第八章 建筑钢材

第八章建筑钢材主要内容第一节建筑钢材的基本知识第二节建筑钢材的性质第三节钢材的冷加工、时效及焊接第四节建筑钢材的标准及选用学习目标：了解铝材的一般特性和应用；掌握钢材的力学性质、工艺性质及其质量检定方法；掌握钢结构用钢和混凝土结构用钢，两类建筑钢材的技术性质和应用。钢材的应用

第一节建筑钢材的基本知识钢材:以铁(Fe)为主要元素，含碳量(C)一般在2％以下，并含有其它元素的材料。建筑钢材在建筑工程中的应用:钢结构—型钢、钢板、钢管钢筋混凝土结构—钢筋、钢丝、钢绞线优点:材质均匀、性能可靠、强度高、具有一定的塑性和韧性及承受冲击和振动荷载的能力，可焊、铆、栓接便于装配钢材的分类（一）按化学成分

1、碳素钢:碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.02％～2.06％。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量大于0.60％）2、合金钢:为了改善钢材的某些性能，加入很多的合金元素。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量小于５％）中合金钢（合金元素总含量为５％～10％）高合金钢（合金元素总含量大于10％）（二）按冶炼时脱氧程度分类沸腾钢：炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全，代号为“Ｆ“。镇静钢：炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用，代号为“Ｚ”。半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“ｂ”。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”。（三）按有害杂质含量分类接钢中有害杂质磷（Ｐ）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：普通钢：磷含量不大于0.045％；硫含量不大于0.050%。优质钢：磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。高级优质钢：磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。特级优质钢：磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。钢材的化学成分1、碳(C)—决定钢材性能的主要元素随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。

钢材的化学成分2、硅(Si)、锰(Mn)—有益元素当含量较低时（小于1%），可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大。3、磷(P)、硫(S)—有害元素磷显著增加钢的冷脆性硫显著增加钢的热脆性热脆性大大降低钢材的热加工性和可焊性4、氧(O)、氮(N)—有害元素显著降低钢材的塑性、韧性，使可焊性变坏钢材腐蚀的危害造成钢材受力截面减小，表面不平整导致应力集中，降低钢材的承载能力尤其是显著降低钢材的冲击韧性，使钢材脆断混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。因此为了确保钢材不产生腐蚀，必须采取防腐措施。防止钢材腐蚀的方法1、保护膜法例如在钢材的表面喷刷涂料、搪瓷、塑料等或以金属镀层作为保护膜，如锌、锡、铬等。2、电化学保护法3、合金化在碳钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素，如镍、铬、钛、铜等制成不同的合金钢。防止混凝土中钢筋腐蚀最经济有效的法

—提高混凝土的密实度和碱度保证钢筋有足够的保护层厚度建筑钢材的性质1、强度2、弹性3、塑性4、冲击韧性5、硬度

建筑钢材的性质1、强度屈服强度（或称屈服点）σs：中、高碳钢没有明显的屈服点，通常以残余变形为0.2%的应力σ0.2作为屈服强度。屈服强度对钢材的使用有着重要的意义，当构件的实际应力达到屈服点时，将产生不可恢复的永久性变形，这在结构中是不允许的，therefore屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据

拉伸实验低碳钢拉伸应力应变曲线图低碳钢受拉的应力-应变图ε建筑钢材的性质1、强度极限抗拉强度σb

（或称抗拉强度）钢材在拉力的作用下能承受的最大拉应力屈强比σs／σb

工程意义:越小—结构可靠性越高，即防止结构破坏的潜力越大；太小—钢材有效利用率太低疲劳强度（或称疲劳极限）钢材承受交变荷载106~107次而不发生破坏的最大主应力建筑钢材的性质2、弹性钢材在静荷载作用下，应力和应变成正比具有这种变形特征的性质称为弹性。在弹性阶段中应力和应变的比值称为弹性模量，即E=σ/ε，单位MPa。弹性模量是衡量钢材抵抗变形能力的指标在工程上，弹性模量反映了钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。建筑钢材的性质3、塑性伸长率δ:

指试件拉断后，标距长度的增量与原标距长度之比，常用%表示。

δ越大，说明钢材塑性越好断面收缩率Ψ:指试件拉断后，颈缩处横截面积的减缩量占原横截面积的百分率，%。拉伸示意图钢材的冷弯不仅是评定其塑性、加工性能的要求，也是评定焊接质量的重要指标之一建筑钢材的性质4、冲击韧性冲击韧性:指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。与钢的化学成分、冶炼与加工有关:一般说，钢中的P、S含量越高，夹杂物以及焊接中形成的微裂纹等都会降低冲击韧性;还受温度和时间的影响:当温度降至某一温度范围时，ak

突然明显下降，钢材开始呈脆性断裂，这种性质称为冷脆性。建筑钢材的性质5、硬度硬度:在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力通常与抗拉强度有一定的关系目前测定钢材硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度，用HB表示。

钢材的冷加工冷加工:将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，这个过程称为钢材的冷加工强化。冷加工强化的原理：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量Ｅ降低。钢筋冷拉曲线

工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。钢材的时效钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象称为时效。自然时效:钢材经冷加工后在常温下搁置15~20天在自然条件下的时效人工时效:钢材加热至100~200℃保持2h以内，钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低完成时效过程。

冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。

钢材的热处理：

将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。钢材的热处理通常有以下几种基本方法：钢材的热处理

(１)淬火将钢材加热至723℃（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。（2）回火将淬火后的钢材重新加热到723℃以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。（３）退火退火是指将钢材加热至723℃以上某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。（４）正火是将钢材加热到723℃以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小建筑钢材的标准及选用一、钢结构用钢材（1）碳素结构钢按国家标准GB700-88规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即Ｑ195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个质量等级。碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（Ｎ/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、B、Z、TZ)等四部分组成。例如Q235-A.F.，它表示：屈服点为235N／ｍｍ2的平炉或氧气转炉冶炼的Ａ级沸腾碳素结构钢。当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示“Ｚ”与“ＴZ”符号可予以省略。（2）低合金结构钢在碳素钢的基础上，加入总量小于５％的合金元素炼成的钢，称为低合金高强度结构钢，简称低合金结构钢。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。牌号由代表钢材屈服强度的字母“Ｑ”、屈服强度数值、质量等级符号（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）三个部分按顺序组成。例：Q295A，表示屈服强度为不小于295MPa，质量等级为Ａ级的低合金结构钢。2.钢筋混凝土结构用钢

(1)热轧钢筋根据表面特征不同，热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋。其牌号由HRB和规定屈服强度最小值构成。Ｈ、Ｒ、Ｂ分别为热轧、肋、钢筋的英文名称的第一个字母。（2）钢筋混凝土用冷拉钢筋为了提高钢筋的强度及节约钢筋，工地上常按施工规程，控制一定的冷拉应力或冷拉率，对热轧钢筋进行冷拉。冷拉钢筋的力学性能应符合规范规定的要求。冷拉后不得有裂纹、起层等现象。（3）预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋是用Φ8、Φ10（㎜）的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调质处理而成，代号为ＲＢ１５０预应力混凝土用热处理钢筋的优点是：强度高，可代替高强钢丝使用；配筋根数少，节约钢材；锚固性好，不易打滑，预应力值稳定；施工简便，开盘后钢筋自然伸直，不需调直及焊接。主要用于预应力钢筋混凝土轨枕，也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。（4）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋。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。冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5级，其代号为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、和CRB1170，（CRB为Coldrollingribbedsteelbar)，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。（5）冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是将直径为6.5～8㎜的Q235热轧盘条钢筋经冷拔加工而成。冷拔低碳钢丝分为甲、乙两级，甲级丝适用于作预应力筋，乙级丝适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。其力学性能应符合有关规定。（6）预应力混凝土用钢丝及钢绞线大型预应力混凝土构件，由于受力很大，常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力钢筋。预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢盘条，经酸洗、冷拉或再经回火处理等工艺制成，钢铰线是由７根直径为2.5～5.0㎜的高强度钢丝，铰捻后经一定热处理清除内应力而制成。铰捻方向一般为左捻。预应力混凝土用钢丝分为冷拉钢丝（代号Ｌ）、矫直回火钢丝（代号Ｊ）和矫直回火刻痕钢丝（代号JK）三种。前二种其公称直径有３、４㎜、５㎜三种，它们的抗拉强度σb达1500MPa以上，屈服强度σ0.2可达1100MPa以上。预应力混凝土用钢绞线直径有9.0㎜、12.0㎜和15.0㎜三种，整根破坏负荷可达220kN，屈服负荷可达187kN。钢绞线主要用于大跨度、大负荷的后张法预应力屋架、桥梁和薄腹梁等结构的预应力筋。例1从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN;抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12ｍｍ，标距为60ｍｍ，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度。解：1. 钢筋试样屈服点为：钢筋试样抗拉强度为：σb=(548+561)÷2=555N/mm2钢筋试样伸长率为：δ=(17.7+19.0)÷2=18.4%查表2-2知σs1、σs2

均大于335N/mm2,σb1、σb2

均大于490N/mm2,钢筋试样伸长率均大于16%故该钢筋为II级钢。2.该钢筋的屈强比为：

σs/σb=385/555=0.69该II级钢筋的屈强比在0.65~0.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。例2为什么说屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？解：屈服点（