东南大学土木工程材料第3次钢材

1、土木工程材料Building Materials（3）第6章 建筑钢材 问题 体系第一节 钢材的冶炼与分类第二节 建筑钢材的化学组分与金相结构第三节 建筑钢材的力学性能第四节 钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接第五节 建筑钢材的标准与选用第六节 建筑钢材的锈蚀及防止问题一：实际问题1、15MnV表示什么？Q295-B、Q345-E属于何种结构钢？2、钢筋混凝土用钢的主要种类、等级及使用范围？问题一：理论问题1、钢材中的化学元素主要有哪些？各对钢材性能有何影响？2、钢材的热处理工艺有哪几种？各对钢材的性能有何影响？3、低碳钢的应力应变图中各参数意义？4、钢材锈蚀的原因、主要类型及防锈措施？第一

2、节 钢材的冶炼与分类1、钢的冶炼 炼铁：焦炭氧化铁 铁 炼钢：铁中的杂质被氧化除去 钢 氧气转炉炼钢、平炉炼钢、电炉炼钢； 沸腾钢、镇静钢、半镇静钢； 元素成分：碳、硅、锰、磷、硫、氮、氧、氢； 钢的基本组成：固溶体、化合物、机械混合物。 第一节 钢材的冶炼与分类 炼钢的原理：是把熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到预定范围，其它杂质含量也降低到允许范围之内。 常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法和电炉法等。 建筑用钢材主要是上述前三种方法冶炼。第一节 钢材的冶炼与分类 空气转炉钢的特点：用吹入铁液的空气将碳和杂质氧化。由于吹炼中较易吸收有害气体氮、氢等，以及冶炼时间短，不宜准确控制

3、成分，故其质量较差。 氧气转炉钢的特点：是利用纯氧进行吹炼，此法能有效地去除磷和硫，钢中所含气体很低，非金属杂质也较少，故质量较好。第一节 钢材的冶炼与分类 平炉钢的特点：是以煤气或重油作染料，原料为铁液（或固体生铁）、废钢铁和适量的铁矿石，利用空气中的氧和铁矿石中的氧使杂质氧化。平炉钢的冶炼时间长，有足够的时间调整、控制其成分；去除杂质和气体也较净，故质量较好。 建筑钢材主要是经热轧（热变形加工）制成并按照热轧状态供应的。热轧可使钢坯中大部分气孔焊合，晶粒破碎细化，故钢材质量提高。第一节 钢材的冶炼与分类2、分类 冶炼和化学成分对性能的影响。第一节 钢材的冶炼与分类（1）按化学成分分类（i）

4、碳素钢：碳1.35%，锰 1.2，硅 0.4%，还含有少量磷、硫、氧、氮等对钢材性能产生不利影响杂质。 低碳钢：含碳量0.6。第一节 钢材的冶炼与分类（ii）合金钢：在碳钢的基础上，加入一种或多种合金元素（超过碳素钢限量的化学元素如锰、硅、钒、钛等）得到合金钢。合金元素的作用是改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。 低合金钢：合金元素总量10。第一节 钢材的冶炼与分类（2）按照有害杂质含量分类 主要按硫磷含量，将非合金钢和低合金钢分为： 普通钢 优质钢 高级优质钢（3）按照用途分类 结构钢 工具钢 特殊性能钢第一节 钢材的冶炼与分类 建筑上所用的主要是碳素结构钢中的低碳钢和普通钢的低合金结构

5、钢。（4）按照脱氧程度的不同分类 沸腾钢：脱氧不充分，故浇注后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的致密程度较差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差。 镇静钢 半镇静钢第二节 钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响一、建筑钢材的金相组织及其对性能的影响（1）各向同性：建筑钢材是晶体材料，（体心立方晶格示意图7-8，下页）就每个晶粒而言，其性质是各向不同的，但由于许多晶粒是不规则聚集的，故建筑钢材是各向同性的。（晶粒聚集示意图7-7，下页）（2）变形能力：铁晶格中容易导致滑移的面是比较多的，这是建筑钢材变形能力较大的原因。（晶

6、格滑移面示意图7-9，下页）第二节 钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响第二节 钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响（3）缺陷是建筑钢材实际强度远远低于理论强度的原因。三种缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷（各种缺陷插图7-10）。（4）合金元素能使晶粒细化，增加滑移阻力、提高强度，是提高钢材综合性能的重要途径。（5）固溶强化：铁晶格中可溶入其它元素，如碳、锰、硅、氮等，形成固溶体。形成固溶体会使晶格畸变，因而强度提高，塑性和韧性则降低，生产中常利用合金元素形成固溶体以提高钢材强度，称为固溶强化。第二节钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响（6）建筑钢材是基本成分是铁与碳，碳原子和铁原子之

7、间的结合方式有三种基本方式：固溶体、化合物和机械混合物。由于结合方式不同，碳素钢在常温下形成基本的组织有铁素体、渗碳体和珠光体。（7）铁素体：是碳溶于铁晶格中的固溶体，铁素体晶格原子间的空隙小，其溶碳能力很低，室温下仅能溶入小于0.005的碳。由于溶碳少而且晶格滑移面较多，故其强度低，塑性好。第二节钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响（8）渗碳体：是铁与碳的化合物，分子式为Fe3C，含碳量为6.67。它的晶体结构复杂，性质脆硬，是碳钢中的主要强化成分。（9）珠光体：是铁素体和渗碳体相间形成的层状机械混合物。其层状可认为是铁素体基体上的分布着硬脆的渗碳体片。珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间

8、。第二节钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响二、钢的化学成分对钢材性能的影响（1）碳：建筑钢材含碳量不大于0.8，当含碳量提高，钢中的珠光体随之增多，故强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低。（图6-2）（2）硅：硅在钢中除少量呈非金属夹杂物外，大部分溶于铁素体中。当含量较低（小于1）时，可提高钢材的强度，对塑性和韧性影响不明显。第二节钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响（3）锰：锰溶于铁素体中。锰能消减硫和氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。溶于铁素体中的锰，可提高钢材的强度。第三节钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响（略）（4）磷：是碳钢中的有害杂质。主要溶于铁素体起

9、强化作用。含量高，钢材的强度提高，塑性和韧性下降。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大。磷在钢中的偏析倾向强烈，一般认为，磷的偏析富集，使铁素体晶格产生严重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因。磷使钢材变脆、可焊性显著降低。可提高钢的耐磨性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素使用。（5）其它有害杂质：硫、氧、氮。第三节 建筑钢材的力学性能一、抗拉性能二、冷弯性能三、冲击韧性四、硬度五、耐疲劳性第三节 建筑钢材的力学性能一、抗拉性能1、低碳钢受拉的应力应变图（下页） 弹性阶段（OA） 屈服阶段（A B） 强化阶段（B C） 颈缩阶段（C D） 万能试验机第三节 建筑钢材的力学性能一、抗

10、拉性能 弹性阶段（OA）特征：应力消除后，变形也消失。弹性、弹性极限P.。 屈服阶段（A B）特征：应力几乎不变，变形迅速增加。下屈服点sL、上屈服点SU。设计的强度取值依据。 强化阶段（B C）特征：变形随应力增加而增加。抗拉强度。屈强比SU.。 颈缩阶段（C D）特征：应力下降，变形迅速增加，直径缩小。伸长率。 伸长率计算公式： 伸长率与标距的关系（5 与10 ）（下页）第三节 建筑钢材的力学性能一、抗拉性能 伸长率与标距的关系（5 与10 ）：第三节 建筑钢材的力学性能一、抗拉性能 硬钢的屈服点0.2第三节 建筑钢材的力学性能一、抗拉性能第三节 建筑钢材的力学性能二、冷弯性能 概念：承受

11、弯曲变形的能力。 冷弯角和弯心直径，图6-6。第三节 建筑钢材的力学性能三、冲击韧性 概念：承受冲击荷载的能力。 试验：图6-7。 影响因素：温度、时间、加工条件。 冲击韧性试验设备第三节 建筑钢材的力学性能四、硬度 概念：表面局部抵抗外物压入产生塑性变形的能力。 测定方法：布氏法、洛氏法和维氏法。 布氏法：示意图。第三节 建筑钢材的力学性能五、耐疲劳性 概念：在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。 疲劳极限：是指疲劳试验中试件在交变应力作用下，于规定的周期内不发生断裂所能承受的最大应力。 设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当

12、了解所用钢材的疲劳极限。第三节 建筑钢材的力学性能五、耐疲劳性 测定疲劳极限时，应当根据结构使用条件确定采用的应力循环类型、应力比值（最小和最大应力之比）和周期基数。第四节 钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接一、钢材的冷加工及时效强化二、钢材的热处理三、钢材的焊接第四节 钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接 南通装配式建筑（2010年9月报道）：解决了建筑工业化和抗震问题。一周时间可建成。 装配式建筑需要工厂化生产预制构件。 预制构件更需要钢材的冷加工、热处理和焊接。一、钢材的冷加工及时效强化 冷加工强化处理：冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度。 冷加工强化的原因：钢材在塑性

13、变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服强度提高，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。一、钢材的冷加工及时效强化 意义：工地和预制构建厂常利用这一原理，对钢筋和盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度节约钢材。 时效：将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520天；或加热到100200 并保持一定时间。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。 时效效果：冷加工后再经时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍有增长，塑性进一步降低。由于时效过程中内应力的消减，故弹性模量可基本恢复。 冷加工时效强化的

14、概念示意图6-9。一、钢材的冷加工及时效强化一、钢材的冷加工及时效强化 时效强化的原因：主要是溶于铁晶格中的碳、氮原子有向缺陷移动集中甚至呈碳化物或氮化物析出的倾向。当钢材在冷加工塑性变形后，或者在使用中受到反复振动，则碳、氮原子的移动、集中可大大加快，这将造成缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，因而强度提高，塑性和韧性降低。 强度较高的钢材对自然时效几天无反应，必须进行人工时效。二、钢材的热处理（略） 热处理概念：是将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种工艺过程。热处理的方法有退火、正火、淬火和回火。一般在生产厂进行。 退火：有低温退火和完全退火等。 低温退

15、火：加热温度在相变以下，即铁素体等基本组织转变温度以下。其目的是利用加温使原子活跃，从而使加工中产生的缺陷减少，晶格畸变减轻和内应力基本消除。二、钢材的热处理（略） 完全退火：加热温度为8000C8500C，高于基本组织转变温度，经保温以后适当速度缓冷，从而达到改变组织并改善性能的目的。 淬火或回火：通常是两道相连的处理过程。 淬火：加热温度在基本组织转变温度以上，保温使组织完全转变，即投入选定的冷却介质（如水或矿物油）中急冷，使转变为不稳定的组织，淬火即完结。随后进行回火。二、钢材的热处理（略） 回火：加热温度在转变温度以下（1506500C内选定）。保温后，按一定速度冷却至室温。其目的是：

16、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。三、钢材的焊接（略） 概念：焊接联结是钢结构的主要联结方式，在工业与民用建筑的钢结构中，焊接结构占90以上。在钢筋混凝土工程中，焊接大量应用于钢筋接头、钢筋网、钢筋骨架和预埋件的焊接，以及装配式构建的安装。 分类：建筑钢材的焊接方法主要的是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的接触对焊。 焊接质量：主要取决于焊接工艺、焊接材料、钢材本身的焊接性能。第五节 建筑钢材的标准与选用一、建筑钢材的主要钢种二、常用建筑钢材第五节 建筑钢材的标准与选用 常用钢材品种及牌号表示方法：表61。一、建筑钢材的主要钢种（一）碳素结构钢（二）优质碳素结构钢（略）（三

17、）低合金高强度结构钢（略）（一）碳素结构钢1、碳素结构钢的牌号据碳素结构钢（GB700-88）：第一位的字母：表示钢材屈服点代号；第二位的数值：表示钢材屈服点数值；第三位的字母：表示质量等级代号，分A、B、C、D四个等级；第四位的字母：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。ZB235Q2、碳素结构钢的化学成分（略）表7-1。3、碳素结构钢的力学性能（略）表7-2。4、碳素结构钢的抗弯性能（略）表7-3。二、常用建筑钢材（一）热轧钢筋（二）预应力混凝土热处理钢筋（三）冷拔低碳钢丝（四）预应力钢丝、刻痕钢丝和钢绞线（略）（五）型钢（略）二、常用建筑钢材（一）热轧钢筋1、标准更新

18、为钢筋混凝土用热轧钢筋（GB1499-1998）；2、概念：图（下页图）3、热轧钢材的力学性能和工艺性能 热轧钢筋的牌号：有HRB和牌号的屈服点最小值构成。H、R、B分别为热轧（Hot rolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词的英文首位字母。热轧钢筋分为R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。 热轧钢筋的牌号：有R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号 热轧钢筋的牌号：有R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号二、常用建筑钢材（略） 钢筋的公称直径范围：650mm。标准推荐的钢筋公称直径为6、8、10、12、16、20

19、、25、32、40、50mm。 热轧带肋钢筋的力学性能（表6-2，下页） 热轧带肋钢筋的工艺性能（表6-2，下页） 表中的弯曲试验的弯曲角度为1800。热轧带肋钢筋的力学性能牌号公称直径，mms Mpab MPa5 %HRB3356252850 335 490 16HRB4006252850 400 570 14HRB5006252850 500 630 12热轧带肋钢筋的力学性能牌号公称直径a，mm弯曲试验弯心直径HRB33562528503a4aHRB40062528504a5aHRB50062528506a7a二、常用建筑钢材（略）（二）冷轧带肋钢筋 标准：GB137882000； C、

20、R、B分别为冷轧（Cold rolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词的英文首位字母； 冷轧带肋钢筋的直径范围：5、6、7、8、9、10mm； 表89。二、常用建筑钢材（略）（三）预应力混凝土热处理钢筋 概念：是指用热轧中碳低合金钢筋淬火、回火调质处理的钢筋。通常有直径为6、8.2、10mm三种规格，抗拉强度b1500MPa，伸长率10 6 。 热处理钢筋的设计强度取标准强度的0.8。 先张法：先张拉钢筋后浇注混凝土。 后张法：先浇注混凝土后张拉钢筋。 预应力热处理钢筋的力学性能：表6-4。二、常用建筑钢材（略）（四）冷拉低碳钢和冷拔低碳钢丝 标准更新为GB5020492。

21、用途：混凝土构建：多孔板等。 钢筋盘条（图，下页）； 表65。 表66。钢筋盘条冷轧带肋钢筋第六节 建筑钢材的锈蚀及防止1、概念 是指钢筋表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。危害：钢筋本身力学性能变差，反应产物体积膨胀，使混凝土开裂。 钢筋的锈蚀导致混凝土开裂第六节 建筑钢材的锈蚀及防止 杭州湾跨海大杭州湾跨海大桥桥 如何达到混凝土耐久性设计要求？ 如何防止钢筋锈蚀？ 如何监控结构服役状态？第六节 建筑钢材的锈蚀及防止2、机理（1）化学反应：高温产物：Fe3O4；常温产物FeO。（2）电化学反应 由于表面成分或者受力变形等的不均匀性，使邻近的局部产生电极电位的差别，因而建立许多微电池。 影

22、响因素：水、空气中的氧、溶液的pH值、卤素离子含量（尤其是氯离子）。 防止措施：配合比、外加剂（外加剂中的氯离子含量控制、防锈剂）、镀保护膜（镀锌等）。本章要点 常用钢材品种及牌号表示方法：表61。p133 力学性能：性能的概念及其工程意义； 强度（屈服强度、拉伸强度）、塑性（伸长率、断面收缩率）、冲击韧性、硬度。 加工性能：各种加工的概念及其对性能的影响； 热处理（正火、退火、淬火和回火、焊接）、冷加工性能（冷拉、冷拔：冷加工硬化、时效硬化）本章要点 钢的元素成分：碳、硅、锰、磷、硫、氮、氧、氢； 钢的基本组成：固溶体、化合物、机械混合物。本章要点 问题： 分类、组成、牌号、性能（力学性能、加工性能） 分类：冶炼和化学成分对性能的影响； 冶炼：转炉钢、平炉钢、电炉钢、沸腾钢