建筑钢材-钢材的基本知识（建筑材料）

钢材的基本知识01钢材的冶炼与分类03钢材的化学成分及热处理02建筑钢材的力学与工艺性能04钢材的冷加工及强化01钢材的冶炼与分类一、概述

建筑钢材——是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）和用于钢筋混凝土的钢筋、钢丝、钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等。

钢丝

钢筋

钢绞线

钢板C型钢H型钢

钢管L型钢建筑钢材的特点优点：抗拉强度高、塑性和韧性好能承受冲击和振动荷载易于加工成板材、型材和线材良好的焊接和铆接性能缺点：易锈蚀、维护费用高耐火性差生产能耗大建筑钢材的应用:大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房钢结构厂房二、钢材的冶炼和分类平炉炼钢转炉炼钢电炉炼钢钢的冶炼

钢的分类

1.按化学成分分类

（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。是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。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％）2.按有害杂质含量分类按钢中有害杂质磷（P）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：(1)普通钢。磷含量不大于0.045%；硫含量不大于0.050%。(2)优质钢。磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。(3)高级优质钢。磷含量不大于0.030%；硫含量不大于0.030%。(4)特级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.020%。3.按用途分类

(1)结构钢。主要用作工程结构构件及机械零件的钢。(2)工具钢。主要用于各种刀具、量具及模具的钢。(3)特殊钢。具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。

沸腾钢半镇静钢

镇静钢特殊镇静钢按脱氧程度分4.按脱氧的方式钢材的基本知识01钢材的冶炼与分类03钢材的化学成分及热处理02建筑钢材的力学与工艺性能04钢材的冷加工及强化02建筑钢材的力学与工艺性能钢材的技术性能包括力学性能和工艺性能两个方面。力学性能主要包括拉伸性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等；工艺性能是钢材在加工制造过程中所表现的特性，包括冷弯性能、焊接性能、热处理性能等一、力学性能

（一）拉伸性能由低碳钢在拉伸过程中形成的应力-应变关系图可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。低碳钢的受拉过程分为四个阶段O弹性阶段OA屈服阶段AB强化阶段BC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力－应变图屈服阶段AB

αOA低碳钢受拉的应力－应变图E1

＞E2ABCD

αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下

αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下

4、颈缩阶段CD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—颈缩，直到断裂。

αOAACDBB上B下L1L0

塑性表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。它是钢材的一个重要指标。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面缩减率来表示。

伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或断面缩减率越高，说明钢材塑性越大。钢材塑性大，不仅便于进行各种加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。Re0A0.2%ab中碳钢和高碳钢拉伸过程的应力应变图冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以αk表示(J/cm2)。αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好。

（二）冲击韧性冲击韧性试验图(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。（三）疲劳强度硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。（四）硬度布氏硬度测定示意图二、工艺性能

（一）冷弯性能

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映钢材冷弯(a)试样安装；(b)弯曲90°；(c)弯曲180°；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心（二）焊接性能

可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。

可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。钢材的基本知识01钢材的冶炼与分类03钢材的化学成分及热处理02建筑钢材的力学与工艺性能04钢材的冷加工及强化03钢材的化学成分及热处理一、钢材的化学成分

（一）拉伸性能由低碳钢在拉伸过程中形成的应力-应变关系图可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。化学成分有益因素锰硅碳化学成分有害因素硫磷氧、氮、氢(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。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

(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。

(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。分析讨论：首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。[工程实例分析]钢结构屋架倒塌概况：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。

二、钢材的热处理

（一）冷弯性能

整体热处理：包括退火、正火、淬火和回火等。

表面热处理：包括表面淬火、渗碳、渗氮等钢材的基本知识01钢材的冶炼与分类03钢材的化学成分及热处理02建筑钢材的力学与工艺性能04钢材的冷加工及强化04钢材的冷加工及强化一、钢材的冷加工

钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。

钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。

以钢筋的冷拉为例(下图)，图中OBCD为未经冷拉时的应力-应变曲线。钢筋的冷加工方式冷拉冷拔冷轧钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

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(下图)，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。二、时效

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，其强度和硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。

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。

例2

：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。

在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。

建筑工程常用钢材的品种与应用在建筑工程中采用的是：

碳素结构钢、

低合金高强度结构钢。（一）普通碳素结构钢普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%~2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。现行国家标准《碳素结构钢》(GB/T700—2006)具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。碳素结构钢的牌号表示方法72碳素结构钢的牌号由4个要素组成：脱氧程度代号，F代表沸腾钢；b代表半镇静钢Z；Z代表镇静钢；TZ代表特殊镇静钢，（Z、TZ符号可予以省略)。钢材屈服点数值质量等级代号分A、B、C、D四级钢材屈服点代号，以“屈”字汉语拼音首位字母“Q”表示Q235－A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。

例如牌号试样方向冷弯试验B=2a180o钢材厚度或直径(mm)≤60＞60～100弯芯直径dQ195纵0横0.5aQ215纵0.5a1.5a横a2aQ235纵a2a横1.5a2.5aQ275纵1.5a2.5a横2a3a表2.3碳素结构钢的冷弯性能（GB/T700-2006）

碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。

Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。

Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。碳素结构钢的选用Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。（2）低合金结构钢

一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其目的是为了提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%~30%，但成本并不很高。低合金高强度结构钢的牌号表示方法质量等级符合，分A、B、C、D、E五级屈服点数值代表屈服点的汉语拼音字母Q牌号：Q345、Q390号钢综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构。Q420、Q460号钢强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及荷载大的轻型结构。低合金高强度结构钢的性能和应用（一）热轧型钢（二）冷弯薄壁型钢（三）钢管、板材和棒材钢结构采用的型材有：

热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1、热轧钢板

“-”宽度×厚度×长度（mm）2、热轧型钢

（1）热轧角钢

:

等肢角钢L肢宽×肢厚

不等肢角钢L长肢宽×短肢宽×肢厚（2）热轧工字钢普通工字钢“I”和号数(代表截面高度厘米数)轻型工字钢“QI”和号数(代表截面高度厘米数)20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类。

（3）热轧槽钢普通槽钢“[”和号数轻型槽钢“Q[”和号数14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类（4）H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚）宽翼缘H型钢（HW,HM,HN)，用于轴压、压弯构件。型号以公称高度的毫米数表示，其后标注a、b、c。H型钢可以剖分为T型钢供应，规格标记同H型钢，只是高度是H型钢的一半。3、钢管

无缝钢管和焊接钢管“ф”外径×厚度4、薄壁型钢

用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为1.5～5mm。用作轻型屋面及墙面等构件。（一）热轧钢筋

钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋。光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑。带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。

热轧钢筋按表面形状分

热轧光圆钢筋

热轧带肋钢筋

热轧光圆钢筋经热轧成型，横截面通常为圆形，表面光滑的成品钢筋，称为热轧光圆钢筋（HPB——HotrolledPlainBars）。钢筋按屈服强度特征值分为235、300级。热轧光圆钢筋牌号由HPB和屈服强度特征值构成，分为为HPB235、HPB300两个牌号。95带肋钢筋

(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋

热轧带肋钢筋(HRB——HotrolledRibbedBars)

经热轧成型并自然冷却的横截面为圆形的，且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋，称为热轧带肋钢筋。包括普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋两种。热轧带肋钢筋按屈服强度特征值分为335、400、500级。普通热轧钢筋的牌号由HRB和屈服强度特征值构成，分为HRB335（20Mnsi）、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb或20MnsiTi)、HRB500三个牌号，。100细晶粒热轧钢筋

hotrolledbarsoffinegrains

在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细晶粒钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用性能的其它组织存在，晶粒度不粗于9级。细晶粒热轧钢筋的牌号由HRBF和屈服强度特征值构成，分为HRBF335、HRBF400、HRBF500三个牌号。细晶粒钢的表示方法：类别牌号牌号构成英文字母含义细晶粒热轧钢筋HRBF335由HRBF+屈服强度特征值构成HRBF—在热轧带肋钢筋的英文缩写后加“细”

的英文（Fine）首位字母。101102103（二）热处理钢筋

热处理钢筋分为预应力用热处理钢筋和钢筋混凝土用余热处理钢筋。预应力用热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火调质热处理而成的。其外形分为有纵肋和无纵肋两种。根据《预应力混凝土用热处理钢筋》（GB4463-84）的规定，其所用钢材有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三个牌号，力学性能应符合表的规定。

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；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枕轨，也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。

余热处理钢筋是把热轧后的钢筋立即穿水，控制表面冷却，然后利用芯部余热自身完成回火处理所得的成品钢筋。其级别分为3级，强度等级代号为KL400。预应力混凝土用热处理钢筋的牌号和化学成分牌

号化学成分(质量分数)(％)CSiMnCrPS≤40Si2Mn0.36～0.451.40～1.900.80～1.20

0.0450.04548Si2Mn0.44～0.531.40～1.900.80～1.20

0.0450.04545Si2Cr0.41～0.511.55～1.950.40～0.700.30～0.600.0450.045（三）冷加工钢筋冷轧带肋钢筋1.生产:冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。钢筋冷轧后允许进行低温回火处理。2.牌号:按抗拉强度分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170共五个牌号。3.规格:直径范围为4～12mm，推荐的公称直径为5、6、7、8、9、10mm冷轧带肋钢筋具有以下优点：（1）强度高、塑性好，综合力学性能优良。CRB550、CRB650的抗拉强度由冷扎前的不足500Mpa提高到550Mpa、650Mpa；冷拔低碳钢丝的伸长率仅2%左右，而冷轧带肋钢筋的伸长率大于4%。（2）握裹力强。混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直径冷拔钢丝的3～6倍。又由于塑性较好，大幅度提高了构件的整体强度和抗震能力。（3）节约钢材，降低成本。以冷轧带肋钢筋代替