第五章建筑钢材

第二章建筑钢材1三问？金属材料的基本概念(What)?金属材料具备哪些基本性质(Which)?如何根据土木工程应用选择金属材料(How)?2§2-1概述上海宝钢3一、钢及其特性钢理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。4二、建筑钢材的主要品种1.型钢简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。5二、建筑钢材的主要品种2.线材如钢筋、钢丝等。6二、建筑钢材的主要品种3.管材无缝钢管、焊接钢管等。7二、建筑钢材的主要品种4.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。压型彩钢板8优点比强度高塑性好、韧性好能承受冲击和振动荷载加工性好缺点易锈蚀维护费用大特点三、建筑钢材的特性9

建筑钢材可用于:大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房应用钢桥10建筑钢材是建筑中常用的材料钢材的品种多，性质差别大，为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的了解。本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗拉性能）、技术标准和选用。意义11

2.1钢的生产与分类

钢材的生产钢材的分类12一、钢的生产

钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素：碳C含量≤2.06％，杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.06％~6.67％，并含较多杂质。冶炼生铁钢生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量13过程焦炭铁矿石溶剂高炉熔融生铁精炼氧化还原钢铸锭钢锭建筑钢材钢材的冶炼过程14（一）冶炼

根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种原料特点生产钢种氧气转炉铁水，废钢可有效除去磷、硫杂质少，碳素钢效率高质量好。

低合金钢电炉生铁、废钢产量低、耗电大，杂质少合金钢质量最好，成本高

优质碳素钢平炉生铁、废钢时间长，成分稳定碳素钢质量较好、成本较高低合金钢15（二）脱氧与铸锭

沸腾钢：碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F)半镇静钢：脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B)镇静钢：脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z)特殊镇静钢：脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ)

16问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？

答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和时效敏感性增大等。

脱氧程度排序：特殊镇静钢＞镇静钢＞半镇静钢＞沸腾钢

钢材性能与质量排序：特殊镇静钢＞镇静钢＞半镇静钢＞沸腾钢17（三）压力加工热加工：是在再结晶温度以上进行的压力加工，常用锻造、热压、轧制等多种方式。热加工的作用：使内部气泡焊合，酥松结构致密，晶粒细化。热加工效果：提高钢材的强度、塑性和质量。冷加工：冷拉、冷拔等18二、钢材的分类碳素钢低碳钢C<0.25%√中碳钢C=0.3～0.55%高碳钢C>0.6%合金钢低合金钢<5%√中合金钢=5～10%钢合金钢>10%按化学成分分类19按质量分普通钢P≯0.045%,S≯0.050%优质钢

P≯0.035%,S≯0.035%高级优质钢P≯0.025%,S≯0.025%按结构用途分结构钢

各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢工具钢

刀具、模具特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢20钢转炉钢沸腾钢电炉钢平炉钢按冶炼方法分按脱氧程度分半镇静钢镇静钢特殊镇静钢按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢按冶炼方法分21问题：土木工程中常用的钢材有哪些？

答：土木工程中，使用的主要钢种：碳素结构钢；优质碳素结构钢低合金结构钢；常用钢材：钢结构用型钢钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。22

2.2建筑钢材的主要技术性能

钢材的力学性质钢材的工艺性能23一、钢材的力学性质

钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式24（一）拉伸性能标准试件按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。l0

A0d0l非标准试件不经过加工，直接在线材上切取的试件。头部头部工作段252627拉伸性能是建筑钢材的主要性能钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力—应变图来反映。屈服强度抗拉强度伸长率（一）抗拉性能28定义

屈服强度是指钢材开始丧失随变形的抵抗能力,并开始产生大量变形的能力。意义是弹性变形转变为塑性的转折点当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材内部的应力自动分配至低应力部位所以说，屈服点是确定钢结构容许应力值的依据屈服强度29低碳钢的应力应变图σBCDAδσbσsuσpσslε弹性阶段σ/ε=Eσp--弹性极限屈服阶段△ε＞△σ产生塑性变形B上—上屈服点B下—下屈服点σs—屈服强度强化阶段：内部组织变化，恢复部分强度σb--抗拉强度颈缩阶段：过C点后，试件抵抗变形的能力下降，变形集中在某局部进行，产生颈缩破坏0低碳钢的应力应变图AB下B上B30弹性极限（σe）

表示钢材保持弹性变形,不产生塑性变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。屈服强度（

σs）表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。强度极限(抗拉强度σb)

表示金属受拉时所能承受的最大应力。

拉伸过程的参数—强度指标31拉伸过程的参数—塑性指标伸长率（δ）在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。断面收缩率（ψ）

试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。

伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越?32定义σs/σb反映了钢材的可利用率和安全性的大小意义屈强比对钢材的可利用率和安全性来说是重要的。合理屈强比：碳素钢0.58—0.63低碳合金结构钢0.65—0.75屈强比（σs/σb）33σbσs2σs1σε屈强比的意义σs/σb低σs/σb高可利用率小大安全性大小表钢材的屈强比、可利用率及安全性之间的关系3435硬钢（高碳钢）的拉伸性能硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度σ0.2来代替屈服强度。条件屈服点σ0.2：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。σε0A0.2%aboa——总变形。ba——弹性变形99.8%。ob——塑性变形0.2%。36（二）冲击韧性

钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性，采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度（临界温度）。37问题：

钢材的冲击韧性的影响因素？

答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下列因素影响：钢中的S、P等有害杂质含量；成分偏析程度；轧制与焊接质量；钢的加工硬化与时效；环境温度等。38二、钢材的工艺性能

冷弯性能√冷加工与时效√焊接性能39指钢材在常温下承受弯曲变形的能力如果钢材承受弯曲变形的程度大，那么钢材的冷弯性好定义指标弯曲角度α及弯心直径/（钢板厚度或直径）(d/a)（一）冷弯性能40试验冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90°或180°）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。冷弯性能41冷弯是通过弯曲处的塑性变形来实现的，因此它也是反映钢材在静荷载下塑性的一个指标。在冷弯试验中，钢材试件的塑性变形则是局部不均匀变形。冷弯试验常常能反映钢材内部组织的均匀程度，存在内应力和夹杂物等缺陷。因此可以用冷弯性来检查钢材的质量，同时也可检查焊接接头的焊接质量。说明冷弯性能42（二）冷加工与时效冷加工与时效的定义冷加工与时效强化原理冷加工与时效强化的意义43冷加工指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷轧处理冷加工强化钢材经冷加工后强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象时效

经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效可分为两类：分为自然时效和人工时效定义44时效自然时效处理经冷拉的钢材在常温下存放15-20天其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象人工时效处理经冷拉的钢材在加热至100-200℃，并保持一段时间这将使时效加速定义45时效敏感性因时效而导致性能改变的程度大，导致塑性、韧性降低的程度大。故动荷载、重要结构，采用敏感性小的钢材。说明有些钢材即使没有经过冷加工处理，长时间过后也会出现时效，但不如冷加工后表现明显。定义46将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称之为冷拉钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度冷拉F47将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉、而且受挤压以提高强度。每次冷拔断面缩小应为10%以下，可多次冷拔在这个过程中，强度可提高40-60%，效果好于冷拉冷拔48冷加工强化的原理由于钢材在加工时产生塑性变形所至，当晶体在外力作用下，在弹性阶段金属原子偏离平衡位置产生的变形，在外里去除后可以恢复---弹性变形；当外力继续增大，使晶格的歪曲程度超过弹性变形之后，晶格产生滑移，造成永久性变形。由于晶粒表面的畸变及滑动平面的细小碎屑，使晶体在该平面上继续滑动产生困难，抵抗变形的能力增大，因而屈服极限及硬度提高。由于塑性变形后钢材可能产生滑移的区域几乎均已滑动，因此塑性降低。原理49时效强化的原理

在高温下固溶在α-Fe中的氮和氧的原子，在温度降低后溶解度下降，但未完全析出，在存放过程中慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，而提高了对塑性变形的抵抗能力。原理50σεOO1BD1CDC1K1K未冷拉屈服点B冷拉屈服点:σs

变大塑性和韧性降低时效σs,σν

变大塑性和韧性降低图7.4.1冷加工和时效强化示意图51建筑钢材的冷加工与时效可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。可节约钢材20-30%。对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感小的钢材。意义52问题：

直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？

答：不能。因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。532.3钢的晶体组织、化学成分及其对性能的影响

54一、钢的晶体组织

（一）金属的晶体结构

1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格；2、晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合，所有的价电子为自由电子；3、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，各晶粒之间存在晶界。

55金属晶体体心立方结构面心立方结构密排六方结构56晶粒的细化晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好——细晶强化。

57金属晶体结构与性能的关系金属晶体中所有价电子呈自由电子在各离子间穿梭运动，使金属材料有良好的导电和导热性，较高的强度和良好的塑性；金属晶体的多晶体结构的晶界能阻碍晶体的滑移，提高了抵抗塑性变形的能力；金属材料中晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好——细晶强化。58（二）钢中的晶体组织与性能同素异晶间的转变：液态铁－Fe－Fe－Fe体心立方面心立方体心立方合金的基本概念固溶体：一种金属溶于另一种金属中形成固体溶液化合物：二种以上元素形成新的化合物59（二）钢中的晶体组织与性能铁素体

碳溶于－Fe中的固溶体。－Fe为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度较低。渗碳体

铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达6.69％，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。珠光体

铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量0.77％，其性质介于二者之间。奥氏体

碳溶于－Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.77％～2.11％，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。60铁素体的晶体组织钢材的晶体组织珠光体的晶体组织铁素体和珠光体珠光体与渗碳体球状珠光体动画61二、化学成分对钢材性质的影响化学元素强度韧性塑性其他性能C增加降低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向Si增加影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性Mn增加影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P稍有增加显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀性S降低降低增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O降低降低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性N提高降低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性Ti提高改善降低提高焊接性和抗蚀性V提高改善减少冷脆性、降低焊接性622.4建筑钢材的标准与选用

钢结构用钢材碳素结构钢低合金高强度结构钢钢筋混凝土结构用钢材热轧钢筋冷轧带肋钢筋冷拔低碳钢丝63钢结构用钢材我国钢结构用的钢材主要有碳素结构钢低合金钢碳素结构钢指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧钢板、型钢等。现行国家标准为《碳素结构钢》（GB700/T-2006）64（一）碳素结构钢

1、钢的牌号：

根据国标GB700-2006，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235和Q275四个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为若干个质量等级。牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、Z、TZ）。例如：Q235BF，表示屈服强度为235MPa，B级沸腾（F）碳素结构钢。

2、钢牌号与性能的关系钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。

65牌号及其表示方法如flash中所示请点击右键选择“播放”观看Flash动画663、选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如：

Q195、Q215，含碳量低，强度低，塑性、韧性、加工性能和可焊性好，主要用于轧制薄板和盘条、制造铆钉、地脚螺栓等。Q235，含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的结构及加工机械零件。67思考题：1、碳素结构钢的牌号如何组成？2、钢牌号如何反映钢材的性能和质量？3、如何根据使用要求选用钢材牌号？68（二）低合金高强度结构钢

1、组成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量≤0.2%。2、等级：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个强度等级。3、牌号：与碳素结构钢一样，用Q+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D、E）表示。4、特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可焊性。5、应用：广泛应用于钢结构和钢筋混凝土中，尤其适合于重型结构、大跨度结构、高层建筑和承受冲击、振动荷载的结构。GB/T1591-200869牌号由以下四部分组成(如flash所示)低合金高强度结构钢70低合金结构钢的性能特点(1)高强度：一般其屈服强度在345MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。71低合金结构钢的组成特点低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。加入以锰为主的合金元素。加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。加入少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。

72与碳素钢相比，低合金结构钢有何特点？

由于低合金结构钢中的合金元素的细晶强化和弥散强化作用，以及含碳量低，有害杂质少，质量较高且稳定，使得低合金结构钢有以下特点：

不但具有较高的屈服强度和抗拉强度，而且具有较好的塑性、韧性和适当的焊接性，耐低温性较好，时效敏感性也较小。73钢筋混凝土结构用钢材可以分为：钢筋盘条冷拔低碳钢丝钢绞线74一、热轧钢筋1.生产采用钢锭经加热轧制自然冷却而成。2.分类钢筋混凝土用热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。3.牌号热轧光圆钢筋：HPB235、HPB300热轧带肋钢筋：HRB335、HRB400、HRB500、HRBF335、

HRBF400、HRBF500H、R、P、B、F分别为热轧(Hotrolled)、带肋（Ribbed）、光圆（Plain）、钢筋（Bars）、细晶粒（Fine）英文首位字母。推荐公称尺寸：光圆：6、8、10、12、16、20、22；带肋：6、8、10、12、16、20、22、25、32、36、40和50mm754.热轧钢筋的力学性能、工艺性能表面形状强度等级代号公称直径屈服点σs，MPa抗拉强度σb，MPa伸长率δ5，%冷弯d—弯心直径a—钢筋公称直径不小于光圆HPB2356～2223537025180°d=aHPB300300420月牙肋HRB335HRBF3356～2528～5033545517180°d=3a180°d=4aHRB400HRBF4006～2528～5040054016180°d=4a180°d=5aHRB500HRBF5006～2528～5050063015180°d=6a180°d=7a76二、低碳热轧圆盘条1.概述低碳热轧圆盘条的公称直径为5.5～60mm，大多通过卷线机成盘卷供应，因此称为盘条、盘圆或线材。2.适用范围供拉丝等深加工及其他一般用途用盘条3.牌号低碳热轧圆盘条的牌号表示方法由屈服点符号、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号、用途类别符号等五个内容表示。

GB/T701-2008GB/T14981-200977二、低碳热轧圆盘条4.力学性能和工艺性能5.应用大量用作建筑工程中钢筋混凝土的配筋外，还适用于供拉丝、包装及其它用途。牌号力学性能冷弯试验180°d=弯心直径a=试样直径屈服点σs，MPa抗拉强度σb，MPa伸长率δ5，%不小于Q21521537527d=0Q23523541023d=0.5a低碳热轧圆盘条的力学性能和工艺性能

78三、冷轧带肋钢筋

1.生产冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。钢筋冷轧后允许进行低温回火处理。2.牌号按抗拉强度分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970共四个牌号。3.规格直径范围为4～12mm，推荐的公称直径为5、6、7、8、9、10mmGB/T13788-200879三、冷轧带肋钢筋4.力学性能和工艺性能应符合GB13788的相关规定。5.应用冷轧带肋钢筋用于非预应力构件，与热轧圆盘条相比，强度提高17%左右，可节约钢材30%左右；用于预应力构件，与低碳冷拔丝比，伸长率高，钢筋与混凝土之间的粘结力较大，适用于中、小预应力混凝土结构构件，也适用于焊接钢筋网。80四、热处理钢筋

1.概述热处理钢筋是经过淬火和回火调质处理的螺纹钢筋。分有纵肋和