土木工程材料第08章金属材料

第八章钢材钢的冶炼和分类建筑钢材的主要技术性能钢的化学成分对钢性能的影响钢材的冷加工和热处理建筑用钢钢结构用钢材钢筋混凝土用钢材钢材可用作主要的结构材料、也可以用作连接材料、围护材料和饰面材料等。优点：品质均匀塑性和韧性好高的抗拉强度易于加工成板材、型材和线材良好的焊接和铆接性能缺点：易锈蚀、维护费用高耐火性差生产能耗大

8.1钢的冶炼和分类钢的冶炼钢和铁的主要成分是铁和碳。合碳量大于2.06％的为生铁，含碳量为0.02%～2.06％的为钢第一步：生铁的冶炼是将铁矿石、石灰石、焦碳和少量锰矿石在高炉内，在高温的作用下进行还原反应和其他的化学反应，铁矿石中的氧化铁形成金属铁，然后再吸收碳而成生铁。原料中的杂质则和石灰石等化合成熔渣。

铁矿石铁水＋矿渣冶炼8.1钢的冶炼和分类钢的冶炼第二步：钢的冶炼是以铁水或生铁作为主要原料，在转炉、平炉或电炉中冶炼。与生铁的冶炼相反，是用氧化的方法来除去铁中的碳及部分杂质.

铁水或铁块、废钢钢水＋钢渣

冶炼炼钢生产工艺示意图钢材的分类碳素钢（非合金钢）按照碳的含量分

(1)低碳钢含碳量小于0.25％；

(2)中碳钢含碳量为0.25％～0.6％；

(3)高碳钢含碳量大于0.6％。合金钢按照掺入合金元素(一种或多种)的总量分

(1)低合金钢合金元素总含量小于5％；

(2)中合金钢合金元素总含量为5％～10％；

(3)高合金钢合金元素总含量大于10％。

按冶炼时的脱氧程度分:沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢

镇静钢沸腾钢8.2钢材的技术性质力学性能强度塑性韧性耐疲劳性工艺性能冷弯性能焊接性能强度四个阶段：Ⅰ弹性阶段Ⅱ屈服阶段Ⅲ强化阶段Ⅳ颈缩阶段Ⅰ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指标。常用低碳钢的弹性模量E=(2.0～2.1)105MPa，p=180～200MPa。Ⅱ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Ｂ，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185～235MPa。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，故常用发生残余变形0.2%时的应力作为规定的屈服极限，用

0.2表示。Ⅲ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Ｃ所对应的应力称为抗拉强度，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。常用低碳钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢为0.65～0.75。0.63～0.75范围最合适。Ⅳ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，出现颈缩现象，－曲线开始下降，直至Ｄ点，试件被拉断。力学性能塑性

表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，是钢材的重要性能指标伸长率断面收缩率

力学性能塑性

伸长率反映了钢材塑性大小情况，在工程中具有重要意义。塑性良好的钢材，偶尔超载、产生塑性变形，会使内部应力重新分布，不致由于应力集中而发生脆断。钢材在塑性破坏前，有明显的变形和变形持续时间，便于发现和补救。力学性能韧性

韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力,通常用冲击韧性值来表示.

力学性能韧性

对于重要的结构以及承受动荷载作用的结构,特别是处于低温条件下,为了防止脆性破坏,应保证钢材具有一定的冲击韧性。

冷脆性:

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。钢材的冲击韧性与温度的关系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。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，K突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。K剧烈改变的温度区间称为脆性转变温度。时效，冷加工和动力加载情况下时效敏感。承受动荷载、负温结构等需检验钢材的冲击韧性。耐疲劳性

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时就发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。实验证明，钢材承受的交变应力越大，则钢材至断裂时经受的交变应力循环次数N越少，反之越多。当交变应力降低至一定值时，钢材可经受无限次交变应力循环而不发生疲劳破坏。通常取交变应力循环次数N=107时，试件不发生破坏的最大应力n作为其疲劳极限。钢材的疲劳曲线疲劳破坏的原因钢材的疲劳破坏一般由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，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。钢材内部的组织结构、成分偏析及其它缺陷，是决定其疲劳性能的主要因素。钢材的截面变化、表面质量及内应力大小等造成应力集中的因素，都与其疲劳极限有关。如钢筋焊接接头和表面微小的腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。当疲劳条件与腐蚀环境同时出现时，可促使局部应力集中的出现，大大增加了疲劳破坏的危险性。工艺性能冷弯性能

冷弯性能指在常温条件下，钢材受弯变形的能力。一般用弯曲角度、弯心直径相对应钢材的厚度或直径的比值来表示。

钢材的冷弯示意图冷弯性能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。工艺性能焊接性能可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向。焊接后的力学性能．特别是强度不得低于原钢材的性质。可焊性主要受化学元素及其含量的影响，含碳量高将增加焊接的硬脆性．含碳量小于0.25％的碳素钢具有良好的可焊性。硫、磷及气体杂质会使可焊性降低，加入过多的合金元索，如硅、锰、钒、钛等，也将降低可焊性。焊接示意图8.3钢的化学成分对钢性能

的影响碳

影响钢材性能的主要元素之一，在碳素钢中随着含碳量的增加，其强度和硬

度提高，塑性和韧性降低。当含碳量大于1％后，脆性增加，硬度增加，强度下降。含碳量大于0.3％时钢的可焊性显著降低。此外，含碳量增加，钢的冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性降低。

8.3钢的化学成分对钢性能的影响硅硅含量在1％以内时，可提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，但对可焊性和冷加工性能有所影响。硅可作为合金元素，用以提高合金钢的强度。锰锰可提高钢材的强度、硬度及耐磨性。能消减硫和氧引起的热脆性，改善钢材的热加工牲能。锰可作为合金元素，提高合金钢的强度。但含量过高也影响可焊性。

8.3钢的化学成分对钢性能的影响硫硫是碳索钢中的有害杂质。在焊接时，易产生脆裂现象，称为热脆性，显著降低可焊性。含硫过量还会降低钢的韧性、耐疲劳性等机械性能及耐腐蚀性能。磷磷是碳素钢中的有害杂质。常温下能提高钢的强度和硬度，但塑性和韧性显著下降，低温时更甚，即引起所谓“冷脆性”。也影响可焊性，但磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性能。

8.3钢的化学成分对钢性能的影响氧

氧是碳素钢中的有害杂质。含氧量增加，便钢的机械强度降低、塑性和韧性低，促进时效作用，还能使热脆性增加，焊接性能变差。

氮

氮能使钢的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮还会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差8.4钢材的冷加工和热处理冷加工

冷加工是在常温下进行机械加工，包括冷拉、冷拔、冷扭、冷冲和冷压等各种方式。

8.4钢材的冷加工和热处理冷加工强化处理冷加工强化钢材经过冷拉、冷拔或冷轧，其屈服点提高而抗拉强度基本不变，塑性和韧性相应降低的现象称为冷加工强化。冷加工时效处理钢材经冷加工后，随着时间的延长，钢的屈服强度和强度极限逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象，称为时效。

分人工时效和自然时效。O′KCD:冷加工强化处理O′K1C1D1:冷加工时效处理冷加工的工程效益钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%~25%，冷拔钢丝的屈服点可提高40%~60%。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、除锈等工序一并完成8.4钢材的热处理淬火加热至显微组织转变温度以上，使其微组织发生转变后冷却。强度和硬度可以提高，塑性和韧性下降。回火对淬火处理的钢材再加热至显微组织转变温度以下，后冷却。使显微组织更加稳定，使其韧性和塑性得到一定恢复。8.5建筑钢材碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素钢碳素结构钢碳素结构钢是碳素钢中的一类，可加工成各种型钢、钢筋和钢丝。适用于一般结构和工程。构件可进行焊接、铆接和栓接。牌号钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号等四个部分按顺序组成。如：Q235A·F

屈服点等级：Q195、

Q215、

Q235、

Q275技术技能见表用途

Q235钢，强度适中，有良好的承载性，有具有较好的塑性和韧性，可焊性和加工性也好，是钢结构常用的牌号。

低合金高强度结构钢

在碳素结构钢的基础上加入总量小于5％的合金元素而形成的钢种。加入合金元素的目的是提高钢材强度和改善性能。常用的合金元索有硅、锰、钛、钒、铬、镍和铜等。大多数合金元素不仅可以提高钢的强度和硬度，还能改善塑性和韧性。牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值和质量等级符号三个部分按顺序组成，如Q345A屈服点等级：Q295、

Q345、

Q390、

Q420、

Q460技术技能参表用途

Q345钢的综合性能较好，是钢结构常用的牌号，Q390也是推荐使用的牌号，优质碳素钢

优质碳素结构钢对有害杂质含量(S<0.035％，P<0.035％)控制严格、质量稳定，性能优于碳素结构钢。

屈服强度高，抗冲击性能、低温性能、可焊性均较好。

8.6钢结构用钢材热轧型钢热轧普通工字钢广泛用于各种建筑结构和桥梁，主要用于承受横向弯曲的杆件，但不宜单独用作轴心受压构件或双向弯曲的构件热轧H型钢H型钢截面形状经济合理，力学性能好，常用于要求承裁力大、截面稳定性好的大型建筑(如高层建筑)。热轧等边型钢和不等边型钢各类钢材8.6钢结构用钢材冷弯薄壁型钢:重量轻，用钢少，适于作轻型钢结构的承重构件和在建筑构造上的使用

8.6钢结构用钢材棒材热轧六角钢和八角钢:加工螺栓热轧扁钢:做房架结构、扶梯、桥梁和栅栏热轧圆钢和方钢：很少使用，圆钢可用于轻型结构，用做杆件和连接件8.6钢结构用钢材钢管常用于制作桁架、塔桅等构件，也可用于制作钢管混凝土板材主要用于屋面板、楼板和墙板等。在钢结构中，单块钢板不能独立工作，必须用几块板组合成工字形、箱形等结构来承受荷载。8.7钢筋混凝土用钢材热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，按外形可分为光圆和带肋两种。8.7钢筋混凝土用钢材热轧钢筋HPB300，低碳钢，广泛用做小型钢筋混凝土结构中的构造筋，逐步取消HPB235.

7.7钢筋混凝土用钢材热轧钢筋ⅠR235，低碳钢，广泛用做小型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋以及各种钢筋混凝土结构中的构造筋ⅡRL335低碳低合金钢钢筋混凝土中的常用钢筋，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋ⅢRL400，低碳低合金钢用法同Ⅱ级钢筋ⅣRL540，中碳低合金钢强度高，用于预应力混凝土构件

8.7钢筋混凝土用钢材热轧钢筋HRB400、HRB500低碳低合金钢钢筋混凝土中的常用钢筋，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋，逐步取消HRB335.

7.7钢筋混凝土用钢材热轧钢筋ⅠR235，低碳钢，广泛用做小型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋以及各种钢筋混凝土结构中的构造筋ⅡRL335低碳低合金钢钢筋混凝土中的常用钢筋，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋ⅢRL400，低碳低合金钢用法同Ⅱ级钢筋ⅣRL540，中碳低合金钢强度高，用于预应力混凝土构件

低碳钢热轧圆盘条拉丝用低碳钢热轧圆盘条钢筋混凝土用热轧带肋钢筋HRB8.7钢筋混凝土用钢材

冷拔钢丝用直径为6~8mm的Q235或Q215的热轧圆盘条,经一次或多次的拔制而得的钢丝，其屈服强度可提高40％一60％，但失去了低碳钢的性质，变得硬脆，属硬钢类钢丝．分甲、乙两极，甲级用于中小混凝土的预应力钢筋，乙级用于非预应力钢筋。

8.7钢筋混凝土用钢材冷轧带肋钢筋用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。

按抗拉强度将钢筋分为LL550、LL650和LL800三级。冷轧带肋钢筋比热轧钢筋强度明显提高，节约了钢材，同时冷轧带肋钢筋克服了冷拉冷拔钢筋(丝)握裹力较差的缺点。

LL650和LL800用于中小混凝土的预应力结构中的受力主筋，LL550用于普通钢筋混凝土结构构件中中的受力主筋、架立筋等

7.7钢筋混凝土用钢材热轧钢筋ⅠR235，低碳钢，广泛用做小型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋以及各种钢筋混凝土结构中的构造筋ⅡRL335低碳低合金钢钢筋混凝土中的常用钢筋，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构中的主要受力钢筋ⅢRL400，低碳低合金钢用法同Ⅱ级钢筋ⅣRL540，中碳低合金钢强度高，用于预应力混凝土构件

8.7钢筋混凝土用钢材预应力混凝土用热处理钢筋

热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中碳低合金钢)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。按外形分为有纵肋和无纵肋两种（都有横肋）。

8.7钢筋混凝土用钢材热处理钢筋主要用于项应力混凝土轨枕．代替碳素钢丝。由于其具有制作方便、质量稳定、锚固性好、节省钢材等优点，巳开始应用于预应力混凝土工程中。

8.7钢筋混凝土用钢材预应力混凝土用钢丝和钢绞线

它们是钢厂用优质碳素结构钢经冷加工、再回火、冷轧或绞捻等加工而成的专用产品，也称为优质碳素钢丝及钢绞线。钢丝抗拉强度高达1470－1770MPa,分为消除应力光圆钢丝、消除应力刻痕钢丝、消除应力螺旋肋钢丝和冷拉钢丝四种。按应力松弛分为两级：I级松弛（普通松弛）

Ⅱ级松弛（低松弛）

钢绞线根据钢丝的股数分为1×2、1×3、1×7三种结构类型钢丝和钢绞线均具有强度高、柔韧性好、质量稳定，使用时不需接头等优点，尤其适用于需要曲线配筋的预应力混凝土结构、大跨度或重荷载的屋架等。钢材的选用原则依据：

Ⅰ荷载性质

Ⅱ使用温度

Ⅲ连接方式

Ⅳ钢材厚度

Ⅴ结构重要性碳素结构钢的牌号碳素结构钢的选用Q235－A级钢材适用于承受静载的结构。Q235－C、D级钢材可用于重要焊接、冲击、振动和在较低温度条件下工作的结构。Q195、Q215号钢材的强度低，塑性、韧性和冷加工性能好，可制作钢钉、铆钉和铁丝等。Q255、Q275号钢材的强度高，塑性、韧性和可焊性差，可用于螺栓、工具等。优质碳素结构钢按化学成分，为碳素钢按含碳量，为中碳钢、高碳钢按用途，为结构钢按钢中有害杂质(S、P)的含量，为优质钢土木工程中主要使用30-45号优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的钢号用两位数字表示，它表示平均含碳量的万分数。含锰较高时，在钢号后加注“Mn”。有三个钢号属沸腾钢，应在钢号后加注“F”，其余均为镇静钢。优质碳素结构钢的选用钢铸件及高强螺栓：30-45号钢。预应力钢筋混凝土中的锚具：45号钢。碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线：65-80号钢。低合金高强度结构钢在碳素结构钢中