土木工程材料-第八章-金属材料

土木工程材料--第八章-金属材料第一页，共125页。22010第八章金属材料主要内容

概述基本概念钢材的特点

第一节钢材的生产、组成与结构第二节建筑钢材的性质第三节建筑钢材的主要品种第四节建筑钢材的应用

钢结构用钢混凝土结构用钢碳素结构钢低合金结构钢第二页，共125页。32010第八章金属材料熟练掌握建筑钢材的基本性质掌握土木工程中常用建筑钢材及其选用了解钢材的生产、组成和结构本章要求第三页，共125页。42010第八章金属材料概述——基本概念生铁：铁矿石冶炼而成，用来炼钢和制造铸件钢：生铁在炼钢炉中冶炼——杂质氧化、含碳量降到2.06%以下、其它元素调整到规范范围，即得到钢（包括钢锭、钢坯、钢铸件等）

钢与生铁的区别——含碳量生铁：含碳量大于2.06％的铁碳合金钢：

含碳量小于2.06％的铁碳合金第四页，共125页。52010第八章金属材料钢材——钢锭、钢坯等通过压力加工制成所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。建筑钢材——建筑工程中使用的各种钢材，包括用于钢结构的各种型钢、钢板、钢管；用于钢筋混凝土结构的各种钢筋、钢丝；建筑装饰用钢材。概述——基本概念第五页，共125页。62010第八章金属材料优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可焊接、铆接或螺栓连接，便于装配，加工性强缺点：耐久性差，易锈蚀，维修费用大，耐火性差概述——钢材的特点第六页，共125页。72010第八章金属材料第一节钢材的生产、组成与结构一、钢材的生产二、钢材的分类三、钢材的组成

四、钢材的结构第七页，共125页。82010第八章金属材料一、钢材的生产冶炼铸锭压力加工

降C到预定范围除杂质到允许范围废钢、生铁钢锭/坯各种钢材气泡闭合缺陷消除

氧化铁残留在钢水中，降低钢材质量脱氧处理

氧化过程电炉钢平炉钢转炉钢半镇静钢沸腾钢镇静钢脱氧程度

化学偏析热加工

冷加工偏析、缩孔、气泡组织不致密等缺陷第八页，共125页。转炉钢以熔融的铁水为原料，不需燃料。吹入空气或纯氧，通过氧化作用除去铁水中的杂质。化学成分难以精确控制，杂质含量较高，质量差；但成本低。第九页，共125页。

以固体或液体生铁、铁矿或废钢为原料，用煤油或重油作燃料，杂质靠铁矿石、废钢中的氧或吹入的氧起氧化作用而除去。治炼时间长(4-12h)，清除杂质较彻底，化学成分可以精确控制，故含杂质少，钢材质量好，成本较转炉钢高。平炉钢第十页，共125页。

热源是高压电弧，熔炼温度高，且温度可自由调节，清除杂质容易，因此，电炉钢的质量最好。

电炉钢第十一页，共125页。122010第八章金属材料化学偏析铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中溶解度高于固相，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的现象称为化学偏析（以硫、磷偏析最为严重）。

对钢的质量有很大的影响第十二页，共125页。沸腾钢镇静钢脱氧剂弱脱氧剂锰铁必要数量的硅、锰和铝脱氧程度不充分充分注锭效果FeO+C=CO状似水沸钢水平静地凝固品质组织不够致密气泡含量较多化学偏析较大质量较差组织致密化学成分均匀性能稳定质量较好产率/成本高/低低/高适用范围一般建筑结构承受振动冲击荷载重要的焊接钢结构第十三页，共125页。142010第八章金属材料压力加工热加工：将钢锭加热至一定温度使其呈塑性状态，施加压力改变钢锭的形状——不仅获得了要求的形状，同时克服了许多缺陷，提高了钢的强度和质量，一般加工次数越多，强度提高越大。冷加工：在常温下进行的压力加工。例如冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。一定范围内，冷加工变形程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低越多。第十四页，共125页。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＞沸腾钢第十五页，共125页。162010第八章金属材料二、钢材的分类化学成分生产方法用途质量等级第十六页，共125页。172010第八章金属材料GB/T13304.1-2008钢分类第1部分按化学成分分类

碳素钢

合金钢低碳钢（C%<0.25%）中碳钢（C%=0.25%～0.60%）高碳钢（C%>0.6%）按化学成分分类——占钢总产量的70%

元素种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等低合金钢（合金元素总量<5%）中合金钢（合金元素总量=5～10%）高合金钢（合金元素总量>10%）第十七页，共125页。182010第八章金属材料钢结构用钢型钢钢板钢管按用途分类——钢筋钢丝钢绞线

钢砼结构用钢建筑装饰用钢不锈钢及其制品彩色涂层/压型钢板轻钢龙骨

第十八页，共125页。192010第八章金属材料按质量等级分类——GB/T13304.2-2008钢分类第2部分

按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类

合金钢优质合金钢特殊质量合金钢低合金钢普通质量非/低合金钢优质非/低合金钢特殊质量非/低合金钢非合金钢第十九页，共125页。202010第八章金属材料三、钢材的组成910℃以下，体心立方结构，α铁910~1400℃，面心立方结构，γ铁1400~1534℃，体心立方结构，δ铁第二十页，共125页。2元素

3结合方式4基本组织固溶体化合物机械混合物Fe+C铁素体

C+αFe奥氏体

C+γFe渗碳体

Fe3C

珠光体

第二十一页，共125页。名称组织成分含碳量%性质铁素体α-铁固溶少量的碳＜0.04接近于纯铁，质软，延展性好，塑性、韧性大强度、硬度低（HB=80）奥氏体γ-铁固溶碳＜2.06强度和硬度低，塑性大高温延性好，适于加工渗碳体化合物Fe3C6.67硬而脆（HB=600）无延性，抗拉强度低碳钢中的主要强化组分珠光体铁素体和渗碳体的机械混合物层状结构＜0.8亚共析钢硬度较高（HB=200）塑性较好抗拉强度高0.8共析钢＞0.8过共析钢亚共析钢

铁为溶剂碳为溶质珠光体+铁素体珠光体珠光体+渗碳体第二十二页，共125页。αk—冲击韧性σb—抗拉强度HB—硬度δ—伸长率ψ—断面收缩率第二十三页，共125页。242010第八章金属材料化学元素对钢材性能的影响合金元素：改善性能

硅Si锰Mn钛Ti钒V铌Nb杂质元素：劣化性能

OSPN第二十四页，共125页。化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳C<1%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅Si>1%↑Si<1%↑↑↓↓↓↓↓冷脆性↑锰Mn↑↑↑↑脱氧、硫剂钛Ti↑↑↑↓↑强脱氧剂钒V↑↑时效↓铌Nb↑↑↑↑时效↓磷P↑↑↓↓↓↓↓↓偏析冷脆↑↑氮N↑↑↓↓↓↓冷脆性↑硫S↑↓↓偏析↑氧O↑↓↓时效↑主加合金元素低合金钢中常用合金元素第二十五页，共125页。262010第八章金属材料四、钢材的结构

晶体结构3个特征——晶体结合——金属键晶体构造——多晶体晶体缺陷——点

线面

体强度高、塑性好各向同性σ实＜＜σ理

第二十六页，共125页。272010第八章金属材料第二节建筑钢材的性质力学性质工艺性质冷弯、可焊性热处理冷加工、时效拉伸性质弹性、塑性、硬度冲击韧性、冷脆性耐久性锈蚀耐热、耐酸、耐碱第二十七页，共125页。282010第八章金属材料钢筋自受力直至拉断过程分为4个阶段——

力学性质1——拉伸性质弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段第二十八页，共125页。292010第八章金属材料屈强比屈服强度抗拉强度疲劳强度钢筋拉伸性能的主要检验指标——承受反复荷载的结构钢材要考虑结构设计时强度取值的依据

钢材承受最大拉应力结构可靠性/钢材强度的有效利用率合理值=0.6～0.75第二十九页，共125页。上屈服强度ReH：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。下屈服强度ReL：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。第三十页，共125页。抗拉强度Rm：与强化阶段最高点C相对应的应力是钢筋的极限强度，称为（极限）抗拉强度。第三十一页，共125页。

——在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。疲劳破坏：受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象。典型的低碳钢疲劳曲线

第三十二页，共125页。332010第八章金属材料钢材疲劳破坏的原因：一般由拉应力引起，首先在局部开始形成细小断裂，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。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。疲劳强度：试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大主应力值，一般把钢材承受交变荷载200～400万次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度（疲劳极限）。

疲劳破坏第三十三页，共125页。疲劳断裂的宏观断口

疲劳源区：白亮圆斑所包围的眼状小块扩展区：白色、平滑断口，有贝壳花样弧线，放射状终断区：与一般快速断裂一样第三十四页，共125页。352010第八章金属材料钢材的疲劳强度与很多因素有关，如钢材的内部组织结构、荷载的性质、构件的形状和表面状态、成分偏析和内部的各种缺陷等。一般来说，钢材抗拉强度高，其疲劳强度也高。而钢材表面的加工印痕、焊接接头的卷边和表面微小腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。由于疲劳设计中存在着大量不确定因素，因而选用材料的安全系数K较高（钢材的K≥2）。

疲劳破坏第三十五页，共125页。36第八章金属材料韩国汉城大桥倒塌

连接汉江南北两岸的圣水大桥由韩国最大建筑公司之一东亚建设产业公司于1979建成。1994年10月21日早晨7点40分左右，圣水大桥已是一片车水马龙。因天气阴沉，大多数车辆正开着车灯，以时速40公里的速度行驶。突然，一声巨响，一块长达48米的桥板从大桥中段塌入江中，正在桥上行驶的汽车随之坠入20多米高的桥下。造成死亡32人、重伤17人。第三十六页，共125页。东亚建筑公司在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材。汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32t，建成后交通流量逐年增加，倒塌时负载为43.2t，超常负荷，钢梁螺栓及杆件疲劳破坏所致。

经五个多月的各种试验和研究，总结事故原因如下：第三十七页，共125页。382010第八章金属材料北海油田平台倾覆1980年3月27日，北海Ekofisk油田的AlexanderLKielland号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使122人丧生，造成巨大的经济损失。事故原因：撑竿支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。第三十八页，共125页。392010第八章金属材料力学性质2——弹性、塑性、硬度弹性：钢材在弹性阶段，应力和应变成正比，具有弹性。弹性模量：弹性阶段应力和应变的比值称为，即E=σ/ε=tgα（MPa）。一定应力下，E越大，材料产生的弹性变形越小。因此，弹性模量反映了钢材构件的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。第三十九页，共125页。塑性：伸长率δ或断面收缩率指标ψ来表示。伸长率是指试件拉断后，标距长度的增量与原始标距长度之比（%）断面收缩率：是指试件拉断后，颈缩处横截面积的减缩量占原横截面积的百分率（%）因测量方便，一般常用伸长率表征钢材的塑性：δ越大，说明钢材的塑性越好。伸长率与原始标距有关，对于同种钢材δ5>δ10。

第四十页，共125页。硬度：是指在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。硬度通常与抗拉强度有一定关系。根据测定方法不同，常用的钢材硬度有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

布氏硬度是用一定直径D的硬质钢球，在规定荷载F作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸载，量出压痕直径d，然后计算每单位压痕球面积所受的荷载值，即布氏硬度值（HB）。第四十一页，共125页。422010第八章金属材料力学性质3——冲击韧性、冷脆性冲击韧性：钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。

规范规定：有刻槽的标准试件，在冲击试验的摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示冲击韧性，符号ak，单位J/cm2。重摆所作功缺口处最小横截面积第四十二页，共125页。432010第八章金属材料化学成分、组织结构、生产质量：钢中P、S含量较高，存在偏析，非金属夹杂物和焊接中的微裂纹，都会使冲击韧性显著降低。温度：冷脆性时间：时效性质（工艺性质）影响冲击韧性的因素——第四十三页，共125页。脆性断裂韧性断裂akJ/cm2

T，℃冷脆性：常温下，随温度的下降，冲击韧性降低很小，此时破坏的钢件断口呈韧性断裂状。当温度降至某一温度范围时，ak突然发生明显下降，钢材开始呈脆性断裂。发生冷脆性时的温度称为脆性临界温度（范围）第四十四页，共125页。问题：

钢材的伸长率与钢材中的含碳量有何关系？

答：伸长率反映钢材的塑性，伸长率越大，塑性越好。钢材的塑性随着含碳量增加而变差，因此，钢材的伸长率随着含碳量增加而减小。第四十五页，共125页。问题：

什么是屈强比，对选用钢材有何意义？

答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s/b。

在应用中，s/b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈高。但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济；若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.60~0.75，既安全又经济。第四十六页，共125页。472010第八章金属材料冷弯性质：常温条件下，钢材承受弯曲变形的能力检验：试件经规定的弯曲程度后，检查弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、鳞落和断裂等情况，进行评定。工艺性质1——冷弯第四十七页，共125页。482010第八章金属材料一般用弯曲角度α以及弯心直径d和对应钢材的厚度或直径a的比值来表示。弯曲角度越大，d和a的比值越小，表明冷弯性能越好。工艺性质1——冷弯第四十八页，共125页。492010第八章金属材料检验钢材塑性的方法：冷弯、伸长率伸长率大的钢材，其冷弯性能必然好冷弯试验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、更敏感冷弯有助于暴露钢材的某些缺陷，如钢材内部的气孔、杂质、裂纹和严重偏析等。冷弯是评定焊接质量的重要指标之一，可以发现焊接时的局部脆性及焊接接头质量缺陷。工艺性质1——冷弯第四十九页，共125页。502010第八章金属材料焊接是钢结构的主要连接形式之一。可焊性：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。主要受化学元素及其含量的影响——

工艺性质2——可焊性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。加入合金元素如硅、锰、钒、钛等，也将增大焊接的硬脆性，降低可焊性。硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。第五十页，共125页。512010第八章金属材料冷加工：钢材在常温下进行的机械加工叫冷加工（或冷加工强化、冷作强化）。冷加工强化：钢材冷加工产生塑性变形时，强度和硬度提高，但塑性、韧性及弹性模量降低的现象即冷加工强化。一定范围内，冷加工变形程度越大，屈服强度↑、塑性↓、韧性↓、弹性模量↓就越多。工艺性质3——冷加工（强化）第五十一页，共125页。522010第八章金属材料冷拉：在常温下将钢材拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等当试件冷拉至超过屈服强度的任意一个K点时卸荷载，此时由于试件已产生塑性变形，曲线沿KO'下降，KO'大致与BO平行。如果立即重新拉伸，则新的屈服点将提高至K点，以后的曲线将与原来曲线KCD相似。

钢筋冷拉强化

冷拉后，钢筋屈服强度提高20%～30%，同时增加钢筋长度（4%～10%）。因此，冷拉也是节约钢材的一种措施（一般10%～20%）。第五十二页，共125页。532010第八章金属材料冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压作用。冷拔钢丝的屈服点可提高40％～60％。冷拔：将6～8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。第五十三页，共125页。542010第八章金属材料金属材料的强化途径——一是提高金属的原子间结合力，提高其理论强度，并制得无缺陷的完整晶体。另一强化途径是向晶体内引入大量晶体缺陷，如位错、点缺陷、异类原子、晶界、高度弥散的质点或不均匀性（如偏聚）等，这些缺陷阻碍位错运动，也会明显地提高金属强度。事实证明，这是提高金属强度最有效的途径。

第五十四页，共125页。552010第八章金属材料钢材冷加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，致使滑移面处的晶粒破碎，晶格歪扭，畸变加剧，从而对继续滑移造成阻力，要使它重新产生滑移就必须增加外力，即屈服强度有所提高。冷加工硬化（强化）机理——第五十五页，共125页。562010第八章金属材料由于减少了可以利用的滑移面，故塑性降低。塑性变形时，外力所作的功除了转化为热量之外，还有一小部分被保留在金属内部，表现为残余应力。这种内应力使钢材弹性模量降低。冷加工硬化（强化）机理——第五十六页，共125页。572010第八章金属材料时效：钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降的现象叫时效。自然时效——钢材在自然条件下时效的过程，非常缓慢。人工时效——钢材经冷加工后，在常温下搁置15～20天或加热至100～200℃保持2h以内，钢的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低。一般强度较低的钢材采用自然时效，而强度较高的钢材采用人工时效。工艺性质4——时效（强化）第五十七页，共125页。582010第八章金属材料第五十八页，共125页。592010第八章金属材料溶于α-Fe晶格中的氮和氧等原子，以Fe4N与FeO的形式析出并向缺陷处移动和聚集。随时间的增长，向晶格缺陷处移动和集中的速度加快，从而造成晶格缺陷处氮、氮原子富集，晶格畸变加剧，可进一步阻碍晶粒滑移，使强度进一步提高，塑性和韧性继续下降。但由于时效过程中内应力消减，故弹性模量可基本恢复。

钢材产生时效强化的原因——第五十九页，共125页。602010第八章金属材料时效敏感性

——因时效而导致钢材性能改变的程度。时效敏感性大的钢材，经时效后，其冲击韧性、塑性改变较大。承受振动、冲击荷载作用的重要性结构（如吊车梁、桥梁等），应选用时效敏感性小的钢材。

工艺性质4——时效（强化）第六十页，共125页。612010第八章金属材料耐久性——锈蚀

锈蚀：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。化学锈蚀电化学锈蚀应力锈蚀第六十一页，共125页。622010第八章金属材料化学锈蚀：指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的锈蚀。电化学锈蚀：钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液（如水）存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。引起的锈蚀称为电化学锈蚀。钢材在大气中的锈蚀，实际上是化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用所致，但以电化学锈蚀为主。耐久性——锈蚀

第六十二页，共125页。632010第八章金属材料原则——改变钢材本身的易腐蚀性隔离环境中的侵蚀性介质改变钢材表面的电化学过程如何防止钢材锈蚀？

第六十三页，共125页。642010第八章金属材料钢结构防锈——采用耐候钢耐候钢即耐大气腐蚀钢，是在碳素钢和低合金钢中加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。这种钢在大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐保护层，起到耐腐蚀作用，同时保持钢材良好的焊接性能。耐候钢的强度级别与常用碳素钢和低合金钢一致，技术指标也相近，但其耐腐蚀能力却高出数倍。耐候钢的牌号、化学成分、力学性能和工艺性能参见GB4172《焊接结构用耐候钢》和GB4171《高耐候性结构钢》。第六十四页，共125页。652010第八章金属材料钢结构防锈——金属/非金属覆盖在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离。如喷涂涂料、镀金属、搪瓷和塑料等。涂层的作用主要是物理阻隔作用。但是有两种原因会导致金属腐蚀。一是涂层本身存在缺陷，有针孔的存在；二是在施工和运行过程中不可避免涂层会破坏，使金属暴露于腐蚀环境。这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速。

第六十五页，共125页。662010第八章金属材料钢结构防锈——电化防腐阳极保护在某些电解质溶液中，将可钝化的被保护金属作为阳极，施加外部电流进行阳极极化到某一电位范围，使之生成钝化膜以减少或防止金属腐蚀。阳极保护是施加阳极极化电流使金属致钝，适用于在介质中有自钝化倾向的金属保护。阴极保护通过降低腐蚀电位获得防蚀效果的电化学保护方法。包括牺牲阳极阴极保护和强制电流（外加电流）阴极保护。第六十六页，共125页。672010第八章金属材料钢结构防锈——电化防腐牺牲阳极阴极保护：将还原性较强的、比铁活泼的金属（如锌、镁）作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为阳极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为阴极就可以避免腐蚀。强制电流阴极保护：把要保护的钢铁作为阴极，另外用不溶性电极作为辅助阳极，外加直流电源。通电后，大量电子被强制流向被保护的钢铁，使钢铁表面产生负电荷（电子）的积累，只要外加足够强的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被输送，防止钢铁腐蚀。第六十七页，共125页。682010第八章金属材料保证砼密实度以及钢筋外侧砼保护层厚度在CO2浓度高的工业区采用PⅠ、PⅡ或P.O限制含氯盐外加剂掺量并使用砼用钢筋防锈剂预应力砼应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂钢筋涂覆环氧树脂或镀锌严格控制钢材质量混凝土结构中钢筋的防锈碳化氯离子侵蚀第六十八页，共125页。692010第八章金属材料俄罗斯游泳馆顶棚坍塌事件

2005.12.4俄罗斯“海豚”游泳馆顶棚坍塌，造成包括10名儿童在内的14人遇难，另有11人受伤。第六十九页，共125页。702010第八章金属材料俄罗斯游泳馆顶棚坍塌事件

顶棚金属框架因锈蚀严重而断裂是导致事故发生的最主要原因。

游泳馆内90％的相对湿度和40摄氏度的高温环境容易导致金属建材被锈蚀，钢筋混凝土墙体也易遭到破坏。第七十页，共125页。712010第八章金属材料第三节建筑钢材的主要品种碳素结构钢（属非合金钢）低合金结构钢第七十一页，共125页。722010第八章金属材料一、碳素结构钢碳素结构钢的牌号及其表示方法：由代表屈服强度的字母“Q”、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法四部分按顺序组成。屈服强度数值：195、215、235、275MPa质量等级：A、B、C、D（由低到高）脱氧方法：以F表示沸腾钢、Z和TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。

Q235AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢《碳素结构钢》GB/T700--2006第七十二页，共125页。不同等级钢的化学成分第七十三页，共125页。碳素结构钢的力学性能第七十四页，共125页。碳素结构钢的冷弯性能B：试样宽度a：试样厚度或直径第七十五页，共125页。762010第八章金属材料Q195—强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等。Q215—与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235—强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是应用最广泛的钢种

，大量制作成钢筋、型钢和钢板等。Q275—强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，不宜在建筑结构中使用，主要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板等。

碳素结构钢的选用

第七十六页，共125页。772010第八章金属材料

沸腾钢质量较差、时效敏感性大、钢材性能不够稳定，仅用于一般结构工程使用。在动荷载、焊接结构或严寒低温条件下工作时，往往限制沸腾钢的使用——直接承受动荷载的焊接结构非焊接结构而计算温度≤-20℃时受静荷载及间接动荷载作用，而计算温度≤

-30℃时的焊接结构

碳素结构钢的选用

第七十七页，共125页。782010第八章金属材料在普通碳素结构钢基础上加入总量小于5%合金元素的钢材。低合金高强度结构钢的牌号表示方法——

字母“Q”+屈服强度+质量等级根据屈服强度划分成八个等级：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690质量分为五个等级：A、B、C、D、E，依次提高例如：Q345D二、低合金结构钢《低合金高强度结构钢》GB/T1591--2008第七十八页，共125页。792010第八章金属材料合金元素加入钢以后，与铁和碳共同作用，改变了钢材的组织、性能。在含碳量相近的情况下，提高了钢材的屈服强度，同时使钢材具有良好的塑性、冲击韧性、可焊性及耐低温、耐蚀性等，延长了使用寿命。在相同使用条件下，采用低合金高强度结构钢可比碳素结构钢节省用钢量约20%～30%，减轻了结构自重。

低合金高强度结构钢的性能第七十九页，共125页。802010第八章金属材料低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构。尤其是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构，采用高强度的低合金结构钢，技术经济效果更显著。

低合金高强度结构钢的应用第八十页，共125页。812010第八章金属材料

主要性能指标——力学性能拉伸试验（屈服强度、抗拉强度、断后伸长率）冲击试验（冲击吸收能量）工艺性能（弯曲试验）

低合金高强度结构钢的性能第八十一页，共125页。低合金高强度结构钢的化学成分第八十二页，共125页。低合金高强度结构钢的力学性能第八十三页，共125页。842010第八章金属材料低合金高强度结构钢的工艺性能第八十四页，共125页。852010第八章金属材料一、钢结构用钢

二、混凝土结构用钢第四节建筑钢材的主要应用第八十五页，共125页。862010第八章金属材料一、钢结构用钢型钢（热轧或冷成型）钢板（热轧或冷轧）钢管第八十六页，共125页。第八十七页，共125页。第八十八页，共125页。892010第八章金属材料（一）型钢钢结构常用的型钢有：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等。型钢由于截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间连接方便，所以它是钢结构中采用的主要品种。型钢的规格通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示。第八十九页，共125页。902010第八章金属材料热轧L型钢（GB9946）——不等边不等厚角钢

第九十页，共125页。912010第八章金属材料热轧普通工字钢工字钢是截面为工字型、腿部内侧有1:6斜度的长条钢材。工字钢截面尺寸均相对较高、较窄，故对截面两个主袖的惯性矩相差较大，因此，主要用于承受横向弯曲（腹板平面内受弯）的杆件，而不宜单独用作轴心受压构件或双向弯曲的构件，应用范围上有着很大的局限。第九十一页，共125页。922010第八章金属材料H型钢由工字钢发展而来，与工字钢相比，H型钢的各个部位均以直角排布，因此在各个方向上都具有很好的抗弯能力，而且重量轻、节省钢材，施工简单、节约成本。常用于要求承载力大、截面稳定性好的大型建筑（如厂房、高层建筑等）。热轧H型钢第九十二页，共125页。932010第八章金属材料HW：高度和翼缘宽度基本相等。钢结构中主要用于柱，在钢砼框架结构中作为钢芯柱（劲性钢柱）HM：高度和翼缘宽度比例大致为1.33~1.75。主要在钢结构中用做钢框架柱，在承受动力荷载的框架结构中用做框架梁。HN：高度和翼缘宽度比例大于等于2。主要用于梁。工字钢的用途相当于HN型钢——梁

热轧H型钢第九十三页，共125页。942010第八章金属材料槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。使用时翼板受力，立向放置。主要用于建筑钢结构、车辆制造和其它工业结构，常和工字钢配合使用。

热轧普通槽钢第九十四页，共125页。952010第八章金属材料用钢板或带钢在冷状态下弯曲成的各种断面形状的成品钢材，是制作轻型钢结构的主要材料。与热轧型钢相比较，冷弯型钢具有热轧所不能生产的各种特薄、形状合理而复杂的截面，较合理地利用材料强度；与普通钢结构（即由传统的工字钢、槽钢、角钢和钢板制作的钢结构）相比较，可节约钢材30～50％左右。冷弯型钢第九十五页，共125页。用冷弯薄壁型钢做的中式别墅

第九十六页，共125页。972010第八章金属材料（二）钢板钢板是用钢水浇注，冷却后压制而成的平板状钢材。根据轧制温度不同，又可分为热轧和冷轧两种。建筑用钢板主要是碳素结构钢；重型结构、大跨度桥梁、高压容器等由采用低合金钢钢板。按厚度来分，钢板分为厚板（厚度大于3mm）和薄板（厚度≤3mm）两种。厚板可用于焊接结构；薄板可用作围护结构，或制作压型钢板等。第九十七页，共125页。982010第八章金属材料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。压型钢板具有单位质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观等特点，主要用于围护结构、楼板、屋面等。压型钢板第九十八页，共125页。第九十九页，共125页。第一百页，共125页。1012010第八章金属材料二、混凝土结构用钢热轧钢筋冷加工钢筋热处理钢筋预应力混凝土用钢丝及钢绞线第一百零一页，共125页。热轧钢筋是由低碳钢和普通合金钢在高温状态下压制成型并自然冷却的成品钢筋。主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋，是土木建筑工程中使用量最大的钢材品种之一。直径6.5～9毫米的钢筋，大多数卷成盘条；直径10～40毫米的一般是6～12米长的直条。热轧带肋钢筋、热轧光圆钢筋、低碳钢热轧圆盘条（一）热轧钢筋第一百零二页，共125页。普通热轧带肋钢筋三个牌号：

HRB335HRB400HRB500（一）热轧钢筋1.热轧带肋钢筋（GB1499.2-2007）

热轧Hotrolled

带肋Ribbed

钢筋Bars屈服强度特征值

第一百零三页，共125页。细晶粒热轧带肋钢筋三个牌号：

HRBF335HRBF400HRBF500细晶粒

Fine在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋

第一百零四页，共125页。力学性能指标

牌号公称直径/mm屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A/%最大力总伸长率Agt/%不小于HRB335HRBF3356-2528-50335455177.5HRB400HRBF4006-2528-5040054016HRB500HRBF5006-2528-5050063015第一百零五页，共125页。弯曲/反向弯曲性能

弯曲180°后，钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。牌号公称直径d/mm弯芯直径HRB335HRBF3356-2528-50>40-503d4d5dHRB400HRBF4006-2528-50>40-504d5d6dHRB500HRBF5006-2528-50>40-506d7d8d根据需方要求，钢筋可进行反向弯曲性能试验。第一百零六页，共125页。两个牌号：HPB235

HPB3002.热轧光圆钢筋（GB1499.1-2008）热轧、光圆、钢筋英语首位字母

屈服强度特征值

（一）热轧钢筋第一百零七页，共125页。牌号公称直径6-22mm屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A/%最大力总伸长率Agt/%冷弯试验180ºd—弯芯直径a—钢筋公称直径不小于HPB23523537025.010.0d=aHPB300300420技术要求——力学/工艺性能

第一百零八页，共125页。低碳钢热轧圆盘条是由屈服强度较低的碳素结构钢轧制的盘条，是目前用量最大、使用最广的线材。除大量用作建筑钢筋混凝土的配筋外，还适用于供拉丝、包装及其他用途。四个牌号：Q195、Q215Q235、Q2753.低碳钢热轧圆盘条（GB/T701-2008）（一）热轧钢筋第一百零九页，共125页。牌号力学性能冷弯试验180°d=弯心直径a=试样直径抗拉强度RmN/mm2断后伸长率A11.3%不小于Q19541030d=0Q21543528d=0Q23550023d=0.5aQ27554021d=1.5a技术要求——力学/工艺性能

第一百一十页，共125页。（二）冷加工钢筋冷拉热轧钢筋冷拔低碳钢丝冷轧带肋钢筋冷轧扭钢筋第一百一十一页，共125页。（二）冷加工钢筋冷拉热轧钢筋：屈服点提高17%～27%，材料变脆，屈服阶段缩短，伸长率降低，冷拉时效后，强度略有提高。冷拔低碳钢丝：直径为6.6～8mm的Q235（或Q215）盘圆钢筋冷拔制成。屈服强度可提高40%～60%，且已失去了低碳钢的性质，变得硬脆，属硬钢类钢丝。GB50204规定，冷拔钢丝按强度分为两级：甲级为预应力钢丝；乙级为非预应力钢丝，适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。第一百一十二页，共125页。冷轧带肋钢筋：热轧盘条经多道冷轧减径，一道压肋，并经消除内应力后形成的一种带有二面或三面月牙形的钢筋。冷轧带肋钢筋在预应力混凝土构件中，是冷拔低碳钢丝的更新换代产品，在现浇混凝土结构中，则可代换Ⅰ级钢筋，以节约钢材，是同类冷加工钢材中较好的一种。

（二）冷加工钢筋第一百一十三页，共125页。

四个牌号：