第九章建筑钢材

1、第九章 钢材一、钢材的种类n钢结构工程用型钢（角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和钢管等。n钢筋混凝土结构工程用钢筋及钢丝。前言前言钢结构网架槽钢工字钢前言前言角钢H型钢钢管前言前言带肋钢筋冷轧带肋钢筋钢绞线二、钢材的优点1.质量均匀，性能可靠。 适合于铸造、锻造、切割、压力加工、冷加工或热处理；也可用铆接和焊接等多种连接方式进行装配式施工。前言前言2.强度、硬度高。 适合于制作各种承载较大的构件和结构，以及钢轨和机械加工用的切割工具。前言前言3.塑性、韧性好。 常温下能承受较大的塑性变形，便于冷拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；良好的韧性，使得钢材在常温下可以承受较大的冲击作用，适合于制作吊车梁等承受

2、动荷载的结构和构件。前言前言三、钢材的缺点1.易锈蚀。2.维修费用高。3.耐火性差。 前言前言第一节钢材的冶炼及分类一、钢材的冶炼 1.冶炼原理 将生铁中的碳含量降至2.0%以下，使硫、磷等杂质含量降至一定范围内即成为钢。第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类 （1）除碳 通过氧化法，可将一部分碳变成气体而逸出。 2FeO2 2FeO FeOC FeCO第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类 （2）造渣 在氧化还原反应中可将生铁中的Si、Mn变为钢渣，浮于钢水之上而排出。 FeOMn FeMnO 2FeOSi 2FeSiO2 铁水中的S、P杂质只有在碱性条件下才能去除，通常加入一定量的石灰石。 5Fe

3、O2P3CaO 5FeCa3(PO4)2 FeSCaO FeOCaS 第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类 （3）脱氧 由于锰、硅、铝与氧的结合能力大于氧与铁的结合能力，所以脱氧时给钢水中加入锰铁、硅铁或铝锭作为还原剂，将钢水中的FeO还原为铁，使氧变为Mn、Si或Al的氧化物而进入钢渣。 脱氧减少了钢材中的气泡并克服了元素分布不均（通常称为偏析）的缺点，可明显改善钢材的技术性能。 第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类2.冶炼方法n平炉炼钢n氧气顶吹转炉炼钢n电炉钢 第第一一节节冶冶炼炼与与分分类类二、钢材的分类1.按化学成分分类碳素钢碳素钢：n低碳钢（含碳量小于0.25%）n中碳钢（含碳量为0.

4、25%0.60%）n高碳钢（含碳量大于0.60%）第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类合金钢合金钢：是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：n低合金钢（合金元素总含量小于%）n中合金钢（合金元素总含量为%10%）n高合金钢（合金元素总含量大于10%）第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类2按杂质含量（S、P）分类n优质碳素钢（硫、磷含量不高于0.035 % ）n高级碳素钢（硫、磷含量不高于0.030 % ）n特优碳素钢（硫含量不大于0.020 % ，磷含量不大于0.025 % ）第一

5、节第一节 冶炼及分类冶炼及分类3按冶炼方式分类平炉钢氧气转炉钢电炉钢第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类4按冶炼时脱氧程度分类（1）镇静钢（Z） 炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类（2）沸腾钢(F) 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的CO气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏

6、析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。（3）特殊镇静钢（TZ）比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程。第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类（5）按用途分类结构钢结构钢：碳素结构钢、合金结构钢工具钢工具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢特殊钢特殊钢：桥钢、钢轨钢等 建筑用钢主要是普通碳素钢中的建筑用钢主要是普通碳素钢中的低碳低碳钢钢和合金钢中的和合金钢中的低合金钢低合金钢。 第一节第一节 冶炼及分类冶炼及分类第二节钢材的力学性能n抗拉性能n冲击性能n耐疲劳性能第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能一、抗拉性能1.主要测试指标

7、主要测试指标：n屈服强度n抗拉强度n伸长率（断面收缩率）等2.2.钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括：n弹性阶段n屈服阶段n强化阶段n颈缩阶段第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能3.相关知识点回顾（1）应力 （2）应变（3）弹性与弹性变形（4）塑性与塑性变形AFAN0001LLLLL第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能低碳钢的受拉过程分为四个阶段低碳钢的受拉过程分为四个阶段0LLOAF弹性阶段弹性阶段OAOA屈服阶段屈服阶段ABAB强化阶段强化阶段BCBC颈缩阶段颈缩阶段CDCDABCD低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图第二节第二节 钢材的力

8、学性能钢材的力学性能弹性阶段弹性阶段OA 一条通过原点一条通过原点的直线，应力与应变成正比。的直线，应力与应变成正比。 弹性弹性弹性模量弹性模量 E E值的大小反映了钢材抵抗值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。弹性变形的能力。 A点对应点对应的应力。的应力。tgE:p0LLOAFA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图p E1 E2l图形的特点：l 试件的特点：l计算的指标：ABCD弹性极限第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能屈服阶段屈服阶段AB 一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。 所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点

9、） 点对应的应力。0LLl图形的特点：l试件的特点：l计算的指标：OAFA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图pACDBB上上B下下:s下BsAFss屈服。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能强化阶段强化阶段BC 一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高抗拉强度 l图形的特点：l试件的特点：l计算的指标：0LLOAFA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图pACDBB上上B下下sAFbbbC点对应的应力。强化。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能颈缩阶段颈缩阶段CD 一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。伸长率： l图形的特点：

10、l试件的特点：l计算的指标：AF0LLOApACDBB上上B下下sb%100001LLLL1L0l计算的指标：颈缩第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能三个重要的指标n屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据n抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率 ，安全可靠程度n伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好 bsbsAF0LLOApACDBB上上B下下sbsbbs%100001LLL第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能4断面收缩率L10AAnd0L0L0=5d0或10d0A0、 An前后的截面积5与10谁大第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能2 .

11、0中碳钢、高碳钢的应力应变图l规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为非比例延伸应力，用0.2表示。1第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能3.冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能二、冲击韧性二、冲击韧性1.1.定义定义：是指钢材抵抗冲击荷载的能力。2.2.冲击韧性指标冲击韧性指标：是通过标准试件的弯曲冲击韧性试

12、验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能冲击实验第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能3.3.冷脆性冷脆性：钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。 发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢

13、材。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能 随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能三、耐疲劳性1.定义：钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。若max越大，则次数N越小。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能2.疲劳破坏的原因：

14、钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲劳断裂。钢材内部的晶体结构、成分偏析以及最大应力处的表面光洁程度等因素均会明显影响疲劳强度。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能第三节钢材的工艺性能一、冷弯性能1.定义：冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。2.弯曲测试弯曲测试：弯心直径d与试件直径（或厚度）a的比值d/a越小，弯曲角度越大，说明试件受弯程度越高，对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格。第三节第三节 钢材的工艺性能钢材的工艺性能二、焊接性能1.

15、焊接连接是钢结构的主要连接方式，在钢筋混凝土工程中，焊接则是广泛应用于钢筋接头、钢筋网、钢筋骨架和预埋件的焊接，以及装配式构件的安装。因此，要求钢材具有良好的可焊性。2.钢材的可焊性主要受其化学成分及含量的影响。第三节第三节 钢材的工艺性能钢材的工艺性能第四节钢材的化学成分对钢材性能的影响一、化学成分对钢材性能的影响 钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显相应提高，而塑性和韧性则相应

16、降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。感性，降低抗大气锈蚀性。第四节第四节 钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材的化学成分对钢材性能的影响含碳量对热轧碳素钢性质的影响 b抗拉强度；k冲击韧性；HB硬度；伸长率；面积缩减率 (2(2）硅硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。(3(3）锰锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。第四节第四节 钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材

17、的化学成分对钢材性能的影响（）（）硫硫：是有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，导致热脆性，显著降低可焊性。（）（）磷磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。第四节第四节 钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材的化学成分对钢材性能的影响（）（）氧氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。（）（

18、）氮氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。第四节第四节 钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材的化学成分对钢材性能的影响（）（）钛钛：钛是强脱氧剂。它能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。（）（）钒钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。第四节第四节 钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材的化学成分对钢材性能的影响第五节钢材的强化一、钢材的冷加工及时效一、钢材的冷加工及时效 1、冷加工的种类、冷加工的种类 冷加工的主要目的冷加工的主要目

19、的：提高屈服强度，节约钢提高屈服强度，节约钢材，但往往会导致塑性、韧性及弹性模量的材，但往往会导致塑性、韧性及弹性模量的降低。降低。形式形式：冷拉、冷拔、冷轧。冷拉、冷拔、冷轧。 第五节第五节 钢材的强化钢材的强化n冷拉冷拉是降低碳钢丝从孔略小于钢丝直径的拔丝模中强力拔出，使断面减小，长度伸长的工艺过程。n冷轧冷轧是使低碳钢丝通过硬质杂辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。冷拔、冷轧后的钢丝，强度和硬度明显提高，塑性和韧性则显著下降。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化n冷加工强化的原理冷加工强化的原理：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，

20、故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化2冷加工在工程中的应用冷加工在工程中的应用（1 1）冷加工具有明显的经济效益冷加工具有明显的经济效益（2 2）简化施工工艺简化施工工艺，使盘条钢筋的开盘、，使盘条钢筋的开盘、矫直、冷拉三道工序合为一道，直条钢筋矫直、冷拉三道工序合为一道，直条钢筋则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。（3 3）冷加工和时效一般同时采用冷加工和时效一般同时采用，通过试，通过试验确定冷拉控制参数和时效。验确定冷拉控制参数和时效。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化3

21、3时效处理时效处理：将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520，或加热到100200度并保持一段时间，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。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化 n冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化n钢材产生时效的主要原因钢材产生时效的主要原因：溶于一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高

22、，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化二、钢筋的热处理 按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化热处理的几种基本方法： ( () ) 淬火淬火。将钢材加热至723（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。第五节第五节 钢材

23、的强化钢材的强化 ( () ) 回火回火。将淬火后的钢材重新加热到723以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化（）（）退火退火。退火是指将钢材加热至723以上某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。（）（）正火正火。

24、是将钢材加热到723以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小。第五节第五节 钢材的强化钢材的强化第六节常用建筑钢材的性能一、钢结构用钢的性能及选用1普通碳素结构钢 按国家标准GB/T700-2006规定，我国碳素结构钢分四个牌号，即195、Q215、Q235、和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、多个质量等级。第六节第六节 常用建筑钢材的性能常用建筑钢材的性能（1）钢牌号的表示方法、代号和符号Q屈服强度值等级脱氧方式，如Q235AF为屈服强度不小于235MPa,质量等级为A级的沸腾碳素结构钢。（2）技术要求，见GB/T7002006.第六节第六节 常用建筑钢材的性能常用建筑钢材的性能二、钢筋混凝土结构用钢1.热轧钢筋：光圆钢筋（GB130131991），带肋钢筋（GB14991998） 我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分为IIV级，四个强度等级的钢筋中，除I级钢筋为低碳钢外，其余三级热轧带肋钢