钢材的检测与应用 钢材的种类与应用

建筑钢材的力学性能三、建筑钢材的力学性能1.拉伸性能低碳钢的应力—应变关系式中ε——材料的应变;σ——材料的应力;E——材料的弹性模量应力与应变弹性模量屈服强度抗拉强度伸长率四个阶段三、建筑钢材的力学性能1.应力2.应变FFAΔLL0L1低碳钢的应变—应变关系αOA低碳钢受拉的应力－应变图E1

＞E2图形的特点：

一条通过原点的直线，应力与应变成正比。试件的特点：弹性计算的指标：①弹性模量ABCD②弹性极限：A点对应的应力。(1)弹性阶段OAE值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。低碳钢的应变—应变关系图形的特点：一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。试件的特点：所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——屈服。计算的指标：屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力(2)屈服阶段ABαOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下低碳钢的应变—应变关系图形的特点：一段上升的曲线。试件的特点：抵抗塑性变形的能力又重新提高——强化。计算的指标：抗拉强度，C点对应的应力(3)强化阶段BCαOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下低碳钢的应变—应变关系图形的特点：一段下降的曲线。试件的特点：变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——劲缩，直到断裂。计算的指标：伸长率δ(4)劲缩阶段CD7αOAACDBB上B下L1L0三个重要的指标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

8αOAACDBB上B下↑↑↓三、建筑钢材的力学性能冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消耗的功αk

来表示。

钢材的冲击韧性试验αk值与试验温度有关。常温下αk变化不大低温下αk突然下降冷脆性影响冲击韧性的因素钢的化学成分;例：S、P↑冲击韧性↓冶炼及轧制质量质量↑冲击韧性↑温度温度↓，冲击韧性↓三、建筑钢材的力学性能3.疲劳强度疲劳破坏：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。破坏过程：裂纹的形成裂纹的扩展最后的迅速断裂而破坏

钢材疲劳曲线示意图破坏特点：1.疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度2.断口不同于一般脆性破坏3.疲劳对缺陷敏感三、建筑钢材的力学性能4.钢材的硬度定义：硬度――是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。测定方法：方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。

布氏法洛氏法布氏硬度洛氏硬度HBHR讨论与分析★材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。建筑钢材的工艺性能04四、建筑钢材的工艺性能1.冷弯性能定义：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示。检验：按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或漆层，即认为冷弯性能合格。四、建筑钢材的工艺性能2.焊接性能焊接：把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。焊接性能：是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。影响因素：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。选择：焊接结构用钢，选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对高碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。化学成分对钢材性能的影响05五、化学成分对钢材性能的影响1.有益元素1）碳（C）：碳是形成钢材强度的主要成分，是钢材中除铁以外最主要的元素。含碳量高，则钢材强度高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。因此，建筑钢材对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22﹪，在焊接结构中还应低于0.20﹪。2）硅（Si）：硅是强脱氧剂，是制作镇静钢的必要元素。硅适量时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。在碳素镇静钢中硅的含量为0.12﹪～0.3﹪，在低合金钢中为0.2﹪～0.55﹪。过量时会恶化钢材的可焊性及抗锈蚀性。五、化学成分对钢材性能的影响1.有益元素3）锰（Mn）：锰是有益元素，它能显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。同时还可以消除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向。锰是低合金钢中的主要合金元素，含量一般为1.2﹪～1.6﹪，过量时会降低钢材的可焊性。4）钒（V）：钒是钢中合金元素，能提高钢材的强度和抗锈蚀性，又不显著降低塑性。含碳量对热轧碳素钢性质的影响σb—抗拉强度；αk—冲击韧性；HB—硬度；δ—伸长率；φ—面积缩减率五、化学成分对钢材性能的影响2.有害元素1）硫（S）是有害元素，属杂质。硫在钢材温度达到800～1000℃时生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，易出现裂缝，称为热脆。硫还会降低钢材的冲击韧性、可焊性、疲劳强度及抗锈蚀能力。因此，对硫的含量必须严加控制，一般不超过0.045﹪～0.05﹪，Q235的C级与D级钢要求更严。五、化学成分对钢材性能的影响2.有害元素2）磷（P）可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力，但却严重降低钢材的塑性、韧性和可焊性，特别是在温度较低时使钢材变脆（冷脆），既在低温条件下使钢材的塑性和韧性显著降低，钢材容易脆裂。因而应严格控制其含量，一般不超过0.045﹪。但采取适当的冶金工艺处理，磷也可作为合金元素，含量在0.05﹪～0.12﹪之间。五、化学成分对钢材性能的影响2.有害元素3）氧（O）和氮（N）是有害元素，氧能使钢材热脆，其作用比硫剧烈；氮能使钢材冷脆，与磷类似，故其含量应严格控制。由于氧和氮在冶炼过程中容易逸出，一般不会超过极限含量，故不作含量要求。钢材的冷加工06六、钢材的冷加工①冷加工强化处理钢材在常温下通过冷拉、冷拔、冷轧产生塑性变形，从而提高屈服强度和硬度，但塑性、韧性降低，这个过程称为冷加工强化处理。冷拉：将热轧后的小直径钢筋，用拉伸设备予以拉长，使之产生一定的塑性变形，使冷拉后的钢筋屈服强度提高，钢筋的长度增加（约4~10％），从而节约钢材。六、钢材的冷加工冷拔：将钢筋或钢管通过冷拔机上的孔模，拔成一定截面尺寸的钢丝或细钢管。孔模用硬质合金钢制成（图7.4）。冷轧：将热轧钢筋或钢板通过冷轧机，可以轧成一定规律变形的钢筋或簿钢板。冷拔六、钢材的冷加工②时效冷加工后的钢材，随着时间的延长，钢材的屈服强度、抗拉强度与硬度提高，塑性、韧性降低的现象称为时效。时效处理有两种方法。自然时效：将经冷加工的钢材在常温下放置15~20d，称为自然时效，它适用于强度较低的钢材。人工时效：对强度较高的钢材，自然时效效果不明显，可将经冷加工的钢材后的钢材加热至100~200℃，保持1~2h，这称为人工时效。

钢筋冷拉前后应力-应变图的变化钢材的热处理07七、钢材的热处理将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得需要性能的加工工艺，总称为钢的热处理。热处理方法有：（1）淬火

将钢材加热至基本组织转变温度（如当含碳量大于0.8％时，为723℃）以上30一50℃，保温使组织完全转变。随即故人冷却介质（盐水、冷水或矿物油）中急冷的处理过程称为淬火。淬火使钢的硬度、强度、耐磨性提高。七、钢材的热处理（2）回火经淬火处理的钢，再加热、冷却的处理过程称为回火。

回火的温度低于723℃。

回火处理可消除淬火产生的内应力，适当降低淬火钢件的硬度并提高其韧性。（3）退火将钢材加热至基本组织转变温度以上30一50℃，保温后以适当的速度缓慢冷却的处理过程称为退火。退火可降低钢材原有的硬度，改善其塑性及韧性。七、钢材的热处理（4）正火将钢材加热至基本组织转变温度以上30一50℃，保温后在空气中冷却的处理过程称为正火。正火后的钢材，硬度较退火处理者高，塑性也差，但由于正火后钢的结晶较韧且均匀，故强度有所提高。案例分析某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36℃左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.23％～0.25％，含硫0.06％，焊接质量差。请分析事故原因。分析答案案例分析原因之一是所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材要求，即含碳不超过0.22％，含硫量不超过0.055％。硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏部位。

原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接结构处有应力集中现象，助长了此衍架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤，夹杂缺陷，焊接质量差。

分析钢筋混凝土用钢材08八、钢筋混凝土用钢材热轧钢筋热轧钢筋按轧制的外形分为热轧光圆钢筋和带肋钢筋。热轧钢筋按屈服点及抗拉强度分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个等级，强度等级代号分别为HPB235、HRB335、HRB400、HRB500。HPB235为热轧光圆钢筋；HRB为热轧带肋钢筋，其牌号由HRB和屈服点最小值构成。Ⅰ级钢筋用碳素结构钢轧制，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋用低合金结构钢轧制。钢筋混凝土用热轧钢筋的力学性能与冷弯性能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八、钢筋混凝土用钢材月牙肋等高肋表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八、钢筋混凝土用钢材2.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。八、钢筋混凝土用钢材3.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。八、钢筋混凝土用钢材4.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。八、钢筋混凝土用钢材二面刻痕钢丝三面刻痕钢丝螺旋肋钢丝八、钢筋混凝土用钢材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。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。钢丝、钢绞线的缺点是成本较高。钢结构用钢材09普通碳素结构钢简称为普通碳素钢，包括一般结构钢和工程用热轧用型钢、钢板、钢带。建筑钢材可分为钢结构用钢材和钢筋混凝土结构用钢筋、钢丝等，水工钢结构主要有钢闸门和压力管道等。1.普通碳素结构钢九、钢结构用钢材普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。Q是钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母；其中屈服点数值共分195、215、235、255和275（MPa）共五种；质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由A、B、C、D四个质量等级由低到高表示，A最差，D等级质量最好；按脱氧程度不同分为：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。牌号中Z、TZ可以省略。（1）牌号的表示方法九、钢结构用钢材普通碳素结构钢的牌号表示：Q屈服点等级—质量等级·脱氧程度例：Q215—Bb表示屈服点为215Mpa的B级半镇静钢。Q235—A表示屈服点为235Mpa的A级镇静钢。九、钢结构用钢材牌号等级化学成分（%）脱氧方法CMnSiSP≤Q195—0.06~0.120.25~0.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.14~0.220.30~0.65①0.0350.0500.045F、b、ZB0.12~0.200.30~0.70②0.045C≤0.180.35~0.800.0400.040ZD≤0.170.035TZQ255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045ZB0.045Q275—0.20~0.380.50~0.800.350.0500.045Z碳素结构钢的牌号、等级和化学成分低合金高强度结构钢是在普通碳素钢的基础上加入含量一般不超过5%的一种或多种合金元素经氧气转炉、平炉、电炉炼制成的镇静钢。其添加的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍等，用以提高钢的强度、耐腐蚀性、耐磨性或耐低温冲击韧性，并便于大量生产和应用。2.低合金高强度结构钢九、钢结构用钢材低合金高强度结构钢的牌号表示方法与普通碳素结构钢相似。牌号也是由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。与普通碳素结构钢牌号不同的是：屈服点数值共分295、345、390、420、460（MPa）共五种；质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由A、B、C、D、E五个质量等级由低到高表示；低合金高强度结构钢均为镇静钢。（1）牌号的表示方法九、钢结构用钢材低合金高强度结构钢的牌号表示：

Q屈服点等级—质量等级例：Q295—B表示屈服点为295Mpa的B级镇静钢。Q390—E表示屈服点为390Mpa的E级镇静钢。九、钢结构用钢材九、钢结构用钢材热轧型钢常用品种：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边型钢等。特点：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，所以是钢结构中采用的主要钢材。规格：通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示。型钢（1）无缝钢管无缝钢管是经热轧、挤压、热扩或冷拔、冷轧而制成的周边无缝的管材。分为一般用途和专门用途两类。一般结构用的无缝钢管，以外径×壁厚表示规格,详见GB8162-1987规定。专用无缝钢管一般用于锅炉和耐热工程中。（2）焊接钢管在工程中用量最大的是焊接钢管。供低压流体输送用的直缝钢管，分焊接钢管和镀锌焊接钢管两大类；按壁厚分为普通焊管和加厚焊管；按管端形式分螺纹钢管和无螺纹钢管。钢管九、钢结构用钢材案例分析华北某厂需焊接一座露天需承受动荷载的钢支架，该厂已有三种碳素结构钢，厚度均为80mm，Q235抗拉强度已可满足设计要求。三种钢材的价格是Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ。请选用。Q235A·FQ235A·bQ235C材料的综合选用案例分析选Ⅰ不当。Q235A·F为沸腾钢，其内部杂质和夹杂物较多，化学成分和力学性能不均匀抗冲击韧性特别是低温冲击韧性差，可焊性差不宜用于承受动荷载的焊接钢结构。请再选。

分析1案例分析Q235A·b为半沸腾钢，性能虽优于Q235A·F，但焊接结构应保证碳的极限含量，而Q235A钢的含碳量是不作为交货条件的，一般不用于焊接结构。另外，厚度较大的钢材塑性及冲击韧性及焊接性能一般较差，选用厚度较大的焊接钢结构应选用材质较好的钢。

分析2案例分析选择正确。结构钢材的选用至少应具有屈服点、抗拉强度、伸长率三项机械性能和硫磷含量两项化学成分的合格保证，对焊接结构还应有含碳量的合格保证。对于较大型构件、直接承受动力荷载的结构，钢材应具有冷弯试验的合格保证。对于大、重型结构和直接承受动力荷载的结构，还需根据冬季工作湿度情况，选用的钢材需具有常温。低温冲击韧性的合格保证。

还需说明的是，低含量高强度结构钢由于合金元素的强化作用，不但有较多的强度，而且具有较好的塑性、韧性和可焊性。Q<345钢及Q390钢的综合性能较好，是钢结构常用的牌号。其价格虽稍高，但有更好的承受动荷载和耐疲劳性能，可节省钢材、减轻结构自重。大跨度、大型结构承受动力荷载和冲击荷载结构广泛用低合金高强度结构钢。

分析3钢材的锈蚀10十、钢材的锈蚀定义：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作锈蚀。发生：钢材锈蚀的现象普遍存在，如在大气中生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大时，情况就更为严重。后果：不仅使钢材有效截面积均匀减小，还会产生局部锈坑，引起应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能。分类：根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。十、钢材的锈蚀化学锈蚀

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腐蚀。在干燥环境中化学锈蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时锈蚀速度大大加快。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，造成锈蚀。水是弱电解质溶液，而溶有CO2的水则成为有效的电解质溶液，从而加速电化学锈蚀的过程。钢材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐