模块七建筑钢材的基本性能及其质量标准与检测技术-建筑材料

1、7模块七 建筑钢材的基本性能及其质量标准与检测技术知识目标畅熟悉建筑钢材的力学性能 、工艺性能及质量标准畅了解钢材的化学成分组成对建筑钢材性能的影响畅掌握钢筋混凝土用钢和钢结构用钢的类型、表示方法、性能及应用能力目标畅能够抽取建筑用钢的检测试样畅能够对建筑用钢常规检测项目进行检测，精确读取检测数据畅能够按规范要求对检测数据进行处理，并评定检测结果畅能够填写规范的检测原始记录并出具规范的检测报告建筑钢材是建筑工程中的主要建筑材料之一，它广泛地应用于工业与民用建筑、道路桥梁、国防工程中。特别是在钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土中，其品质优劣对工程影响较大，所以选用好的钢材，对提高建筑工程质量、减少工程

2、隐患具有重要意义。建筑钢材是指用于建筑工程结构中的钢结构和钢筋混凝土用钢。主要包括各种型钢、钢板、钢管和钢筋、钢丝、钢绞线等。项目一职业能力任务一了解建筑钢材的基本性能与质量标准钢材的性能主要包括力学性能、工艺性能和化学性能等。只有了解建筑钢材的各种性能与质量标准，才能做到正确、经济、合理地选用钢材。一、建筑钢材的主要技术性能（一）力学性能畅抗拉性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以抗拉性能是表示钢材性能和选用钢材的重要技术指标。将低碳钢（软钢）制成一定规格的试件，放在材料试验机上进行拉伸性能检测，可以绘出如图畅所示的应力应变关系曲线。从图畅可以看出，低碳钢从受拉至拉断，全过程可划分为四个阶段

3、：弹性阶段（）、屈服阶段（）、强化阶段（）和颈缩阶段（ ）。图畅低碳钢拉伸的应力（）应变（） 曲线图畅硬钢的应力（）应变（）曲线（）弹性阶段（）。曲线中段是一条直线，表示应力与应变成正比，若卸去外力，试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。与点对应的应力称为弹性极限，以表示。在弹性受力范围内，应力与应变的比值为一常数，即弹性模量。的单位为，例如钢的畅×。弹性变形的筋力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。（）屈服阶段（）。该阶段钢材在荷载的作用下，开始丧失对变形的抵抗能力，并产生明显的塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长，当应力达上点后（上屈服点），瞬时

4、下降至下点（下屈服点），变形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到点，这就是所谓的“屈服现象”，似乎钢材不能承受外力而屈服，所以段称为屈服阶段。与下点（此点较稳定，易测定）对应的应力称为屈服点（屈服强度），用表示。当应力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计中钢材强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。中碳钢和高碳钢（硬钢）的应力应变曲线不同于低碳钢，其屈服现象不明显，难以测定屈服点。因此，规定产生残余变形为原标距长度的畅时所对应的应力为中、高碳钢的屈服强度，也称条件屈服点，用畅表示，如图畅所示。（）强化阶段（）。当应力超过屈服点后，

5、钢材抵抗外力的能力又重新提高，这是因为钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到了强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高，故段称为强化阶段。对应于最高点的应力值（）称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。显然，是钢材受拉时所能承受的最大应力值。抗拉强度虽然不能直接作为钢结构设计的计算依据，但屈服强度和抗拉强度之比（即屈模块七建筑钢材的基本性能及其质量标准与检测技术强比）在工程上很有意义。屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度，计算中屈强比取值越小，其结构的安全可靠程度越高，但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费，因此，选择合理的屈强比才能使结构既安全又节省钢

6、材，建筑结构钢合理的屈强比一般为畅畅。（）颈缩阶段（）。试件受力达到最高点（点）后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直至断裂。所以段称为颈缩阶段。建筑钢材要具有很好的塑性，钢材的塑性通常用断后伸长率和断面收缩率表示。将拉断后的试件拼合起来，测定出标距范围内的长度，与试件原标距之差为塑性变形值，塑性变形值与之比称为伸长率，如图畅所示。伸长率的计算式如下：× （畅）图畅钢材的拉伸试件伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标，越大，说明钢材的塑性越好，具有一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而使钢材用于结构的安

7、全性更大。塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远其变形越小。所以，原标距与直径之比越小，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大，计算出来的值就大，通常以和分别表示和时的断后伸长率。对于同一种钢材，其。畅冲击韧性钢材抵抗住冲击荷载而不破坏的能力称为冲击韧性。冲击韧性大小是通过冲击试验确定的，以试件冲断时单位面积上消耗的冲击功（）来表示（图畅）。冲击韧性指标越大，表示冲断试件消耗的能量越大，即钢材抵抗冲击荷载的能力越强，冲击韧性就越好。影响钢材冲击韧性的主要因素如下：（）钢的化学成分。当钢材内硫、磷的含量较高，同时又存在偏析、非金属夹杂物、脱氧不完全等因素时，钢材的

8、冲击韧性就会降低。（）钢的焊接质量。钢材焊接时形成的微裂纹也会降低钢材的冲击韧性。（）温度。试验表明，常温下，随温度的下降，冲击韧性的降低较慢，但当温度降低到一定范围时，冲击韧性突然发生明显下降，钢材开始呈现脆性断裂，这种性质称为冷脆。此时的温度（范围）称为脆性临界温度（范围）。脆性临界温度（范围）越低，钢材的冲击韧性越好。因此，在严寒地区选用钢材时，要对钢材的冷脆性进行评定。建筑材料与检测 图畅冲击韧性试验图（单位：mm ）（）时间。钢材随时间的延长表现出强度提高、塑性及冲击韧性降低的现象称为时效。因时效作用，冲击韧性还将随时间的延长而下降。通常，完成时效的过程可达数十年，但钢材如经冷加工或

9、在使用中经受振动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性越大的钢材，经过时效后，冲击韧性的降低就越显著。为了保证安全，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。总之，对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须按照有关规范要求进行钢材的冲击韧性检验。畅疲劳强度钢材在交变荷载多次反复作用下，可在最大应力远低于极限抗拉强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是指试件在交变应力的作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。交变应力值越大，则断裂时所需的循环次数越少。在设计

10、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。一般认为钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。（二）工艺性能钢材在加工过程中所表现出来的性能称为钢材的工艺性能。良好的工艺性能，可使钢材顺利通过各种加工，并保证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。畅冷弯性能钢材在常温下承受弯曲变形的能力称为冷弯性能。冷弯性能是通过检验钢材试件按规定的弯曲程度弯曲后，弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、鳞落和断裂等情况进行评定的，若弯曲后，如有上述一种现象出现，均可判定为冷弯性能不合格。其测试方法如图畅、图畅所示。一般以试件弯曲的角度（

11、）和弯心直径与试件厚度（或直径）的比值（）来表示。弯曲角度越大，越小，弯曲后弯曲的外面及侧面没有裂纹、起层、鳞落和断裂的话，说明钢材试件的冷弯性能越好。冷弯也是检验钢材塑性的一种方法，相对于伸长率而言，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材内部是否存在组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯性能检测不仅是评定钢材塑性、加工性能的技术指标，而且对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面是否存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。对于重要结构和弯曲成型的钢材，冷弯性能必须合格。模块七建筑钢材的基本性能及其质量标准与检测技术 图畅 钢筋冷弯图畅钢材冷弯规定弯心畅冷加工性能及时效（）冷加工强化：将

12、钢材在常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷轧），使其产生塑性变形，从而提高屈服强度和硬度，降低塑性和韧性的过程，称为冷加工强化。建筑工地或预制构件厂常利用该原理对热轧带肋钢筋或热轧光圆钢筋按一定方法进行冷拉、冷拔或冷轧加工，以提高其屈服强度，节约钢材。冷拉：以超过钢筋屈服强度的应力拉伸钢筋，使之伸长，然后缓慢卸去荷载，钢筋经冷拉后，可提高屈服强度，而其塑性变形能力有所降低，这种冷加工称为冷拉。冷拉一般采用控制冷拉率法，预应力混凝土用预应力钢筋则宜采用控制冷拉应力法。钢筋经冷拉后，其屈服强度可提高，节约钢材，但塑性、韧性会降低。冷拔：将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，每次拉拔断面缩小应在以下

13、。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度高，屈服强度提高，但塑性和韧性大大降低，具有硬钢的性质。冷轧：冷轧是将光圆钢筋在轧机上轧成断面形状的钢筋，可以提高其强度及与混凝土的粘结力。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。建筑工程采用冷加工强化钢筋，具有明显的经济效益。冷加工强化钢筋的屈服点可提高，因此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面或减少混凝土中配筋数量，从而达到节省钢材的目的。（）时效：钢材随时间的延长，强度、硬度进一步提高，而塑性、韧性下降的现象称为时效。钢材的建筑材料与

14、检测模块七 建筑钢材的基本性能及其质量标准与检测技术 时效处理有两种 ： 自然时效和人工时效 。 钢材经冷加工后 ， 在常温下存放 ， 其屈服强 度、 抗拉强度及硬度会进一步提高 ， 而塑性 、 韧性继续降低 ， 这种现象称为自然时效 。 钢材加 热至 ， 保持 左右 ， 其屈服强度 、 抗拉强度及硬度会进一步提高 ， 而塑性及韧性 继续降低 ， 这种现象称为人工时效 。 由于时效过程中内应力的消减 ， 故弹性模量可基本恢复 到冷加工前的数值 。 钢材的时效是普遍而客观存在的一种现象 ， 有些未经冷加工的钢材 ， 长 期存放后也会出现时效现象 ， 冷加工只是加速了时效发展 。 一般冷加工和时效

15、同时采用 ， 进 行冷拉时通过试验来确定冷拉控制参数和时效方式 。 通常 ， 强度较低的钢筋宜采用自然时 效， 强度较高的钢筋则应采用人工时效 。 因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性 ， 时效敏感性大的钢材 ， 经时效后 ， 其冲击韧性 、 塑性会降低 ， 所以 ， 对于承受振动 、 冲击荷载作用的重要钢结构 ， 应选用时效敏 感性小的钢材 。 钢材经冷加工及时效处理后 ， 其应力 应变关系变化的规律 ， 可明显地在应力 应变图 上反映出来 ， 如图 畅 所示 。 图 畅 中 ， 为未经冷拉和时效的试件的应力 应变曲线 。 当试件冷拉至超过 屈服强度的任意一点 时 ， 卸去荷载 ，

16、此时由于试件已产生塑性变形 ， 则曲线沿 下降 ， 大致与 平行 。 如立即再拉伸 ， 则应力 应变曲线将成为 （虚线 ）曲线 ， 屈服强 度由 点提高到 点 。 但如在 点卸荷后进行时效处理 ， 然后再拉伸 ， 则应力 应变曲线 将成为 曲线 ， 这表明冷拉时效后 ， 屈服强度 、抗拉强度提高了 ， 但塑性 、韧性却相 应降低 。 图 畅 钢筋经冷拉时效后应力 应变图的变化 畅 焊接性能 焊接是各种型钢 、 钢板 、 钢筋的重要连接方式 。 在钢结构工程中 ， 钢筋混凝土的钢筋骨 架、 接头及埋件 、 连接件等 ， 多数是采用焊接方式连接的 。 焊接的质量取决于焊接工艺 、 焊接 材料及钢材

17、的可焊性 。 钢材是否适合用通常的方法与工艺进行焊接的性能称为钢的可焊性 。 可焊性好的钢 材， 焊接后焊口处不易形成裂纹 、 气孔 、 夹渣等缺陷及硬脆倾向 ， 焊接后的钢材的力学性能 ， 特别是强度应不低于原有钢材 。 钢筋焊接的方式主要有电阻点焊 、 闪光对焊 、 电弧焊 、 电渣压力焊 、 气压焊等几种 ， 见表 畅 。 钢筋焊接时 ， 各种焊接方法的适用范围应符合表 畅 的规定 。 建筑材料与检测 表 畅 钢筋焊接方法的使用范围 焊接方法 接头形式 适用范围 钢筋牌号 钢筋直径 （ ） 电阻电焊 闪光对焊 双面焊 帮 条 焊 单面焊 电 弧 焊 双面焊 搭 接 焊 单面焊 电渣压力焊

18、 气压焊 影响钢材可焊性的主要因素如下 ： （）化学成分及其含量 。 钢的含碳量高 ， 将增加焊接接头的硬脆性 ， 含碳量小于 畅 的碳素钢具有良好的可焊性 。 （）合金元素 。 加入合金元素 （如硅 、 锰、 钒、 钛等 ） ， 也将增大焊接处的硬脆性 ， 降低了可 焊性 。 模块七 建筑钢材的基本性能及其质量标准与检测技术 （）硫 、 磷等杂质含量 。 硫 、 磷等有害杂质含量越高 ， 钢材的可焊性越差 ， 特别是硫能使 焊接产生热裂纹及硬脆性 。 焊接结构用钢的选择应注意 ： 应首选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢 。 对于高碳 钢及合金钢 ， 焊接时一般可采用焊前预热及焊后热处理等措施

19、 ， 可以在一定程度上改善可焊 性 。 另外 ， 正确地选用焊接方法和焊接材料 （焊条 ） ， 正确地操作 ， 也是保证焊接质量的重要 措施 。 焊接特点 ： 短时间内达到很高的温度 ， 金属熔化的体积很小 ， 金属传热快 ， 故冷却也很 快 。 因此 ， 在焊件中常产生复杂的 、 不均匀的反应和变化 ， 存在剧烈的膨胀和收缩 。 所以 ， 易 产生变形 、 内应力 ， 甚至出现裂缝 。 钢筋焊接要注意 ： 冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行 ； 钢筋焊接之前 ， 焊接部位应清除 铁锈 、 熔渣 、 油污等 ， 要尽量避免不同国家的进口钢筋之间或进口钢筋与国产钢筋之间的 焊接 。 （三 ）钢的化学

20、成分对钢材性能的影响 钢材中除基本元素铁和碳外 ， 常有硅 、 锰、 硫、 磷及氢 、 氧、 氮等元素存在 。 这些元素来自 炼钢原料 、 炉气及脱氧剂 ， 在熔炼中无法除净 。 各种元素对钢的性能都有一定的影响 ， 为了 保证钢的质量 ， 在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定 。 畅 碳元素 它是钢中的重要元素 ， 对钢的机械性能有重要的影响 。 当含碳量低于 畅 时 ， 随着含 碳量的增加 ， 钢的抗拉强度 （ ）和硬度 （ ）将提高 ， 而塑性 （ ）及韧性 （ ）会降低 。 同时 ， 钢的冷弯 、 焊接及抗腐蚀等性能也会降低 ， 并增加钢的冷脆性和时效敏感性 。 一般建筑工程

21、 中的碳素钢为低碳钢 （含碳量 畅 ） 。 畅 硅元素 硅元素是钢中的有益元素 ， 是为了脱氧去硫而加入的 。 硅是钢的主要合金元素 ， 含量常 在 以内 ， 可提高钢材强度 ， 对塑性和韧性影响不大 。 但含硅量超过 时 ， 钢的冷脆性增 加， 可焊性变差 。 畅 锰元素 锰元素可以消除钢的热脆性 ， 改善热加工性能 。 锰含量为 畅 时 ， 能明显提高钢 材的强度及硬度 ， 且塑性 、 韧性几乎不降低 ， 所以锰元素也是钢中主要的合金元素之一 。 但 是， 当其含量大于 时 ， 在提高钢材强度的同时 ， 钢的塑性 、 韧性也会降低 ， 可焊性变差 。 畅 磷元素 磷元素是钢中的有害元素之一

22、 ， 主要由炼钢原料带入 。 磷元素能明显降低钢材的塑性 和韧性 ， 特别是低温下的冲击韧性会明显降低 。 这种现象常称为冷脆性 。 另外 ， 磷还能使钢 的冷弯性能下降 ， 可焊性变差 。 但磷元素可使钢的强度 、 硬度 、 耐磨性 、 耐蚀性提高 。 畅 硫元素 硫元素也是钢中的有害元素之一 ， 在钢的热加工过程中易引起钢的脆裂 ， 故称热脆性 。 硫元素也会使钢的冲击韧性 、 疲劳强度 、 可焊性及耐蚀性降低 ， 甚至微量的硫元素 ， 对钢材也 是有害的 ， 因此要严格控制钢中硫元素的含量 。 畅 氧 、 氮元素 氧元素 、 氮元素也是钢中的有害元素 ， 它们能使钢的塑性 、 韧性 、

23、冷弯性能及可焊性降低 。 建筑材料与检测 畅 铝 、 钛、 钒、 铌元素 这四种元素均为炼钢时的脱氧剂 ， 也是合金钢常用的合金元素 。 适量加入这些元素 ， 可 改善钢的组织结构 ， 细化晶粒 ， 使强度提高 ， 韧性得以改善 。 二、 建筑钢材的质量标准 用于建筑工程中的钢材可分为钢筋混凝土结构用钢和钢结构用钢 。 其母材主要是碳素 结构钢及低合金高强度结构钢 。 （一 ）建筑工程中的主要钢种 畅 碳素结构钢 普通碳素结构钢简称碳素结构钢 。 它包括一般结构钢和工程用热轧钢板 、钢带 、型钢 等， 现行国家标准枟碳素结构钢枠 （ ）具体规定了它的牌号表示方法 、技术要 求、 试验方法和检验规则等 。 （）牌号表示方法 ： 标准中规定 ， 碳素结构钢的牌号按屈服点数值 （ ）分为 、