第七章习题参考答案

1、 i习题题解按化学成分分类，将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。 非合金钢是指冶炼时不特意掺合金元素的（但含有少量合金元素）钢, 一般称为碳素钢。低合金钢的合金含量和性能介于非合金钢和合金钢 之间。建筑工程中钢结构主要用钢为普通或优质碳素结构钢中的低碳 钢和普通质量或优质的一般用途低合金结构钢；钢筋混凝土用钢筋和 钢丝，主要应用普通质量的碳素钢筋用钢、 普通质量的低合金钢筋钢 和优质合金钢筋用钢。所谓普通、优质和特殊质量是按质量等级分类的钢。 普通质量钢 中硫、磷等杂质比优质钢多。结构钢是按用途分类，以区别其它工具 钢、切削钢、耐候钢等专门用途的钢。非合金钢、低合金钢与合金钢的合金含量界

2、限见 GB/T13304-91。建筑用钢的冶炼，主要使用氧气转炉和平炉冶炼。氧气转炉钢是向 氧气转炉中铁水内通入氧气，除去杂质比较彻底，钢质量比较好。同时熔炼时间短、设备简单，比平炉钢成本低；平炉冶炼的主要是废钢、 铁矿石等原料，冶炼时间长，除杂质彻底，钢的化学成分易控制，钢 质量好。尤其适合炼制优质钢和特殊用途专用钢。由于平炉设备投资 大、热效率低，所以钢的成本高。建筑用钢大部分是氧气转炉钢。根据冶炼后期加脱氧剂使FeO还原成Fe过程中的脱氧程度不同， 将钢分成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是脱氧不 充分，气体杂质多，钢的时效敏感性大、钢的质量较差，性能不稳定， 但钢的利用率高

3、，成本低。镇静钢和特殊镇静钢脱氧充分，钢质致密, 钢性能稳定，质量好，但成本较高。半镇静钢质量与成本介于上述二 者之间。屈服点（匚s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承 受应力不超过J值；屈服点与抗拉强度的比值（J/J）称为屈强比。 它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度；伸长率（）表示钢材 的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应 力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处超过=时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免钢材提早破 坏。同时，常温下将钢材加工成一定形状，也要求钢材要具有一定塑 性。但伸长率不能过大，否则会使钢材在使用中发生超

4、过允许的变形 值。 冲击韧性是指在冲击振动荷载作用下，钢材吸收能量、抵抗破坏的 能力。冲击韧性以冲断试件时单位面积所消耗的功， 称为冲击功（值） ak来表示。ak值是在摆锤式冲击试验机测得冲断试件前后摆锤高 hi和 h2 （m），当摆锤重量为P（N），试件槽口处截面积为A （cm2）,断裂后 的ak值（J/cm2）按下式计算：ak = P（hi-怡）/A。冲击韧性受钢的化学组成、晶体组织及含量、冶炼、轧制加工质 量影响。当钢中碳、磷、氮、氧等含量高、晶粒粗大、渗碳体含量高， 钢中缺陷和杂质多、以及轧制不均匀、表面不平整、焊接处有热裂纹 等情况时，冲击韧性都会降低。除此之外，在低温条件下，或经时

5、效 后的钢材，其冲击韧性都降低。随环境温度降低，钢材的冲击值（aQ亦降低，当达到某一低温时， 其ak值显著降低的现象称为钢材的低温冷脆性。 出现低温冷脆性时的 温度（范围），称为脆性临界温度（范围）。随时间的推移，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象 称为时效。因时效作用，钢材ak降低的程度称为钢材的时效敏感性。承受动荷载的结构，选用钢材时，必须按规范要求测定其ak值。处于低温条件下的钢结构要选用脆性临界温度低于环境最低温度的 钢材。若在严寒地区，露天焊接钢结构，受振动荷载作用时，要选用 脆性临界温度低和时效敏感性小的钢材。冷弯性能表示钢材在常温下易于加工而不破坏的能力。其实质反映 了钢

6、材内部组织状态、含有内应力及杂质等缺陷的程度。因此，可以利用冷弯的方法，使焊口处受到不均匀变形，来检查焊接质量。在723C以下，奥氏体全部分解后，碳素钢的基本组织有铁素体、 珠光体和渗碳体三种。铁素体塑性大，但抗拉强度和硬度不高；渗碳 体硬度大，强度低，无延展性、脆性大；珠光体抗拉强度大，伸长率 介于铁素体和渗碳体之间。当含碳量等于0.8%时，晶体组织全部由珠光体组成，称共析钢。 珠光体性质决定了碳素钢的性质；当含碳量小于 0.8%时，钢的晶体 组织由铁素体和珠光体组成，称为亚共析钢。随含碳量增加，铁素体 减少，珠光体含量增加，钢的强度和硬度提高，而塑性、韧性降低； 当含碳量大于0.8%时，钢

7、的晶体组织由珠光体和渗碳体组成，称为 过共析钢。随含碳量增加，珠光体减少，渗碳体含量增加，钢的硬度 增大，塑性和韧性降低。当碳含量超过 1刎后，渗碳体含量增加， 使钢的脆性增加较大，碳素钢的强度开始降低。碳素钢中含较多的磷时，FqP含量增加，常温下钢的塑性和韧性降 低，脆性增大，尤其低温下冷脆性明显增大，降低了可焊性。磷尚能 使钢机械强度和切削加工能力增加。硫以FeS夹杂物状态存在，使钢熔点降低，在焊接温度下，易产 生热裂纹，增加钢的热脆性。当钢中硫含量增加，显著降低钢的可焊 性和热加工性能。氮使钢强度增加， 但降低塑性和韧性， 增大钢的时效敏感性， 尤 其低温时显著降低冲击韧性。氧多以氧化物

8、状态存在于非金属夹杂物中，使钢机械强度降低， 韧性显著降低，并有促进时效和增加热脆性作用。锰固溶于铁素体中， 可提高钢的强度， 消除硫、氧引起的热脆性。 当锰含量为 1%2%时，珠光体晶粒细化，强度提高，韧性基本不变。硅大部分溶于铁素体中，当 Si 含量小于 1%时，可提高钢强度， 对塑性和韧性影响不大。碳素结构钢的牌号由代表屈服点的符号 （Q、屈服点值（195、215、 235、255和275MPa、质量等级（按磷、硫含量由多到少排列为 A、 B、C D）脱氧程度沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特 殊镇静钢（TZ）, Z和TZ不作标注来表示。如Q35 A?F, CUC等。建筑工程

9、中广泛应用的碳素钢是 Q35号钢。主要是由它的屈服点、 韧性、塑性和可焊性等综合性能比较符合建筑用钢的要求。而Q15号钢塑性过大，强度偏低；Q55号钢强度虽高，但塑性和可焊性较差， 均不如Q35钢理想。上述四个牌号的钢均为 Q35钢，是建筑中应用最多的碳素钢。其中的性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。 按磷、硫含量多少来 衡量，D和C为优质钢质量最好，其次是 B和A。按脱氧程度衡量TZ 和Z质量最好，其次是b和F。只有质量等级为D的钢，其脱氧程度 有“TZ。综合评价上述四个牌号钢的质量和性能优劣的次序是Q35DQ235C Q235B?b Q235A?F。Q 235A?F 钢，仅适用于承受间

10、接动荷载的静荷载的结构。 一般的 焊接钢结构可选Q35 B?b。重要的焊接结构，受到动荷载作用或处在 低温条件下工作的，应选用 Q35C,甚至选用Q35 Do选用碳素结构钢应考虑所受荷载类型、结构的重要性、焊接要求 以及环境温度。对于沸腾钢，在下列条件下应限制其使用。动荷载焊接钢结构；动荷载非焊接钢结构，但其计算温度低于一20 C时；静荷载或间接动 荷载作用，计算温度低于一30C的焊接钢结构。低合金结构钢之所以被广泛采用，主要是由于它的机械强度高， 韧性、塑性、可焊性等综合性能好，而且掺入合金元素对成本增加不 大，但对性能改善明显，钢质量稳定，可节省大量钢材。普通或优质低合金结构钢主要用来轧制

11、型钢、 钢板、钢带几棒钢 等制品。用于一般结构工程及建筑中的大跨度、大承载力、高层的钢 结构。优质低合金钢筋钢用来轧制H、皿级钢筋。钢号为15MnV是钢结构用低合金钢中的一个牌号。碳的平均含量 为万分之 15，主合金元素为锰，付合金元素为钒，锰的含量为 1.0%1.4%、钒含量为 0.01%0.12%。为脱氧比较彻底的镇静钢。45Si 2MnTi是热轧钢筋中W级钢筋的一种。其碳的平均含量为 0.45%,平均硅含量为2% 即2.5%,但1.5%, Mn含量小于1.4%, Ti 的含量小于 0.13%，为镇静钢。该钢是优质合金钢筋钢的一种。热轧钢筋按强度等级（屈服强度）分为四个级别。由I级到W级，

12、 钢筋的机械强度不断提高,而塑性、韧性降低,可焊性亦相应降低。I级钢筋是由Q35钢筋钢热轧的光圆钢筋，适合做非预应力混凝土用 钢筋。“、皿级钢筋由普通低合金结构钢轧制。可用于非预应力也可 以用于预应力混凝构件中。在常温下将钢材进行机械加工,使其产生塑性变形,以提高其屈 服强度的过程称为冷加工强化。 机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉 和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。时效处理是将经过冷加工的钢材, 在常温下存放 1520天,或者 加热到100200C，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常 温放置称为自然时效,加热处理称为人工时效。在建筑工地和混凝土预制厂, 经常对比使用要求的强度偏低和塑 性偏大

13、的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理, 以提高屈 服强度和利用率,节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加 工所用机械比较简单,容易操作,效果明显,所以建筑工程中常采取 此法。对热轧钢筋进行冷拉并时效处理的目的主要是为了提高钢材屈服 点和节省钢材。主要方法是对一般钢筋只控制冷拉率； 对预应力钢筋以控制应力 为主,控制冷拉率为辅的方法。对达到规定冷拉率,但没达到控制应力的钢筋级使用。时效处理的方法往往是对强度低的I、H级钢筋采取自然时效处理，对强度较高的皿、W级钢筋采取人工时效处理。冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点明显提高（20%25）抗拉 强度也有所提高，塑性和韧性降低较大，弹性模

14、量基本恢复。冷拔低碳钢丝是由Q15或Q235盘圆钢筋拔制而成。其抗拉强度可提 高40%60%塑性和韧性明显下降而具有硬钢的性质。 拔制次数愈多， 性能变化愈大。主要用作中、小型预应力混凝土构件中。碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线是将优质碳素钢经冷拔或再经回 火、冷轧或者绞捻等加工而制成。具有强度高、柔性好、无接头、质 量稳定，使用安全可靠等特点。主要用于桥梁、电杆、轨枕、吊车梁 的预应力钢筋。钢绞线适用于大承载力的后张法预应力重型或大跨结 构中。热处理钢筋是将热轧的螺纹钢筋经淬火和高温回火等调质处理 而成。其特点是塑性降低不大，但强度提高很多，质量稳定，综合性 能理想。适用于预应力钢筋构件。% 表示硬钢（高碳钢）的条件屈服点，即规定将硬钢拉伸至 塑性变形达到原长的0.2%时的应力值，作为设计取值的依据。、6为钢筋原长（Lo）与原直径（do）之比（Lo/ d 0）分别为5倍和10倍时的伸长率。wo表示标距为100mm冈丝的伸长率。% 冲击值（功）。表示钢材的冲击韧性。济是在冲击试验机上 将标准刚件冲断时单位面积上所消耗的功（J/cm2）。解：（1）确定钢筋级别）计算出屈服点、抗拉强度及伸长率为：二；二 P/A =42.4 103N / 二-2 =375N/mm2；s=367N/mm2 ; A-公称截面积为 113.1二b=62 103/3.14 62 =549N/mm22-