2.第二章建筑钢材全解

第二章建筑钢材河南大学土木建筑学院SchoolofCivilEngineeringandArchitectureofHenanUniversity本章主要内容第一节金属的微观结构及钢材的化学组成第二节建筑钢材的主要力学性能第三节钢材的冷加工时效、热处理及焊接第四节钢材的腐蚀与防护第五节建筑钢材的品种及选用本章学习要求了解钢的分类、冶炼及加工、化学元素等对钢材质量的影响；掌握掌握建筑钢材的力学性能及其意义，测定方法及影响因素；掌握钢材的牌号划分及表示的意义；掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。2.1金属的微观结构及钢材的化学组成2.1.1金属的微观结构概述

钢材的晶体结构

钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁-碳合金晶体，钢的晶格有三种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格和密集六方晶格。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。

金属晶体有许多缺陷，对金属的强度，塑性和其他性能具有明显的影响。主要有：点缺陷，线缺陷，面缺陷。

建筑钢材的基本知识钢材:钢是一种合金，主要成分就是铁(Fe)和碳(C)，以及一些合金元素和杂质元素习惯上把碳含量＞2.06%的称为铁，碳含量＜2.06%的归类于钢。

建筑钢材在建筑工程中的应用:钢结构—型钢、钢板、钢管钢筋混凝土结构

—钢筋、钢丝、钢绞线优点:材质均匀、性能可靠、强度高、具有一定的塑性和韧性及承受冲击和振动荷载的能力，可焊、铆、栓接便于装配2.1.2钢材的化学组成钢材的应用

花架钢材的分类（一）按化学成分

1、非合金钢:即碳素钢，合金元素含量极少

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:为了改善钢材的某些性能，加入很多的合金元素

具体是指在炼钢过程中，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％）。

（二）按品质（杂质含量）分类(1)普通钢：含硫量≤0.045％～0.050％；含磷量≤0.045％。(2)优质钢：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％(3)高级优质钢：含硫量≤0.025％，高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”；含磷量≤0.025％。(4)特级优质钢：含硫量≤0.015％，特级优质钢后加“E”；含磷量≤0.025％。（三）按冶炼时脱氧程度分类

钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。

钢材的化学成分1、碳(C)

—决定钢材性能的主要元素

含碳量的影响

随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。

钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图象，故也称显微组织。钢材主要有四种显微组织：铁素体、渗碳体、珠光体和奥氏体。钢材在常温下主要有三种显微组织：

①铁素体:钢材中的铁素体系碳在α-Fe中的固溶体，由于α-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少（小于0.02％），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。②渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67％，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。③珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8％)，层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。

此外，钢材在温度高于723℃时，还存在奥氏体。奥氏体为碳在γ-Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06％，低温下降至0.8％。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。

碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响

钢材的化学成分

硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1％时，可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在1％～2％之间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。

钛是强脱氧剂，钒是碳化物和氮化物的形成元素，二者皆能细化晶粒，增加强度，常用在建筑的低合金钢中。

磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响更大。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与C、P相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。

硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低溶点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。

其中硅、锰、钛、钒等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。2.2建筑钢材的力学与工艺性能1、抗拉性能

2、冷弯性能

3、冲击韧性

4、硬度

5、耐疲劳性

抗拉性能低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。每个阶段的特点详见动画演示。

在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材地主要力学特征。钢材的抗拉性能1、弹性模量钢材受力初期，应力与应变成比例地增长，应力与应变之比为常数，称为弹性模量，即E=σ/ε。这个阶段的最大应力（A点对应值）称为比例极限σp

。

弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要指标。

钢材的抗拉性能2、屈服强度屈服强度（或称屈服极限）σs;中、高碳钢没有明显的屈服点，通常以残余变形为0.2%的应力σ0.2作为屈服强度屈服强度对钢材的使用有着重要的意义，当构件的实际应力达到屈服点时，将产生不可恢复的永久性变形，这在结构中是不允许的，therefore屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据

钢材的抗拉性能3、抗拉强度极限抗拉强度σb

（或称抗拉强度）钢材在拉力的作用下能承受的最大拉应力屈强比σs／σb

工程意义:越小—结构可靠性越高，即防止结构破坏的潜力越大；太小—钢材有效利用率太低

疲劳强度（或称疲劳极限）钢材承受交变荷载106~107次而不发生破坏的最大主应力思考：结构设计中，用材料的屈服强度而不是其抗拉强度作为结构设计时取值的依据？这是为什么？

解答：屈服强度和极限抗拉强度是衡量钢材强度的两个重要指标。极限抗拉强度是试件能承受最大应力。在结构设计中，要求构件在弹性变形范围内工作，即使少量的塑性变形也应力求避免，所以规定以钢材的屈服强度作为设计应力的依据。抗拉强度在结构设计中不能完全利用，但屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）却有一定的意义。屈强比越小，结构的安全性越高。

建筑钢材的性质4、伸长率塑性是钢材的一个重要性能指标。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。

伸长率δ

:

指试件拉断后，标距长度的增量与原标距长度之比，常用%表示δ=（L1-L0）/L0×100%δ越大，说明钢材塑性越好断面收缩率Ψ

: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，%思考：为什么将钢材的伸长率作为建筑用钢材的一个重要技术性能指标？解答：钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处超过材料的屈服点时，随着发生塑性变形使应力重新分布，而避免钢材提早破坏。同时，常温下将钢材加工成一定形状，也要求钢材要具有一定塑性。但伸长率不能过大，否则会使钢材在使用中超过允许的变形值。

看这样一个图，这是Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的应力－应变曲线的差异(1)若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用谁者更合适。(2)使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高

拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测的的屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的三个重要技术性质指标。

冷弯性能

冷弯性能反应钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的重要工艺性能指标。以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=na,n为整数），弯曲到规定的角度时（180°或90°）

钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映。伸长率反映的是钢材在均匀变形条件下的塑性变形能力，冷弯性能则是钢材在局部变形条件下的塑性变形能力。冷弯性能可揭示钢材内部结构是否均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。建筑钢材的性质4、冲击韧性冲击韧性:指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。冲击韧性αk

单位：J/cm2与钢的化学成分、组织状态、内在缺陷及冶炼与加工有关一般说，钢中的P、S含量越高，夹杂物以及焊接中形成的微裂纹等都会降低冲击韧性还受温度和时间的影响当温度降至某一温度范围时，ak

突然明显下降，钢材开始呈脆性断裂，这种性质称为冷脆性。发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。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。完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。

观察图中Ⅰ、Ⅱ两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？硬度硬度:

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通常与抗拉强度有一定的关系目前测定钢材硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度，用HB表示。

耐疲劳性

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,称为疲劳破坏。

工程实例分析(1)北海油田平台倾覆

1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德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23人丧生，造成巨大的经济损失。

(2)钢吊车梁裂缝

某钢厂原料跨吊车任务繁重，而冷轧跨吊车不太繁忙。两者互按同一标准设计，后者吊车梁使用40多年未发现裂缝，而前者因产生较多裂缝已更换。请分析裂缝的成因。

课后思考

从新进货的一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4kN，41.5kN；抗拉极限荷载分别为62.0kN，61.6kN,钢筋公称直径为12mm，标距为60mm，拉断时长度分别为66.0mm，67.0mm。计算该钢筋的屈服强度，抗拉强度及伸长率。下一节基本概念◆冷加工强化◆碳素结构钢牌号◆热处理◆热轧钢筋

冷拔钢丝◆时效处理◆低合金结构◆腐蚀化学腐蚀◆电化学腐蚀2.3钢材的冷加工强化及时效强化、

热处理和焊接冷加工:指钢材在常温下进行的加工建筑钢材常见的冷加工方式有:冷拉、冷拔、冷轧冷加工强化的目的:钢材在常温下超过弹性范围后，产生塑性变形，强度和硬度提高，塑性和韧性下降的现象钢材的冷加工冷拉、冷拔和冷轧

冷拉

冷拨

冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可以提高其强度及与混凝土的粘接力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好保持其塑性和内部结构的均匀性

钢材的时效处理

将冷加工处理后的钢材经过处理，使得其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复的过程称为时效处理。自然时效:钢材经冷加工后在常温下搁置15~20天在自然条件下的时效，适用于低强度钢筋

人工时效:钢材加热至100~200℃保持2h以内，钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低完成时效过程，适合于高强钢筋

钢材的热处理

热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理包括淬火、回火、退火和正火。

⑴淬火

将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。⑵回火

将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下（150～650℃），保温后按一定制度冷却至室温的热处理方法称回火。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。⑶退火

将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。⑷正火

将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。

钢的热处理工艺

钢材的焊接

焊接是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。钢材的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。钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25％时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。

2.4钢材的腐蚀与防护

1.钢材的腐蚀2.钢材的防护

钢材的防腐钢材的防火

钢材的腐蚀——钢材腐蚀的危害造成钢材受力截面减小，表面不平整导致应力集中，降低钢材的承载能力尤其是显著降低钢材的冲击韧性，使钢材脆断混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。therefore∴

为了确保钢材不产生腐蚀，必须采取防腐措施。钢材的腐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）。

根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀课本定义

钢材的防护(1)钢材的防腐

钢材的腐蚀既有内因（材质），又有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋的防锈。防止混凝土中钢筋腐蚀最经济有效的方法—

提高混凝土的密实度和碱度，保证钢筋有足够的保护层厚度

钢材的防护(2)钢材的防火

钢是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材。

2.5建筑钢材的品种及选用⑴碳素结构钢

国家标准GB700-88《碳素结构钢》规定，碳素结构钢的牌号表示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。F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、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。随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要求降低。例如：Q235－A·F表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C优于Q235A2.5.1建筑常用钢种

沸腾钢、镇静钢和半镇静钢根据炼钢时脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三类。沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。优点是钢的收得率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢和镇静钢的某些优点，在冶炼操作上较难掌握。

常用几种碳素结构钢的用途

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，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求。Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构，Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构，Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。Q255——强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。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。

(2)低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5％合金元素的钢材，具有强度高，塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀等特点。

低合金高强度结构钢的牌号的表示方法为：屈服强度－质量等级，它以屈服强度划分成五个等级：Ｑ295、Q345、Q390、Q420、Q460，质量也分为五个等级：E、D、C、B、A。

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中，特别是大型结构、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。

钢筋工字钢圆钢、角钢钢丝绳钢管2.5.2常用建筑钢材钢筋（1）低碳钢热轧圆盘条（2）钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（3）冷轧带肋钢筋（4）预应力混凝土热处理钢筋（5）预应力混凝土用钢丝与钢绞线（6）冷拔钢丝（7）冷轧扭钢筋(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋

（6）冷拔钢丝

冷拔钢丝是将直径为6.4～8mm的Q235(或Q215)圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。冷轧带肋钢筋使用低碳热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。它克服肋冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，因此在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中得到了越来越广泛的应用。

（7）冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋是采用低碳热轧盘钢（Q235）钢材经冷扎扁和冷扭转而成的具有连续螺旋状的钢筋。该钢筋刚度大，不易变形，与混凝土的握裹力大，无需加工（预应力或弯钩），可直接用于混凝土工程，节约钢材30％。使用冷扎扭钢筋可减小板的设计厚度、减轻自重，施工时可按需要将成品钢筋直接供应现场铺设，免除现场加工钢筋，改变了传统加工钢筋占用场地，不利于机械化生产的弊端。

2.5.2常用建筑钢材型钢（1）热轧型钢（2）冷弯薄壁型钢（3）板材（4）棒材、钢管（4）

棒材、钢管

①棒材

常用的棒材有六角钢、八角钢、扁钢、圆钢和方钢。

热轧六角钢和八角钢是截面为六角形和八角形的长条钢材，规格以“对边距离”表示。建筑钢结构的螺栓常以此种钢材为坯材。

热轧扁钢是截面为矩形并稍带钝边的长条钢材，规格以“厚度×宽度”表示，规格范围为3×10～60×150（mm）。扁钢在建筑上用做房架构件、扶梯、桥梁和栅栏等。

②钢管

钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。钢管在相同截面积下，刚度较大，因而是中心受压杆的理想截面；流线型的表面使其承受风压小，用于高耸结构十分有利。在建筑结构上钢管多用于制