教学第六章钢材

1、 steels土木工程中使用的各种钢材：型钢、钢板、钢筋钢丝、钢门窗、 建筑五金 特点：1.强度高，塑性、韧性好，能承受冲击和 振动荷 载，易于加工和装配。2.易锈蚀，耐火性差。7.17.1钢的冶炼和分类钢的冶炼和分类7.1.1 钢的冶炼钢的冶炼钢：含碳量为0.062.0%并含有某些其它元素的铁碳合 金。 钢的生产分两步：（1）炼铁 （2）炼钢 钢的冶炼过程：氧化：把熔融的生铁进行氧化，使碳含量降低到预定 范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。脱氧：精炼后的钢液中还留有一定量的氧化铁，使钢 的质量降低。为了消除它的影响，在精练结束 后加入脱氧剂以去除钢液中的氧。钢的冶炼方法：转炉炼钢法，平炉

2、炼钢法，电弧炉炼 钢法7.1.2 钢的分类钢的分类（1）碳素钢：高、中、低碳钢；（2）合金钢：高、中、低合金钢。7.1.2.1 按化学成分分类按化学成分分类建筑钢材碳素钢合金钢高碳钢 C 0.6中碳钢 C 0.25%0.6低碳钢 C 0.25中合金钢 合金元素 5 10低合金钢 合金元素 107.1.2.2 按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类7.1.2.3 按品质按品质(杂质含量杂质含量)分类分类7.1.2.4 按用途分类按用途分类（1）镇静钢；（2）沸腾钢；（3）半镇静钢。（1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢; （4）特级优质钢。（1）结构钢；（2）工具钢；（3）轴承钢。建

3、筑上常用的是普通碳素结构钢（低碳钢）和普通低合金结构钢。 7.27.2钢材的主要技术性钢材的主要技术性能能7.2.1 力学性能力学性能钢材的机械性能，钢材最重要的使用性能。7.2.1.1 强度强度强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能 力。在 建筑结构中，对承受静荷载的钢材， 要求具有一定力学强度，并要求产生的变形 不影响正常工作和安全使用。抗拉强度是钢材强度的特征值，测定钢材强度的主要方法是拉伸试验。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钢材的主要力学特征。 = L/L beSPP/A f0psb低碳钢受拉力的应力应变图（1）弹性模量（E）和比例极限（p）（2

4、）弹性极限（e）（3）屈服强度（s），条件屈服强度（0.2）（4）极限强度（或抗拉强度）b，屈强比（5）疲劳强度eS硬 钢 的 屈 服 点 0.200.2b 极限强度：钢材受拉断裂前的最大应力，称强度极限或 抗拉强度。S/b 屈强比：屈服点与抗拉强度之比。屈强比小， 结构 安全度大，屈强比大，不能充分发挥钢材 强度水平。0.60.75范围较合适。S 屈服极限P 比例极限：弹性阶段的最大应力。S 上屈服点：屈服阶段最大应力；S 下屈服点：屈服阶段最小应力， 数值稳定，称为屈服 点或屈服强度。 屈服点是钢材力学性质最重要的指 标，是结构设计确定钢材容许应力的 主要依据。e 弹性极限：不产生残留塑性

5、变形的最大应力。7.2.1.2 塑性塑性钢材在外力作用下产生塑像变形而不破坏的能力。是钢材的一个重要性能指标。通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。（1）伸长率（） %100001llll0 = 5d0 或 10d0 d0试件原始直径，。l0试件原始标距长度，；l1断裂试件拼合后标距的长度，。dol0l1试件断后标距的测量（2）断面收缩率 （） ：%100010AAAA0 试件原始截面积；A1 试件拉断后颈缩处的截面积。伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越高表示钢材塑性越大。钢材塑性越大，不仅便于加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。7.2.1.3

6、韧性韧性 30R=2.5 40冲击韧性试验示意图钢材抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性值度量。冲击韧性值以摆锤冲断V型缺口试件时单位面积所消耗的功来表示。冲击韧性值越大，钢材冲击韧性越好，其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。冲击韧性式中 A 为试样缺口处截面积)J/cm()(2kAhHmga1H1H22G钢 材 的 冲 击 试 验1. 摆锤； 2. 试件温度对钢材的冲击韧性有重大影响。冲击韧性随温度的降低而下降，开始下降缓和，当温度降到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称为钢材的冷脆性钢材的冷脆性，这一温度范围称为脆性脆性转变温度转变温度。转变温度越低，说明钢的低温

7、冲击韧性越好。脆性转变温度一般为 20 6016012080040-80-400 40t 含锰低碳钢 ak值与温度的关系7.2.1.4、硬度、硬度 钢材硬度指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。是衡量钢材软硬程度的一个指标。常用的硬度测定方法 ：布氏法(HBW)：压入法，指标为布氏硬度HBW，数值越大表示钢材越硬。用于厚钢。洛氏法(HR)：刻痕法，指标为洛氏硬度HR，数值 越小表示钢材越硬。用于薄钢。维氏硬度法（HV)7.2.1.4、耐疲劳性、耐疲劳性 疲劳破坏指钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生的突然破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限或疲劳强度表。 疲劳强度的概念：

8、指在交变荷载作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。影响钢材耐疲劳性能的因素有： （1）内部组织；（2）成分偏析；（3）各种缺陷；（4）钢材表面质量；（5）截面变化和受腐蚀程度。7.2.2 工艺性能工艺性能工艺性能指钢材承受各种冷热加工的能力。 包括：铸造性、切削加工性、焊接性、可锻性、冲压性、冷弯性、热处理工艺性等。7.2.2.1 冷弯性能冷弯性能 概念：钢材在常温下承受弯曲变形的能力。弯曲程度或冷弯性能指标是通过弯曲角度及弯心直径d对试件厚度a或直径的比值来衡量。弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度或直径的比值愈小则钢材的冷弯性能愈好。7.2.2.2 焊接性能（可焊性）焊接性能

9、（可焊性）可焊性良好的钢材，焊缝处的性质应与钢材尽可能相同，焊接才牢固可靠。影响焊接性能的因素： 钢的化学成分、冶炼质量和冷加工。碳质量分数小于0.25%碳素钢可焊性良好；碳质量分数超过0.3%，可焊性变差。硫、磷及气体杂质和过多的合金元素也可降低可焊性。7.37.3钢的化学成分对钢性能钢的化学成分对钢性能的影响的影响7.3 钢的化学成分对钢性能的影响钢的化学成分对钢性能的影响7.3.1 碳碳7.3.2 有益元素有益元素决定钢材性能的主要元素。含量增加，强度、硬度大，塑性、韧性降低，可焊性、耐蚀性降低，冷脆性和时效倾向增大。含量超过1.0%时，强度反而下降。 （1）硅 提高强度、硬度、耐蚀性，

10、对塑性和冲击 韧性无明显影响。（2）锰 提高强度、硬度，略微降低塑性和韧性。（1）硫）硫降低强度、韧性和疲劳强度，产生热裂。偏析最严重的杂质之一。 （2）磷）磷 偏析倾向严重，显著降低塑性和韧性，特别是降低低温冲击韧性，产生冷脆性。使焊接性能变差。 （3）氮、氧、氢）氮、氧、氢 显著降低钢材的塑性和韧性。氮含量增加，塑性、韧性大大降低，焊接性能变坏；氧化物存在使强度、塑性和可焊性降低；氢会引起白点和内部裂纹。7.3.3 有害杂质有害杂质7.47.4钢材的冷加工与热处理钢材的冷加工与热处理7.4.1 冷加工冷加工冷加工：冷加工：指钢材在常温下进行的机械加工。有冷 拉、冷轧、冷拔、冷扭和冷冲等加工

11、形 式。冷加工对钢材性能的影响：冷加工对钢材性能的影响：提高屈服强度；降低塑性和韧性。冷加工强化：冷加工强化：钢材经冷加工后，产生塑性变形，屈服点明显提高，而塑性、韧性和弹性模量明显降低的现象。 7.4.2 时效处理：时效处理： 时效：时效：钢材经冷加工后，屈服强度和抗拉强度随时间延长而提高，塑性和冲击韧性逐渐降低而弹性模量基本恢复的现象。 自然时效：自然时效：经过冷拉后的钢筋在常温下存放1520 天； 人工时效：人工时效：经过冷拉后的钢筋加热到100200C并 保持一定时间。 7.4.3 热处理热处理热处理：热处理：将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷 却，以改变其金相组织和显微结构组 织，

12、从而获得需要性能的一种综合工艺。热处理的方法：热处理的方法：褪火、正火、淬火和回火。（1）褪火）褪火 加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷 却的一种热处理工艺。 目的：改善组织，降低 硬度， 提高塑性，消 除组织缺陷和内 应 力，防止变形、开裂。 （2）正火）正火 加热到一定温度，保温后在空气中 缓慢冷却。 目的：细化晶粒、消除组织缺陷；硬度、 强度提高，塑性减小。（3）淬火：）淬火：淬火的加热温度在基本组织转变温 度以上，保温使组织完全转变，马 上投入选定的冷却介质（如水火 矿物油等）中急冷，使之转变为 不稳定的组织的一种热处理操作。 目的：得到高强度和高硬度的组织。（4）回火：）回火：淬火结束

13、之后，随后进行回火，加热温度在转变温度以下（150650内选定），保温后按一定速度在空气中冷却至室温的一种热处理操作。 目的：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， 改善机械性能。7.57.5土木工程用钢土木工程用钢（1）牌号）牌号碳素结构钢的牌号由4个要素组成： 脱氧程度代号，F代表沸腾钢；b代表半镇静钢；Z代表镇静钢；TZ代表特殊镇静钢质量等级代号分A、B、C、D4级钢材屈服点数值钢材屈服点代号，以“ 屈”字汉语拼音首位字母“ Q”表示7.5.1 碳素结构钢（）碳素结构钢（）(195) (185)3332 161640拉 伸 试 验屈服点 s (N/mm) 钢材

14、厚度 (直径) (mm)抗拉强度b(N/mm)伸 长 率 5 (%)钢材厚度 (直径) (mm)冲击试验温度()V型冲击功(纵向) J牌号等级40 6060100100150150 16164040 6060100100150150 315390375460B ABABCDAQ195Q215Q235Q255Q275235 225 215 205 195 185262524232221200-20335410215 205 195 185 175 16531302928272620410510255 245 235 225 215 205242322212019490610275 265 255

15、 245 235 22520191817161520 27 27 碳素结构钢的机械性能（2）技术性能 随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。 （3）用途不同牌号的碳素结构钢有不同的用途。7.5.2 优质碳素钢（）优质碳素钢（）性能：主要取决含碳量。含碳量高，强度高， 但塑性和韧性降低。用途：用作钢铸件、高强度螺栓、预应力混凝 土锚具、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。7.5.3 低合金高强度结构钢（）低合金高强度结构钢（）（1）牌号低合金钢牌号由三个要素组成质量等级符号分：A，B，C，D，E5级屈服点数值屈服点代号“ Q”（2）技术性能与应用在碳素结构钢的基础上添加

16、总量小于5%合金元素的钢材。强度高，塑性和低温冲击韧性好，耐锈蚀。由于合金元素的强化作用，低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。7.67.6钢结构用钢材钢结构用钢材7.6.1 热轧型钢热轧型钢钢结构中采用的主要钢材。常用：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢。型钢规格常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸表示：7.6.2 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢（1）结构用冷弯空心型钢 （GB672886）（2）通用冷弯开口型钢 （GB672386）7.

17、6.4 钢管钢管土木结构用钢管有无缝钢管和焊接钢管两类。在（1）无缝钢管:采用热轧或冷拔无缝方法制造，热轧无缝钢管的长度通常为3-12m,冷拔钢管的长度通常为2-10.5m.材质通常为碳素钢或合金钢。（2）焊缝钢管：由钢板（钢带）卷焊而成。7.6.5 板材板材（1）钢板 厚板主要 用于结构，薄板主要用于屋面板、楼板和墙板等。单块钢板不能独立工作。 （2）花纹钢板主要用作平台、过道及楼梯的铺板。（3）压型钢板主要用作屋面板、墙板、楼板和装饰板等。（4）彩色涂层钢板主要用于建筑物的围护和装饰。7.77.7钢筋混凝土用钢材钢筋混凝土用钢材7.7.1 热轧钢筋热轧钢筋热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成

18、品钢筋。热轧钢筋按外形可分为光圆钢筋和带肋钢筋（俗称螺纹钢），带肋钢筋可提高混凝土与钢筋的粘结力。热轧直条钢筋按屈服点分成四个强度等级，牌号为“HRB”后面加屈服点的数字。在施工图纸中分别用符号代替： 级钢筋 级钢筋 级钢筋 低碳钢热轧盘条分拉丝用盘条和建筑用盘条。屈服点s抗拉强度b(Mpa)伸长率5(Mpa)抗拉强度不 小 于表面形状钢筋级别强度等级代 号 公称直径(mm)冷 弯光 圆月牙肋月牙肋等高肋RL540RL400RL335R235820825284082528501025283223537025335400540510490570835161410180d = a180d = 3a

19、180d = 4a90d = 3a90d = 4a90d = 5a90d = 6a热轧钢筋的力学性能和工艺性能7.7.2 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后在其表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋，也可经低温回火处理。牌号为“CRB”后面加抗拉强度最低值的数字。冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好、与混凝土粘结牢固、节约钢材、质量稳定等优点，宜做中小型预应力混凝土构件的受力主筋、架力筋、箍筋和构造钢筋。7.7.3 预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋用热轧带肋钢筋经淬火和回火的调质处理而成。外观均有横肋，分有纵肋和无纵肋两种。使用时将盘条打开，钢筋自行伸直，可按

20、要求的长度切断。适用于预应力钢筋混凝土梁板和轨枕等。7.7.4 预应力混凝土用钢丝和钢绞线预应力混凝土用钢丝和钢绞线预应力混凝土用钢丝用优质碳素结构钢制成，抗拉强度极高。预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除内应力的热处理而制成。钢绞线与混凝土的粘结力较好。预应力钢丝和钢绞线强度高、柔韧性好、无接头、质量稳定、施工简便。使用时按要求长度切割，适用于大荷载、大跨度、曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构。7.7.5 混凝土用钢纤维混凝土用钢纤维钢纤维原材料可使用碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢。生产方式有钢丝切断、薄板剪切、熔融抽丝和铣削。钢纤维直径控制在0.450.7mm，长径比控制

21、在5080。按抗拉强度分为1000、600和380三个等级。7.7.6 钢筋的选用钢筋的选用普通受力钢筋宜采用热轧钢筋和CRB550冷轧带肋钢筋，也可采用冷拉235级热轧光圆钢筋和乙级冷拔低碳钢丝。预应力钢筋宜采用预应力混凝土用钢丝、钢绞线和热处理钢筋，也可采用冷拉HRB335、HRB400和HRB500级热轧带肋钢筋。CRB650、CRB800级冷轧带肋钢筋和冷拔低合金钢丝宜用作中小型预应力混凝土结构构件中的受力主筋。7.87.8钢材的防护钢材的防护7.8.1 腐蚀（锈蚀）腐蚀（锈蚀）化学锈蚀：钢材与周围介质直接发生化学作用，生 成疏松的氧化物而引起的腐蚀。(2) 电化学腐蚀：钢材由不同的晶体组织构成并含有杂 质，这些成分的电极电位不同，有水存 在时发生电化学反应。水膜钢材杂质(阴极)Fe(阳极)钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。腐蚀使钢材有效截面积均匀减小；产生局部锈坑引起应力集中；显著降低钢的强度、塑性、韧性等力学性能。在阳极：(氧化)Fe Fe2 + 2e在阴极：(还原)2H+ + 2e H2Fe+ + 2OHFe(OH)2Fe(OH)2又与水中溶解的O2发生如下反应： 4Fe(OH)2+O2 +2H2O 4Fe(OH)27.8.2 防腐防腐7.8.2.1 采用耐候钢采用耐候钢7.8.2.2 金