建筑钢材的种类、性能和应用

1、建筑钢材的种类、性能和应用 黑色金属（生铁、钢）金属材料 有色金属（铝、铜等及合金）钢材是土木工程中用量最大的金属材料建筑钢材种类：钢结构用的型钢、钢板，钢筋混凝土用的钢筋、钢丝、钢绞线等。优点：强度高、韧性、塑性好； 能经受冲击和振动 易于加工和装配 缺点：易锈蚀、维护费用高 耐火性差 9.1 钢材的冶炼炼钢的原理将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到一定限度，同时把其它杂质的含量也降低到容许的范围内。即：含碳量在2以下，有害杂质含量较少的FeC合金称为钢主要炼钢方法： 平炉炼钢法 氧气转炉炼钢法 电弧炉炼钢法依据脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢钢材的分类按化学成分： 低碳钢（含C量） 碳

2、素钢 中碳钢（含C量0.60%） 高碳钢（含C量0.60%） 低合金钢（合金元素总量10%）钢的分类按质量分： 普通碳素钢 优质碳素钢 高级优质钢按用途分： 结构钢 工具钢 特殊钢（如轴承钢）建筑上最常用：普通低碳钢和普通低合金结构钢9.2 建筑钢材的主要技术性能包括： 拉伸性能 冲击韧性 力学性能 疲劳强度 硬度 冷弯性能 工艺性能 冷加工性能 焊接性能 一、拉伸性能四个阶段：弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段 弹性阶段（OA段）弹性极限，用p表示。此阶段应力与应变成正比，其比值为常数，即弹性模量，用E表示， / = E。弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要

3、指标。常用低碳钢的弹性模量E = (2.02.1)105 MPa，p = 180200MPa。 屈服阶段（AB段）应力超过p后，应变增加很快，而应力基本保持不变。这种现象称为屈服。此时应力与应变不再成比例，试件开始产生塑性变形。曲线上开始发生屈服的点，称为屈服点，这时的应力称为屈服极限，用s表示。钢材受力达到屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据。常用低碳钢的s为185235Mpa。 强化阶段当荷载超过屈服点后，因塑性变形使其内部的组织结构得到调整，抵抗变形的能力有所增强，曲线又开始上升，称为强化阶段。曲线最高点所对应的应力称为抗拉强

4、度，用b表示。常用低碳钢的b为375-500MPa。屈强比（s/b）屈强比越小，钢材在受力超过屈服点时的可靠性越大，结构越安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。通常屈强比在之间比较合适。 颈缩阶段应力超过b后，试件的变形开始集中于某一小段内，使该段的横截面面积显著减小，出现图所示的颈缩现象，曲线开始下降，直至点，试件被拉断。 硬钢的屈服点预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点：抗拉强度高，无明显的屈服阶段，伸长率小。这类钢材由于没有明显的屈服阶段，不能测定屈服点，故常用发生塑性变形0.2%时的应力作为规定的屈服极限，用 表示。硬钢的屈服点疲劳强度疲劳破坏：受交变荷

5、载反复作用，钢材在应力远低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂的现象。疲劳强度：钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限。实际测量时常以2*106次应力循环为基准。二、塑性指标A、 伸长率（ ）B、截面收缩率（ ）与值越大，说明材料的塑性越好三、冲击韧性冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性用冲断试样时缺口处单位面积上所消耗的功冲击功（ K ）来表示，K的单位为J/cm2。K越大表示钢材抗冲击的能力越强。 冲击韧性试验示意图影响冲击韧性的因素钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都比较敏感。如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属

6、夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。影响冲击韧性的因素K值还与试验温度有关。某些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时，冲击韧性突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种现象称为钢材的冷脆性。K剧烈改变的温度称为临界温度。承受动荷载、负温结构等需检验钢材的冷脆性。四、硬 度硬度是金属材料抵抗硬物压入表面的能力，亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。强度硬度：材料的强度越高，硬度值越大。硬度指标 布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 钢材的工艺性能工艺性能是指钢材是否易于加工成型的性能。包括： 冷弯性能 冷拉性能 冷拔性能 可焊性能1、冷弯

7、性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示。1、冷弯性能钢材的冷弯试验: 是通过直径（或厚度）为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d = na），弯曲到规定的角度时（180或90），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示其冷弯性能越好。 钢材的冷弯示意图冷弯检验的意义钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检验。它能揭示钢材内部组织的均匀性，以及存在内

8、应力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中，这些缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映不出来。在工程实践中，冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量的一种手段，能揭示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物 。2、冷加工强化将金属材料于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，其强度可明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为金属材料的冷加工强化。冷拉冷加工的工程效益钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%25%。由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减少混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。钢筋冷拉还有利于简化施工工序。冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；冷拉直条钢筋则可与矫直、除锈等工序一并

9、完成 。B、冷 拔冷拔是强力拉拔钢筋通过截面小于钢筋截面积的拔丝模。冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压作用。经过一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，其屈服点可提高40%60%，但失去软钢的塑性和韧性，而具有硬质钢材的特点。冷拔B、冷 轧冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可提高其强度及与混凝土的粘接力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性。3、焊接性能焊接：把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。焊接性能：是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产

10、生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。影响因素：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。（低碳钢的可焊性很好，随着碳含量和合金含量的增加，钢材的可焊性减弱。钢中含硫也会使钢材在焊接时产生热脆性。）选择：焊接结构用钢，选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对高碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。对焊示意图焊接示意图9.3 钢的化学成分对钢材性能的影响碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随着含碳量增加，钢的抗拉强度和屈服强度上升；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性降低，焊接性也变差。锰能提高钢材的屈服强度和抗拉强度，而又不过多地降低塑性和冲

11、击韧性；锰能显著改善钢材的冷脆性能；锰还能消减硫和氧导致的热脆性，改善钢材的热加工性能。锰是低合金结构钢的主加元素，含量一般在1%2%范围内。它可细化晶粒，提高钢材的强度。硅的含量较低（1%）时，可提高钢材的强度，对塑性和韧性影响不明显。硫和磷是钢中十分有害的元素。硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。硫还将降低钢材的塑性与冲击韧性。磷将使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏。磷也降低钢材的可焊性。钛、钒、铌等低合金钢中常用的合金元素可细化晶粒，有效地提高强度。建筑钢材的标准与选用分： 钢结构用钢材 普通碳素结构钢 低合金高强度结构钢 钢筋混凝土用钢材 热轧钢筋 冷加

12、工钢筋（冷拉钢筋、冷拔钢丝） 热处理钢筋 高强钢丝和钢绞线1、碳素结构钢碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q275四个牌号，每个牌号又分为A、B、C、D四个等级。脱氧程度：F、Z、TZ。例如 ：Q 235-AF 表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢Q-屈服点字母235-屈服点数值A-质量等级F-脱氧方法性能：依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性、韧性降低。应用： Q195、Q215的钢用于钢板、盘条、铆钉 Q235 广泛应用于钢结构及钢筋混泥土 Q275用于机械制造2.低合金高强度结构钢组成：在碳素钢的基础上添加总量小于5合金元素（硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍等）。特点： 轻质、

13、高强； 综合性能好（耐腐蚀、耐低温、抗冲击、使用寿命长） 可焊性、冷加工性好牌号：如Q295-A表示屈服点为295Pa，质量等级为A的低合金高强度结构钢质量等级符合，分A、B、C、D、E五级屈服点数值代表屈服点的汉语拼音字母Q应用： 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。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。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。规格：通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示。热轧型钢4.型钢、钢板、 钢

14、管工字钢冷弯薄壁型钢 由26mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢，主要用于轻型钢结构。钢板、压型钢板 由光面轧辊轧制而成的扁平钢材，平板状态称钢板，卷状称钢带。建筑用钢板及钢带主要是碳素结构钢。钢板可弯曲制型钢。厚板可用于焊接；薄板可用作屋面或墙面等维护结构，或作涂层钢板的原材料。 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，主要由碳素结构钢和优质碳素钢及低合金高强度结构钢制成。 二、 混凝土结构用钢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

15、、韧性、冷弯和可焊性。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。 带肋钢筋(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋 冷拔钢丝和冷轧带肋钢筋冷拔钢丝是将Q235(或Q215)圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。 冷轧带肋钢筋是用低碳热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。它克服肋冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，广泛应用于在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中。 预应力混凝土用热处理钢筋 热处理钢筋是将热轧的带肋钢筋经淬火和高温回火调质处理而成的。其特点是塑性降低不大，但

16、强度提高很多，综合性能比较理想，主要用于预应力混凝土轨枕，代替碳素钢丝。 预应力混凝土用钢丝和钢绞线 预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成，抗增强度高，分为消除应力光圆钢丝（S）、消除应力刻痕钢丝（SI）、消除应力螺旋力钢丝（SH）和冷拉钢丝（RCD）四种。SI和SH与混凝土的粘结力好。 预应力混凝钢绞线是以数根优质碳素结构钢丝以绞捻和消除内应力的热处理而制成。分为三种结构类型：12、13、和17。钢绞线与混凝土的粘结力较好。钢材的选用原则依据： 荷载性质 使用温度 连接方式 钢材厚度 结构重要性金属的腐蚀金属的腐蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。金属材料若遭到腐蚀，将使受力面积减小，而且因局部锈坑的产生，可能造成应力集中，促使结构提前破坏。尤其是在有反复荷载作用的情况下，将产生锈蚀疲劳现象，使疲劳强度大为降低，出现脆性断裂。在钢筋混凝土中的钢筋发生锈蚀时，降低钢筋混凝土构件的承载能力。腐蚀的分类根据腐蚀作用的机