第七章 建筑钢材

第七章.建筑钢材一.定义

—土木工程中使用的各种钢材及制品。

钢结构用—型钢、钢板包括钢筋混凝土结构用—各种钢筋、钢丝和钢绞线围护结构和装修工程用—深加工钢板和复合板优点—强度高、塑性韧性好、能承受冲击和振动荷载、易于加工二.特点

和装配缺点—易生锈、耐火性差、维护费用大

第一节.钢的冶炼与分类一.钢和铁的定义

—钢和铁主要是Fe—C合金，另有少量的杂质(Si,Mn,S,P,)

含碳量大于2.06%的Fe—C合金，称为（生）铁；含碳量小于2.06%的Fe—C合金，称为钢；

工字钢圆钢、角钢钢丝绳钢管冶炼原理

将熔融的生铁水或焦炭及铁矿石加入炼钢炉中精炼，使炭及其它杂质氧化而挥发或变成氧化物进入渣内，降低炭及其它杂质的含量。三.钢的分类

按化学成分

分类

按有害杂质(S、P)—普通钢、优质钢、高级优质钢等按用途—结构钢、工具钢、特殊钢等定义—脱氧不彻底(充分)，钢水浇入锭模时,会有大量的CO气

沸腾钢F体从钢水中溢出,引起钢水呈沸腾状,故名沸腾钢.

特性—组织不够致密，成分不太均匀，S、P等杂质偏析较严重，冲击韧性和可焊性差。但成本低、产量高。

镇静钢Z

定义—脱氧彻底(充分)，钢水浇入锭模时,平静的冷却凝固特性—钢质均匀密实，品质好，可用于冲击荷载的重要结构但成本高。

半镇静钢b—介于二者之间碳素钢—低碳钢、中碳钢(0.25%-0.6%)、高碳钢合金钢—低合金钢、中合金钢(5%-10%)

、高合金钢沸腾钢F半镇静钢b镇静钢Z特殊镇静钢TZ按脱氧程度问题：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＞沸腾钢第二节.钢材的技术性能钢材性能

软钢R-ε曲线R=P/ARmReL

0ε

0ε

硬钢R-ε曲线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R=P/ARmRτ0.2一.力学性能(一).强度

屈服强度(屈服点)

ReL—结构设计中,钢材强度取值依据1.软钢

抗拉强度Rm

—钢材强度极限值强屈比Rm

/

ReL—能反映结构安全可靠程度及钢材利用率

Rm

/ReL大则钢材利用率低，但结构安全可靠程度高；Rm

/

ReL小，则相反。

强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25。2.硬钢

条件(名义)屈服点Rτ0.2—产生0.2%l0残余(永久、塑性)变形时应力

抗拉强度Rm

拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式钢筋试件打点机万能试验机万能试验机打点后钢筋试件颈缩(二).塑性

1.指标—伸长率

A愈大，塑性愈好

2.A5、A10表示l0=5d、10d时的伸长率

3.最大力总伸长率（Agt）

Rt—实测抗拉强度(MPa)；

E—弹性模量，可取2×105(MPa)

钢筋牌号A/%Agt

/%HPB235HPB300≥25≥10HRB335HRBF335≥17≥7.5HRB400HRBF400≥16HRB500HRBF500≥15钢筋混凝土用热轧钢筋伸长率直径28mm～40mm各牌号钢筋的断后伸长率A可降低1%；直径大于40mm各牌号钢筋的断后伸长率A可降低2%。根据供需双方协议，伸长率类型可从A或Agt中选定。如伸长率类型未经协议确定，则伸长率采用A，仲裁检验时采用Agt

。Lu

＞L0伸长L0L1F0F1F1

＜F0颈缩A=[(Lu-L0)/L0]×100%Z=[(F0-F1)/F0]×100%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。

Kv=GH1-GH2摆锤G试件H1H2(三).冲击韧性—钢材抵抗冲击荷载的能力

指标—冲击韧性

Kv钢材的冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始时下降平缓，当达到某一温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种现象称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。钢材随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变形的过程可达数十年。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性愈大的钢材，经过时效以后，其冲击韧性和塑性的降低愈显著，对于承受动荷载的结构物，如桥梁等，应选用时效敏感性较小的钢材。材料的硬度值是材料弹性、塑性、变形强化率、强度和韧性等一系列性能的综合反映。(四).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

HB

二.工艺性能(一).冷弯性能

1.定义—钢材在常温下承受弯曲变形的能力

2.指标—弯曲角度()，弯心直径(d=na)

3.合格标志—弯曲处无裂纹、断裂及起层现象

4.冷弯性能—与伸长率一样，也是反映钢材在静荷载作用下的塑性性能但：伸长率—反映钢材在均匀变形下的塑性性能

冷弯性能—反映钢材在不利变形条件下的塑性性能

5.冷弯试验的作用①揭露钢材内在缺陷，②评定塑性好坏③评定焊接接头质量(二).焊接性能(可焊性）

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。牌号公称直径d(mm)弯芯直径HPB235HPB3006~22dHRB335HRBF3356~253d28~404d>40~505dHRB400HRBF4006~254d28~405d>40~50

6dHRB500HRBF5006~256d28~40

7d>40~50

8d注：弯曲角度均为180°钢筋混凝土用热轧钢筋弯芯直径P钢材的冷弯试验ad外拱面合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点(三).冷加工处理1.冷加工强化①定义—钢材在常温下进行冷拉、冷拔和冷轧，使其产生塑性变形，提高屈服强度的过程。②作用—

s明显提高，而塑性、韧性及弹性模量明显降低。③原因—钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。2.(冷加工)时效处理(强化)①定义—将经过冷加工的钢筋，于常温下存放15–20d(自然时效)；或加热到100–200℃并保持一定时间(人工时效)，此过程称为时效处理(强化)。②作用—

s进一步提高,

b略有提高；塑性、韧性进一步降低；弹性模量得以恢复一般强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则应采用人工时效。3.冷加工与时效处理的目的提高钢筋的屈服强度，节约钢材(四).热处理

1.定义—将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷却，从而改变其金相

组织和显微结构组织，获得需要性能的一种综合工艺。

2.方法—退火、正火、淬火及回火等

钢材冷加工后，为减少冷加工中所产生的各种缺陷，消除内应力，常采用退火工艺。第三节.钢的组织与化学成分一.钢的晶体组织

1.钢是以铁为主的Fe–C合金，其中Fe和C有以下三种结合形式①固溶体—铁(Fe)中固溶着微量的碳(C)②化合物—铁和碳结合成化合物Fe3C③机械混合物—固溶体和化合物的混合物。

2.钢的组织—以上三种形式的Fe–C合金于一定条件下形成具有一定形态的聚合体钢的基本组织及性能组织名称铁素体奥氏体渗碳体珠光体含碳量(%)≤0.02

0.8

6.67

0.8结构特征固溶体固溶体化合物机械混合物

性能强度、硬度低，塑性、韧性很好强度、硬度不高，塑性大抗拉强度低，硬脆，耐磨，塑性几乎为零强度高，塑性和韧性介于铁素体和渗碳体化学成分

C

Si

MnSPONH影响随C,强度硬度,塑性韧性

降低焊接性能，增加冷脆性和时效敏感性强度

强度

热脆性

冷脆性

强度塑性韧性备注有益元素对塑性、韧性影响不大有害元素可焊性

强度↓塑性↓韧性↑抗腐蚀性↓强度稍有↑塑性↓韧性显著↓耐磨性↑耐腐蚀性↑二.钢的化学成分钢的化学成分对钢材性能的影响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%↑↓↓↓↓冷脆性↑锰（Mn）↑↑↑↑脱氧、硫剂钛（Ti）↑↑↑↓↑强脱氧剂钒（V)↑↑时效↓磷（P）↑

↑↓↓↓偏析、冷脆↑↑氮（N）↑

↑↓↓↓↓冷脆性↑硫（S）↑

↓↓热脆性↑氧（O）↑

↓↓化学元素对钢材性能的影响

钢材的化学成分及对性能的影响钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。

（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8％。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。（2）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。（３）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%～２％范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。（４）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。

（５）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。

（６）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。

（７）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。

（８）钛：钛是强脱氧剂。它能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。

（９）钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。

第四节.建筑用钢材的品种一.碳素结构钢

（0.06%-0.24%）（GB/T700-2006）

1.牌号—按屈服强度分4个牌号，即Q195、Q215、Q235、Q2752.质量等级

—依据S、P含量由高到低划分4级，即A、B、C、D3.脱氧程度—

F、b、Z、TZ(特殊镇静钢)，[注：Z、TZ通常省略]4.牌号表示方法：

例如：Q235–B•F表示屈服强度为235MPa

的B

级沸腾钢

Q275–D表示屈服强度为275MPa

的D

级镇静钢

Q235–B•b比Q235–B•F的质量（）

5.特性：碳素结构钢（尤其是Q235）既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性，可焊性也好，适宜于各种加工，广泛用于制作钢结构用钢、钢筋和钢板等。屈服点代号Q屈服点数值/MPa质量等级脱氧程度—碳素结构钢化学成分碳素结构钢力学性能三.低合金高强度结构钢（GB/T1591-2008）

1.定义—

是一种在碳素结构钢基础上添加了不大于5%合金元素的钢材。

常用合金元素—

Si、Mn、Ti、V、Nb、Cr、Ni及稀土元素

2.牌号—

按屈服强度分8个牌号，即Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、

Q550、Q620、Q6903.质量等级

—依据S、P含量由高到低划分5级，即A、B、C、D、E4.牌号表示方法：

例如：Q345–D

表示屈服强度为345MPa

的D

级低合金结构钢

5.特性：与碳素结构钢相比，低合金结构钢（Q345）具有高的强度，又有较好的塑性、低温冲击韧性、可焊性、耐腐蚀性及冷加工性，是一种综合性能较为理想的建筑钢材。广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，尤其是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动荷载和冲击荷载的结构。屈服点代号Q屈服点数值/MPa质量等级—第五节.钢结构用钢材

所用母材—碳素结构钢和低合金高强度结构钢一.热轧型钢工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等类型。二.冷弯薄壁型钢空心冷弯型钢、通用冷弯开口型钢三.棒材热轧六角钢和八角钢、热轧扁钢、热轧圆钢和方钢四.钢管

结构用无缝管、焊接钢管五.板材

（厚、薄）钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板、彩色涂层钢板

荷载类型—

静荷载、动荷载

依据连接方式—

焊接、铆接、螺栓连接环境温度—

常温、低温（尤其是负温下：如-20℃、-30℃）钢材的选用原则第六节.钢筋混凝土用钢材

一.热轧钢筋热轧钢筋—经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，外形分光圆和带肋两种。热轧光圆钢筋（GB1499.1-2008），热轧带肋钢筋（GB1499.2-2007）

混凝土抗压强度高，但抗拉强度很低；而钢筋抗拉和抗压强度均很高；将二者复合成钢筋混凝土，可以充分发挥各自的特长，此外混凝土的碱性环境保护钢筋不锈蚀。级别符号牌号外形钢种分级依据

ⅠΦ

HPB235HPB300光圆碳素钢屈服点Rel抗拉强度Rm伸长率A冷弯性能

ⅡHRB335HRBF335月牙肋低合金钢

ⅢHRB400HRBF400

ⅣHRB500HRBF500注：H(热轧)、P(光圆)、R(带肋)、B(钢筋)、F(细晶粒)

无F者为普通热轧钢筋，带F者为细晶粒热轧钢筋热轧钢筋等级、性能

二.冷轧带肋钢筋

①定义—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两面或三面的月牙肋的钢筋。

②牌号—按抗拉强度最小值分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB9704个牌号。C、R、B分别代表冷轧、带肋、钢筋。

CRB550公称直径为4mm~12mm，CRB650以上公称直径为4mm、5mm、6mm。

③特点—强度较高，但塑性较低，强屈比较小（不得小于1.05），适用于中、小预应力钢筋混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。三、预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用钢棒是指用低合金钢热轧圆盘条经淬火和回火等调质处理的钢棒。通常有光圆、螺旋槽、螺旋肋和带肋四种表面形状和公称直径为6mm～16mm。Rm≥1080MPa，Rp0.2≥930MPa。一般卷成直径为不小于2m的弹性盘条供应，开盘后可自行伸直。使用时应按需切割，不能用电焊或氧气切割，也不能焊接，以免引起强度下降或脆断。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。四、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采用优质碳素结构钢盘条或其他性能相应的钢种，经冷加工及时效处理或热处理而值得的高强度钢丝。分冷拉钢丝及消除应力钢丝两种，按外形可分为光面钢丝。螺旋肋和刻痕钢丝三种。消除应力钢丝（消除冷拔残余应力的钢丝称消除应力钢丝）公称直径：3、4、5、6、7、8、9、10、12mm等9个规格，sb在1470～1860MPa，s0.2在1100～1640MPa，一般s0.2不低于sb的85%，且伸长率较低，d100<4%。冷拉钢丝的公称直径为3、4、5mm等三种规格，sb在1470～1670MPa，s0.2在1100～1250MPa，一般s0.2不低于sb的75%，伸长率≤2%～3%。刻痕钢丝是将预应力钢丝压出规律性凹痕，以增强与混凝土的粘结力，降低预应力损失，公称直径为5、7mm两种规格。sb在1470～1570MPa，s0.2在1250～1340MPa，伸长率≤4%。将两根、三根或七根圆形断面的钢丝捻成一束，而成预应力混凝土用钢绞线。七根捻制钢绞线的最大负荷可达300kN，屈服负荷可达255kN。预应力钢丝、钢绞线均属于冷加工强化剂热处理钢材，拉伸时没有屈服点，但抗拉强度高，柔韧性好，应力松弛率低。盘条供应，松卷后可自行弹直，可按需切割。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。五.钢筋的选用普通受力钢筋宜采用HPB300、HRB335、HRB400、HRB500级热轧钢筋和CRB550级冷轧带肋钢筋。预应力钢筋宜采用预应力混凝土用钢丝、钢绞线和热处理钢筋。六.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？

解：①由题知，A=82

s=F/A=72.2103/82

=359.1Mpa

b=F/A=104.5103/82

=519.74Mpa

=(l1-l0)/l0100%=(94.4-80)/80100%=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．碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235—A·F和Q235—Ｄ号钢在性能上有何区别？解碳素结构钢的牌号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。Q235—A·F和Q235—D均为Ｑ235碳素结构钢，是建筑中应用最多的碳素钢。二者性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。按硫、磷含量多少来衡量，Q235—D磷、硫含量均少于Q235—A·F,质量较好，按脱氧程度衡量Q235—D为ＴＺ震静钢，质量最好，Q235—A·F为沸腾钢。Q235—A·F钢，仅适用于承受间接动荷载的静荷载的结构。而Q235—D可适用于动荷载作用或处在低温环境下的工作条件。例.何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？解在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放15～20天，或者加热到100～200ｏＣ，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高20％～25％，抗拉强度也有提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。钢材的防火和防腐蚀2.4.1钢材的防火2.4.2钢材的锈蚀与防止1.钢材被腐蚀的原因化学腐蚀电化学腐蚀2.钢材防腐蚀的措施钢材的防火钢材是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露钢梁的耐火极限为0.15h。温度在200℃以内，可以认为钢材的性能基本不变；超过300℃以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；至达600℃时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结