钢材主要性质及其实用意义

第6章建筑钢材/（1）掌握钢材主要性质及其实用意义；（2）了解钢中元素对钢性的影响；（3）熟悉钢的分类；（4）掌握钢材的技术标准及选用。本章目的要求：建筑钢材特性：强度高、塑性韧性好，可以承受冲击和振动荷载，能够切割、焊接、铆接，便于装配。钢结构安全可靠，构件自重小，因此被广泛用于工业与民用建筑结构中。钢铁区别：生铁—C>2%的铁碳合金，杂质多，硬脆钢—0.06%<C<2%的铁碳合金，杂质少，强度高，塑性好纯铁—C<0.04%的铁碳合金第1节

钢的冶炼与分类1.1钢的分类1、按照化学成分：碳素钢：按含碳量的高低可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。合金钢：按合金元素的含量不同，也可分为低合金钢、中合金钢、高合金钢。2、按含有害杂质（硫、磷等）：普通钢、优质钢、高级优质钢。3、根据冶炼时脱氧程度：沸腾钢(冲击韧性和可焊性差)、镇静钢、半镇静钢。4、按冶炼方法：平炉钢、氧气转炉钢和电炉钢。5、按用途：结构钢、工具钢和特殊钢（如不锈钢、耐热钢、等）。1.2钢的冶炼

生铁

钢水+钢渣原理—将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降到一定限度，同时把其它杂质的含量也降到一定限度。

脱氧：精炼后的钢液中还留有一定的氧化铁，使钢的质量降低，需加入脱氧剂以消除其影响。常用的脱氧剂有锰铁、硅铁和铝锭。常用的炼钢方法：空气转炉法、氧气转炉法、平炉法和电炉法。第2节建筑钢材的性能钢材性能强度塑性冲击韧性硬度冷弯性能焊接性能（可焊性）冷加工热处理一.力学性能

(机械性能)二.工艺性能2.1力学性能进行拉伸试验，可以绘出下图所示的应力—应变关系曲线：B’（1）强度1、弹性阶段（OB阶段）：应力σ与应变ε成正比，此时，卸去外力后，试件能恢复原来的长度，对应B的应力叫弹性极限。2、屈服阶段（BB’阶段）：当应力超过弹性极限后，此时应力不增加，但应变却迅速增长，说明钢材暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为屈服。此时材料已产生塑性变形。对应C下点的应力，称为屈服极限，也叫屈服强度或屈服点（σS）。3、强化阶段（B’

C阶段）：试件过屈服点后，钢材内部组织重新建立了新的平衡，又恢复了抵抗外力的能力，此时曲线又向上升，直至最高点C。对应C点的应力叫强度极限，又叫抗拉强度（σb）。4、颈缩阶段（CD阶段）：当外力达到顶点D之后，在试件的某一部位断面开始显著缩小，称为颈缩现象。

拉伸性能指标主要有：屈服点、抗拉强度和伸长率等。

（1）、屈服强度（屈服点）s

——

结构设计中，钢材强度取值依据。*软钢：

上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力；

下屈服强度：不计初始瞬时效应时的最小强度，即屈服点Fs——屈服阶段最小应力(首次回针所对应的力)，N；Ao——钢材的截面积，mm2。

*硬钢

条件(名义)屈服点0.2——产生0.2%l0残余(永久、塑性)变形时的应力。记为σ0.2

l0——原始标距长度

（2）抗拉强度：受拉时所能承受的最大应力值。抗拉强度/屈服强度=强屈比。强屈比越大表示可靠性越大，安全性越高，但不能太大，

强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25一般大于1.2通常情况下，屈强比在0.60～0.75范围是比较合适的。（3）伸长率:δ=l1－l0×100%

l０

塑性指标

式中l0——试件原始标距长度（mm）

l1——试件拉断后将其拼合所量出的拉后标距长度（mm）

值越大，表示钢材塑性好，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强。

**δ值有两种表示方法：5、10

5、10表示l0=5d0、10d0时的伸长率；d0——钢材直径；对于同种钢材：5与10之间的关系为：5(＞、＜、＝)10（2）冲击性能1.钢材抵抗冲击荷载破坏的能力，称为冲击韧性。表示：冲击韧性值αk(J/cm2)测定：冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。对经常承受较大冲击荷载的结构，应选择αk值较高的钢材。2.冲击韧性的影响因素：钢材的化学成分、组织状态、环境温度、时效（3）硬度钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。

指标——布氏硬度值，以HB表示钢材的冷脆性

温度对冲击韧性有重大影响，当温度降到一定程度时，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，这一温度范围称为脆性转变温度或脆性临界温度。时效——随着时间的延长，钢材机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。2.2工艺性能（1）冷弯性能冷弯性能系指钢材在常温条件下承受弯曲变形的能力，是钢材重要的工艺性能。表示：弯曲角度（α）以及弯心直径（d）对钢材厚度或直径（a）的比值测定：冷弯性能指标通过冷弯试验而确定，冷弯也是检验钢材塑性的一种方法，但对钢材塑性的评定更加严格，也更敏感。评价：用于揭示钢材内部是否存在组织的不均匀、内应力、夹杂物、未溶物和微裂缝等缺陷。因此，冷弯性能可反映钢材的冶金质量和焊接质量。（2）焊接性能（可焊性）

1、可焊性定义钢材在一定焊接工艺条件下，在焊接及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后焊缝处性质应尽可能与母材相同。影响因素：碳、合金元素（锰、钒）、杂质元素越多，可焊性越小；

硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性。

2、焊接方式钢结构：电弧焊钢筋：电渣压力焊

焊条电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程。

电渣压力焊是将两钢筋安放成竖向对接形式，利用焊接电流通过两钢筋间隙，在焊剂层下形成电弧过程和电渣过程，产生电弧热和电阻热，熔化钢筋，加压完成的一种压焊方法。

3、焊接质量的检验方法——取样试件试验、原位非破损检验两类即将钢材在常温下进行冷拉，冷轧或冷拔，使产生塑形变形，从而提高屈服强度，塑形和韧性会下降。由于产生内应力，弹性模量也下降。冷拉和冷拔是金属冷加工的两种不同的方法，两者并非一个概念。

冷拉指在金属材料的两端施加拉力，使材料产生拉伸变形的方法；冷拔是指在材料的一端施加拔力，使材料通过一个模具孔而拔出的方法，模具的孔径要较材料的直径小些。

冷拔加工使材料除了有拉伸变形外还有挤压变形，冷拔加工一般要在专门的冷拔机上进行。

经冷拔加工的材料要比经冷拉加工的材料性能更好些。抗拉和抗压强度都会提高。目的：提高屈服强度，节约钢材。冷加工时效处理：自然时效和人工时效。可使屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑形和韧性继续降低，但弹模可基本恢复。（3）冷加工（4）热处理：将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。方法有：退火、正火、淬火和回火。钢的退火是把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零件最终热处理作好组织准备。

正火与退火的不同点是正火冷却速度比冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

淬火与回火是热处理工艺中很重要的、应用非常广泛的工序。淬火能显著提高钢的强度和硬度。如果再配以不同温度的回火，即可消除（或减轻）淬火内应力，又能得到强度、硬度和韧性的配合，满足不同的要求。所以，淬火和回火是密不可分的两道热处理工艺。淬火

将钢材加热至基本组织改变温度以上（723～910℃，依碳含量定），保温使基本组织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使其转变成不稳定组织，淬火即完成。淬火使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度大大增加，塑性和韧性明显下降。回火

将比较硬脆、存在内应力的钢，加热至基本组织改变温度以下（150～650℃内选定），保温后按一定制度冷却至室温。其目的是促进不稳定组织转变为需要的组织，并消除淬火后产生的内应力，恢复塑性和韧性。回火后的钢材，淬火产生的内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。3.1钢的化学成分对钢材性能的影响1、碳在钢材中碳原子与铁原子之间的结合有三种基本方式；即固溶体、化合物和机械混合物。由于铁与碳结合方式的不同，碳素钢在常温下形成的基本组织有:(1)铁素体—碳溶于α—Fe晶格中的固溶体，强度低，塑性较好(2)渗碳体—铁与碳的化合物（Fe3C），硬脆，钢的主要强化组分(3)珠光体—铁素体与渗碳体的机械混合物，性能介于铁素体与滲碳体之间第3节建筑钢材的化学成分当C<0.8%时，基本组织为铁素体与珠光体，C提高，珠光体↑，铁素体↓，∴强度、硬度提高，塑性、韧性降低；当C>1%时，单独存在渗碳体系，C提高，强度、塑性、韧性降低。2、杂质磷—冷脆性硫—低熔点，降低各种力学性能3、有益元素硅—提高强度、硬度，对塑性、韧性影响不大锰—显著提高强度、硬度，略微降低塑性、韧性第4节

建筑钢材的标准与选用4.1建筑钢材的主要钢种一、普通碳素结构钢（1）牌号表示方法：钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级和脱氧程度四个部分按顺序组成。

Q屈服点数值——质量等级——脱氧程度

Q195AF（沸腾钢）

Q215Bb（半镇静钢）

Q235CZ（镇静钢）

Q255DTZ（特殊镇静钢）

Z,TZ经常忽略如Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢；

Q235—C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。（2）技术要求碳素结构钢的力学性能见书表2-2。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.（3）常用牌号建筑工程中应用最广泛的是Q235号钢,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。（二）优质碳素结构钢1、牌号：共31个牌号2、特性：对S、P等有害杂质含量控制更严格，且大部分为镇静钢，质量稳定，性能优于碳素结构钢，但成本较高。三、低合金高强度结构钢（1）特点在碳素结构钢的基础上加入总量小于5%的合金元素即低合金高强度结构钢。与碳素钢相比，具有高的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性、耐低温性能等。因此，它是综合性较为理想的建筑钢材，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用。另外成本并不很高。（2）牌号的表示方法由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成。Q屈服点数值质量等级（按冲击韧性即S,P含量）Q295AQ345BQ390CQ420DQ460E（3）常用牌号Q345及Q390（4）应用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。建筑钢材是主要的建筑材料之一，它包括钢结构用钢材（如钢板、型钢、钢管等）和钢筋混凝土用钢材（如钢筋、钢丝等）。4.2常用建筑钢材一、钢筋常用的有热轧钢筋、冷加工钢筋以及钢丝、钢绞线等。1、热轧钢筋热轧钢筋按其表面特征分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋。（1）热轧光圆钢筋1个牌号（HPB235），性能应符合书表7-6

的规定。（2）热轧带肋钢筋有3个牌号，各牌号钢筋的力学性能应符合下表的规定。热轧带肋钢筋的力学性能（GB1499-1998）

解：①由题知，A＝82

s＝F/A=72.2×103/82

＝359.1Mpab＝F/A=104.5×103/82

＝519.74Mpa

=(l1－l0)/l0×100%＝(94.4－80)/80×100%＝18%查表知该钢筋属热轧Ⅱ级钢筋（即HRB335）②屈强比s/b＝359.1/519.74＝0.69例题：直径为16mm的热轧钢筋，取样作拉伸实验，达到屈服点的荷载为72.2KN，极限时的荷载为104.5KN，试件标距长度为80mm，拉断后的长度为94.4mm。问：①该钢筋属哪级？②该钢筋的屈强比是多少？2、冷轧带肋钢筋（GB13788-2000）冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。（1）牌号按抗拉强度分为

CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170（2）优点强度高、塑性好、握裹力强等，而且节约钢材、降低成本，其综合性能优良。（3）应用CRB550宜用作普通钢筋混凝土结构。其它牌号宜用作预应力混凝土结构中。3、预应力混凝土用热处理钢筋热处理钢筋是将热轧带肋钢筋经淬火和回火调质处理制成。

特点：高强度、高韧性和锚固力强

应用：适用于预应力混凝土构件的配筋。

按其外形分为带纵肋和无纵肋两种，成盘供应，每盘钢筋应由一整根100-200m钢筋盘成，开盘后能自行伸直，不需调直及焊接，故施工简便。4、预应力混凝土用钢丝及钢绞线

（1）预应力混凝土用钢丝：采用优质碳素钢盘条经冷拉等工艺而制成的。品种：冷拉钢丝（代号RCD）消除应力光圆钢丝（代号S）消除应力刻痕钢丝（代号SI）消除应力螺旋肋钢丝（代号SH）应用：预应力混凝土用钢丝的强度高，抗拉强高σb为1500MPa以上，屈服强度σ0.2为1100MPa以上，质量稳定，安全可靠，且柔性好，无接头。主要用于大跨度屋架、大跨度吊车梁、桥梁、电杆、轨枕等的预应力钢筋。（2）预应力混凝土用钢绞线结构类型：1x21x3

1x7(7根高强度钢丝经绞捻，热处理消除内应力而制成)