土木工程材料-钢材

1、第二章第二章 钢材钢材土木工程材料2教学目标教学目标 通过本章的学习，（1）了解铁和钢的概念、钢的分类、钢的冶炼加工及其对钢质量的影响；（2）掌握建筑钢材的主要技术性质（力学性质、工艺性能）及其对钢材性能的影响；（3）掌握主要建筑钢材的性质及应用；（4）了解钢的锈蚀、钢材防锈的要点。本章内容本章内容2.1 2.1 建筑钢材基本知识建筑钢材基本知识2.1.1 建筑钢材概述2.1.2 钢的冶炼加工及其对钢 材质量的影响2.1.3 钢的分类2.1.4 钢材的加工2.2 2.2 建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的主要技术性能2.2.1 力学性能2.2.2 工艺性能2.3 2.3 建筑钢材的技术标准及应用

2、建筑钢材的技术标准及应用 2.3.1 碳素结构钢2.3.2 优质碳素结构钢2.3.3 低合金高强度结构钢2.4 常用建筑钢材课堂练习复习思考题32.1.1 2.1.1 建筑钢材概述建筑钢材概述l 定义定义：建筑钢材主要是指用于钢结构中各种型材（如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。l 性能及应用性能及应用：建筑钢材有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载，易于加工和装配，可以焊接或者铆接，便于装配广泛应用于建筑工程中。l 缺点缺点：易锈蚀，耐火性差。2.1 2.1 建筑钢材基本知识建筑钢材基本知识4前言前言19961996年以

3、来，我国钢年以来，我国钢产量一直居世界第一产量一直居世界第一位。位。20062006年中国粗钢年中国粗钢产量突破产量突破4 4亿吨亿吨, ,占世占世界钢产量的界钢产量的34.4%34.4%，相当于前六大钢铁生相当于前六大钢铁生产国日本、美国、俄产国日本、美国、俄罗斯、韩国、德国、罗斯、韩国、德国、印度的总和。印度的总和。钢筋混凝土用热轧带钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是重要的钢铁肋钢筋是重要的钢铁产品，它应用范围广，产品，它应用范围广，生产量大。据粗略的生产量大。据粗略的统计：统计：20062006年我国钢年我国钢筋实际产量已达筋实际产量已达87928792万吨左右，约占我国万吨左右，约占我国钢产量

4、的钢产量的20.8%20.8%。 5近年来，伴随我国经济持续高近年来，伴随我国经济持续高速增长，建筑业作为我国国民速增长，建筑业作为我国国民经济支柱产业之一也得到了快经济支柱产业之一也得到了快速的发展。由于速的发展。由于目前我国建筑目前我国建筑主要为钢筋混凝土结构形式，主要为钢筋混凝土结构形式，钢筋的生产与消费量增长很快钢筋的生产与消费量增长很快 。我国建筑用钢占钢材的消我国建筑用钢占钢材的消费比例约为费比例约为53.3%，其中，其中长材的消费占长材的消费占76%以上。以上。钢筋占建筑用长材的钢筋占建筑用长材的61% 。67891011121314151617182.1.2 2.1.2 钢的冶

5、炼加工及其对钢材质量的影响钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响l 冶炼原理冶炼原理：将生铁生铁在1700左右熔融，进行氧化，使碳的含量降低到一定的限度，同时把其他杂质含量降低到允许范围内。l 碳素钢碳素钢含碳量在0.02%2.06%，含有害杂质较少的铁碳合金。 生铁硬而脆，无塑性和韧性，不能进行焊接、锻造、轧制等加工，在建筑中很少应用。炼钢方法炼钢方法：大规模的炼钢方法主要有转炉法、平炉炼钢法和电弧炼钢法三种。钢材交货时，必须对所用炉种以规定的代号做出标志，脱氧状态也是钢质标志的内容之一。192021顶吹氧气转炉22232.1.3 2.1.3 钢的分类钢的分类l 按化学成分分类按化学成分分类碳素钢

6、：低碳钢：含碳量 0.60合金钢：低合金钢：合金元素总含量 10l 按质量（杂质含量）分类按质量（杂质含量）分类 普通钢：含硫量0.0550.065；含磷量0.045 优质钢：含硫量0.03 0.045；含磷量0.035 高级优质钢：含硫量0.02 0.03；含磷量0.027l 按用途分类按用途分类 结构钢：建筑工程用结构钢、机械制造用结构钢 工具钢：用于制作道具、量具、模具等 特殊钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等l 建筑工程中常用的钢种是普通碳素结构钢普通碳素结构钢和普通低合金普通低合金结构钢结构钢。24l 根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为:沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。名称脱氧程度

7、质量沸腾钢（F）不完全组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成分不均匀，硫、磷杂质较多质量较差，成本较低。广泛用于一般建筑工程。镇静钢（Z）充分组织致密，成分均匀，机械性能好，质量较好，成本较高。适用于预应力混凝土等重要结构工程。半镇静钢（b）均介于上二者之间脱氧程度不同的三种钢锭的比较25 建筑钢材的产品一般分为型材、板材、线材和管材等几类。型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、轨道钢等。线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢铰线等。板材包括用于水利水电工程金属结构、房屋、桥梁及建筑机械的中厚钢板；用于屋面、墙面、楼板等的薄钢板。管材主要用于钢桁架和供水、供气（汽）管线等。26

8、272829303132 伸长率伸长率 指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比，伸长率按试棒长度的不同分为：试棒的标距等于5倍直径，短试棒求得的伸长率，代号为5；试棒的标距等于10倍直径，长试棒求得的伸长率，代号为10，。 伸长率是钢材发生断裂时伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能所能承受的永久变形的能力力00001100lll式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm。0l1l0l1l式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm。0l1l00001100lll式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的

9、标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm。0l1l33 断面收缩率断面收缩率 塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永久变形的能力。以久变形的能力。以表示表示 。 断面收缩率是试件断裂后，缩颈处横断面断面收缩率是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最大缩减量占横截面的百分率。面积的最大缩减量占横截面的百分率。 在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示断面收缩率表示。34 混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳钢筋混凝

10、土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成。素结构钢和优质碳素钢制成。 2.4 2.4 常用建筑钢材常用建筑钢材l 8.4.1 8.4.1 热轧钢筋热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度，具有一定的塑性、韧性、冷弯和可焊性。热轧钢筋热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋两类。 352.4.1.1 热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋 经热轧成型，横截面通常为圆形，表面光滑的成品钢筋，称为热轧光圆钢筋（HPBHotrolled Plain Bars）。钢筋按屈服强度特征值分为235、300级。 热轧光圆钢筋牌号由HPB和屈服强度特征值构成，分

11、为为HPB235、HPB300两个牌号。 热轧光圆钢筋的公称直径范围为622mm，热轧光圆钢筋（GB 1499.1-2008）推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16和20mm。可按直条或盘卷交货，按定尺长度交货的直条钢筋其长度允许偏差范围为0+50mm；按盘卷交货的钢筋，每根盘条重量应不小于1000kg 。 热轧光圆钢筋钢筋的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大拉力总伸长率Agt等力学性能特征值应符合规定。各力学性能特征值，可作为交货检验的最小保证值。按规定的弯芯直径弯曲180后，钢筋受弯部位表面不得产生裂纹。3637牌号ReL（Mpa）Rm（Mpa）A（%）Agt（%）冷弯

12、试验180d弯芯直径a钢筋公称直径不小于HPB23523537025.010.0d=aHPB300300420热轧光圆钢筋的力学性能热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能（和工艺性能（GB 1499.1-2008） 38带肋钢筋(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋 2.4.1.2 热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋 (HRBHotrolled Ribbed Bars) 经热轧成型并自然冷却的横截面为圆形的，且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋，称为热轧带肋钢筋。包括普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋两种。 热轧带肋钢筋按屈服强度特征值分为335、400、500级。 普通热轧钢筋的牌号由HRB和屈服强度

13、特征值构成，分为HRB335（20Mnsi）、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb或20MnsiTi)、HRB500三个牌号，。3940(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋 414243444546 热轧带肋钢筋的公称直径范围为热轧带肋钢筋的公称直径范围为650mm，热轧带肋钢热轧带肋钢筋筋（GB 1499.2-2007）推荐的钢筋公称直径为）推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16、20、25、32、40和和50mm。 热轧带肋钢筋通常按定尺长度交货，具体交货长度应在合热轧带肋钢筋通常按定尺长度交货，具体交货长度应在合同中注明，按定尺长度交货时的长度允许偏差为同中注明，按定尺长度

14、交货时的长度允许偏差为25mm，当，当要求最小长度时，其偏差为要求最小长度时，其偏差为+50mm，当要求最大长度时，其，当要求最大长度时，其偏差为偏差为50mm。热轧带肋钢筋也可以盘卷交货，每盘应是一。热轧带肋钢筋也可以盘卷交货，每盘应是一条钢筋，允许每批有条钢筋，允许每批有5%的盘数由两条钢筋组成。的盘数由两条钢筋组成。 47三面月牙形冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋 48冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋49螺旋肋钢丝外形示意图 50三面刻痕钢丝外形示意图 51 预应力混凝钢绞线预应力混凝钢绞线是以数根优质碳素结构钢丝在绞线机上以绞捻,再经低温回火和消除应力等热处理工序制成。预应力钢绞线是用两（或三、或七

15、、19 ）根钢丝捻制后，钢绞线与混凝土的粘结力较好。钢铰线的捻向一般为左（S）捻。 按照表面形态可以分为光面钢绞线、刻痕钢绞线、模拔钢绞线(compact)、镀锌钢绞线、涂环氧树脂钢绞线等。在多数后张预应力及先张预应力工程中，光面钢绞线是最广泛采用的预应力钢材。模拔钢绞线主要用于提升工程，也用于核电之类的工程。镀锌钢绞线常用于桥梁的系杆、拉索及体外预应力工程。涂环氧树脂的钢绞线用途和镀锌预应力钢绞线类似。 预应力钢绞线以盘或卷状态交货,每盘钢铰线应由一整根组成，如无特殊要求，每盘钢铰线的长度不小于200m 。成品钢铰线的表面不得有润滑剂、油渍等降低钢铰线与混凝土粘接力的物质。钢铰线表面允许有轻

16、微的浮锈，但不得锈蚀成目视可见的麻坑 。预应力混凝钢绞线预应力混凝钢绞线522.4.5 2.4.5 型钢型钢l常用品种常用品种：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边型钢等。l特点特点：截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间连接方便，所以是钢结构中采用的主要钢材。l规格规格：通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示。l热轧型钢热轧型钢工字钢5354555657（1）无缝钢管 无缝钢管是经热轧、挤压、热扩或冷拔、冷轧而制成的周边无缝的管材。分为一般用途和专门用途两类。一般结构用的无缝钢管，以外径壁厚表示规格,详见GB8162-1987规定。专用无缝钢管一般用于锅炉和耐热工

17、程中。（2）焊接钢管 在工程中用量最大的是焊接钢管。供低压流体输送用的直缝钢管，分焊接钢管和镀锌焊接钢管两大类；按壁厚分为普通焊管和加厚焊管；按管端形式分螺纹钢管和无螺纹钢管。2.4.6 钢管钢管5859602.4.1 2.4.1 钢材的锈蚀钢材的锈蚀l 定义定义：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作锈蚀锈蚀。l 发生发生：钢材锈蚀的现象普遍存在，如在大气中生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大时，情况就更为严重。l 后果后果：不仅使钢材有效截面积均匀减小，还会产生局部锈坑，引起应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能。l 分类分类：根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。 2.4 2.4 钢材的锈蚀及防止钢材的锈蚀及防止61l化学锈蚀化学锈蚀化学锈蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。 在干燥环境中化学锈蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时锈蚀速度大大加快。l电化学锈蚀电化学锈蚀 钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的