《建筑工程材料》图文-第七章

第7章建筑钢材7.1

建筑钢材的主要技术性能7.2

建筑钢材的选用建筑钢材有钢结构用型钢（圆钢、角钢、工字钢）、钢板和钢管，以及钢筋混凝土用的钢筋和钢丝。钢材材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的可塑性、韧性，能承受较大的冲击荷载和振动荷载，可焊接、铆接、螺栓连接，便于装配。由各种型材组成的钢结构，安全性高，自重轻，适用于重型工业厂房、大跨结构、可移动结构，及高耸结构与高层建筑等。但钢材也存在易锈蚀，维护费用大，耐火性差的缺点。7.1建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的性能主要包括力学性能、工艺性能和化学性能等，见图7-2所示。只有了解钢材的各种性能，才能做到正确、经济、合理地选择和使用钢材。图7-2建筑钢材的主要性能7.1.1力学性能1．拉伸性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是建筑工程中选用钢材的重要指标。现以低碳钢为例在试验机上进行拉伸试验（如图7-3所示），进而分析钢材的力学性能。图7-3钢材的拉伸演示过程（低碳钢）根据拉伸试验得到的数据，可绘制出如图7-4所示的钢材的应力—应变关系曲线。钢材的拉伸性能可以通过该图来表示。图7-4低碳钢受拉的应力—应变曲线图①

弹性阶段（I）。OA段的图形是一条通过原点的直线，应力与应变成正比，与A点对应的应力为弹性极限强度，以σp表示。处于弹性阶段时，计算的指标是弹性模量E=σ/ε=tanα，其中应变用ε表示，α表示OA的角度，E值的大小反映钢材抵抗弹性变形的能力。②

屈服阶段（II）。AB段的图形是一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。即所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，钢材不能承受外力而屈服。计算的指标：屈服强度（也叫屈服点）σs对应B下点。σs

屈服强度是弹性变形转变为塑性变形的转折点，当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材不能正常使用。所以说，屈服点是钢结构设计强度取值的依据。③

强化阶段（III）。BC的段图形的特点是一段上升的曲线。钢材内部组织发生了变化，抵抗塑性变形的能力又重新提高——强化。计算的指标为抗拉强度σb，对应C点的应力。σb

σb是指钢材能承受的最大拉应力。当外力大于抗拉强度时，钢材完全丧失对变形的抵抗能力而断裂。常用低碳钢的σb为375～500MPa。④

颈缩阶段（IV）。CD段的图形的特点是一段下降的曲线，变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小即颈缩，直到D点发生试件的破坏。计算的指标为伸长率δ：试件拉长后，标距长度的增量与原标距长度之比。伸长率是衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好。2．冲击韧性冲击韧性为钢材抵抗冲击荷载的能力，用冲击韧性指标来表示，即试件缺口处单位截面积上所消耗的功，记作αk（J/cm2）。韧性指标αk越大，钢材韧性越好。钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都较敏感。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。它的数值愈低，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使用温度低的钢材。由于脆性临界温度的测定工作较复杂，规范中通常根据气温条件规定-20℃或-40℃负温冲击值指标。随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降，这种现象称为时效。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的降低愈显著。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。3．疲劳强度在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的情况，称为疲劳破坏。疲劳极限或者疲劳强度是指疲劳破坏时的危险应力。其特点是材料破坏时其强度远低于抗拉强度，不易引起人们注意，因此疲劳破坏危害极大。疲劳强度用钢材在交变荷载下，在规定的周期基数内（106～107次）不发生断裂所能承受的最大应力来表示。4．硬度钢材的硬度指其表面局部体积内，抵抗外物压入产生塑性变形的能力。测定钢材硬度的方法常用布氏法和洛氏法。材料的硬度往往与材料的其他性能有一定的相关性，如钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系：当HB＞175时，σb=3.6HB；

当HB<175时，σb=3.5HB。7.1.2工艺性能1．冷弯性能冷弯性能是指常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力用于衡量钢材的冷塑性变形能力，其评价指标用不同弯曲角度

和不同弯曲径d相对于钢材厚度a的比值（d/a）来表示，如图7-5所示。图7-5钢筋冷弯冷弯示意图试验方法是按一定的

角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。弯曲角度越大，弯曲直径对试件厚度（或直径）的比值越小，则表示钢材的冷弯性能越好。冷弯性能检测不仅是评定钢材塑性、加工性能的技术指标，而且对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊接在受弯表面是否存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。2．冷加工强化处理及时效处理（1）冷加工强化处理冷加工是指钢材在常温下进行的加工。常见的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷轧、冷轧扭、刻痕等。其特点是钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。冷加工后的屈服强度作为结构设计的强度取值依据。钢材经过冷加工后强度提高，是以牺牲钢材的延性即塑性和冲击韧性为代价的。所以冷加工之后的钢材，脆硬性增加，塑性和韧性降低，一般不用于抗震结构、承受动荷载的结构。（2）时效处理将经过冷拉的钢筋于常温下存放15～20d（称为自然时效），或加热到100～200℃并保持一段时间（称为人工时效），这个过程称为时效处理。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。应当注意，时效处理增加的强度只作为材料的强度储备，以增加结构的安全性，不作为结构设计依据。冷拉后屈服强度可提高20%～30%，时效处理后还可使抗拉强度提高，可节约钢材20%～30%。在建筑工地和混凝土预制厂，经常对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，以提高屈服强度和材料利用率，节省钢材，同时还兼有调质、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。但对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感性低的钢材。3．可焊性可焊性性能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。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。焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。7.1.3影响钢材性能的主要化学成分将铁矿石在化铁炉内熔化，并以碳还原其中的氧化铁得到铁，其中含有较多碳以及其他杂质（锰、硅、硫、磷等），将此铁碳合金称为生铁，生铁硬而脆。钢是将生铁在炼钢炉内熔炼，除去其中大部分碳和杂质，使碳质量分数控制在2%以下的铁碳合金。为了改善钢的一些性能而加入了一些其他元素，如锰、硅、矾、钛、铌等，这类钢称为合金钢。1．碳当建筑钢材中碳质量分数不大于0.8%时，随着碳含量的提高，钢中的珠光体随之增多，故强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低。碳是显著降低钢材可焊性的元素之一，碳质量分数超过0.25%时，钢的可焊性显著降低。碳还增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。2．硅硅在钢中除少量呈非金属夹杂物外，大部分溶于铁素体中。当碳质量分数较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，对塑性和韧性影响不明显。硅是我国钢筋用钢材中的主加合金元素。3．锰锰能消减硫和氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性能改善。锰溶于铁素体中使其强化，并起到细化珠光体作用，使强度提高。锰是我国低合金结构钢的主加合金元素，碳质量分数一般在1%以内。4．磷磷是碳钢中的有害杂质。一般认为，磷的偏析富集，使铁素体晶格严重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因，显著降低了钢材的可焊性。但磷可提高钢的耐磨性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。5．硫硫是钢中有害的元素之一，呈非金属的硫化夹杂物存在于钢中，降低各种机械性能。硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易产生热裂纹，显著降低可焊性。硫亦有强烈的偏析作用，增加了危害性。6．氧氧是钢中的有害杂质，主要存在于非金属夹杂物内，少量溶于铁素体中。非金属夹杂物降低钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。7．氮氮主要嵌溶于铁素体中，也可呈化合物形式，氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。7.2建筑钢材的选用用于建筑工程中的钢材可分为钢筋混凝土结构用钢和钢结构用钢。其母材主要是碳素结构钢及低合金高强度结构钢。钢结构常用钢材包括角钢、工字钢、槽钢和钢管、钢板等；钢筋混凝土结构用钢主要有钢筋、钢丝和钢绞线等。7.2.1常见钢种1．碳素结构钢（1）牌号的表示方法牌号的表示方法按屈服点值分为5种：195，215，235，255，275MPa，如屈服点为175MPa的结构钢用Q195表示；按磷、硫杂质的含量由多到少分为A，B，C，D四个质量等级；按脱氧方式分为F（沸腾钢）、B（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）4种。（2）碳素结构钢的选用碳素结构钢的选用建筑工程中主要应用Q235号钢，可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。它具有较高的强度，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。

Q195，Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。

Q255，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。2．低合金高强度结构钢根据《低合金高强度结构钢》（GB/T1591—2008）规定，低合金高强度结构钢共有8个牌号：Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690。低合金高强度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（A，B，C，D，E）三个部分按顺序组成。低合金高强度结构钢与碳素钢相比具有突出的优点：强度高，可减轻自重，节约钢材；综合性能好，如抗冲击性、耐腐蚀性能、耐低温性能好，使用寿命长；塑性、韧性和可焊性好，有利于加工和施工。由于低合金高强度结构钢具有以上优良性能，主要用于轧制型钢、钢板、钢筋及刚管，在建筑工程中广泛用于钢筋混凝土结构和钢结构，特别是重型、大跨度、大空间、高层结构和桥梁等。低合金高强度结构钢的选用Q345，Q390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，主要用于承受较高荷载的焊接结构；Q420，Q460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要求强度高、荷载大的轻型结构。7.2.2钢结构用钢1．热轧型钢常用热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。我国建筑用的热轧型钢主要采用的是碳素结构钢Q235-A。在钢结构设计规范中，推荐使用的低合金钢有两种：Q345（16Mn）及Q390（15MnV），用于大跨度、承受动荷载的钢结构中。工字钢与H型钢的区别：H型钢的翼缘是平板，厚度没有变化，而工字钢的翼缘是由根部向边上逐渐变薄的，有一定的角度，这是区分它们显著特征，工字钢翼缘是变截面靠腹板部厚，外部薄，H型钢的翼缘是等截面。2．冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢常有厚度为2～6mm的钢板或钢带经冷弯或模压制成，截面各部分厚度相同，弯角处均成圆弧形。冷弯薄壁型钢有各种截面形式，其特点是壁薄，截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，因而与截面积相同的热轧型钢相近，是一种高效经济的钢材，一般用于跨度小、荷载轻的钢结构中。3．钢板、压型钢板、钢管如图7-7为钢管，如图7-8所示为压型钢板。图7-7钢管图7-8压型钢板7.2.3钢筋混凝土用钢钢筋混凝土结构用的钢筋和钢丝主要由碳素结构钢和低合金机构钢轧制而成。一般把直径为3～5mm的称为钢丝，直径为6～20mm的称为钢筋，直径大于12mm的称为粗钢筋。主要品种有热轧钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。1．热轧钢筋根据表面特征不同，热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋（如图7-9所示）。（a）等高肋钢筋（b）月牙肋钢筋图7-9带肋钢筋外观形状根据强度的高低，热轧钢筋又分为不同的强度等级，各强度等级热轧钢筋的技术标准见表7-1所示。我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分I～IV级，4个强度等级的钢筋中，除I级钢筋为低碳钢外，其余三级热轧带肋钢筋均为低合金钢。其牌号由HRB和规定屈服强度最小值构成，H，R，B分别为热轧、肋、钢筋的英文名称的第一个字母。热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋。热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用做普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。2．预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋用f8，f10mm的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调质处理而成，代号为RB150。其优点：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。3．冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是采用由普通低碳钢或低合金钢