《建筑材料》第六章建筑钢材

6建筑钢材

本章概述了钢材的冶炼、加工及分类方法。重点介绍了钢材的力学性能、工艺性能及现行国家标准或规范对钢材的性能及技术要求。阐述了钢的化学成分及所含合金元素等对钢材性能的影响。介绍了碳素结构钢和低合金结构钢的牌号表示方法、技术要求及各类牌号钢材的性能和用途。论述了钢筋混凝土结构采用的主要钢材品种及特点。本章提要

钢筋型钢

钢板钢丝钢桥本章内容6.1

钢的冶炼和分类6.2钢材的主要性能6.3

建筑钢材的技术标准及选用6.1钢的冶炼和分类

★钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。

钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。1钢的冶炼过程焦炭铁矿石高炉熔融生铁精炼钢铸锭钢锭建筑钢材钢材的冶炼过程根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。(1)平炉炼钢它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。

(2)氧气转炉炼钢以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20~40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。(3)电炉炼钢以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。冶炼后的钢水中含有以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。

★根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。(1)沸腾腾钢钢F是脱脱氧氧不不完完全全的的钢钢，，钢钢材材质质量量差差。。(2)镇静静钢钢Z是脱脱氧氧充充分分的的钢钢，，钢钢材材质质量量好好。。(3)半镇镇静静钢钢ｂｂ其脱脱氧氧程程度度和和质质量量介介于于上上述述两两者者之之间间。。建筑筑钢钢材材是将将钢钢坯坯加加热热后后经经轧轧制制而而成成的的。。2钢的的分分类类★★★6.2钢材材的的主主要要性性能能由低低碳碳钢钢在在拉拉伸伸过过程程中中形形成成的的应应力力(σσ)-应变变(εε)关系系图图(图6.1)可知知，，★低碳碳钢钢受受拉拉过过程程可可划划分分为为以下下4个阶阶段段。(1)弹性性阶阶段段(O——A)(2)屈服服阶阶段段(A——B)(3)强化化阶阶段段(B——C)(4)颈缩缩阶阶段段(C——D)1抗拉拉性性能能图6.1低碳碳钢钢受受拉拉的的应应力力-应变变图图(1)弹性性阶阶段段(O——A)在OA范围围内内应应力力与与应应变变成成正正比比例例关关系系，，如如果果卸卸去去外外力力，，试试件件则则恢恢复复原原来来的的形形状状，，这这个个阶阶段段称称为为弹性阶段段。弹性阶段段的最高高点A所对应的的应力值值称为弹性极限限σp。当应力力稍低于于A点时，应应力与应应变呈线线性正比比例关系系，其斜斜率称为为弹性模模量，用用E表示，E=σ/ε。(2)屈服阶阶段(A——B)当应力力超过过弹性性极限限σp后，应应力和和应变变不再再成正正比关关系，，应力力在B上至B下小范围围内波波动，，而应应变迅迅速增增长。。在σ-εε关系图图上出出现了了一个个接近近水平平的线线段。。如果果卸去去外力力已出出现塑塑性变变形，，AB称为屈服阶阶段。B下所对对应的的应力力值称称为屈服极极限σs。(3)强化阶阶段(B——C)当应力力超过过屈服服强度度后，，由于于钢材材内部部组织织产生生晶格格扭曲曲、晶晶粒破破碎等等原因因，阻阻止了了塑性性变形形的进进一步步发展展，钢钢材抵抵抗外外力的的能力力重新新提高高。在在σ-εε关系图图上形形成BC段的上上升曲曲线，，这一一过程程称为为强化阶阶段。对应应于最最高点点C的应力力称为为抗拉强强度，用σb表示，，它是是钢材材所能能承受受的最最大应应力。。(4)颈缩阶阶段(C——D)当应力力达到到抗拉拉强度度σb后，在在试件件薄弱弱处的的断面面将显显著缩缩小，，塑性性变形形急剧剧增加加，产产生““颈缩缩”现现象并并很快快断裂裂。将断裂裂后的的试件件拼合合起来来，量量出标标距两两端点点间的的距离离，按按下式式计算算出伸伸长率率δ：d0L0L1冲击韧韧性指钢材材抵抗抗冲击击荷载载的能能力。。它是是用试试验机机摆锤锤冲击击带有有V形缺口口的标标准试试件的的背面面，将将其折折断后后试件件单位位截面面积上上所消消耗的的功，，作为为钢材材的冲冲击韧韧性指指标，，以αk表示(J/cm2)。αk值越大大，表表明钢钢材的的冲击击韧性性愈好好(如图6.2)。影响钢钢材冲冲击韧韧性的的因素素很多多，钢的化化学成成分、、组织织状态态，以以及冶冶炼、、轧制制质量量都会影影响冲冲击韧韧性。。2冲击韧韧性图6.2冲击韧韧性试试验图图(a)试件尺尺寸；；(b)试验装装置；；(c)试验机机1—摆锤；；2—试件；；3—试验台台；4—刻度盘盘；5—指针钢材在在交变应应力的反复复作用用下，，往往往在应应力远远小于于其抗抗拉强强度时时就发发生破破坏，，这种种现象象称为为疲劳破破坏。疲劳破破坏的的危险险应力力用疲疲劳极极限来来表示示，它它是指指疲劳劳试验验时试试件在在交变变应力力作用用下，，于规规定周周期基基数内内不发发生断断裂所所能承承受的的最大大应力力。一般认为，钢钢材的疲劳破破坏是由拉应应力引起的，，抗拉强度高高，其疲劳极极限也较高。。钢材的疲劳劳极限与其内内部组织和表表面质量有关关。3疲劳强度硬度是指钢材抵抗抗较硬物体压压入产生局部部变形的能力力。测定钢材材硬度常用布布氏法。布氏法是用一直径为为D的硬质钢球，，在荷载P(N)的作用下压入入试件表面，，经规定的时时间后卸去荷荷载，用读数数放大镜测出出压痕直径d，以压痕表面面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬硬度值HB。★HB值越大，表示示钢材越硬。。如图6.3。4硬度图6.3布氏硬度测定定示意图冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形形的能力，是是建筑钢材的的重要工艺性性能。钢材的冷弯性性能指标是用用弯曲角度和和弯心直径对对试件厚度(直径)的比值来衡量量的。试验时时采用的弯曲曲角度愈大，，弯心直径对对试件厚度(直径)的比值愈小，，表示对冷弯弯性能的要求求愈高。如图6.4所示钢材的冷弯性性能和伸长率率都是塑性变变形能力的反反映。5冷弯性能图6.4钢材冷弯(a)试样安装；(b)弯曲90°；(c)弯曲180°；(d)弯曲至两面重重合；(e)规定弯心钢材经冷加工工产生一定塑塑性变形后，，其屈服强度、硬硬度提高，而而塑性、韧性性及弹性模量量降低，这种现象称称为冷加工强化。钢材的冷加工工方式有冷拉、冷拔和和冷轧。以钢筋的冷拉拉为例(图6.5)，图中OBCD为未经冷拉时时的应力-应变曲线。★6钢材的冷加工工强化及时效效时效经冷拉的钢材材随时间延长长强度提高,塑性、韧性下下降的现象叫叫做时效。可分为两类：：分为自然时效效（经冷拉的的钢材在常温温下存放15-20天）和人工时时效（经冷拉的钢材材在加热至100-200℃，并保持一段段时间）。图6.5钢筋经冷拉时时效后应力-应变图的变化化冷拔是将外形形为光圆的盘盘条钢筋从硬硬质合金拔丝丝模孔中强行行拉拔(如图6.6)，由于模孔直直径小于钢筋筋直径，钢筋筋在拔制过程程中既受拉力力又受挤压力力，使强度大大幅度提高但但塑性显著降降低。图6.6冷拔模孔1）可提高强度度，冷拉后屈屈服强度可提提高20-30%，时效处理后后还可使抗拉拉强度提高。。2）可节约钢材材20-30%。3）对于受动荷荷载或经常处处于高温条件件工作的钢结结构，如桥梁梁、钢轨、锅锅炉等，为避避免过大脆性性，出现突然然断裂，要求求采用时效敏感小的钢材。意义★(1)碳是决定钢材材性能的主要要元素。如图6.7所示，随着含碳量量的增加，钢钢的强度和硬硬度提高，塑塑性和韧性下下降。但当含含碳量大于1.0%时，由于钢材材变脆，强度度反而下降。。(2)硅、锰加入硅和锰可可以与钢中有有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排排出，起到脱脱氧、降硫的的作用。7钢的化学成分分对钢材性能能的影响图6.7含碳量对热轧轧碳素钢性质质的影响σb—抗拉强度；αk—冲击韧性；HB—硬度；δ—伸长率；φ—面积缩减率(3)硫、磷硫不溶于铁而而以FeS的形式存在，，FeS和Fe形成低熔点的的共晶体。当当钢材温度升升至1000℃以上进行热加加工时，共晶晶体熔化，晶晶粒分离，使使钢材沿晶界界破裂，这种种现象叫做热脆性。磷能使钢的强强度、硬度提提高，但显著著降低钢材的的塑性和韧性性，特别是低低温状态的冲冲击韧性下降降更为明显，，使钢材容易易脆裂，这种种现象叫做冷脆性。(4)氧、氮未除尽的氧、、氮大部分以以化合物的形形式存在，如如FeO、Fe4N等。这些非金金属化合物、、夹杂物降低低了钢材的强强度、冷弯性性能和焊接性性能。氧还使使钢的热脆性性增加，氮使使冷脆性及时时效敏感性增增加。（硫、磷、、氧、氮是钢钢材中的有害害杂质）(5)钛、钒、铌是钢的强脱氧氧剂和合金元元素。能改善善钢的组织、、细化晶粒、、改善韧性，，并显著提高高强度。6.3建筑钢材的技技术标准及选选用建筑工程中需需要消耗大量量的钢材，按按用于不同的工程结结构类型可分为：钢结构用钢，如各种型钢钢、钢板、钢钢管等；钢筋混凝土工工程用钢，如各种钢筋筋和钢丝。从材质上分主要有碳素结构钢和低合金结构钢钢，也用到优质质碳素结构钢钢。碳素结构钢，化学成分主主要是铁，其其次是碳，故故也称铁-碳合金。其含碳量为为0.02%~2.06%，此外尚含有有少量的硅、、锰和微量的的硫、磷等元元素。现行国家标准准《碳素结构钢》(GB700—2006)具体规定了它它的牌号表示示方法、技术术要求、试验验方法、检验验规则等。1碳素结构钢碳素结构构钢的牌牌号由代表屈服服点的字字母、屈屈服点数数值、质质量等级级符号、、脱氧程程度符号号四部分按按顺序组组成。碳碳素结构构钢可分分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号号。其他他各符号号含义见表6.1。★如Q235—A·F，表示屈屈服强度度为235MPa，质量等等级为A级的沸腾腾钢。Q255—B，表示屈屈服强度度为255MPa，质量等等级为B级的镇静静钢。1）碳碳素结构构钢的牌牌号表示示方法表6.1名称符号名称符号屈服强度质量等级沸腾钢QA、B、C、DF半镇静钢镇静钢特殊镇静钢BZTZ碳素结构构钢的化化学成分分、拉伸伸和冲击击韧性、、弯曲性性能分别别符合表6.2、表6.3、表6.4的要求。。2）技技术要求求表6.2碳素结构构钢的化化学成分分(GB700—2006)表6.3碳素结构构钢的拉拉伸、冲冲击性能能(GB700—2006)表6.4碳素结构构钢的冷冷弯试验验(GB700—2006)牌号试样方向冷弯试验B=2a，160°

钢材厚度(直径)(mm)60＞60~100＞100~120弯心直径d

Q195

纵横00.5a——Q215纵横0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235纵横a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255Q275—

—2a3a3a4a3.5a4.5a★碳素结构构钢随牌牌号的增大，含碳量量增加，其强度度和硬度度提高，塑性和和韧性降低，冷弯性性能逐渐渐变差。Q195、Q215号钢强度低低，塑性性和韧性性较好，，易于冷冷加工，，常用于于轧制薄薄板和盘盘条，制制造钢钉钉、铆钉钉、螺栓栓及铁丝丝等。Q215号钢经冷冷加工后后可代替替Q235号钢使用用。3）碳碳素结构构钢的选选用Q235号钢是建筑工工程中应应用最广广泛的钢钢，属低低碳钢，，具有较较高的强强度，良良好的塑塑性、韧韧性及可可焊性，，综合性能能好，能满足足一般钢钢结构和和钢筋混混凝土用用钢要求求，且成成本较低低，大量量被用作作轧制各各种型钢钢、钢板板及钢筋筋。Q255、Q275号钢强度较高高，但塑塑性、韧韧性较差差，可焊焊性也差差，不易易焊接和和冷弯加加工，可可用于轧轧制钢筋筋、作螺螺栓配件件等，但但更多用用于机械械零件和和工具等等。一般是在在普通碳碳素钢的的基础上上，添加加少量的的一种或或几种合合金元素素而成。。常用的的合金元元素有硅硅、锰、、钒、钛钛、铌、、铬、镍镍及稀土土元素。。其目的的是为了了提高钢钢的屈服服强度、、抗拉强强度、耐耐磨性、、耐蚀性性及耐低低温性能能等。低合金高高强度结结构钢综综合性能能较为理理想，尤尤其在大跨度、、承受动动荷载和和冲击荷荷载的结构中中更适用用，而且且与使用用碳素钢钢相比，，可节约约钢材20%~30%，但成本本并不很很高。2低合金高高强度结结构钢低合金高高强度结结构钢共共有5个牌号。。其牌号号的表示示方法由由屈服点字字母Q、屈服点点数值、、质量等等级三个部分分组成，，屈服点点数值共共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五种，质质量等级级按照硫硫、磷等等杂质含含量由多多到少分分为A、B、C、D、E五级，均均为镇静静钢。★如Q345A表示屈服服点为345MPa的A级钢。1）低低合金高高强度结结构钢的的牌号表表示方法法执行GB1591－1994《低合金高高强度结结构钢》的规定，，其化学学成分应应符合表6.5的要求，，力学性性能和冷冷弯性能能应符合合表6.6的要求。。2）低低合金高高强度结结构钢的的技术要要求表6.5低合金高高强度结结构钢的的化学成成分表6.6低合金金高强强度结结构钢钢的力力学性性能和和冷弯弯性能能Q295号钢中含有有少量量的合合金元元素，，强度度不高高，但但有良良好的的塑性性、冷冷弯性性能、、焊接接性能能及耐耐蚀性性能。。主要要用于于建筑筑工程程中对对强度度要求求不高高的一一般工工程结结构。。Q345、Q390号钢综合力力学性性能好好，焊焊接性性能、、冷热热加工工性能能和耐耐蚀性性能均均好，，C、D、E级钢具具有良良好的的低温温韧性性。主主要用用于工工程中中承受受较高高荷载载的焊焊接结结构。。Q420、Q460号钢强度高高，特特别是是在热热处理理后有有较高高的综综合力力学性性能。。主要要用于于大型型工程程结构构及荷荷载大大的轻轻型结结构。。3）低低合合金高高强度度结构构钢的的性能能和应应用钢筋按按外形形分为为光圆钢钢筋和带肋钢钢筋。光圆圆钢筋筋的横横截面面为圆圆形，，且表表面光光滑。。带肋肋钢筋筋表面面上有有两条条对称称的纵纵肋和和沿长长度方方向均均匀分分布的的横肋肋。横肋的的纵横横面呈呈月牙牙形且且与纵纵肋不不相交交的钢钢筋称称为月牙肋肋钢筋筋；横肋肋的纵纵横面面高度度相等等且与与纵肋肋相交交的钢钢筋称称为等高肋肋钢筋筋。如图6.6。3钢筋混混凝土土用钢钢筋、、钢丝丝1）钢钢筋筋混凝凝土用用热轧轧钢筋筋图6.6(a)等高肋肋钢筋筋；(b)月牙肋肋钢筋筋(1)热轧钢钢筋的的牌号号表示示方法法与技技术要要求根据《钢筋混混凝土土用热热轧光光圆钢钢筋》(GB13013——1991)及《钢筋混混凝土土用热热轧带带肋钢钢筋》(GB1499—1998)的规定定，热热轧光光圆钢钢筋的的牌号号为HPB235，其力力学性性能和和工艺艺性能能应符合表表6.7的要求求。热热轧带带肋钢钢筋的的牌号号由HRB和屈服服点最最小值值表示。。热轧轧带肋肋钢筋筋有HRB335、HRB400、HRB500三个牌牌号，，其力力学性性能和和工艺艺性能能应符合表表6.7的要求求。表6.7热轧钢钢筋的的力学学性能能和工工艺性性能HPB235(2)热轧钢钢筋的的应用用热轧光光圆钢钢筋的的强度度较低低，但但塑性性及焊焊接性性能很很好，，便于于各种种冷加加工，，因而而广泛泛用作作普通通钢筋筋混凝凝土构构件的的受力力筋及及各种种钢筋筋混凝凝土结结构的的构造造筋；；HRB335和HRB400钢筋筋强强度度较较高高，，塑塑性性和和焊焊接接性性能能也也较较好好，，故故广广泛泛用用作作大大、、中中型型钢钢筋筋混混凝凝土土结结构构的的受受力力钢钢筋筋；；HRB500钢筋筋强强度度高高，，但但塑塑性性和和焊焊接接性性能能较较差差，，可可用用作作预预应应力力钢钢筋筋。。冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋是低低碳碳钢钢热热轧轧圆圆盘盘条条经经冷冷轧轧后后，，在在其其表表面面带带有有沿沿长长度度方方向向均均匀匀分分布布的的三三面面或或两两面面横横肋肋的的钢钢筋筋。。(1)冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋的的牌牌号号表表示示方方法法与与技技术术要要求求根据据《冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋》(GB13788——2000)的规规定定，，冷冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋的的牌牌号号由由CRB和抗抗拉拉强强度度最最小小值值表示示，，有有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个个牌牌号号，，其其力力学学性性能能和和工工艺艺性性能能应应符合合表表6.6的规规定定。。2）冷冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋表6.6冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋的的力力学学性性能能和和工工艺艺性性能能(GB13766——2000)牌号抗拉强度σb

(MPa)≥伸长率(%)≥弯曲试验160°反复弯曲次数松弛率(初始应力σcon=0.7σb)δ10δ1001000h(%)≤10h(%)≤CRB5505506.0————CRB650650—4.0—365CRB600600—4.0—365CRB970970—4.0—365CRB11701170—4.0—365(2)冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋的的应应用用冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋既既具具有有冷冷拉拉钢钢筋筋强强度度高高的的特特点点，，同同时时又又具具有有很很强强的的握握裹裹力力，，混混凝凝土土对对冷冷轧轧带带肋肋钢钢筋筋的的握握裹裹力力是是同同直直径径冷冷拔拔低低碳碳钢钢丝丝的的3~6倍，大大提高高了构件的整整体强度和抗抗震能力。这这种钢筋适用用于中、小型型预应力混凝凝土结构构件件和普通钢筋筋混凝土结构构构件。(1)分类及代号根据《预应力混凝土土用钢丝》(GB/T5223—2002)的规定，预应应力混凝土用用钢丝按加工工状态分为冷拉钢丝(代号为WCD)和消除应力钢丝丝两类。消除应应力钢丝按松松弛性能又分分为低松弛级钢丝丝(代号为WLR)和普通松弛级钢钢丝(代号为WNR)。冷拉钢丝是用盘条通过过拔丝模或轧轧辊经冷加工工而成产品，，以盘卷供货货的钢丝。4）预应力力混凝土用钢钢丝低松弛钢丝是指钢丝在塑塑