钢材的技术性能及选用原则

钢材是应用最广泛的一种金属材料。建筑工程中使用的各种钢材，包括钢结构用各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢）、板材和混凝土结构用钢筋、钢丝、钢绞线等钢材。它们的优点是材质均匀、性能可靠、强度高，具有一定的塑性和韧性，能承受较大的冲击和振动荷载，可以焊接、铆接、螺栓连接，便于装配。由各种型材组成的钢结构安全性大，自重较轻，适用于重型工业厂房、大跨结构、可移动的结构及高层建筑。钢材的缺点是易锈蚀，维护费用大，耐火性差。

1．钢材的种类及主要技术性能

在理论上，凡含碳量在2．06%以下的含有害杂质较少的铁碳合金称为钢（即碳钢）。

1）钢的化学成分对钢性能的影响。

钢中除基本元素铁和碳外，还含有少量的硅、锰、硫、磷、氧、氮及一些合金元素等，这些元素来自炼钢原料、炉气及脱氧剂，在熔炼中无法除净。它们的含量决定了钢的性能和质量。

（1）碳：碳素钢的重要元素。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，而塑性和韧性降低，同时钢的冷弯、焊接及抗腐蚀等性能降低，冷脆性和时效敏感性提高。

（2）硅：炼钢时用脱氧剂硅铁脱氧而残留在钢中的元素，是钢的主要合金元素。当硅的含量在1．0%以内时，可提高钢的强度，且对钢的塑性和冲击韧性无明显影响。

（3）锰：炼钢时为了脱氧而加入的元素，也是钢的主要合金元素。在炼钢过程中，锰和钢中的硫、氧化合成MnS和MnO，入渣排除，起到脱氧去硫的作用。当锰的含量在0．8%～1%时，可显著提高强度和硬度，消除热脆性，并略微降低塑性和韧性。

（4）磷：钢中的有害元素，由炼钢原料带入，以夹杂物的形式存在于钢中。磷在低温下可引起钢的冷脆性。磷还会使钢的冷弯性能和焊接性能降低，但也能使钢的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性提高。

（5）硫：是钢中极为有害的元素，以夹杂物的形式存在于钢中，易引起钢的热脆性。硫的存在还会导致钢的冲击韧性、疲劳强度、焊接性能及耐腐蚀性降低，即使微量存在也对钢有害，故钢材中应严格控制硫的含量。

（6）氧、氮：是钢中有害元素。它们显著降低了钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。

（7）铝、钛、钒、铌：是炼钢时的强脱氧剂，也是最常用的合金元素。将其适量加入钢内能改善钢的组织，细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。

2）钢材的主要技术性能。

钢材的性能主要包括力学性能、工艺性能和化学性能等。只有了解、掌握钢材的各种性能，才能正确、经济、合理地选择和使用钢材。

（1）力学性能。

钢材的主要力学性能有拉伸性能、冲击韧性等。

①拉伸性能。

拉伸是建筑钢材的主要受力形式，拉伸性能是最重要的性能。反映钢材拉伸性能的指标包括屈服强度、抗拉强度和伸长率。由于下屈服点较稳定易测，故一般结构设计中以下屈服强度作为钢材强度取值的依据。

屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，其可反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈服强度比越小，表明结构的可靠性越高，不易因局部超载而造成破坏；屈服强度比过小，表明钢材强度利用率偏低，造成浪费，不经济。建筑结构用钢合理的屈服强度比一般为0．60～0．75。

伸长率是表明钢材塑性变形能力的重要指标。伸长率越大，说明钢材的塑性越好。伸长率是指断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率。

中碳钢与高碳钢（硬钢）通常以发生残余变形为原标距长度的0．2%时的应力作为屈服强度，用Rp0．2表示。

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，是通过冲击试验来确定的，以试件冲断缺口处单位面积上所消耗的功来表示，其符号为αk。αk值越大，钢材的冲击韧性越好。

影响钢材冲击韧性的因素很多，如化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量、环境温度、时效等。发生冷脆性时的温度称为脆性临界温度。脆性临界温度越低，钢材的低温冲击性能越好。所以，在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度低于环境最低温度的钢材。

（2）工艺性能。

建筑钢材在使用前，大多需要进行一定形式的加工。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能和焊接性能介绍如下。

①冷弯性能。

冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，一般用弯曲角度α或弯心直径d与试件厚度a（或直径）的比值d/a来表示。试验时采用的弯曲角度越大，弯心直径与试件厚度（或直径）的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高。

冷弯试验是将钢材按规定的弯曲角度和弯心直径进行弯曲，若弯曲后试件弯曲处无裂纹、起层及断裂现象，即认为冷弯性能合格；否则为不合格。冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能反映焊件在受弯表面是否存在未融合、微裂纹及夹杂物等缺陷。(www.xing528.com)

②钢材的焊接性能。

钢材的焊接性能是指钢材在通常的焊接方法和工艺条件下获得良好焊接接头的性能。

建筑工程中的钢结构有90%以上是焊接结构。焊接性能好的钢材焊接后不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊头牢固可靠，焊缝及附近过热区的性能，尤其是强度，不会低于母材的力学性能，且其硬脆倾向小。

钢的焊接性能主要受化学成分及其含量影响。碳、硅、锰、钒、钛的含量越多，将加大焊接硬脆性，降低可焊性；硫的含量较多时，会使焊缝产生热裂纹，严重降低焊接质量。

2．钢结构用钢材

钢结构构件一般应直接选用各种型钢。构件之间可直接或通过连接钢板进行连接，连接方式有铆接、螺栓连接或焊接。所用母材主要是碳素结构钢及低合金高强度结构钢。型钢按加工方法有热轧和冷轧两种。

（1）热轧型钢。

热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。

我国建筑用热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235-A，其强度适中，塑性和焊接性能较好，而且冶炼容易，成本低廉，适合建筑工程使用。在钢结构设计规范中推荐使用的低合金钢，主要有两种，即Q345及Q390，可用于大跨度、承受动荷载的钢结构。

（2）冷弯薄壁型钢。

冷弯薄壁型钢通常是用2～6 mm薄钢板冷弯或模压而成的，包括角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢，主要用于轻型钢结构。其标记方式与热轧型钢相同。

（3）钢板、压型钢板。

钢板是用轧制方法生产的，是宽厚比很大的矩形板状钢材。用光面轧制而成的扁平钢材，以平板状态供货的称为钢板，以卷状供货的称为钢带。所使用的钢种有碳素结构钢、低合金结构钢和优质碳素结构钢三类。

钢板按轧制温度不同，分为热轧和冷轧两大类，热轧钢板按厚度分为厚板（厚度大于4 mm）和薄板（厚度为0．35～4 mm）两种，冷轧只有薄板（厚度为0．2～4 mm）一种。厚板可用于焊接结构；薄板可用于屋面或墙面等围护结构，或作为涂层钢板的原材料，如制作压型钢板等。钢带主要用作弯曲型钢、焊接钢管和建筑五金的原料，也可用作各种结构件及容器等。

3．钢筋混凝土结构用钢材

钢筋混凝土结构用钢材主要为钢筋和钢丝，由碳素结构钢和低合金结构钢轧制而成。其主要品种有热轧钢筋、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋、钢丝及钢绞线，按直条或盘条供货。

（1）热轧钢筋。

热轧钢筋是指用加热钢坯轧制的条形成品钢筋，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋。按其外形分为热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋。

（2）冷轧带肋钢筋。

冷轧带肋钢筋是指用低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的两面或三面横肋的钢筋。《冷轧带肋钢筋》（GB/T 13788—2017）规定，冷轧带肋钢筋代号用CRB表示，三个字母分别为冷轧、带肋、钢筋三个词的英文首字母。按抗拉强度划分为四个牌号：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970。CRB550钢筋的公称直径范围为4～12 mm，CRB650及以上牌号钢筋的公称直径分别为4 mm、5 mm、6 mm。

CRB550钢筋宜用于普通钢筋混凝土结构，其他牌号宜用于预应力混凝土结构。

（3）热处理钢筋。

热处理钢筋是用热轧带肋钢筋经淬火和回火调质处理而成的钢筋，通常有直径为6 mm、8．2 mm和10 mm三种规格，其条件屈服强度大于1325 MPa、抗拉强度大于1470 MPa、伸长率大于6%、1000 h应力松弛率小于或等于3．5%。按外形分为有纵肋和无纵肋两种，但都有横肋。

钢筋热处理后卷成盘，使用时开盘，钢筋自行伸直，按要求的长度切断。不能使用电焊切断，也不能焊接，以免强度下降或引起脆断。

热处理钢筋适用于预应力混凝土结构，不适用于焊接。

（4）钢丝及钢绞线。

钢绞线是按严格的技术条件，将数根钢丝经绞捻和消除内应力热处理后制成的。

预应力钢丝和钢绞线具有强度高、柔韧性好、无接头、质量稳定、施工简便等优点，使用时可根据长度切割，主要适用于大荷载、大跨度、曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构。