危加阳项目七建筑钢材项目七建筑钢材钢材

项目七：建筑钢材学习步骤咨询决策计划实施检查评价

咨询参考资料《建筑材料》中国水利水电出版社；《建筑材料》重庆大学出版社；《实用建筑材料试验手册》中国建筑工业出版社

咨询工程资料概况：某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。

咨询掌握钢材的主要技术性能、钢材的冷加工与时效及钢材的选用任务内容及要求

1.班级学生自由组合为10个学习小组，各学习小组自行选出组长；

2.组长召集组员利用课外时间认真熟悉《实用建筑材料试验手册》、建筑材料相关规范等相关资料；

3.各小组讨论分析工程案例；并填写实训报告册；

4.对分析过程中的错误及不可行之处加以改正，并完善任务工单。

咨询相关知识钢的分类建筑钢材的技术性质土木工程中常用的钢材钢材的锈蚀及防止1.按化学成分分类低碳钢：含碳量<0.25%中碳钢：低碳钢：含碳量０.25%～0.6%高碳钢：含碳量>0.6%（1）碳素钢

（2%碳钢）

（2）合金钢——专门加入合金元素按合金元素含量分

低合金钢：合金元素总含量<5%中合金钢：合金元素总含量5%～10%高合金钢：合金元素总含量>10%

7.1、建筑钢材的分类2．按杂质含量（品质）分类普通钢：含硫量

≤0.050%，含磷量≤0.045%优质钢：含硫量

≤0.035%，含磷量≤0.035%高级优质钢：含硫量

≤0.025%，含磷量≤0.025%，牌号后加“高”或“A”特级优质钢：含硫量

≤0.015%，含磷量≤0.015%，后加“E”

咨询：相关知识3.按冶炼时脱氧程度分

沸腾钢：脱氧不充分，代号“F”镇静钢：脱氧充分，代号“Z”半镇静钢：脱氧程度介于“F”与“Z”之间，代号“b”特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”

4．按用途分类结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）特殊钢：不锈钢（具有各种特殊的物理化学性质）

咨询：相关知识5、钢材中的常存杂质

碳：决定钢材性能的重要元素，随含量增加，强度硬度增加，塑性韧性加工性减低。锰：具有很强的脱氧、硫能力，改善热加工性，消除热脆性，含量较大时影响塑性、可焊性。硅：脱氧剂，较锰强。两面性：硅很低时，强度增加；硅很高时，可焊性降低。硫：来自矿石燃料，生成FeS，钢材加工时易裂缝，热脆性。磷：来自矿石燃料，生成Fe3P，脆性很大。

氧、氮：与碳、磷相似。

主体元素合金元素有害元素

咨询：相关知识(1)碳是决定钢材性能的主要元素随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。(2)硅、锰

加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。

咨询：相关知识(3)硫、磷

硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔点的共晶体。当钢材温度升至1000℃以上进行热加工时，共晶体熔化，晶粒分离，使钢材沿晶界破裂，这种现象叫做热脆性。磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性。

咨询：相关知识(4)氧、氮未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、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。(5)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。

咨询：相关知识二、建筑钢材的主要技术性能力学性质：强度、韧性、疲劳强度、硬度…工艺性质（可加工性）：冷弯、可焊性、冷热加工性

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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

咨询：相关知识1、力学性能（1）.抗拉性能——是建筑钢材最重要的力学性能。

拉伸过程分四个阶段：

OA：弹性阶段

AB：屈服阶段

BC：强化阶段

CD：颈缩阶段

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拉伸性能指标：主要有屈服点、抗拉强度和伸长率等。

屈服强度（屈服点）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。

注意：有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等硬钢），应采用产生残余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服点（称条件屈服点）,记为σ0.2或者σP0.2。

咨询：相关知识（2）抗拉强度：钢材所能承受的最大强度。Fb——为最大应力，N。相反，值越小，可靠性越低，安全性越低。因此，强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25。可靠性参数

值得注意：强屈比的概念值越大可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。

咨询：相关知识（3）伸长率：塑性指标。意义：

值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强。

值有两种：

5——表示l0=5d0，d0——钢材直径；

10——l0=10d0。lo——试件原始标距长度，mm；l1——试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。

咨询：相关知识三个重要的指标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σb

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δ

衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好

↑αOAACDBB上B下↑↓

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（4）断面收缩率：塑性指标。

AO——试样拉断后颈缩处的截面积，mm2；

A1——表示钢材的原始截面积，mm2。伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。

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（5）.冲击韧性

——指钢材抵抗冲击荷载的能力。试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验。指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作ak,J/cm2。

ak值愈大，钢材的冲击韧性愈好。（6）.耐疲劳性疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象。

危害极大冲击韧性试验原理图

咨询：相关知识2、工艺性能

冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。焊接性能：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性非常重要。加工性能：热处理、冷加工。

咨询：相关知识（1）冷弯性能冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90°、180°）。

冷弯试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。

咨询：相关知识（2）焊接性能

焊接方式：搭接、对接焊接要求：①焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生裂缝及硬脆倾向。②焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度不低于原钢材强度。影响因素：碳、合金元素或杂质元素越多，可焊性越小。

咨询：相关知识（3）钢材的强化与加工冷加工——指钢材在常温下进行的加工。

方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。特点：钢材冷加工产生塑性变形，屈服强度提高，这一过程称为冷加工强化处理。

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钢筋冷拉后屈服强度可提高15%~20%，冷拔后屈服强度可提高40%~60%。冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔(如图8.6)，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。冷加工在工程中的应用

咨询：相关知识图8.6冷拔模孔

咨询：相关知识——将经过冷拉的钢筋于常温下存放15～20d，或

加热到100～200℃并保持一段时间,这个过程称为时效处理。自然时效作用:

钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低。∵时效过程中应力的消减，∴弹性模量可基本恢复。人工时效时效处理

咨询：相关知识（4）钢材的热处理

a、淬火急剧降温

b、回火淬火后再加热

c、退火控制降温幅度

d、正火空气中降温

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三、建筑钢材的标准与选用

1钢结构用结构钢（如工字钢、角钢、方钢、扁钢等）；

2混凝土用钢筋（HPB235、HRB335）

3水工用结构钢

咨询：相关知识钢结构用各种型材示意图I形，H形，T形，箱形，十字型。

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咨询：相关知识南京长江大桥7.3.1钢结构用钢

1.碳素结构钢（1）特点：质量好，性能稳定。（2）用途：型钢、钢板、钢带、钢管等。（3）表示方法：牌号碳素结构钢的牌号表示

屈服点字母（Q）+屈服点数值（单位MPa）、

质量等级（有A、B、C、D4级，逐级提高）

脱氧方法（F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢）例如：Q235—A·F表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。

Q235—B表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。

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2碳素结构钢的选用碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。1、Q235号钢：主要应用钢建筑工程中,可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好,且冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构。其中C、D级可用在重要的焊接结构。2、Q195、Q215号钢：强度较低，但塑性韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。3、Q225、Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。4、受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。

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3.低合金结构钢（1）特点：强度高、抗腐蚀能力强、耐低温，整体性能均匀。（2）用途：重型结构。如桥梁、桁架、柱网。（3）分类：牌号牌号由三部分表示：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表示其平均含量在1.5%以下；如附有数字“2”,

表示平均含量在1.5%～2.5%之间，最后如附有“b”，表示为半镇静钢，否则为镇静钢。例如：16Mnb表示平均含碳量为0.16%，主要合金为锰的镇静钢。

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低合金高强度钢的选用低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工，因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料。与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。不锈钢具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺点是温度变化时膨胀性较大。不锈钢既可以作为承重构件，又可以作为建筑装饰材料。

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2、水工结构钢（1）用途：钢闸门、压力管道。（2）要求：压力钢板、高强钢板。

咨询：相关知识7。3。2

混凝土结构用钢筋

1.热轧钢筋

（1）牌号：分为HPR235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。牌号意义：HPB代表热轧带肋钢筋，P代表光圆钢筋、热轧光圆钢筋：由碳素结构钢轧制而成，表面光圆；热轧带肋钢筋：由低合金钢轧制而成，外表带肋。牌号中的数字：表示热轧钢筋的屈服强度。

咨询：相关知识图8.8(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋

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咨询：相关知识表8—9钢筋混凝土用热轧钢筋的力学性能与冷弯性能

（GB/T701—1997、GB1499—1998）

屈服点

σs

MPa

抗拉强度

σb

MPa

伸长率

δ5

%

表面

形状

钢筋

级别

强度

等级

代号

牌号

公称直径

(mm)

不小于

冷弯

d－弯心直径

a—钢筋公称直径

光圆

I

R235

Q235

8~20

235

370

25

180°d=a

6~25

180°d=3a

II

RL335

HRB335

28~50

335

490

16

d=4a

6~25

180°d=4a

III

RL400

HRB400

28~50

400

570

14

d=4a

6~25

180°d=6a

带

助

钢

筋

IV

RL540

HRB500

28~50

500

630

12

d=7a

（2）选用光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用做普通钢筋混凝土。HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋。

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3.3钢丝钢丝：直径2—5mm，由碳素钢加工处理形成，强度高、质量稳定、柔性好，常用作预应力钢丝。分类：按交货状态分为冷拉钢丝及消除应力钢丝两种；按外形分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋钢丝三种；按松驰能力分为I级松驰和Ⅱ级松驰两级。代号：RCD（冷拉钢丝）、S（消除应力钢丝）、SI（消除应力刻痕钢丝）、SH（消除应力螺旋肋钢丝）。

咨询：相关知识图8.9螺旋肋钢丝外形示意图

咨询：相关知识图8.10三面刻痕钢丝外形示意图

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3.4钢绞线分类：按捻制结构分为三类：用两根钢丝捻制的钢绞线（表示为1×2）、用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为1×3）、用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为1×7）。按应力松驰能力分为I级松驰和Ⅱ级松驰两种。应用：主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、大跨度吊车梁等，安全可靠，节约钢材，且不需冷拉，焊接接头等加工，因此，在土木工程中得到广泛应用。

咨询：相关知识图8.11预应力钢绞线截面图

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咨询：相关知识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。3.5.预应力混凝土用钢丝及钢绞线

咨询：相关知识预应力钢丝和钢绞线的应用

主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、大跨度吊车梁等，安全可靠，节约钢材，且不需冷拉，焊接接头等加工，因此，在土木工程中得到广泛应用。

咨询：相关知识7.4钢材的防火与防锈钢结构建筑有许多优点，与钢筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出的一点是防火问题。美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖主义者袭击、倒塌，给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。请提出你的意见。

实事链接911事件世贸大厦倒塌

表7.7钢筋混凝土用热轧钢筋的力学性能与冷弯性能（GB/T701—1997、GB1499—1998）表面形状钢筋级别牌号公称直径（mm）屈服点σs

MPa抗拉强度σbMPa伸长率δ5%冷弯d－弯心直径a—钢筋公称直径不小于光圆IQ2358~2023537025180°d=a带肋钢筋月牙肋IIHRB3356~2533549016180°d=3a28~50d=4aIIIHRB4006~2540057014180°d=4a28~50d=4a等高肋IVHRB5006~2550063012180°d=6a28~50d=7a(1)．预应力钢筋混凝土用热处理钢筋按照（GB463—84）技术规定，热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火和回火调质热处理而成，它具有高强度、高韧性及高粘结力，但塑性并不降低的优点。按螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种。(2)．冷轧带肋钢筋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，，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。冷轧带肋钢筋是近几年发展起来的一种新型、高效节能建筑用钢材。冷轧带肋钢筋主要尺寸为（4~10）mm。广泛应用于多层和高层建筑的多孔楼板、现浇楼板、高速公路、机场跑道、水泥电杆、输水管、桥梁、铁路轨枕、水电站坝基及各种建筑工程。(3)．预应力混凝土用钢丝和钢绞线大型预应力混凝土构件，由于受力很大，常采用强度很高的预应力高强度钢丝和钢铰线作为主要受力钢筋。按外形预应力钢丝分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝三种；按代号又分为冷拉钢丝（RCD）、消除应力钢丝（S）、消除应力刻痕（SI）、消除应力螺旋肋钢丝（SH）四种。二面刻痕钢丝三面刻痕钢丝螺旋肋钢丝1钢绞线都具有强度高、柔性好，而且安全可靠、施工简便等特点。2对于钢绞线还特别适用于需要曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构，如大跨度、重负荷的后张法预应力屋架、桥梁、薄腹梁等结构。3钢丝、钢绞线的缺点是成本较高。1．化学锈蚀指钢材与干燥气体及非电解质液体的反应而产生的锈蚀，通常是由于氧化作用引起，使金属形成体积疏松的氧化物而引起锈蚀。

咨询：相关知识7.4钢材的防火与防锈2．电化学锈蚀电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液相接触而产生电流，形成原电池而产生的锈蚀，是最主要的钢材锈蚀形式。钢材锈蚀时，会体积膨胀，最严重的可达原体积的6倍，在钢筋混凝土中会使周围的混凝土胀裂。

咨询：相关知识2防止锈蚀的方法1．保护层法保护层法是在钢材的表面施加保护层，使钢与周围介质隔离，从而防止锈蚀，分金属保护法和非金属保护法。2．制成合金钢在钢中加入能提高抗锈蚀能力的元素，如将镍、铬加入到铁合金中可制得不锈钢等。这种方法最有效，但成本很高。

咨询：相关知识3．阴极保护法阴极保护法是根据电化学原理进行保护的一种方法。这种方法可通过两种途径来实现。（1）牺牲阳极保护法位于水下的钢结构，接上比钢材更为活泼的金属。在介质中形成原电池时，这些更为活泼的金属成为阳极而遭到腐蚀，而钢结构作为阴极得到保护。（2）外加电流法将废钢铁或其它难熔金属（高硅铁、铅银合金等）放置在要保护的结构钢的附近，外接直流电流，负极接在要保护的钢结构上，正极接在废钢铁或难熔金属上，通电后作为废钢铁的阳极被腐蚀，钢结构成为阴极得到保护。

咨询：相关知识（一）、铝的性质

密度为2.70，质轻，熔点低，比强度高；导电和导热性很好；有一定的耐蚀性，但耐碱和耐酸性差，较易发生电化学腐蚀。强度和硬度不高（

0.2=35~150MPa，

b=90~170Pa，HB=23~44），伸长率较大（35%~50%），刚度低；故工程结构中不用纯铝材料。

咨询：相关知识五、其他金属材料（二）、铝合金

1、组成：在铝中加入适量的合金元素，如Cu、Mg、Mn、Si、Zn等，制得铝合金。

2、特性：强度与硬度提高，弹性模量比钢低，线膨胀系数是钢的两倍，温度变形较大，轻质、高延性、耐腐蚀、易加工、装饰效果好等。

3、应用：

1）铝合金门窗

2）铝合金装饰板

咨询：相关知识（二）、铝合金铝中加入合金元素后，可获得铝合金具有较高的强度，良好的加工性能。根据成分及工艺特点，铝合金分为：变形铝合金：加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于变形加工，称为变形铝合金。铸造铝合金：由于冷却时有共晶反应发生,流动性较好,适于铸造生产,称为可铸造铝合金。

咨询：相关知识（三）、铜合金：我国使用最早的合金青铜：主要含铜和锡，有良好的强度和塑性、耐磨、耐腐蚀，主要用于制机器零件如轴承、齿轮等。黄铜：主要含铜和锌，有良好的强度和塑性、易加工、耐腐蚀，主要用于制机器零件、仪表和日用品。白铜：主要含铜和镍，它不容易生铜绿，常用于制造精密仪器和装饰品。

咨询：相关知识（四）、钛和稀土金属（1）钛：具有银白色金属光泽，密度4.5g/cm3，熔点很高（1725℃），沸点3260℃。具有良好的延性和展性。在常温下，钛的外形很像钢铁，但远比钢铁坚硬，而重量只有同样大小的钢铁的一半。安然无恙的“躺”在各种强酸、强碱中；连最凶猛的酸—王水，也不能腐蚀它。

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决策

（1）在教师指导下，拟定分