建筑材料与检46课件讲解

建筑材料与检测模块六建筑钢材内容提要CONTENTS任务一钢材的基本知识任务二建筑钢材性能任务三建筑工程常用钢材品种任务四建筑钢材的腐蚀与防护北京国家体育馆——鸟巢背后的故事任务一钢材的基本知识什么是建筑钢材？钢材是钢经过冷、热加工而得到的各种定型产品。建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢管、钢板和用于钢筋混凝土的各种钢筋、钢丝等。建筑钢材的用途钢材是三大基本建筑材料之一。建筑工程中钢材主要有两类：钢结构用型材钢筋混凝土结构用钢筋钢材的优点：

材质均匀，性能可靠，抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度都高，具有一定的塑性和韧性，常温下能承受较大的冲击和振动荷载，具有良好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接或螺栓连接，便于装配等。钢材的缺点：

宜腐蚀、维修费用大，耐火性差。钢是以铁为主要元素，含碳量为0.02%--2.06%，并含有其他元素的铁碳合金。钢是由铁冶炼而成的，炼钢的原理就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到一定的限度，同时把其他杂质的含量降低到允许范围内。一、钢的分类（一）按化学成分分类（二）按质量分类（三）按用途分类（四）按脱氧程度分类沸腾钢(F)：脱氧不充分的钢镇静钢(Z)：脱氧充分的钢

特殊镇静钢(TZ)：比镇静钢脱氧还要充分、彻底讨论AB钢材的冶炼脱氧程度与性能

下图为沸腾钢（图A）与镇静钢（图B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。讨论

从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气体产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载的重要结构。

此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量较好。二、钢的化学成分对钢材的影响普通碳素钢中含有多种化学成分，其中，铁占99%左右，碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素(Mn、V、Si)，他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：C、Si、Mn、S、P、O、N1.碳

影响强度、塑性、韧性。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性、冷弯性能变劣。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。建筑工程中用钢材的含碳量一般不大于0.8%。钢结构中，不宜采用含碳量高的钢材，一般不超过0.22%。

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2.硅、锰

硅和锰是作为脱氧剂存在于钢材中。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。3.硫、磷

硫、磷是钢材的有害元素。硫使钢材的“热脆性”增加，磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，使钢材的“冷脆性”增加。4.氧、氮氧是在炼钢过程中进入钢液的，是有害元素。氧含量增加，降低了钢材的塑性、韧性、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.铝、钛、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。任务二建筑钢材性能

钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。力学性能是钢材最重要的使用性能，包括拉伸性能、塑性、韧性及硬度等。工艺性能表示钢材在各种加工过程中表现出的性能，包括冷弯性能和可焊性。

建筑钢材的技术性能力学性能工艺性能拉伸性能冲击韧性疲劳强度硬度冷弯性能焊接性能（一）拉伸性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要依据。

抗拉性能试验L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2低碳钢受拉的应力－应变图αOAABCD1）弹性阶段OA

一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性模量反映了钢材抵抗弹性变形的能力，是计算钢材在受力条件下变形的重要指标。弹性极限A点对应的应力。αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下2）屈服阶段AB

一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。屈服强度B下点对应的应力。当钢材受力达到屈服强度时，将产生不可恢复的永久变形，即塑性变形，这在结构上是不允许的。

屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据。αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下3）强化阶段BC

在该阶段，钢材抵抗外力的能力重新提高，图形为一段上升的曲线。抗拉强度C点对应的应力。

抗拉强度是钢材受拉时所能承受的最大应力值。αOAACDBB上B下4）颈缩阶段CD

在该阶段，变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。低碳钢受拉的应力－应变图伸长率

是衡量钢材塑性的重要指标，该值越大说明钢材塑料越好。

屈强比利用率安全可靠程度↑↑↓建筑结构用钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。屈强比：（二）冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。冲击韧性试验衡量指标↑影响因素

1.钢的化学组成与组织状态如钢中磷、硫含量较高，冲击韧性显著降低。细晶粒结构比粗晶粒结构的冲击韧性要高。

2.钢材的轧制与焊接质量沿轧制方向取样的冲击韧性高；焊接钢件处形成的热裂纹及晶体组织的不均匀，会使冲击韧性显著降低。3.环境温度

冲击韧性随温度的降低而下降，开始下降缓慢，当达到一定温度范围时，实然下降很多而呈脆性，称为钢材的冷脆性。脆性临界温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。

在负温下使用的结构，应选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。（三）疲劳强度

钢材在承受交变荷载反复作用时，可能在远低于屈服强度时实然发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材疲劳破坏的指标即疲劳强度。

设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。（四）硬度

硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力，即钢材表面抵抗塑性变形的能力。硬度通常与材料的抗拉强度有一定关系。

布氏硬度试验原理图

各类钢材的HB值与其抗拉强度之间有较好的相关关系，根据这一关系，可以通过测定钢材的HB值，来估算钢材的抗拉强度。

良好的工艺性能，可以保证钢材顺利通过各种加工，而使钢材制品的质量不受影响。建筑钢材主要的工艺性能有冷弯、冷拉、冷拨和焊接等。二、工艺性能（一）

冷弯性能

是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。用弯曲角度α、弯心直径与厚度的比值d/a来表示。弯曲角度α越大，d/a越小，说明试件冷弯性越好。受弯破坏试验

按规定的弯曲角度和弯曲直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂纹、裂断或起层，即认为冷弯性能合格。

伸长率和冷弯性能都反映钢材的塑性，但冷弯试验是对钢材塑性更严格的检验。

因为伸长率是测定钢材在均匀荷载作用下的变形，而冷弯试验是测定钢材在不均匀荷载作用下产生的不均匀变形，更有利于暴露钢材的某些缺陷。冷弯试验是对焊接质量也是一种严格的检验，能提示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。（a）

（b）

（c）

（d）

图7-9

钢筋冷弯试验示意图（a）试件安装；（b）弯曲90°；（c）弯曲180°；（d）弯曲至两面重合

焊接的质量取决于焊接工艺、焊接材料和钢的可焊性能。（二）焊接性能

钢材的可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。可焊性好的钢材易于用一般焊接方法和工艺施焊，在焊缝及附近过热区不产生裂缝，焊接后的力学性能，特别是强度不低于原有钢材，硬脆倾向小。

钢材可焊性的好坏，主要取决于化学成分及其含量。碳、硫、合金元素、杂质等含量的增加，都会使可焊性降低。低碳钢具有良好的可焊性。

钢筋经冷拉后，一般屈服强度可提高20%-25%。（三）钢材的冷加工、时效及热处理1.冷拉

受低温、冲击荷载作用下冷拉钢筋会发生脆断，所以不宜使用。

实践中，可将冷拉、除锈、调直、切断合并为一道工序，即简化工艺流程，又可节约钢材，是钢筋冷加工的常用方法。图8-20钢筋冷拉

钢筋经冷拔，屈服强度可提高40%-60%，同时失去软钢的塑性和韧性，具有硬钢的特点。2.冷拔

对于直接承受动荷载作用的构件，在无可靠试验或实践经验时，不宜采用冷拔钢丝预应力混凝土构件；处于侵蚀环境或高温下的结构，不得采用冷拔钢丝预应力混凝土构件。

将圆钢在轧钢机上轧成刻痕，可增大钢筋与混凝土间的黏结力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构均匀性。3.冷轧

对于承受冲击、振动荷载的钢材，不得采用冷加工钢材。

冷加工钢材的焊接必须在冷加工前进行，不得在冷加工后进行焊接。

钢材经冷加工后时效可迅速发展。时效处理方式有自然时效和人工时效两种。

钢材经冷加工后，一般进行时效处理，通常强度较低的钢材宜采用自然时效，强度较高的钢材则应采用人工时效。4.时效钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

热处理的方法有：退火、正火、淬火或回火。

建筑工程所用钢材一般只在生产厂进行热处理，并以热处理状态供应。5.热处理任务三建筑工程常用钢材品种

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。一、建筑常用钢种（一）碳素结构钢

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。1.牌号

例如：Q215-A·F表示屈服强度为215MPa的A级沸腾钢；Q235-C表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢。

碳素结构钢的技术要求包括化学成分、力学性能、冷弯性能、冶炼方法、交货状态及表面质量等方面。应符合国家标准《碳素结构钢》（GB700－2006）的规定。2.技术性能3.应用

低合金高强度结构是在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素（总含量小于5%），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。(二)低合金高强度结构钢1.牌号及表示方法低合金高强度结构钢的牌号由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成，共有8个牌号。

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。2.性能和应用任务三建筑工程常用钢材品种

混凝土结构用钢筋三、混凝土结构用钢筋

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结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋。(一)热轧钢筋

热轧钢筋根据表面形状分为光圆钢筋和带肋钢筋，其中带肋钢筋有月牙肋钢筋和等高肋钢筋等。

热轧光圆钢筋HPB235和HPB300的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作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。热轧光圆钢筋

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。热轧带肋钢筋工程中热轧带肋钢筋

热处理钢筋经过调质热处理而成，具有强度高、韧性高、粘结力高和塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件，主要是预应力混凝土轨枕。（二）热处理钢筋（三）预应力混凝土用钢丝、钢绞线

预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹梁、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。预应力混凝土用钢丝

钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。预应力钢绞线截面图钢绞线

冷轧带肋钢筋用于预应力混凝土结构时，与冷拨低碳钢丝相比，伸长率高，塑性好，由于表面带肋，提高了钢筋与混凝土的粘结力，是一种比较理想的预应力钢材。（四）冷加工钢筋

冷轧带肋钢筋CRB550宜用于普通钢筋混凝土结构，其他牌号的钢筋宜用于预应力混凝土结构。冷轧带肋钢筋工程中冷轧带肋钢筋

冷轧扭钢筋刚度大，不易变形，与混凝土的握裹力大，无需加工，可直接用于混凝土工程，节约钢材30%。

冷轧扭钢筋是适应我国国情的新品种钢筋，对节约钢材、降低工程成本效果明显。另外，冷轧扭钢筋独特的螺旋形截面，可使钢筋骨架刚度增大，与混凝土的的握裹力好，可防止钢筋的收缩裂缝，保证混凝土构件质量。冷轧扭钢筋

1.荷载性质：对于经常承受动力或振动荷载的结构，容易产生应力集中，从而引起疲劳破坏，需要选用材质高的钢材。（五）钢材的选用原则

2.使用温度：对于经常处于低温状态的结构，钢材容易发生冷脆性断裂，特别是焊接结构更甚，因而要求钢材具有良好的塑性和低温冲击韧性。

3.连接方式：对于焊接结构，当温度变化和受力性质改变时，焊缝附近的母体金属容易出现冷、热裂纹，促使结构早期破坏。所以焊接结构对钢材化学成分和机械性能要求应较严。

4.钢材厚度：钢材力学性能一般随百度增大而降低，钢材经多次轧制后，钢的内部结晶组织更为紧密，强度更高，质量更好。故一般结构用的钢材厚度不宜超过40mm。5.结构重要性：选择钢材要考虑结构使用的重要性，如大跨度结构、重要的建筑物结构，须相应选用质量更好的钢材。

钢结构用的型钢有H型钢、T型钢、工字钢、槽钢、角钢、Z形钢、U形钢等。(一)热轧型钢二、钢结构用钢

型钢由于截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间连接方便，是钢结构中采用的主要钢材

通常是用2-6mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。主要用于轻型钢结构。(二)冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢

钢结构中常用钢管分为无缝钢管和焊接钢管两大类。

焊管成本低，易加工，但一般抗压性能较差。无缝钢管主要用于压力管道。(三)钢管、板材和棒材无缝钢管焊接钢管

板材包括钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板和彩色涂层钢板等。

钢板分厚板和薄板两种。厚板主要用于结构，薄板主要用于屋面板、楼板和墙板等。压型钢板钢板花纹钢板涂层钢板压型钢板的生产

在钢结构中，单块钢板一般较少使用，而是用几块板组合成工字形、箱形等结构来承受荷载。工字形钢结构构件箱形钢结构构件

六角钢、八角钢、扁钢、圆钢和方钢是常用的棒材。扁钢在建筑上用房架构件、扶梯、桥梁和栅栏等。扁钢棒材任务四建筑钢材的腐蚀与防护一、钢材的腐蚀钢材的腐蚀是指钢材的表面与周围介质发生化学作用或电化学作用遭到侵蚀而破坏的过程。腐蚀不仅造成钢材的受力截面减小，表面不平整，应力集中，降低钢材的承载能力，而且当钢材受到冲击荷载、循环交变荷载作用时，将产生腐蚀疲劳现象，使钢材疲劳强度大为降低，尤其是显著降低钢材的冲击韧性，