建筑材料电子教案7课件

建筑钢材掌握：建筑钢材的主要性能。

熟悉：建筑钢材的常用钢种及应用。

了解：钢筋混凝土用钢材的品种及应用。

本章教学目标本章内容第一节概述第二节建筑钢材的主要技术性能第三节建筑钢材的常用钢种第四节钢筋混凝土用钢材一、建筑钢材的类型建筑钢材前言型材板材线材管材结构用的角钢I字钢（基础支撑）槽钢方钢吊车轨钢板桩薄板厚板钢筋钢丝钢绞线供水、供气（汽）管线等。二、建筑钢材的应用建筑钢材前言重型工业厂的屋架、吊车梁；大跨度房屋结构；大跨度桥梁；多层、高层房屋的梁架；移动式结构；轻型结构；在抗震要求比较高的地方。三、建筑钢材的特点建筑钢材前言优点缺点承载力高而重量较轻；材质均匀、致密，可靠性高；钢材的塑性和韧性好；加工性能好，便于安装；耐热性较好。易锈蚀；耐火性差；能耗大、成本高；特点生铁矿生铁FeO、Fe2O3钢Fe2O3高炉中高温、加C（燃料）、石灰石等溶剂Fe，含C、S、P等有害元素，硬而脆、塑性差、抗拉强度差。C+O2CO2S+O2SO2P+O2P2O5加氧脱氧C、S、P等元素含量减少，技术性能及质量比生铁好的多。钢的生产过程示意图返回比重较大，生成矿渣加Mn、Si建筑钢材钢的生产与分类五、钢的分类按化学成分按脱氧程度按有害物质含量按冶炼方法按用途碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢沸腾钢F——一般工程镇静钢Z——预应力砼半镇静钢B特殊镇静钢TZ——特别重要工程普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢平炉、转炉、电炉结构钢、工具钢、特殊钢0.02%<C<2.06FeCSPf塑性韧性塑性韧性(1)沸腾钢(2)镇静钢(3)半镇静钢根据脱氧程度分为：名称脱氧程度质量沸腾钢不完全组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成分不均匀，质量较差，成本较低镇静钢充分组织致密，成分均匀，机械性能好，质量较好，成本较高半镇静钢均介于上二者之间第二节建筑钢材的主要技术性能

建筑钢材的技术性能力学性能工艺性能化学性能抗拉性能冲击韧性疲劳强度硬度冷弯性能1.应力

2.应变3.弹性与弹性变形4.塑性与塑性变形FFAΔLL0L1建筑钢材的抗拉性能一、钢材的拉伸性能钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2建筑钢材的抗拉性能一、弹性阶段OA

一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量

E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。

A点对应的应力。αOA低碳钢受拉的应力－应变图E1＞E2图形的特点：试件的特点：计算的指标：ABCD弹性极限建筑钢材的抗拉性能二、屈服阶段AB一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——

屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下屈服。三、强化阶段BC

一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高——抗拉强度

图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下C点对应的应力。建筑钢材的抗拉性能强化。三个重要的指标1.屈服强度σs结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度σb钢材所能承受的最大应力屈强比

屈强比，利用率，安全可靠程度3.伸长率δ

衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好

↑αOAACDBB上B下↑↓4．断面收缩率L1d0L0L0=5d0或10d0A0、An前后的截面积δ5与δ10谁大中碳钢、高碳钢的应力－应变图规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。讨论与分析计算式测试方法演示ak↑冲击韧性↑。

钢的化学成分;例：S、P↑冲击韧性↓冶炼及轧制质量质量↑冲击韧性↑温度温度↓，冲击韧性↓

ak影响冲击韧性的因素

三、疲劳强度受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。钢材疲劳曲线示意图四、钢材的硬度硬度――是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。定义测定方法演示讨论与分析材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。五、钢材的冷弯性能

指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，

试件被弯曲角度α、弯心直径与厚度的比值d/a

定义指标试验演示弯曲角度α↑d/a，表示对冷弯性能要求越高。结论钢材的冷弯

钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。六钢材的冷加工(一)钢材的冷加工及时效冷加工强化处理是指常温下对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形并提高屈服点。1、冷拉：常温下对钢材进行拉长，这时屈服点提高了，长度增加了，抗拉强度基本不变，塑性和韧性有所下降。时效：冷拉的钢筋，常温下存放一定时间。时效处理：一般常温下存放15～20天，用于Ⅰ级钢筋（自然时效）；加热100～200°并保持一定时间（2h），用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋（人工时效）冷拉：屈服强度提高、抗拉强度不变、延伸率降低。时效：屈服强度进一步提高、抗拉强度提高、延伸率进一步降低。

钢筋冷拉后屈服强度可提高15%-20%，冷拔后屈服强度可提高40%-60%。钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

2、冷拔：将钢筋通过比原来直径小的拔丝摸拔出，钢筋受挤压后更密实、均匀。效果：屈服强度和抗拉强度提高；

塑性、韧性下降，脆性升高。

在常受冲击荷载作用、低温的环境中，不宜采用冷拔钢筋。（四）钢的热处理热处理：按照一定规则加热、保温和冷却，以改变钢材组织，从而获得需要的性能的一种工艺过程。常用的方法有：淬火、回火、退火和正火淬火是指将钢材加热到723°以上某一温度，经保温停留一段时间后在盐水、冷水或油中急速处理的过程。经过淬火的钢材硬度极高，脆性大而塑性小。淬火对淬火处理的钢，再进行加热，冷却的过程称为回火，回火的温度低于723°。其目的是、消除淬火钢件的内应力，适当降低淬火钢件的硬度并提高其韧性。回火将钢材加热到800～850°，经保温停留一段时间，然后随炉温冷却或埋在细纱中，缓慢冷却处理的过程称为退火。

退火可降低钢材的原有硬度，改善钢材的塑性和韧性及加工性能，也可以消除加工及焊接时的内应力。退火将钢加热经保温停留后，在空气中冷却处理的过程叫正火。与退火相比，经正火的钢材强度和硬度更高，而塑性减小。正火(二)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。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。某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36℃左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.23％～0.25％，含硫0.06％，焊接质量差。请分析事故原因。案例分析分析答案分析：原因之一是所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材要求，即含碳不超过0.22％，含硫量不超过0.055％。硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏部位。

原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接结构处有应力集中现象，助长了此衍架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤，夹杂缺陷，焊接质量差。

1.碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。七钢的化学成分对钢材性能的影响含碳量对热轧碳素钢性质的影响σb—抗拉强度；αk—冲击韧性；HB—硬度；δ—伸长率；φ—面积缩减率2.硅、锰

加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。3.硫、磷

硫使钢材的热脆性增加，磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，使钢材的冷脆性增加。“热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达800～1000℃时，使钢材出现裂纹、变脆的现象。“冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下降的现象。4.氧、氮降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。5.铝、钛、钒、铌

是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。

第三节建筑钢材的常用钢种

普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。一碳素结构钢

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。(一)碳素结构钢的牌号表示方法随着牌号的增大钢的碳含量、抗拉强度增大，塑性、韧性、冷弯性能降低。质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（N/mm2）：195、215、235、255、275钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略

(二)碳素结构钢的技术要求(三)碳素结构钢的性能和应用

低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%-30%，但成本并不很高。二低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号三部分按顺序组成,共有5个牌号。

(一)低合金高强度结构钢的牌号表示方法质量等级代号：A、B、C、D、E屈服点数值（N/mm2）：295、345、390、420、460

钢材屈服点代号：Q(二)低合金高强度结构钢的技术要求(三)低合金高强度结构钢的性能和应用注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。第四节钢筋混凝土用钢材热轧钢筋：由冶金工厂直接热轧成型；冷加工钢筋：主要是为了节约钢材而采用的，有冷拉钢筋、冷拔低碳钢丝；预应力砼用钢丝、钢绞线：用优质碳素钢条加工而成，分矫直回火钢丝、颗痕钢丝、冷拉钢丝；预应力砼热处理钢筋：一般经过淬火、回火处理，具有较好的塑性和强度。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制成。

钢筋按外形分类光面钢筋变形钢筋一、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、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

(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋

热轧钢筋的力学性能和工艺性能

热轧光圆钢筋HPB235级：强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及构造筋；HRB335和HRB400钢筋：强度较高，塑性和焊接性能也较好，广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋：强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。二、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。冷轧带肋钢筋三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。热处理钢筋的力学性质(GB4463—1984)

公称直径(mm)牌号屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率(%)不小于640Si2Mn1325147068.248Si2Mn1045Si2Cr2）热轧型钢（图2.1.2）四预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。螺旋肋钢丝外形示意图

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。三面刻痕钢丝外形示意图

五预应力混凝土用钢绞线

钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。预应力钢绞线截面图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：1×2、1×3和1×7。钢绞线与混凝土的粘结力较好。某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。案例分析分析答案钢结构屋架坍塌

钢结构屋架分析：首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。

钢结构建筑有许多优点，与钢筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出的一点是防火问题。美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖主义者袭击、倒塌，给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。实事链接911事件世贸大厦倒塌

美国世贸中心大楼是典型的钢结构高层建筑，位于美国纽约市曼哈顿闹市区南部、纽约海港旁，由5幢建筑物组成，其主楼呈双塔形，使用钢材7.8万吨，楼的外围有密置的钢柱，墙面由铝板和玻璃窗组成，素有“世界之窗”之称。“9.11”恐怖袭击中，在大火的作用下主楼仅仅经过30分钟便轰然倒塌，造成了死亡2797人、损失360亿美元的举世震惊惨案。2003年4月5日，青岛市即墨正大食品有限公司厂房发生火灾，在高温作用下，钢结构屋架约经过30分钟便轰然倒塌，导致20多名员工因未能及时疏散而被埋压在厂房内活活烧死，教训十分深刻。为保障人民群众的生命财产