质量等级符号（有A，B，C，D四个等级）、脱氧方法（F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z表示镇静钢、TZ表示特殊镇静钢）四部分组成，如Q215-A·F表示屈服点为215 MPa的A级沸腾钢。

钢材屈服点数值越大，含碳量越高，强度、硬度越高，塑性、韧性越低。Q195、Q215钢的塑性高，容易冷弯和焊接，但强度较低，多用于受荷载较小的焊接结构中，以及制作铆钉、地脚螺栓等。Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性，易于焊接，焊接力学性能稳定，由于有良好的综合性能，有利于冷弯加工，所以被广泛应用于建筑结构中，作为钢结构屋架、闸门、管道、桥梁及钢筋混凝土结构中的钢筋等。Q255、Q275钢屈服强度较高，但塑性、韧性和可焊性较差，可用于钢筋混凝土结构中配筋和钢结构构件，以及制作螺栓等。

②低合金结构钢：低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素（总量小于5%）的结构钢。在满足钢的塑性、韧性和工艺性能要求的条件下，使钢具有更高的强度和耐腐蚀、耐磨损等优良性质。低合金结构钢有5个牌号，其牌号表示方法由屈服点字母、屈服点数值（有295，345，390，420，460 MPa五种）、质量等级符号（有A，B，C，D，E五个等级）三部分组成。低合金结构钢广泛用于大跨度、高荷载的预应力钢筋混凝土结构中。

图1.39　热轧带肋钢筋的外形

（a）等高肋；（b）月牙肋

③热轧钢筋：热轧钢筋是指经热轧成形并自然冷却的钢筋，主要有光圆钢筋和带肋钢筋两类。规定热轧直条光圆钢筋的牌号为HPB235；热轧带肋钢筋的牌号由HRB和屈服点最小值表示。热轧带肋钢筋有HRB300，HRB400，HRB500三个牌号。带肋钢筋通常表面有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。按横肋的纵截面形状分为月牙肋钢筋和等高肋钢筋（图1.39）。HRB300、HRB400广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。热轧钢筋按力学性质可分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级（表1.10）。Ⅰ级是用Q235热轧带肋钢筋的外形轧制而成，为低强度钢筋，塑性好、焊接性好；Ⅱ级、Ⅲ级钢筋是用普通低合金镇静钢或半镇静钢轧制而成；Ⅳ级钢筋是用中碳低合金镇静钢轧制而成，强度高，综合性能好。带肋钢筋如图1.40所示。

表1.10　热轧钢筋类型

注：①K表示余热处理带肋钢筋（热轧后立即穿水进行表面控制冷却）。
②《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》（GB/T 1499.2—2018），取消了335 MPaⅡ级钢筋。

图1.40　带肋钢筋

图1.41　线材（盘条）

④低碳热轧圆盘条：低碳热轧圆盘条是由屈服强度较低的碳素结构钢热轧制成的盘条，又称线材（图1.41），是目前用量最大、使用最广的线材。按用途分为供拉丝用盘条（代号L）、建筑和其他一般用盘条（代号J）两种。盘条公称直径有5.5，6.0，6.5，7.0，8.0，9.0，10.0，11.0，12.0，13.0，14.0 mm等。

⑤冷拉钢筋：钢筋在经冷拉并产生一定的塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性有所降低，这种现象称为冷加工强化。在常温下对热轧钢筋进行强力拉伸，使之超过屈服强度，然后卸去荷载的加工方法，称为钢筋冷拉。冷拉钢筋的强度、硬度和脆性会随放置时间而增加，这种现象称为冷加工时效。冷拉Ⅰ级钢筋适用于普通钢筋混凝土结构中的受力钢筋；冷拉Ⅲ、Ⅳ级钢筋可用作预应力钢筋混凝土结构的预应力钢筋。对承受冲击和振动荷载的结构不允许使用冷拉钢筋。

⑥钢丝：

a.冷拔低碳钢丝：冷拔低碳钢丝是用直径6～10 mm的钢筋，在拔丝机上以强力拉拔的方式通过一定孔径的拔丝模孔，将原钢筋冷拔成比原直径小的钢丝。经过冷拔后的钢丝强度大幅提高，而塑性显著降低，不显屈服阶段，属于硬钢类钢丝。其用于中小型预应力构件、焊接骨架、焊接网、箍筋和构造钢筋等。

图1.42　钢绞线(www.xing528.com)

b.碳素钢丝：碳素钢丝是高强度钢丝，按加工状态分为冷拉钢丝（代号L）、矫直回火钢丝（代号J）两种。矫直回火钢丝是拉拔后的钢丝经过矫直回火处理，消除冷拔过程中产生的应力，提高其屈服强度和弹性，按外形可分为光圆钢丝和刻痕钢丝。

⑦钢绞线：钢绞线由冷拉光圆钢丝制成，如图1.42所示。一般是用7根钢丝在绞线机上以一根钢丝为中心，其余6根围绕进行螺旋绞合，再经低温回火制成。常见的有75钢绞线。钢绞线具有强度高、与混凝土黏结好、断面面积大、使用根数少、在结构中排列方便、易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力物件、薄腹梁等构件，还可用于岩土锚固。

⑧型钢：型钢是由钢锭在加热条件下加工而成的不同截面的钢材，有圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、工字钢等，如图1.43、图1.44所示。钢结构构件一般应直接选用各种型钢，构件之间可直接连接或附以连接钢板进行连接，连接方式有铆接、螺栓接和焊接。

图1.43　型钢的断面形状

（a）圆钢；（b）方钢；（c）扁钢；（d）六角钢；（e）等边角钢；（f）不等边角钢；（g）工字钢；（h）槽钢

图1.44　型钢

（3）建筑钢材制品的识别与应用　建筑工程中常用的钢材制品主要有不锈钢钢板、彩色不锈钢板、彩色涂层钢板、彩色压型钢板、轻钢龙骨等。

①不锈钢钢板：当钢中含有铬（Cr）元素时，钢材的耐腐蚀性大大提高，这就是所谓的不锈钢。铬含量越高，钢的抗腐蚀性越好。装饰用不锈钢板主要是厚度小于4 mm的薄板，用量最多的是厚度小于2 mm的板材。常用的是平面钢板和凹凸钢板两类，前者通常是经研磨、抛光等工序制成，后者是在正常的研磨、抛光之后再经压、雕刻、特殊研磨等工序制成。平面钢板分为镜面板（板面反射率＞90%）、有光板（板面反射率＞70%）、亚光板（板面反射率＜50%）三类。凹凸钢板分为浮雕板、浅浮雕花纹板和网纹板三类。不锈钢薄板可用作内外墙饰面、幕墙、隔墙、屋面等面层。

②彩色不锈钢板：彩色不锈钢板是指在不锈钢钢板上再进行技术和艺术加工，使其成为各种色彩绚丽的装饰板。其颜色有蓝、灰、紫、红、青、绿、金黄、茶色等（图1.45）。彩色不锈钢板不仅具有良好的抗腐蚀性、耐磨、耐高温等特点，而且其面层色彩经久不褪，常用作厅堂墙板、顶棚、电梯厢板、外墙饰面等。

③彩色涂层钢板：彩色涂层钢板的涂层分为有机、无机和复合涂层三大类。其中有机涂层钢板可以制成不同的颜色和花纹，称为彩色涂层钢板（图1.46）。这种钢板的原板为热轧钢板和镀锌钢板，常用的有机涂层为聚氯乙烯、聚丙烯酸酯、环氧树脂、醇酸树脂等。彩色涂层钢板具有耐污染性强、洗涤后表面光泽、色差不变、热稳定性好、装饰效果好、易加工、耐久性好等优点，可用作外墙板、壁板、屋面板等。

④彩色压型钢板：彩色压型钢板是以镀锌钢板为基材，经成形轧制，并敷以各种耐腐蚀涂层与彩色烤漆而成的装饰板材（图1.47）。其性能和用途与彩色涂层钢板相同。

图1.45　彩色不锈钢板

图1.46　彩色涂层钢板

图1.47　彩色压型钢板

⑤轻钢龙骨：轻钢龙骨是用冷轧钢板、镀锌钢板或彩色涂层钢板经轧制而成的薄壁型钢，用于装配各类型的石膏板、吸声板等，用作室内隔墙和吊顶的龙骨支架（图1.48、图1.49）。其具有强度高、防火、耐潮、便于施工等特点。

3）钢材锈蚀及防止

黑色金属，如铁和钢的显著特点之一是它们有腐蚀或生锈的倾向，严峻的户外环境更促进了钢铁的腐蚀和氧化。

图1.48　室内吊顶轻钢龙骨

图1.49　室内隔墙轻钢龙骨

（1）钢材锈蚀原因　钢材的锈蚀是指钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象，分为化学锈蚀和电化学锈蚀两类。化学锈蚀是指钢材与周围介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）发生化学反应，生成疏松的氧化物而产生的锈蚀；电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。钢材锈蚀后，受力面积减小，承载能力下降。在钢筋混凝土中，因锈蚀引起钢筋混凝土开裂。

（2）钢筋混凝土中钢筋锈蚀　普通混凝土为强碱性环境，pH值为12.5左右，埋入混凝土中的钢筋处于碱性介质环境，而形成碱性钢筋保护膜，只要混凝土表面没有缺陷，里面的钢筋是不会锈蚀的。但应注意，如果制作的混凝土构件不密实，环境中的水和空气能进入混凝土内部，或者混凝土保护层厚度小或发生了严重的碳化，使混凝土失去了碱性保护作用，特别是混凝土内氯离子含量过大，使钢筋表面的保护膜被氧化，也会发生钢筋锈蚀现象。

加气混凝土碱度较低，混凝土多孔，外界的水和空气易深入内部，电化学腐蚀严重，故加气混凝土中的钢筋在使用前必须进行防腐处理。轻骨料混凝土和粉煤灰混凝土的护筋性能良好，钢筋不会发生锈蚀。

综上所述，对于普通混凝土、轻骨料混凝土和粉煤灰混凝土，为了防止钢筋锈蚀，施工中应确保混凝土的密实度以及钢筋保护层的厚度。在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通水泥，限制含氯盐外加剂的掺量，并使用钢筋防锈剂（如亚硝酸钠）；预应力混凝土应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂；对于加气混凝土等，可以在钢筋表面涂环氧树脂或镀锌等方法来防止。

（3）钢材锈蚀的防止　钢材的锈蚀既有内因（材质），又有外因（环境介质作用），因此要防止或减少钢材的锈蚀必须从钢材本身的易腐蚀性、隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面状况方面入手。

①表面刷漆：表面刷漆是钢结构防止锈蚀的常用方法。刷漆通常有底漆、中间漆和面漆三道。底漆要求有较好的附着力和防锈能力，常用的有红丹、环氧富锌漆、云母氧化铁和铁红环氧底漆等。中间漆为防锈漆，常用的有红丹、铁红等。面漆要求有较好的牢度和耐候性能，保护底漆不受损伤或风化，常用的涂料有灰铅、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。

钢材表面涂刷漆时，一般为一道底漆、一道中间漆和两道面漆，要求高时可增加一道中间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈，注意底漆、中间漆和面漆的匹配。

②表面镀金属：用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材的表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁）、镀铜和镀铬等。

③采用耐候钢：耐候钢即耐大气腐蚀钢。耐候钢是在碳素钢和低合金钢中加入少量的铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。耐候钢既有致密的表面防腐保护，又有良好的焊接性能，其强度级别与常用碳素钢和低合金钢一致，技术指标相近。