金属材料（上半部分）

《土木工程材料》中“金属材料（上半部分）”的知识导图。《金属和金属材料》的预习复习思维导图笔记。金属材料一般是指工业应用中的纯金属或合金。自然界中大约有70多种纯金属。希望对大家有用，记得点赞收藏哦。

第三章金属材料（上半部分）

• 3.1钢材的冶炼和分类
  • 钢材的冶炼
    • • 钢与铁的成分都是铁和碳。二者区别在于含碳量不同。含碳量大于2%的为生铁，小于2%为钢。钢是由生铁冶炼而成的。生铁是由铁矿石、焦炭和少量石灰石等在高温的作用下进行还原反应和其他的化学反应，铁矿石中的氧化铁形成金属铁，然后再吸收碳而形成的。原料中的杂质则和石灰石等化合成熔渣。
      • 生铁含有较多的碳和硫、磷、硅、锰等杂质，性质硬而脆，塑性很差，抗拉强度很低，使用受到很大的限制，大部分作为炼钢原料及制造铸件。
      • 炼钢的目的是通过冶炼工艺降低生铁中的碳、去除和降低有害杂质含量，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，以显著改善其技术性能，使其成为具有高强度、韧性或其他特殊性能的钢。
    • 将生铁在炼钢炉中冶炼，使碳的含量降低到预定的范围，其他杂质含量降低到允许的范围，经浇铸即得到钢锭，再经过加工处理后得到各种钢材。根据所用炼钢炉不同主要有三种冶炼方法:
    • 钢材的冶炼
      • 氧气转炉法
        • 氧气顶吹转炉炼钢
        • 氧气底吹转炉炼钢
        • 顶底复合氧气转炉炼钢
        • 用纯氧吹人铁液中使碳和杂质氧化，得到所需要的钢。氧气转炉钢具有原材料适应性强、生产率高、成本低、可炼品种多、钢质量好等优点，因而应用广泛。氧气转炉钢又分为氧气顶吹转炉炼钢、氧气底吹转炉炼钢、顶底复合氧气转炉炼钢。
        • 氧气顶吹转炉炼钢法是以高压氧气从炼钢炉上方向炉内强制供氧进行的。氧气底吹转炉是在空气底吹转炉基础上发展起来的，氧气底吹转炉的炉体结构与氧气顶吹转炉相似，只是在底吹转炉冶炼中，氧气由分散在炉底上的数支喷嘴由下而上吹人炉内的。顶底复合氧气转炉是综合了氧气顶吹转炉与氧气底吹转炉炼钢方法的冶金特点之后，改进发展起来的。顶底复合吹炼炼钢法，就是在顶吹的同时从底部吹人少量气体，克服了顶吹、底吹转炉的缺点，同时又保留了优点，具有比顶吹和底吹更好的技术经济指标。图3-1为氧气顶吹转炉示意图。
      • 电炉法
        • 电热转化方式
          • 电弧炉
          • 电阻炉
          • 感应炉
        • 主要用废钢冶炼各种有特殊性能要求的钢，是目前生产特殊钢的主要方法。电炉是一种以电为主要能源的熔化炉，根据电热转化方式，可分为电弧炉、电阻炉和感应炉。大多数电炉钢是电弧炉生产的，还有少量电炉钢是由感应炉、电阻炉等生产的。电弧炉主要是利用电极与炉料间放电产生电弧发出的热量来炼钢。电炉钢的产量低、质量好，但耗电量大、成本高。
      • 平炉法
        • 用平炉以煤气或重油作燃料，原料为铁液、废钢铁和适量的铁矿石，利用空气或氧气和铁矿石中的氧使碳和杂质氧化得到所需钢。平炉炉体结构庞大、热损失大、热效率低。近年来，随着氧气顶吹转炉的迅速发展和大型超高功率电炉的投产，平炉已基本被取代，
        • 在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度大于固相，这些元素便会向凝固较迟的钢锭中心集中，导致这些化学成分在钢中分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中以磷、硫的偏析最为严重。偏析会严重降低钢的质量。
  • 钢的分类
    • 按化学成分
      • 碳素钢
        • 碳素钢是指碳的质量分数在0.02%~2.06%的铁碳合金。根据含碳量不同，可分为:
          • 低碳钢:碳的质量分数小于0. 25 %的钢;
          • 中碳钢:碳的质量分数在0.25% ~0.60%的钢;
          • 高碳钢:碳的质量分数大于0.6%小于2. 06%的钢。
          • 工程中大量应用的是碳素结构钢。
      • 合金钢
        • 在碳索钢中加人一定量的合金元素以提高钢材性能的钢，称为合金钢。根据钢中合金在碳索钢中加人一定量的合金元素以提高钢材性能的钢，称为合金钢。根据钢中合金元素含量，分为:
          • 低合金钢:合金元素的总质量分数小于5%的钢;
          • 中合金钢:合金元素的总质量分数在5%~ 10%之间的钢:
          • 高合金钢:合金元素的总质量分数大于10%的钢。
    • 按钢的品质
      • 普通钢
      • 优质钢
      • 高级优质刚
      • 特级优质钢
      • 按照钢的品质(即钢中有害成分含量的大小，可以将钢材分为普通钢、优质制、高级优质钢、特级优质钢。磷的含量≤0. 045%，硫含量≤0.050%为普通钢:磷的含量≤0. 035%，硫含量≤0.035%为优质钢;磷的含量≤0.025%，硫含量≤O.025%为高级优质钢:磷的含量≤0 025%，硫含量<0. 015%为特级优质钢。
    • 按脱氧方法
      • 沸腾钢
      • 镇静钢
      • 特殊镇静钢
      • 子主题
      • (1)沸腾钢:炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全，钢液凝固时有大量的CO气体冒出，在液面出现“沸腾”现象，故称为沸腾钢，代号为“F”。这种钢组织不够致密，杂质多，硫、磷等杂质偏析较严重，冲击韧性和可焊性差。由于其成本低，产量高，可以用于一般的建筑结构。
      • (2)镇静钢:炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作为脱氧剂，脱氧充分，铸锭时钢液静地充满锭模并冷却凝固，故称为镇静钢，代号“z”。其质量均匀，结构致密，可焊好，抗蚀性强，但钢锭的收缩孔大，成品率低，成本高。常适用于预应力混凝土、承受击荷载等重要结构工程。
      • (3) 特殊镇静钢:比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，其质量最好，代号为“TZ”。适用于特别重要的结构。
    • 4.按用途分类
      • 分为结构钢、工具钢和特殊钢。结构钢是主要用于工程结构构件及机械零件的钢，-般为低碳钢和中碳钢。工具钢是主要用于各种工具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。特殊钢是具有特殊物理、化学及力学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、磁性钢等，一般为合金钢。
      • 建筑上常用的是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。
    • 钢材的分类
      • 一、按化学成分分类
        • 1.碳素钢
          • 分类(含碳量高低)
            • 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%~2.06%)
        • 2.合金钢
          • 合金钢是在碳素钢的基础上加入一种或多种改善钢材性能的合金元素，如锰、硅、钒、钛等。
          • 分类(根据合金元素的总含量)
            • 低合金钢(合金元素总量<5%)
            • 中合金钢(合金元素总量5%~10%)
            • 高合金钢(合金元素总量>10%)
      • 二、按冶炼时脱氧程度
      • 按品质(杂质)分类
        • 1.普通钢：主要用于工程结构构件及机械零件，一般属于低碳钢或中碳钢
      • 四、按钢材的用途分类
        • 1.结构钢：主要用于
        • 2.工具钢：主要用于各种刀具、量具及磨具，一般属于高碳钢
        • 3.特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性能的钢，一般为合金钢
  • 钢材的分类
    • 炼钢炉炼出的钢水被铸成钢坯或钢锭，钢坯经压力加工成钢材的制品。
    • (1)型钢类
      • 型钢是指具有一定截面形状和尺寸的实心长条钢材。可分为简单断面类，包括圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢;复杂断面类，包括钢轨、工字钢、槽钢、窗框钢、异形钢等。
    • (2)钢板类
      • 钢板是指一 种宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。按厚度不同分为薄板(厚度<4mm)、中板(厚度4~25mm)和厚板(厚度>25mm)三种。
    • (3) 钢管类
      • 钢管是指一种中空截面的长条钢材。按其截面形状不同可分为圆管、方形管、六角形管、各种异形截面钢管，按加工工艺又可分为无缝钢管和焊管钢管。
    • (4)钢丝类
      • 钢丝是线材的再-次冷加工产品。按形状不同可分为圆钢丝、扁形钢丝和三角形钢丝等。
• 3.2钢材的技术性质
  • 钢材的主要技术性能包括力学性能和工艺性能。其技术性能对结构的安全使用及经济性起着决定性作用。
  • 3.2. 1建筑钢材的主要力学性能
    • I. 抗拉性能
      • 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。抗拉性能是钢材最重要的技术性质，建筑钢材的抗拉性能可以通过低碳钢(软钢)的拉伸试验进行测定，如图3-2所示，将低碳钢加工成规定的标准试件，在试验机上进行拉伸，钢材受拉时，在产生应力的同时相应地产生应变。应力和应变的关系反映出低碳钢的主要力学特征。通过拉伸试验可以揭示出低碳钢在静载作用下常见的力学行为，即弹性变形、塑性变形、断裂;还可以确定材料的基本力学指标，如屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率等。
      • 低碳钢的应力-应变关系如图3-3所示，低碳钢从受拉到拉断，分为四个阶段:弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。
        • (1)弹性阶段(OA段)
          • 在OA阶段，应力与应变成比例地增长，如卸去荷载，试件将恢复原状，材料表现为弹性，弹性阶段所产生的变形为弹性变形。在此阶段中，应力与应变之比为常数，称为弹性模量，即E=d/e.弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度。弹性模量是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要 指标。弹性阶段最大应力称为弹性极限σp。土木工程常用的低碳钢弹性模量一般在200~210GPa,o，在180~218MPa.
        • (2)屈服阶段(AB段)
          • 当应力超过弹性极限后，即应力达到B点后继续加载，应变急剧增加，应力先是下降，然后作微小的波动，在应力应变曲线上出现一个小的波动平台，这种应力基本保持不变，而应变显著增加的现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为屈服上限和屈服下限。由于屈服下限的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，定义为屈服点或屈服强度，用as表示。σs是衡量材料强度的重要指标。常用低碳钢的屈服极限Os约为195~300MPa。
          • 钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求，故工程设计中一般以屈服点作为钢材强度取值依据。
          • 有些钢材如高碳钢无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0. 2%)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度(o.2)。 高碳钢拉伸时的应力应变曲线如图3-4所示。
        • (3)强化阶段(BC段)
          • 当荷载超过屈服点以后，由于试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，应力应变曲线又开始上升，要使它继续变形必须增加拉力，这一阶段称为强化阶段。对应于最高点C的应力值称为强度极限或抗拉强度，是材料所能承受的最大应力，是衡量材料强度的重要指标，常用低碳钢的ob-般为370~500MPa。
          • 抗拉强度不能直接利用，但屈服强度与抗拉强的比值(即屈强比σs/on)在设计中有着重要意义。工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比。 屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全储备越大，材料越安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。既要保证安全又要经济，因此工程上常用碳素钢的屈强比为0.58~0.63,合金钢的屈强比为0.65~0.75。
        • (4)颈缩阶段(CD 段)
          • 当钢材继续受力达到最高点后，应力超过ob,钢材内部遭到严重破坏，试件的截面开始在薄弱处显著缩小，此现象为“颈缩现象”。由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，钢材承载力也就随着下降，最后试件断裂。
      • 塑性是钢材的一个重要的性能指标。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。把拉断的试件在断口处拼合起来，可测得拉断后的试件长度L和断口处的最小截面积A1。L]减去原标距长Lo就是塑性变形值，此值与原长Lo的比率称为伸长率8。伸长率按下式计算:
      • 伸长率δ是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。良好的塑性，可将结构上的应力重新进行分布，从而避免结构过早破坏。δ5和810分别表示Lo =5do和Lo = 10do时的伸长率。对同-种钢材δs >810。这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的，颈缩处的伸长率较大，因此当原始标距Lo与直径do之比越大，则颈缩处v用定标距试件测定的，如标距Lo = 100m或200mm,则伸长率用8100或8200表示。
        • • δ——伸长率
          • L0——试件原始长度(mm)
          • L1——试件拉断后长度(mm)
      • 普通碳素钢Q235A的伸长率85可达26%以上，在钢材中是塑性相当好的材料。工程中常把常温下静载伸长率大于5%的材料称为塑性材料，金属材料中低碳钢是典型的塑性材料。
      • 伸长率反映钢材塑性的大小，在工程中具有重要意义，是评定钢材质量的重要指标。
      • 伸长率较大的钢材，钢质较软，强度较低，但塑性好，加工性能好，应力重分布能力强，结构安全性大，但塑性过大对实际使用有影响。塑性过小，钢材质硬脆，受到突然超荷载作用时，构件易断裂。断面收缩率按下式计算:
        • • φ——断面收缩率
          • A0——试件原始截面积(mm^2)
          • A1——试件拉断后颈缩处的最小截面积
      • 伸长率和断面收缩率都表示钢材断裂前塑性变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越大，说明钢材塑性越大。钢材塑性大，不仅便于进行各种加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。
    • 2.冲击韧性
      • 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性通过标准试件的弯曲冲击的性试验确定的。如图3-5所示，将有缺口的标准试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤行断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，以试件单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击韧性值an表示，a按下式计算:
        • • aK——冲击韧性(J/cm^2)
          • m——摆锤质量(mg)
          • g——重力加速度，数值为9.81m/s^2
          • H，h——摆锤冲击前后的高度(m)
          • A——试件槽口处最小横截面积(cm^2)
        • 子主题
      • ak值越大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越多，则冲击韧性越好。影响钢材ak的主要因素有化学成分及轧制质量、环境温度、钢材的时效等。
      • 当钢中碳、氧、硫、磷含量高以及存在非金属夹杂物和焊接微裂纹时都会使冲击韧性降低。
      • 钢材的冲击韧性随着环境温度的降低而下降，其规律是开始下降缓慢，当达到一定温度范围时突然下降而呈脆性，这种由韧性状态过渡到脆性状态的性能称为冷脆性。与之对应的温度称为脆性临界(转变)温度。如图3-6所示。因此，在负温下使用的结构，应当选用脆性转变温度低于使用温度的钢材
        • 子主题
      • 冷加工时效处理也会使钢材的冲击韧性下降。随时间的延长，钢材表现出强度和硬度提高而塑性和韧性降低的现象称为时效。完成时效的过程可达数十年，但钢材如经过冷加工或使用中受振动和反复荷载作用，时效可迅速发展。因时效作用导致钢材性能改变程度的大小叫做时效敏感性。 时效敏感性大的钢材，经过时效后，其冲击韧性的降低越显著。为了保证结构安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。
    • 3.耐疲劳性
      • 钢材在受交变荷载反复作用时，在应力远小于抗拉强度时突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏。所谓交变荷载即荷载随时间作周期变化，引起材料应力随时间作周期性变化。
      • 钢材的疲劳破坏的原因主要是钢材中存在疲劳裂缝源，如构件表面粗糙、有加工的损伤或刻痕、构件内部存在夹杂物或焊接裂缝等缺陷。当应力作用方式、大小或方向等交替变更时，裂缝两面的材料时而紧压或张开，形成了断口光滑的疲劳裂缝扩展区。随着裂缝向深处发展，在疲劳破坏的最后阶段，裂纹尖端由于应力集中而引起剩余截面的脆性断裂，形成在低应力状态下突然发生脆性破坏，危害极大，往往造成灾难性的事故。从断口可明显分辨出疲劳裂纹扩展区和残留部分的瞬时断裂区。
      • 在一-定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限。钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物、应力集中、受腐蚀程度等几种情况。一.般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。对于承受交变应力作用的钢构件，应根据钢材质量及使用条件合理设计，以保证构件足够的安全度及寿命。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
      • 硬度是衡量材料抵抗另-一硬物压人，表面产生局部变形的能力。硬度可以用来判断钢材的软硬程度，同时间接反映钢材的强度和耐磨性能。我国现行标准测定金属硬度的方法有布氏硬度法、洛氏硬度法和维氏硬度法三种。测定钢材硬度的现行标准方法是布氏硬度和洛氏硬度，铝合金采用维氏硬度。
      • (1)布氏硬度(HBW)布氏硬度试验如图3-7所示，按规定选择一个直径为D (mm)的淬过火的钢球或合金球，以一定荷载P (N)将其压人试件表面，持续至规定时间10~15s后卸去荷载，测定试件表面压痕的直径d (mm)，根据计算或查表确定单位面积上所承受的平均应力值，其值作为硬度指标，称为布氏硬度，根据《金属材料布氏硬度实验》GB/T 231-2009的规定，布氏硬度的符号为HBW，其实验范围的上限为650HBW,试验力的选择应保证压痕直径在0.24D~0.6D之间。布氏硬度法比较准确，但压痕较大，不宜用于成品检验。布氏硬度值越大表示钢材越硬。布氏硬度可按下式表示:
        • 子主题
      • (2) 洛氏硬度(HR)
        • 洛氏硬度试验是用标准型压头在一定试验荷载下压人试件表面， 保持(4土2)s 后，卸除试验力，测纸在初始试验力下的残余压痕深度h，根据h值及常数N及S，用下式来计算洛氏硬度:
          • 洛氏硬度=N-h/S
            • S——给定标尺的单位:
            • N ——给定标尺的硬度数
            • h——卸除主试验力后，在初试验力下压痕残留的深度(残余压痕深度)。
        • 洛氏硬度的符号以HR表示，为适应各种不同材料的应用，根据所用的压头及试验力的不同组合区分为洛氏硬度标尺(A、B、C、D、E、F、G、H、....洛氏硬度法的压痕小，常用于判断工件的热处理效果。
      • (3)维氏硬度(HV)
        • 将顶部两相对面夹角136°的正四面棱锥体金刚石压头用试验力压人试样表面，保持规定时间10~155后，卸除试验力，测量试样表面压痕对角线长度。
        • 维氏硬度值 是试验力除以压痕表面积所得的商，压痕被视为具有正方形基面并与压头角度相同的理想形状。维氏硬度=常数X试验力/压痕表面积
      • 钢材的强度与硬度的关系:材料的硬度是材料的弹性、塑性及强度等性能的综合反映。实验证明，碳素钢的HB值与其抗拉强度ob之间存在较好的相关关系，当HB<175时，ob≈3.6HB;当HB>175时，ob≈3.5HB。根据这些关系，可以在钢结构原位上测出钢材的HB值，来估算钢材的抗拉强度。
  • 3.2.2建筑钢材的 工艺性能
    • 钢材的工艺性能指钢材承受各种冷热加工的能力，包括铸造性、切削加工行、焊接性、冲压性、顶锻性、冷弯性、热处理工艺性能等。对土木工程用钢材而言，其中仅涉及焊接和冷弯性能。
    • 1.冷弯性能
      • 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是反映钢材缺陷和塑性的一种重要工艺性能。建筑工程中常须对钢材进行冷弯加工，冷弯试验就是模拟钢材弯曲加工而确定的。
      • 钢材的冷弯性能通过冷弯试验以试验时的弯曲角度和弯心直径为指标表示。钢材冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d(d=na,n为整数)弯曲到规定的角度(180或90)时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象，若无则认为弯性能合格。冷弯试验如图3-8所示，钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示其冷弯性能越好。
        • 子主题
      • 冷弯试验能反映试件弯曲处的塑性变形，有助于暴露钢材的某些缺陷，如是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷:而在拉伸试验中，这些缺陷常由于均匀的塑性变形导致应力重新分布而被掩饰，故在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。
    • 2.焊接性能
      • 土木工程结构中的钢筋连接、钢结构构件的连接以及预埋件与构件的连接方式-般包括螺栓、绑扎、套筒、焊接、铆接、粘接等方式。其中螺栓、绑扎、套筒连接可拆卸;焊接、铆接、粘接不可拆卸。约45%的钢材使用焊接连接方式。随着工程结构的发展及所处环境的要求，对钢材焊接使用性也提出了高压、高温、低温和耐蚀以及能承受动荷载等要求。
      • 焊接是指在高温或高压条件下，使材料接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，将两块或两块以上的被焊接材料连接成一个整体的操作方法，是钢材的主要连接形式。钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。钢材的主要焊接方法见表3-2。
    • 影响钢材焊接质量的主要因素是钢材的化学成分、冶炼质量、冷加工、焊接工艺及焊条材料等。其中化学成分对钢材的焊接影响很大。随着钢材的碳、硫、磷和气体杂质元素含量的增大以及加入过多的合金元素，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0. 25%时，可焊性明显降低;硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。由于焊接件在使用过程中的主要力学性能是强度、塑性、韧性和耐疲劳性，因此，对焊接件质量影响最大的焊接缺陷是裂纹、缺口和由于硬化而引起的塑性和冲击韧性的降低。
  • 钢材的焊接须执行有关规定，钢材焊接后必须取样进行焊接质量检测，一股包括拉伸试验和冷弯试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。
• 3.4钢材 的加工
  • 3.4.1冷加工时效及其应用
    • 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等处理，使之产生一定的塑性变形， 强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。通过冷加工产生塑性变形，不但改变钢材的形状和尺寸，而且还能改变钢的晶体结构，从而改变钢的性能。图3-10所示钢材加工及冷拉强化σδ图。
    • 1.冷拉
      • 将热轧钢筋用拉伸设备在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷，使之产生一定的塑性变形称为冷拉。钢筋冷拉前后应力、应变变化如图3-10 (c)所示。图中OBCD为未经过冷拉的钢筋的σ8曲线，若将钢筋冷拉至应力应变曲线的强化阶段内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，钢筋的应力一应变曲线则沿KO'恢复部分变形(弹性变形部分)，保留00'残余变形。立即再拉伸至钢筋拉断，其应力-应变曲线为O'KCD,屈服点将升高至K点，说明钢筋经过冷拉，其屈服点提高而抗拉强度基本不变，塑性和韧性相应降低。
      • 若钢筋冷拉后经过时效处理再将钢筋拉断，则钢筋的oe曲线为O'K1C1D1,屈服点将升高至K1点，以后的应力-应变曲线K1C1D1比原来曲线KCD短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高， 抗拉强度也明显提高，塑性和韧性则进- 步降低。
      • 钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%~ 30%，钢筋长度增加4%~ 10%，因此冷拉也是节约钢材的一种措施(-般为10%~20%)。冷拉还兼有调直和除锈的作用。钢筋混凝土施工中常利用这一原理， 对钢筋或低碳钢盘条按定 制度进行冷拉加工，以提高屈服强度而节省钢材。
    • 2.冷拔
      • 将直径为6~8mm的光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用。一般而言经过一次或多次冷拔后，钢筋的屈服强度可提高40% ~60%，但塑性大大降低，已失去软钢的塑性和韧性，具有硬钢的性质。
    • 3.冷轧
      • 将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可以提高其强度及与混凝土的握裹力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性。
    • 4.钢材的时效处理
      • 将经过冷加工后的钢材，在常温下存放15~ 20d,或加热至100~ 200"C并保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，塑性和韧性继续有所降低，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。由于时效过程中内应力的消减，故弹性模量可基本恢复。
    • 建筑工程中对大量使用的钢筋，往往是冷加工和时效同时采用，以提高钢材强度，节省钢材。但应注意钢材塑性、韧性等性质的变化。
    • 产生冷加工强化的原因是:钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，品格歪扭畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶粒进一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高。同时，冷加工强化后的钢材，由于塑性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。
    • 时效硬化原理是:由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地房Fe4N和FeO从铁索体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加，塑性和冲击韧性降低。
  • 3.4.2钢材的热处理
    • 热处理是将钢材在固态范围内按一定的温度条件， 进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。 热处理包括淬火、回火、退火和正火。士木工程所用钢材一般只是生产厂进行热处理并以热处理状态供应， 施工现场有时须对焊接件进行热处理。
    • 1,淬火和回火
      • 淬火和回火是两道相连的处理过程。
      • 淬火是指将钢材加热至基本组织改变温度以上(一般为900C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急冷，使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。淬火的目的是得到高强度、高硬度的组织，但钢材的塑性和韧性显著降低。
      • 淬火结束后，随后进行回火，是指将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下(150~ 650°C)，保温后按-定 制度冷却至室温的热处理方法。其目的是:促进不稳定组织转变为需要的组织;消除淬火产生的内应力，降低脆性，改养机械性能等。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。
    • 2.退火和正火
      • 退火是指将钢材加热至基本组织转变温度以下或以上，适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善的处理。基本组织转变温度以下为低温退火，基本组织转变温度以上为完全退火(800~ 850°C)。通过退火可以减少加工中产生的缺陷、减轻晶格畸变、消除内应力，从而达到改变组织并改善性能的目的。
      • 正火是退火的一一种特例，二者仅冷却速度不同，正火是指将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。其主要目的是细化晶粒，消除组织缺陷等。与退火相比，正火后钢的硬度、强度提高，而塑性减小。
      • 对于含碳量高的高强度钢筋和焊接时形成硬脆组织的焊件，适合以退火方式来消除内应力和降低脆性，保证焊接质量。
• 3.3钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响
  • 3.3. 1钢的组织对钢材性能的影响
    • 钢材是晶体材料，由无数微细晶粒所构成，碳与铁结合的方式不同，可形成不同的晶体组织，使钢材的性能产生显著差异。
    • 铁从液态冷却变为固态时，其晶体结构要发生两次转变，即在1390C以上形成体心立方晶体(称 8-Fe);温度由1390°C 降至910°C时，则转变为面心立方晶体(称γ-Fe)，继续降至910C以下时，又转变成体心立方晶体(称a-Fe)。钢是以铁为主的Fe-C合金，在钢水冷却过程中，其Fe和C有以下三种结合形式:
      • (1)固溶体:铁(Fe)中固溶着微量的碳(C);
      • (2) 化合物:铁和碳结合成化合物FeC;
      • (3) 机械混合物:固溶体和化合物的混合物。
      • 以上三种形式的Fe-C合金，在一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像，故也称显微组织。钢的基本晶体组织及其性能见表3-3。
    • 建筑钢材的含碳量均小于0.8%，其基本组织是由铁素体和珠光体组成，因此既有较高的强度，同时塑性、韧性也较好，从而能满足工程所需的技术性能。
  • 3.3.2钢的化学成分 对钢材性能的影响
    • 钢材中除了主要的化学成分铁(Fe)、 碳(C)以外，还含有少量的硅(S)、 锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、氧(O)、氮(N)、钛(Ti)、钒(V)等元素，它们含量虽少，但是对钢材的性能有很大的影响。
    • 这些成分可分为两类: 一类是能改善优化钢材的性能的元素，称为有益元素，主要有硅、锰、钛、钒、铌等;另一类能劣化钢材的性能，属钢材中的有害元素，主要有氧，硫、氮、磷等。
    • (1)碳:是决定钢材性能的主要元素。当含碳量在0. 8%以下时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降，如图3-9所示。
    • 另外，随着含碳量的增加，钢材的可焊性、耐大气锈蚀性下降，冷脆性和时效敏感性增大。
    • 建筑钢材的含碳量不可过高，一般工程所用的碳素钢为低碳钢，即含碳量小于。20%:在用途允许时，可用碳的质量分数较高的钢，最高可达0.6%。工程所用的低合
    • (2)其他各化学成分对钢性能的影响见表3-4。