土木工程材料 8 第七章 建筑钢材课件

1、土木工程材料 2011.5第七章 建筑钢材第七章 建 筑 钢 材课题引入：通过新型建筑（如图7-1所示）对钢材的应用，引出本章的主要内容钢材的冶炼、分类、技术性能、技术标准与应用以及钢材的腐蚀与防锈等内容。图7-1 国家体育馆 第七章 建筑钢材 第七章 建筑钢材本章主要内容一、钢材的冶炼与分类钢、铁的冶炼与区别钢材的分类二、钢材的技术性能力学性能工艺性能化学成分对钢材性能的影响热处理对钢材性能的影响钢材冷加工技术及应用三、钢材的技术标准及应用碳素结构钢优质碳素结构钢低合金高强度结构钢钢筋和钢丝第七章 建筑钢材一、钢和铁的冶炼（一）铁的冶炼定义：铁通称生铁，是由铁矿石、焦炭和助熔剂（石灰石）在高

2、炉中经高温冶炼，从铁矿石中还原出来的；冶炼步骤：第一节 钢材的冶炼与分类（二）钢的冶炼定义：炼钢就是将生铁通过平炉、转炉进行精炼，使熔融的铁水氧化，将碳的含量降低到规定范围（小于2.11%），并清除有害杂质，添加必要的合金元素。冶炼步骤：冶炼方法:氧气转炉法、电炉法和平炉法 第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材二、钢与铁的区别 钢和铁的主要区别在于含碳量不同铁：生铁的含碳量为2.116.69，并含杂质较多的铁碳合金。钢：钢是以铁为主要元素，含碳量为0.022.11，并含少量其他元素的铁碳合金。三、钢材的分类（一）按化学成分分类1碳素钢：主要化学成分是铁，其次是碳，故也称碳钢或铁碳合金，其含碳量为0

3、.02%2.06%。分为低碳钢、中碳钢、高碳钢2合金钢：合金钢是在炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得的一种钢。分为低合金钢、中合金钢、高合金钢 第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材（三）按用途分类1结构钢：主要用于建筑结构，如钢结构用钢、钢筋混凝土结构用钢等。2工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。3特殊钢：具有特殊的物理、化学及机械性能的钢。4专用钢：具有专门用途的钢，如铁道用钢、压力容器用钢、建筑装饰用钢等。第七章 建筑钢材 低碳钢受拉时，其应力应变关系曲线可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，见图7-3。 图7-2钢材的拉伸试件1.钢

4、材应力应变关系曲线图7-3 低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图3）强化阶段CD段 当荷载超过屈服点以后，由于试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点D点的应力为抗拉强度，又称强度极限， 用 表示 。4）颈缩破坏阶段DE段 过 D点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂，如图7-4所示。 第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材图7-4 钢材颈缩拉断示意图2.主要指标 1）弹性模量(E)定义：在弹性阶段的OA段内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E 表示 。公式：2）屈服强度定义：以屈服阶段的最低应

5、力点作为材料抗力的指标，称为屈服强度或屈服点，用 表示。 公式：应用：钢材在结构中的受力不得进入屈服阶段，在结构设计中以屈服强度作为钢材设计强度取值的依据，施工选材验收也以屈服强度作为重要的技术指标。硬钢性质：中碳钢与高碳钢(硬钢)，拉伸时的应力应变曲线无明显屈服现象，伸长率小，断裂时呈脆性破坏，其应力应变曲线如图7-5所示。规范规定以试件在拉伸过程中产生0.2%塑性变形时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材图7-5 硬钢的应力-应变曲线3）抗拉强度 定义：称强度极限D点对应的应力为抗拉强度公式：4）屈强比 定义：钢材的屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比公

6、式：5）伸长率定义：试件拉断后有效长度的伸长量与原有效长度的比率。 公式：6）断面收缩率定义：试件断口处断面面积的收索量与原断面面积的比率。 公式：第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材影响钢材冲击韧性的主要因素：化学成分、冶炼质量、冷作硬化及时效、环境温度等。温度对冲击韧性有重大影响，如图7-7。当温度降低到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称为冷脆性，这一温度范围称为脆性转变温度。图7-7 温度对低合金钢 冲击韧性的影响（三）硬度 钢材的硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力。1.布氏硬度（HB） 试验方法：布氏法是用一定的压力把淬火钢球压入钢材表面（如图7-8），将压力除以压痕

7、面积即得到布氏硬度值，用符号HB表示。HB越大表示钢材越硬。图7-8 布氏硬度试验示意图第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材（四）疲劳强度 钢材在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度甚至小于屈服强度的情况下就突然发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低，如图7-10所示。图7-10 钢材疲劳强度 示意图第七章 建筑钢材二、工艺性能（一）冷弯性能定义：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形而不断裂的能力。试验要求：钢材试件绕着指定弯心弯曲至指定角度后，如试件弯曲处的外拱面和两侧面不出现断裂、起层现象，即认为冷弯合格。如图7-11和图

8、7-12所示：a）弯曲准备 b）弯曲至a角度 c）弯心d，弯曲1800 d）弯心0，弯曲1800 图7-11 钢材的冷弯试验示意图第七章 建筑钢材二、化学成分对钢材性能的影响 钢中除含有主体元素铁和碳之外，还含有锰、硅、钒、钛等有益元素及硫、磷、氮、氧、氢等有害元素，这些元素对钢材的性能都有不同程度的影响。（一）碳（C） 随着含碳量的增加，钢材的强度增加（含碳量大于1%则相反），硬度提高，塑性、韧性下降，冷脆性增大，可焊性变差，抵抗大气腐蚀的性能也下降，如图7-13, 图7-14所示。图7-13 不同含碳量时钢材拉伸第七章 建筑钢材1.硅（Si） 当含硅1%以内时，能显著提高钢材的强度，而对塑

9、性、韧性没有显著影响。 A） B） 图7-14含碳量对碳素钢力学性能的影响 2.锰（Mn） 当锰的含量在0.8%1%时，可显著提高钢材的强度和硬度，而对塑性、韧性没有显著影响。3.钒（V）、钛(Ti)、铌(Nb) 加入适量的钒、钛或铌，能够改善钢的组织结构，细化晶粒，提高钢材的强度和硬度，改善塑性和韧性。1.硫(S) 硫与铁化合形成低熔点的夹杂物硫化亚铁（FeS），钢材在进行热轧加工或焊接加工时硫化亚铁熔化，致使钢内晶粒脱开，形成细微裂缝，钢材受力后发生脆性断裂，这种现象称为热脆性。（三）有害杂质第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材四、热处理对钢材性能的影响定义：热处理是将钢材在固态范围内进行加热

10、、保温和冷却，从而改变其金相组织和显微结构组织，获得需要性能的一种综合工艺。处理方式：退火、正火、淬火、回火、调质处理。如图7-15。（一）退火定义：将钢材加热到一定的温度，并保持一定的时间后，随炉缓慢冷却的热处理工艺。作用：降低钢材的硬度，提高钢材的塑性和韧性，并能消除冷加工、热加工或热处理所形成的内应力。图7-15 钢材热处理工艺示意图（二）正火定义：正火是退火的一种特例，正火在空气中冷却。作用：提高钢材的塑性和韧性，消除钢材在热轧过程中造成的组织不均匀和内应力。第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材（三）淬火定义：将钢材加热到相变临界点以上，保温后放入水、油或其他介质中快速冷却。作用：显著提高

11、钢材的硬度和耐磨性。（四）回火定义：将钢材加热到相变温度以下，保温后在空气中冷却的处理工艺。作用：消除钢材的内应力，降低其硬度和脆性。（五）调质处理定义：淬火高温回火作用：使钢材具有很高的强度，又具有一定的塑性和韧性。第七章 建筑钢材（一）概念 定义：将钢材在常温下进行强力的拉或压，使之超过屈服，产生一定的塑性变形，以达到提高其机械强度和钢材利用率（同时降低塑性和韧性）的加工方法，称为钢材的冷加工；包括冷加工强化和冷加工时效。五、钢材冷加工技术及应用1冷加工强化 定义：钢材经冷加工（冷拉）后，若立即再拉伸，会发现屈服点明显提高，而塑性、韧性和弹性模量明显降低，这种现象称为冷加工强化； 如图7-

12、16曲线 对应的应力应变关系曲线所示。图7-16 钢材冷拉时效强化示意图2冷加工时效 定义：钢材经冷加工（冷拉）后，若放置一段时间，会发现屈服强度进一步提高、极限抗拉强度也提高，塑性和韧性进一步降低、弹性模量得到一定恢复的现象称为冷加工时效； 如图7-16 曲线对应的应力应变关系曲线所示。第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材（二）应用 常利用冷加工、时效作用来提高其强度，增加钢材的品种规格，节约钢材。常见的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷轧等。1.冷拉定义：将钢筋用拉伸设备在常温下拉长至超过屈服点某处，使之产生一定的塑性变形，然后缓慢卸去荷载的加工方式。作用：通过冷拉，能使钢筋的强度提高，长度增加，从而

13、达到矫直、除锈、节约钢材的目的。2.冷拔定义：在常温下将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，如图7-17所示。作用：提高钢材的屈服强度。 图7-17 冷拔加工示意图3.冷轧工艺：将圆钢在轧钢机上轧成刻痕。作用：增大钢筋与混凝土间的黏结力。第七章 建筑钢材第三节钢材的技术标准及应用 目前，我国用于建筑工程和铁道工程的建筑钢材主要有碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金结构钢三大类一、碳素结构钢 碳素结构钢指一般结构钢和工程用热轧板、管、带、型、棒材等。第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材（一）碳素结构钢的牌号表示方法：碳素结构钢的牌号由代表屈服强度的字母Q、屈服强度特征值、质量等级符号(A、B、C、D)、

14、脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)四个部分按顺序组成。示例： Q235-AF，表示此碳素结构钢是屈服强度为235MPa的A级沸腾钢；Q235-C，表示此碳素结构钢是屈服强度为235MPa的C级镇静钢。（二）碳素结构钢的技术标准 各牌号的碳素结构钢均应符合碳素结构钢(GB/T 7002006)的规定，其力学性能见表7-2，冷弯性能见表7-3。（表见教材）（三）碳素结构钢的应用 Q195和Q215钢的强度低，塑性、韧性很好，易于冷加工，可制作冷拔低碳钢丝、铁钉、铆钉、螺栓。 Q235具有较高的强度和良好的塑性、韧性、可焊性和冷加工性能，能较好地满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求。 Q275强度

15、虽高，但塑性、韧性和可焊性较差，加工难度增大，可用于结构中的配件、螺栓配件、预应力锚具等。二、优质碳素结构钢 碳素结构钢指一般结构钢和工程用热轧板、管、带、型、棒材等。第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材（一）优质碳素结构钢的牌号表示方法：优质碳素结构钢的牌号是由两位数字和字母两部分组成。两位数字表示平均碳含量的万分数；字母分别表示锰含量、冶金质量等级、脱氧程度。示例：15F号钢表示平均碳含量为0.15%、普通锰含量的优质沸腾钢；45Mn号钢表示平均碳含量为0.45%、较高锰含量的优质镇静钢。（二）优质碳素结构钢的技术标准 优质碳素结构钢的技术性能应符合(GB/T 699-1999)的规定。 （表

16、见教材）第七章 建筑钢材（三）优质碳素结构钢的应用 优质碳素结构钢在工程中适用于高强度、高硬度、受强烈冲击荷载作用的部位和作冷拔坯料等。三、低合金高强度结构钢 低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入总量不超过钢质量5%的锰(Mn)、硅(Si)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)等合金元素或稀土元素(RE)而成的。加入合金元素后，可使其强度、塑性、耐腐蚀性、耐磨性、低温冲击韧性等性能得到显著提高和改善。第七章 建筑钢材（一）低合金高强度结构钢的牌号表示方法：由代表屈服点的字母(Q)、屈服点的数值(MPa)和质量等级(A、B、C、D、E)符号三部分组成。示例：Q

17、345C表示屈服点为345Mpa,质量等级为C级的低合金高强度结构钢。（二）低合金高强度结构钢的技术标准 各牌号的低合金高强度结构钢的技术标准，见表7-5、7-6、7-7。 （表见教材）（三）低合金高强度结构钢的应用 低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及大柱网结构等。第七章 建筑钢材四、钢筋和钢丝 钢筋的主要品种有热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋等。钢丝的主要品种有冷拔低碳钢丝、预应力混凝土用钢丝、钢绞线等。（一）热轧钢筋 根据钢筋的表面特征将热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋。1.钢

18、筋混凝土用热轧光圆钢筋牌号： HPB235、HPB300两个牌号符号意义： H、P、B分别为热轧( Hot rolled)、光圆(Plain)、钢筋(Bars)3个词的英文首位字母，后面的数值代表钢筋的屈服强度特征值。2.热轧带肋钢筋 带肋钢筋分为月牙肋钢筋和等高肋钢筋，见图7-18。图7-18 带肋钢筋第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材牌号：热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、HRBF400、HRBF500六个牌号.符号意义：H表示热轧(hot rolled)，R表示带肋(ribbed)，B表示钢筋(bars)，F表示细（Fine）4个词的英文首位字母，后

19、面的数值代表钢筋的屈服强度特征值。3.热轧钢筋的选用 光圆钢筋：广泛用作普通钢筋混凝土结构；HRB335和HRB400带肋钢筋：广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500带肋钢筋：强度高，但塑性和焊接性较差，适宜用作预应力钢筋。（二）冷轧带肋钢筋工艺：冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的二面或三面横肋的钢筋，见图7-19。牌号：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号。符号意义：C、R、B分别为冷轧(Cold rolled)、带肋(Ribbed)、钢筋(Bar)三个词的英文首位字母，后面的数值代表钢筋的抗拉强度最小值。第七

20、章 建筑钢材第七章 建筑钢材（三）预应力混凝土用热处理钢筋工艺：预应力混凝土用热处理钢筋是由热轧螺纹钢筋（即普通热轧中碳低合金钢筋）经淬火和回火等调质处理制成的螺纹钢筋。用途：主要用于预应力混凝土桥梁轨枕，还用于预应力梁、板结构及吊车梁等。（四）预应力混凝土用钢丝工艺：预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢盘条，经冷拉或消除应力等处理后制成的高强度钢丝。a）二面肋 b）三面肋c）冷轧带肋钢筋实物图 图7-19 冷轧带肋钢筋横截面上月牙肋分布情况第七章 建筑钢材分类：用途：主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊车梁、桥梁、轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。（五）预应力混凝土用钢绞线工艺：以数根优质碳

21、素结构钢钢丝经绞捻和消除内应力的热处理而制成。分类 ：按结构分为五类，其代号为：12（用两根钢丝捻制）、13（用三根钢丝捻制）、13I（用三根刻痕钢丝捻制）、17（用七根钢丝捻制的标准型）、(17)C（用七根钢丝捻制又经模拔），如图7-20所示。标示：产品标记是由预应力钢绞线、结构代号、公称直径、抗拉强度级别、标准号五部分组成。第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材示例：预应力钢绞线17-15.20-1860-GB/T 5224-2003，表示预应力钢绞线是用七根钢丝捻制的标准型钢绞线，其公称直径为15.20mm，抗拉强度为1860MPa，执行标准为GB/T 5224-2003。a）17钢绞线及截面

22、示意图 b）钢绞线实物图 图7-20 钢绞线示意图【案例7-1】钢绞线用于预应力钢筋混凝土梁和桥梁斜拉索，如图7-21所示。图7-21 钢绞线的工程应用实例第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材第四节 桥梁用钢与钢轨用钢 一、桥梁结构钢（一）桥梁结构钢的牌号牌号意义：由代表屈服点的字母“Q”、屈服点数值、桥梁钢的汉语拼音字母“q”、质量等级符号4部分组成。 示例：例如：Q345qC代表屈服点为345MPa、质量等级为C级的桥梁钢。（二）桥梁结构钢的类型和规格1.钢板表示方法：用符号“”表示。示例：例如200121000表示板宽200mm，厚度12mm，长度1000mm。2.型钢类型：常用的型钢有工字

23、钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等，如图7-22。表示方法： 第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材a）工字钢 b）槽钢 c）H型钢 d）等边角钢 e）不等边角钢 图7-22 型钢断面示意图1）工字钢规格：以“腰高腿宽腰厚”（mm）表示，或用“腰高”（cm）表示。3）槽钢规格：规格以“腰高腿宽腰厚”（mm）或“腰高”（cm）表示。第七章 建筑钢材2）H型钢和T型钢分类：H型钢分为宽翼缘（HW）、中翼缘（HM）、窄翼缘H型钢（HN）、薄壁H型钢（HT）四种。 规格：用“代号 腹板高翼板宽腹板厚翼板厚”（mm）表示，或用“代号 腹板高翼板宽”表示 。示例：例如：HM150100表示中翼缘H

24、型钢的腹板高为150mm，翼板宽度为100mm。T型钢：由H型钢剖分而成，分为宽翼缘（TW）、中翼缘（TM）和窄翼缘（TN）型三种。 第七章 建筑钢材4）角钢规格：等边角钢的两个边宽相等，规格用 “边宽厚度”（mm）或“边宽”（cm）表示 。 不等边角钢的两个边宽不相等，规格用“长边宽短边宽厚度”（mm）或“长边宽/短边宽”（cm）表示 示例：10012表示边宽100mm、厚度12mm的等边角钢。 L1008010表示长边宽100mm、短边宽为80mm、厚度10mm的不等边角钢。 （三）桥梁结构钢的特点及应用 Q235q钢：是优质碳素结构钢，可焊性好，是专用于焊接桥梁的钢。Q345q和Q370

25、q钢：具有良好的综合机械性能，不仅强度较高，而且塑性、韧性、可焊性等都较好，是建造钢梁主体结构的基本钢材。Q420q钢:强度、塑性、韧性和可焊性均很好，并具有较小的冷脆性和时效敏感性。【案例7-2】:南京长江大桥主要是使用Q345q钢建造的；芜湖长江大桥钢梁是使用Q370q钢建造的；Q420q钢用于九江长江大桥桥梁结构中。第七章 建筑钢材第七章 建筑钢材二、钢轨钢（一）钢轨的基本要求1.足够的强度和耐磨性。2.较高的抗疲劳强度和冲击韧性3.一定的弹性4.良好的可焊性5.光滑的顶面6.高速铁路钢轨的高平直度（二）钢轨长度及允许偏差类型：我国主要有38kg/m 、43kg/m、50kg/m、60kg/m和75kg/m五种规格。长度：标准轨定尺长度为12.5m、25m、50m和100m，经供需双方协商，亦可供应其他长度的钢轨，目前有些工程局已经开始部分使用500m长度的钢轨铺设新线，以减少焊接接头，提高钢轨的平直度。（三）钢轨的技术要求 钢轨的牌号及化学成分见表7-