钢材性质-9.10

1、建筑金属材料,伦敦千年穹顶 用钢量：4000吨千年穹顶的造型很奇特-它由12根穿出屋面、高达100米的钢桅杆支撑，屋顶采用膜材料覆盖成圆球形，而膜面则支撑在72根辐射状的钢索上，远远望去像一个白色的大帐篷。,吉隆坡石油双塔大厦 用钢量：7500吨高452米的吉隆坡国家石油双塔大厦号称目前世界上最高的纯钢结构建筑(外层材料为不锈钢和玻璃)。 双塔大厦在41层和42层之间还有一座用轻型钢建造的“空中天桥”连接两塔，“桥”长58米、高9米，总重750吨,日本明石海峡大桥 用钢量：30万吨 这座目前世界上主跨最长的悬桥(全长3911米，主跨长1991米)，将日本的本州、九州、北海道和四国岛连在了一起。

2、该桥可承受里氏8.5级的强烈地震和80米/秒的暴风。,历史回顾,广州海珠桥的钢材,广州海珠桥已经“年逾七旬”，但其使用的钢材预计已有百年历史。 2004年，提供建造海珠桥钢材的英国企业向广州市政部门发来传真，提醒有关部门注意，这些钢材是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸下来的，所以就其寿命计算，海珠桥使用的钢材预计已有百年历史，已经进入疲劳期，继续使用则需进行疲劳强度的测试，并根据测试结果进行加固等。,钢结构建筑有许多优点，与钢筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。 缺点：在高温条件下，钢结构建筑会丧失承载力，其防火问题非常重要，

3、需引起重视,C2.06,生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量,浇铸钢锭,炼钢转炉,炼钢,炼钢筋,炼钢板,钢的冶炼和分类,钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁。,按化学成分分类,按品质（杂质含量）分类,按冶炼时脱氧程度分类,按化学成分分类,1. 碳素钢 低碳钢：含碳量 0.60 2. 合金钢 低合金钢：合金元素总含量 10 注意: 建筑工程中的钢材低碳钢及低合金钢。,按品质（杂质含量）分类,1.普通钢：含硫量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0.0

4、20- 0.030 ；含磷量0.027 - - 0.035 4.特级优质钢：含硫量0.025；含磷量0.015,按冶炼时脱氧程度分类,1. 沸腾钢 炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，钢液激烈沸腾。其代号为“F”。其冲击韧性和可焊性较差。 2. 镇静钢 炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，钢液会平静地冷却凝固，其代号为 “Z”。 3. 半镇静钢 介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。 4. 特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度更彻底的钢。代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。,观察与讨论,A,B,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）

5、两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。,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半镇静钢，其质量较

6、好。,工程实例分析,某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌。,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；其次是焊接性能较差，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。,建筑用钢材的主要品种,1.型钢 简单截面型钢：圆钢、 方钢、六角钢、八角钢等 复杂截面型钢：工字 钢、角钢、槽钢、钢轨等,建筑用钢材的主要品种,2.线材 如钢筋、钢丝等。,建筑用钢材的主要品种,3.管材 无缝钢管、焊接钢管等。,建筑用钢材的主要品种,4.板材 光面钢板、花 纹钢板、彩色 涂层

7、钢板等。,压型彩钢板,第二节 建筑钢材的主要技术性质,包括： 抗拉性能 冲击韧性 力学性质 疲劳强度 硬度 冷弯性能 工艺性能 冷加工性能 焊接性能,一、力学性能,力学性能又称机械性能，是钢材最重要的使用性能。 对承受静载的钢材，要求具有一定力学强度，并要求所产生的变形能满足结构的正常使用要求。 对承受动荷载的钢材，还要具有较高的韧性。,拉伸,压缩,弯曲,剪切,扭转,荷载形式,物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力。 物体受力产生变形时，体内

8、各点处变形程度一般并不相同。用以描述一点处变形的程度的力学量是该点的应变。,（一）抗拉性能,低碳钢受拉时的四个阶段： 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段,1、弹性阶段（OA段）,弹性极限，用p表示。 此阶段应力与应变成正比，其比值为常数，即弹性模量，用E表示， / = E。 弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。 常用低碳钢的弹性模量E = (2.02.1)105 MPa，p = 180200MPa。,2、屈服阶段（AB段）,应力超过p后，应变增加很快，而应力基本保持不变。这种现象称为屈服。 此时应力与应变不再成比例，试件开始产生塑性变形。 曲线上的

9、下屈服点，称为屈服点，这时的应力称为屈服极限，用s表示。,2、屈服阶段（AB段）,钢材受力达到屈服点后，变形迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。 故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据。 常用低碳钢的s为185235Mpa。,3、强化阶段（BC段）,当荷载超过屈服点后，因塑性变形使其内部的组织结构得到调整，抵抗变形的能力有所增强，曲线又开始上升，称为强化阶段。 曲线最高点所对应的应力称为抗拉强度，用b表示。常用低碳钢的b为375-500MPa。,3、强化阶段（BC段）,屈强比（s/b）：屈强比越小，钢材在受力超过屈服点时的可靠性越大，结构越安全。 但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低

10、，造成浪费。 常用低碳钢的屈强比为0.580.63，合金钢为0.650.75。,4、颈缩阶段（CD段）,应力超过b后，试件的变形开始集中于某一小段内，使该段的横截面面积显著减小，出现图所示的颈缩现象，曲线开始下降，直至点，试件被拉断。,塑性指标,A、 伸长率（ ）,实验演示,塑性指标,B、截面收缩率（ ） 与值越大，说明材料的塑性越好,(二) 冲击韧性,冲击韧性：指钢材抵抗冲击荷载的能力 钢材的冲击韧性用冲断试样时缺口处单位面积上所消耗的功冲击功（ K ）来表示，K的单位为J/cm2。,冲击韧性试验示意图,冲击韧性试验示意图,实验演示,(二) 冲击韧性,K越大表示冲断试件消耗的能量越大，钢材抗

11、冲击的能力越强，钢材冲击韧性越好，即其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。 对于重要的结构以及承受动荷载作用的结构，特别是处于低温条件下，为了防止钢材的脆性破坏，应保证钢材具有一定的冲击韧性。,钢材的冲击韧性与温度的关系,温度对冲击韧性有重大影响，当温度降至一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，此现象称为冷脆性。,(三) 耐疲劳性,钢材在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度（b）时就发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。 钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中几种情况。 实验证明，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。,在一定

12、条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图所示）。,工程质量事故分析,1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥中段50 m长的桥体象刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一东亚建设产业公司于1979建成。 事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面： a.东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32 t，建成后交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为43.2 t

13、。,1999年月日晚时分前后，重庆市綦（qi）江县城跨越綦河（长江支流）两岸、连 接城东城西的人行彩虹桥（形似彩虹而名，系綦江县形象工程）整体垮塌，人遇难，包 括名年轻武警战士。 月日，经事故调查组调查，彩虹桥突然垮塌是由两方面的原因造成的。一是工程质 量问题：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性 裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉 索、锚具和镏片严重锈蚀。二是工程承发包不合法：到日止，事故调查组找不到工程设计 专用章，设计手续不全，实际上是私人设计。其组 织的施工队伍不具备进行市政工程建设的技术力量和设备，不具

14、有合法的市政工程施工资 质。,工作人员正在对桥面进行分解切割,(四) 硬 度,硬度：是金属材料抵抗硬物压入表面的能力，亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。 强度与硬度的关系：材料的强度越高，硬度值越大。 硬度指标（金属） 布氏硬度（HB）单位压痕面积面积承受的压力 洛氏硬度（HR）压痕深度 肖氏硬度（HS）撞锤回跳高度,二、钢材的工艺性能,工艺性能是指钢材是否易于加工成型的性能。 包括： 冷弯性能 可焊性能,（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。是以试验时的弯曲角度和弯心直径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)，

15、弯曲到规定的角度时(180或90)，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若无则认为冷弯性能合格。,钢材的冷弯示意图,钢材的冷弯示意图,实验演示,钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径 越小，则表示其冷弯性能越好。,冷弯检验的意义,钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。 但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。 故冷弯试验是一种比较严格的检验。,(二)可焊性,低碳钢的可焊性很好，随着碳含量和合金含量的增加，钢材的可焊性减弱。 钢中含硫也会使钢材在焊接时产生热脆性 采用焊前预热和焊后热处理的方法，能提高可焊性差的钢材焊接质量。,合格,不合

16、格,钢材的可焊性试验,闪光对焊,返回,闪光对焊,返回,钢材的加工,一、冷加工 冷加工：指钢材在常温下进行的机械加工,如冷拉、冷轧、冷拔、冷扭和冷 冲等加工。 冷加工强化：将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性的过程,屈服强度提高 塑性和韧性降低 可焊性变坏,0,p,e,0,.钢材的冷加工强化效果,在常温条件下，以超过原来钢筋屈服点强度的拉应力，强行拉伸钢筋，使钢筋产生塑性变形以达到提高钢筋屈服点强度和节约钢材为目的。 冷拉后，屈服强度可提高20%-30%，节约钢材10%-20%,1、冷 拉,2、冷 拔,冷拔：是强力拉拔钢筋通过截面小于钢筋截面积的拔丝

17、模。 冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压作用。,冷拔强化示意图,实验演示,冷拉指在金属材料的两端施加拉力，使材料产生拉伸变形的方法； 冷拔是指在材料的一端施加拔力，使材料通过一个模具孔而拔出的方法，模具的孔径要较材料的直径小些。 经冷拔加工的材料要比经冷拉加工的材料性能更好些,3、冷 轧,冷轧：是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可提高其强度及与混凝土的粘结力。 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的均匀性。,冷加工的工程效益,钢筋经冷加工后，一般屈服点可提高20%25%，冷拔钢丝的屈服点可提高40%60%。 由此可适当减小钢筋混

18、凝土结构设计截面，或减少混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。,二、时效处理,时效：将冷加工后的钢筋，在常温下存放1520d，或加热至100200后保持一段时间（23h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性进一步降低，弹性模量基本恢复。,二、时效处理时效有两种方法,自然时效：在常温下存放1520d，适用于低强度钢筋。 人工时效：加热至100200C并保持一段时间（23h)，适用于高强度钢筋。,第四节 建筑钢材的标准与选用,（一）牌号 Q代表屈服点，分为195MP、215MP、235MP和275MP四种,41建筑常用钢,一、普通碳素结构钢,（一）牌号,质量等级：按冲击韧性

19、划分如下： A级不要求冲击韧性； B级要求+20oC冲击韧性； C级要求OoC冲击韧性； D级要求-20oC冲击韧性。 质量等级与硫、磷等杂质含量多少有关。,质量提高,（一）牌号,脱氧方法 F代表沸腾钢 b表示半镇静钢 Z 、TZ 表示镇静和特殊镇静钢，可以省略 如:Q235-AF 表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。,（二）用途,Q195主要用于轧制薄板和盘条等。 Q215 用途与Q195钢基本相同，其强度稍高，还大量用作管坯、螺栓等。 Q235 钢结构常用牌号，大量制成钢筋、型钢和钢板。（应用最为广泛） Q275 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。,二、低合

20、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的一种或多种合金元素的钢材。 特点：强度高、塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀，具有较好可焊性等。 合金元素有：硅、锰、钒、铌、铬、镍及稀土等。,（一） 牌号低合金高强度结构钢GB/T 1591-94,均为镇静钢，其牌号表示为： Q +屈服强度+质量等级 如：Q345B表示屈服强度不小于345MPa,质量等级为B级的低合金高强度结构钢。 屈服点等级：Q345，Q390，Q420，Q460 Q500， Q550， Q620 ， Q690 。 质量等级：E、D、C、B、A(E级要求 -40oC冲击韧性)。质量等级与硫、磷等杂质含量多少

21、有关。,(二）技术性能与应用,(二）技术性能与应用,(二）技术性能与应用,Q345钢的综合性能较好，是钢结构的常用牌号，Q390也是推荐使用的牌号。与碳素结构钢Q235相比，Q345的强度和承载力更高，承受动荷载和耐疲劳性能好，但价格稍高。 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。,42 钢结构用钢材,母材：普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢 常用钢材 热轧钢板、型钢 薄壁型钢 圆钢 小角钢,一、热轧型钢,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 规格：通常以反映其

22、断面形状的主要轮廓尺寸来表示。,（一）工字钢,（一）工字钢,规格表示：腰高度腿宽度腰厚度 若腰高一样，而腿宽和腰厚不同时，在其后标注a 、b、c以示区别。 如：工18、工25a 工字钢广泛用于各种建筑结构和桥梁，主要用于承受横向弯曲的杆件，不宜单独用作轴心受压构件或双向弯曲构件。,（二）热轧H型钢和T型钢,H型钢的优点：与工字钢相比， 具有翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强，连接构造方便、自重轻、截面形状经济合理，力学性能好。 常用于:要求承载力大、截面稳定性好的大型建筑(如高层建筑)。,（二）热轧H型钢和T型钢,分类： 宽翼缘（HW） 中翼缘（HM） 窄翼缘（HN） 型钢桩（HP）,H型,T型,

23、宽翼缘（TW） 中翼缘（TM） 窄翼缘（TN）,宽翼缘和中翼缘H型钢适用于钢柱等轴心受压构件； 窄翼缘H型钢适用于钢梁等受弯构件。,（二）热轧H型钢和T型钢,（二）热轧H型钢和T型钢,标识： H型钢：代号 腹板高度翼板宽度腹板厚度翼板厚度 也可用腹板宽度翼板宽度 如: H340250914 T248199914,(三) 热轧普通槽钢,(三) 热轧普通槽钢,标识： 腰高度腿宽度腰厚度 或以腰高度表示， 若有几种不同的腿宽和腰厚，在其后标a、b、c，以示区别。 主要用做轴向力杆件，承受横向弯曲构件及联系杆件。,二、冷弯薄壁型钢,三、钢管,优点：在相同截面积下，刚度较大，因而是中心受压杆的理想截面；

24、流线型的表面使其承受风压小。 用于高耸结构十分有利。多用于制作桁架、塔桅等构件。 钢管混凝土：构件承载力大大提高，且具有良好的塑性和韧性，经济效果显著，施工简单、工期短。用于厂房柱、构架柱、地铁站台柱、塔柱和高层建筑等。,四、板材,钢板: 。 规格表示方法：宽度X厚度X长度(mm)。 钢板分：厚板(厚度4mm)和薄板(厚度4mm)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。,三、预应力钢筋用钢丝和钢绞线,预应力钢绞线优点：强度高、柔性好、质量稳定、成盘供应无需接头等。 预应力钢绞线主要用于：预应力混凝土配筋，大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁等。,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,2.5.3 钢结构用钢,第五节 钢材的防护,腐蚀：钢材表面与周围介质发生作用引起破坏的现象。 化学腐蚀：指金属直接与周围介质发生化学反应而产生的腐蚀。这种腐蚀