模块七建筑钢材

模块七建筑钢材钢材是最重要的土木工程材料之一，主要应用于钢筋混凝土结构和钢结构。

目的：使学生掌握建筑钢材的分类、技术性能、钢材的标准与使用及钢材的锈蚀与防止。重点：钢材的技术性能、标准与使用。难点：钢材的技术性能。模块七建筑钢材建筑钢材是指用于钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构的各种型钢，以及用于围护结构和装修工程的各种深加工钢板和复合板等。它有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动载荷；可以焊接或铆接，易于加工和装配。但易锈蚀，耐火性差。它主要用作结构材料，所以其性能往往对结构的安全起着决定性作用。钢的冶炼与分类生铁是铁矿石、熔剂(石灰石)、燃料(焦炭)在高炉中经过还原反应和造渣反应而得到的—种碳铁合金。炼钢的原理是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到—定的限度，同时把其它杂质的含量也降低到允许范围内。所以，在理论上凡含碳量在2％以下，含有害杂质较少的铁碳合金可称为钢。

钢的冶炼与分类炼钢后期精炼时，需在炉内或钢包中加入脱氧剂(锰铁、硅铁、铝锭等)进行脱氧，使氧化铁还原为金属铁。在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析，影响钢的质量，其中尤以硫、磷偏析最为严重。钢的冶炼与分类我国常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。建筑钢材一般以前三种方法冶炼而得。根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为沸腾钢、镇静钢及特殊镇静钢三种。钢材的冶炼与轧制钢的冶炼与分类沸腾钢是脱氧不完全的钢，其塑性好，有利于冲压，但组织不够致密，气泡含量较多，化学偏析较大，成分不均匀，强度及抗腐蚀性差，特别是低温冲击韧性显著降低。但由于成本较低，因此被广泛用于一般建筑结构中。钢的冶炼与分类镇静钢是用锰、硅和铝进行充分完全脱氧的钢，此钢结构致密、质量均匀，焊接性能好，抗腐蚀性能强，但成本高，一般用于承受冲击荷载或其它重要结构。

特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。钢的冶炼与分类由于钢材在铸锭过程中往往出现偏析、缩孔、气泡、晶粒粗大、组织不致密等缺陷，故钢材在浇铸后，大多都要再经过压力加工才能使用。压力加工可分为热加工和冷加工两种。

钢的冶炼与分类热加工是将钢锭加热至呈塑性状态，再施加压力改变其形状，并使钢锭内部气泡焊合，疏松组织密实。通过热加工，不仅使钢锭轧成各种型钢及钢筋，也提高了钢的强度和质量，一般辗轧的次数越多，钢的强度提高也越大。

钢的冶炼与分类冷加工是指钢材在常温下进行的压力加工。冷加工的方式很多，如冷拉、冷拔、冷轧等。冷轧可轧制厚度很薄、表面光洁度较高的钢板。建筑上常采用冷拉、冷拔来提高钢材的强度。钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类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建筑钢材的抗拉性能1.应力

2.应变3.弹性与弹性变形4.塑性与塑性变形S0ΔLL0L1建筑钢材的抗拉性能L0F1F1F2F2F3F3L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2低碳钢的受拉过程分为四个阶段O弹性阶段OA屈服阶段AB强化阶段BC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力－应变图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。强化。四、颈缩阶段CD

一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——，直到断裂。伸长率A：

图形的特点：试件的特点：计算的指标：L1L0计算的指标：颈缩αAACDBB上B下三个重要的指标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Rm

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A

衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好

↑↑↓αOAACDBB上B下断面收缩率d0L0L0=5d0或10d0S0、Su前后的截面积同一钢材A5大于A10L1建筑钢材的抗拉性能中碳钢、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Rp0.2表示。建筑钢材的冲击韧性

钢材抵抗冲击荷载的能力。

定义试件它是以试件冲断时缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm2)来表示，其符号为αk。αk值越大，钢材的冲击韧性越好。

建筑钢材的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↓

影响冲击韧性的因素建筑钢材的疲劳强度

钢材在交变荷载反复多次作用下，往往在应力远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是指试件在交变应力的作用下，于规定的周期基数内不发生疲劳破坏的最大应力值。对钢材而言，一般将承受交变荷载达107周次时不发生破坏的最大应力，定义为疲劳强度。建筑钢材的疲劳强度测定疲劳极限时，应根据结构的使用条件确定所采用的应力循环类型（如拉—拉型、拉—压型等）、应力比值（最小与最大应力之比，又称应力特征值ρ）和周期基数。疲劳极限不仅与钢材内部组织有关，也和表面质量有关。建筑钢材的硬度硬度是指金属材料抵抗硬物压入表面的能力。亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。常用布氏法测定：用一直径为D（mm）的淬火钢球以荷载P将其压人试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得直径为d（mm）的压痕，以压痕表面积F除荷载P，所得的商即为该试件的布氏硬度值HB，以数字表示，不带单位。

建筑钢材的硬度1-钢球；2-试件；P-施加于钢球上的载荷；D-钢球直径；d-压痕直径；h-压痕深度

建筑钢材的硬度材料的硬度值实际上是材料弹性、塑性、变形强化率、强度和韧性等一系列性能的综合反映。因此，硬度值往往与其他性能有一定的相关性。材料的强度越高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也就越大。建筑钢材的冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，常用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。

建筑钢材的冷弯性能冷弯检验是：按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层，即认为冷弯性能合格。相对于伸长率而言，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力、夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷。建筑钢材的冷弯性能

1-弯心；2-试件；3-支座

建筑钢材的冷加工及时效将钢材在常温下进行冷加工(如冷拉、冷拔或冷轧)，使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，这个过程称为冷加工强化处理。经强化处理后钢材的塑性和韧性会降低。建筑钢材的冷加工及时效冷拉：将热轧钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长。钢材经冷拉后，屈服强度可提高20％～30％，可节约钢材l0％～20％，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。建筑钢材的冷加工及时效冷拔：将光面圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度高，屈服强度提高40％～60％，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。建筑钢材的冷加工及时效钢材经过冷加工后，于常温下存放15～20天，或加热到100～200℃，并保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性及韧性继续降低，这种现象称为时效。前者称为自然时效，后者称为人工时效。通常强度较低的钢筋宜采用自然时效，强度较高的钢筋则应采用人工时效。建筑钢材的冷加工及时效钢筋经冷拉时效后应力应变图的变化

建筑钢材的焊接性能焊接是各种型钢、钢板、钢筋的重要联接方式。钢材的可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺进行焊接的性能。可焊性好的钢材易于用一般焊接方法和工艺施焊，焊口处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材，硬脆倾向小。建筑钢材的焊接性能钢材可焊性能的好坏，主要取决于钢的化学成分。含碳量高将增加焊接接头的硬脆性，含碳量小于0.25％的碳素钢具有良好的可焊性。加入合金元素(如硅、锰、钒、钛等)，也将增大焊接处的硬脆性，降低可焊性，特别是硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。钢的化学成分对性能的影响

碳是钢中的重要元素，对钢的机械性能有重要的影响。当含碳量低于0.8％时，随着含碳量的增加，钢的抗拉强度（Rm）和硬度（HB）提高，而塑性及韧性降低。同时，还将使钢的冷弯、焊接及抗腐蚀等性能降低，并增加钢的冷脆性和时效敏感性。钢的化学成分对性能的影响

含碳量对热扎碳素钢性能的影响

钢的化学成分对性能的影响

硅是低合金钢中的主要合金元素，是为了脱氧去硫而加入的。含量常在1％以内，可提高强度，对塑性和韧性没有明显影响。但硅含量超过1％时，冷脆性增加，可焊性变差。钢的化学成分对性能的影响

锰也是钢的主要合金元素，能消减硫和氧所引起的热脆性，改善钢材的热加工性能。当含量为0.8％～1.0%时，可显著提高钢的强度和硬度，几乎不降低塑性及韧性，当其含量大于l%时，在提高强度的同时，塑性及韧性有所下降，可焊性变差。钢的化学成分对性能的影响

磷是钢中的有害元素，其含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是低温下冲击韧性下降更为明显，常把这种现象称为冷脆性。磷还能使钢的冷弯性能降低，可焊性变坏。但磷可使钢材的强度、耐磨性和耐蚀性提高，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。钢的化学成分对性能的影响

硫在钢的热加工时易引起钢的脆裂，称为热脆性。硫的存在还使钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性及耐蚀性降低，即使微量存在，也对钢有害，因此，硫的含量要严格控制。钢的化学成分对性能的影响

氧和氮会降低了钢材的强度、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。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。常用建筑钢材土木工程中常用的钢材可分为钢结构用的型钢和钢筋混凝土结构用的钢筋、钢丝两大类。常用的钢筋、钢丝、型钢及预应力锚具等，基本上都是碳素结构钢和低合金高强度结构钢，经热轧或再进行冷加工强化及热处理等工艺加工而成。碳素结构钢牌号表示方法：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值（Q195、Q215、Q235、Q255、Q275）、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧程度符号（特殊镇静钢TZ、镇静钢Z和沸腾钢F）四部分按顺序组成。对于镇静钢和特殊镇静钢，在钢的牌号中予以省略。碳素结构钢的含碳量在0.06%～0.38%之间。碳素结构钢技术要求：包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态及表面质量五个方面。碳素结构钢性能和用途：钢材随钢号的增大，含碳量增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则降低。建筑工程中应用最广泛的是Q235号钢。其含碳量为0.14％～0.22％，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低。在钢结构中主要使用Q235钢轧制成的各种型钢。低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素(总含量小于5％)的一种结构钢。其综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用。另外，与使用碳素钢相比，可节约钢材20％～30％，而成本并不很高。低合金高强度结构钢牌号表示方法：由屈服点字母Q、屈服点数值（Q345、Q390、Q42O、Q460、Q500、Q55O、Q620、Q690）、质量等级（A、B、C、D、E）三个部分组成。

技术要求：包括化学成分、力学性能等方面。低合金高强度结构钢性能和用途：在钢结构中常采用低合金高强度结构钢轧制型钢、钢板，来建筑桥梁、高层及大跨度建筑。在重要的钢筋混凝土结构或预应力钢筋混凝土结构中，主要应用低合金钢加工成的热轧带肋钢筋。型钢和钢板钢结构所用钢材主要是型钢和钢板。热轧型钢：有角钢、工字钢、槽钢、T型钢，H型钢、Z型钢等。我国建筑用热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235一A和低合金钢Q345（16Mn）及Q390（15MnV）。其标记包括型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准号及钢牌号与钢种标准等。型钢和钢板冷弯薄壁型钢通常是用2～6mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。主要用于轻型钢结构。其标示方法与热轧型钢相同。型钢和钢板用光面轧辊轧制而成的扁平钢材，以平板状态供货的称钢板；以卷状供货的称钢带。一般厚板可用于焊接结构；薄板可用作屋面或墙面等围护结构，或用作涂层钢板的原材料；型钢和钢板钢板还可用来弯曲为型钢薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等形状，称为压型钢板。主要用于围护结构、楼板、屋面等，还可将其与保温材料等复合，制成复合墙板。钢筋混凝土用钢材

热轧钢筋：用加热钢坯轧成的条型成品钢筋。它主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋，是建筑工程中用量最大的钢材品种之一。热轧钢筋按其轧制外形分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋；按力学性能分为HPB300、HRB400、HRB500和HRB600等几个等级。(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋

钢筋混凝土用钢材钢筋混凝土用钢材热轧带肋钢筋采用低合金钢热轧而成，横截面通常为圆形，且表面带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。其牌号有HRB400、HRB500、HRB600等级别。它具有较高的强度，塑性和可焊性也较好，钢筋表面带有纵肋和横肋，从而加强了钢筋与混凝土之间的握裹力，可用于钢筋混凝土结构的受力钢筋，以及预应力钢筋。钢筋混凝土用钢材冷轧带肋钢筋：冷轧带肋钢筋采用热轧圆盘条经冷轧而成，表面带有沿长度方向均匀分布的二面或三面的月牙肋。按抗拉强度分为4个等级，即CRB550，CRB650，ICRB800，CRB970。冷轧后强度明显提高，具有很强的握裹力，但塑性也随之降低，适用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。钢筋混凝土用钢材冷轧带肋钢筋钢筋混凝土用钢材预应力混凝土用钢丝是采用优质碳素钢或其他性能相应的钢种，经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强度钢丝。可分为冷拉钢丝（RCD）、消除应力光圆钢丝（S）、消除应力刻痕钢丝（SI）和消除应力螺旋肋钢丝（SH）四种，抗拉强度约在1470～1770MPa之间。钢筋混凝土用钢材螺旋肋钢丝外形示意图

钢筋混凝土用钢材三面刻痕钢丝外形示意图

钢筋混凝土用钢材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。钢筋混凝土用钢材预应力混凝土用钢绞线是将两根、三根或七根圆形断面的钢丝捻成一束，经过消除内应力的热处理后制成。按其应力松弛性能分为两级，I级松弛和Ⅱ级松弛。钢筋混凝土用钢材预应力钢绞线截面图

钢筋混凝土用钢材钢筋混凝土用钢材钢绞线具有强度高，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。钢材的选用原则荷载性质：对经常承受动力或振动荷载的结构，易产生应力集中，引起疲劳破坏，须选用材质高的钢材。

使用温度

：经常处于低温状态的结构，钢材易发生冷脆断裂，应该要求