第6章 建筑钢材.ppt

1、第6章 建筑钢材,石家庄铁道大学,建 筑 材 料,基本要求 概述 钢材的生产与分类 钢材的化学成分与晶体组织 钢材的主要技术性能 钢材的冷强化及时效、热处理和焊接 钢材的防火和防腐蚀 建筑钢材的品种与及选用,主要内容,基本要求,教学目标 掌握建筑钢材的主要技术性质和技术标准； 掌握建筑钢材的品种和选用方法； 了解钢材化学组成、钢材的腐蚀与防止。 重点 建筑钢材的主要技术性能 常用建筑钢材的标准及选用,定义 特点 应用 意义,一、概 述,指用于工程建设的各种钢材。包括 钢筋 钢丝 型钢 钢板 钢管,（一）定义,优点 比强度高 塑性好、韧性好 能承受冲击和振动荷载,缺点 易生锈 耐火性能差 维护费

2、用大,（二）特点,建筑钢材可用于： 大跨度结构 多层及高层结构 受动荷载作用的工业厂房,马里塔罗水坝钢桥,（三）应用,建筑钢材是建筑工程中常用的材料 钢材的品种多，性质差别大，为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的理解。,（四）意义,二、钢材的生产与分类,钢材的生产 钢材的分类,生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.066.67，并含较多杂质。 钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素： 碳C含量2.06， 杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。,生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量,（一）钢材的生产,钢锭,钢材的生产过程,冶 炼,目的：除去生铁

3、中的碳 原理： 通过将熔融的生铁进行氧化，使碳的和杂质含量降低到预定范围内 所以，在理论上含碳量在2%以下，并/或含有其他合金元素及少量杂质的铁碳合金。 冶炼方法： 转炉法 平炉法 电炉法,（一）钢材的生产,铸 锭,概念：将冶炼好的钢液注入钢模，冷凝后便形成柱状的钢锭（钢坯）的过程。 脱氧： 钢材铸锭前要进行脱氧处理 原因是由于钢在冶炼过程中，部分铁被氧化 多余氧化铁的存在，使钢的质量变差。 钢种：沸腾钢、半镇静、镇静及特殊镇静钢 化学偏析：钢液在铸锭过程中，由于内部某些素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的中心富集，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀的现象。,（一）钢材的生产

4、,压 力 加 工,原因：钢在铸锭中存在化学偏析、缩孔、气泡、晶粒粗大、组织不致密等缺陷。 热加工 定义：将钢锭重新加热直一定温度，使其呈塑性状态，再施加压力改变其形状。 性能：使钢内部分气泡焊合，疏松组织致密，提高强度和质量 冷加工 定义钢材在常温下进行的压力加工。 方式：冷拉、冷拔、冷轧 性能：提高钢材的强度和硬度,（一）钢材的生产,低碳钢： 0.6%,合金钢,低合金钢： 10%,碳素钢,（二）钢材的分类,化 学 成 分,普通钢： 0.050%，0.045% 优质钢： 0.035%，0.035% 高级优质钢：0.025%，0.025%， 牌号后加“高”或“A” 特级优质钢：0.015%，0.

5、015%， 牌号后加“E”,含硫量 含磷量,钢 材 质 量,（二）钢材的分类,沸腾钢：脱氧不充分，代号“F” 半镇静钢：介于F与Z之间，代号“b” 镇静钢：脱氧充分，代号“Z” 特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”,结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢） 工具钢：各种工具（高碳钢） 特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性质 （不锈钢、耐热钢、耐酸钢、）,脱 氧 程 度,结 构 用 途,（二）钢材的分类,以下为沸腾钢（A）与镇静钢（B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。,观察与讨论,解答：,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

6、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，可用于一般地建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气泡产生,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地重要结构。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。,观察与讨论,工程概况：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，请分析事故原因。,案例分析,钢结构屋架坍塌,钢结构

7、屋架,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。,解答：,案例分析,三、化学成分与晶体组织,钢材的晶体组织 钢材的化学成分,钢是以铁为主的FeC合金。,晶体组织：FeC合金在一定条件下形成具有一定 形态的聚合体，称为的组织。在显微镜 下可以观察到它们的微观形貌，有四种： 铁素体 珠光体 渗碳体 奥氏体,（一）钢材的晶体组织,钢的基本晶体组织,晶体结构,碳：炼钢氧化过程中生成，主要以渗碳体Fe3C存在。,硅：脱氧剂

8、，,锰：脱氧、去硫，具有很强的脱氧、硫能力。,（二）钢材的化学成分,有 害 元 素,硫：来自炼铁原料,氧：常以FeO的形式存在。,（二）钢材的化学成分,氮：来自空气，影响与碳、磷相似。,钛：强脱氧剂，常用合金元素。,钒：弱脱氧剂，常用合金元素。,优点：可减弱碳、氮的不利影响 。,钢中加入少量合金元素Al、Ti、Nb等,改善性能,（二）钢材的化学成分,四、建筑钢材的主要技术性质,拉伸强度 冷弯性能 冲击韧性 硬度 耐疲劳性,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,（一）拉伸性能,（1）拉伸过程分四个阶段：,OA：弹性阶段 AB：屈

9、服阶段 BC：强化阶段 CD：颈缩阶段,1.低碳钢的拉伸过程,Fs 屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力),N； Ao 钢材的原始截面积，mm2。,屈服强度（屈服点）,上屈服点（B上）：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服点（B下）：不计初始瞬时效应的最小应力， 即屈服点。,(2）拉伸性能指标（4个）,1.低碳钢的拉伸过程,强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25。,值得注意：强屈比的概念,值越大,可靠性越高,安全性越高, 但利用率降低，浪费增大。,抗拉强度 定义：钢材所能承受的最大拉应力。 计算式： 试验时，一般以钢材出现颈缩为准。,最大拉力，N,1.低碳钢的拉伸过程,伸长率（塑性指

10、标） 计算式： 意义： 值越大，塑性增强可避免结构过早破坏； 加工性增强，安全性增强。,1.低碳钢的拉伸过程,A1试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A0表示钢材的原始截面积，mm2。 伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。,断面收缩率（塑性指标）,1.低碳钢的拉伸过程,硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。 条件屈服点0.2 ：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。,2.高碳钢的拉伸过程,0.2%,O,定义：冷弯性能指刚才在常温下承受弯曲变形的能力。 指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比d/a 弯曲的角度（90

11、、180）,装好的试件 弯曲180 弯曲90,（二）冷弯性能,以规定的和d/a进行弯曲 检查受弯部位 如不裂纹、不起层或断裂，则为合格 弯曲角度越大， d/a越小，冷弯性能越好,判断标准：,意义：,能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷 也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。,（二）冷弯性能,定义：指钢材抵抗冲击荷载的能力。 试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验。,指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作k,J/cm2。 k值愈大，钢材的冲击韧性愈好。,（三）冲击韧性,问题： 钢材的冲击韧性的影

12、响因素？,答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下列因素影响： 钢中的S、P等有害杂质含量； 成分偏析程度； 轧制与焊接质量； 钢的加工硬化与时效； 环境温度等。,（三）冲击韧性,定义：比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的能力。 试验方法：布氏硬度、洛氏硬度,布氏硬度试验原理图,D球体直径，mm P规定荷载，N d压痕直径，mm F被试金属表面 压痕面积，mm2,布氏硬度：压痕单位球体面积上所承受的荷载大小,MPa 。,（四）硬度,定义：在交变应力作用下的结构构件,钢材往往在应力远低于 抗拉强度时发生断裂的现象。 指标：疲劳极限试件在交变应力作用下，于规

13、定的周期基 数内不发生断裂所能承受的最大应力。 测定： 等幅应力循环 变幅应力循环,（五）耐疲劳性,五、钢材的冷加工及时效、热处理和焊接,钢材的冷加工 钢材的时效 钢材的热处理 钢材的焊接,冷 加 工,定义：指钢材在常温下进行的加工。 方式： 冷拉 冷拔 冷轧： 特点：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,（一）钢材的冷加工,冷拉,定义：指钢材在常温下拉伸。 过程：将钢筋拉至应力-应变曲线的强 化阶段内任一点K处，然后缓慢 卸去荷载。 意义： 当再度加载时，其屈服点将有所提高 塑性变形能力将有所降低； 钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高 20%25%,应力-应变曲

14、线,（一）钢材的冷加工,冷拔,定义：是指将光圆钢筋通过硬质合金 拔丝模孔强行拉拔。 特点： 冷拔比纯拉伸作用强烈 钢筋受拉、挤压作用 如：经过一次或多次的冷拔后得 到的冷拔低碳钢丝，屈服点可提 高40%60%，但失去软钢的塑性 和韧性而具有硬钢的特点。,拉拔模孔,（一）钢材的冷加工,冷轧,定义：将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的 钢筋。,钢筋冷轧,特点： 提高强度、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均匀性。,（一）钢材的冷加工,冷加工的特点 ： 提高屈服强度，但塑性变形降低 冷加工的目的： 经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土 结构设计

15、截面，或减小混凝土中配筋数量 从而达到节约钢材的目的。具有明显的经 济效益。 注意： 冷拔钢丝屈强比较大，相应的安全储备较小。,冷 加 工,（一）钢材的冷加工,时 效,定义：经冷拉钢材随时间延长强度提高，塑性、韧性 降低的现象。 分类： 自然时效 人工时效 特点： 钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，抗拉强度也有提高，塑性、韧性有所降低。 时效过程中应力的消减，弹性模量可基本恢复。,（二）钢材的时效,自然时效： 将经过冷拉的钢材于常温下存放1520d 其强度、硬度提高，塑性、韧性降低,人工时效： 将经过冷拉的钢材加热到100200，并保持一段时间 这使时效加速,（二）钢材的时效,定

16、义：是指将钢材按一定规则加保温、和冷却、以改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺措施。 热处理方法： 退火 正火 淬火 回火 离子注入,（三）热处理,定义：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性非常重要 焊接方式：搭接、对接 焊接要求： 焊接处（焊缝及其附近过热区），不产生裂缝及硬 脆倾向。 焊接处性能与母材一致,即力学性能、工艺性能应合 格，特别是强度不低于原钢材强度。(拉伸试验、冷 弯试验) 影响因素：碳、合金元素及杂质元素越多，可焊性越小。,（四）焊接性能,六、钢材的防火与防锈蚀,钢材的防火 钢材的防锈蚀,钢 材 的 防 火,高温影响 蠕变增大 导致应力松弛 强度显著下降 防火措施 设置

17、防火板 涂防火涂料,（一）钢材的防火,钢 材 的 锈 蚀,定义：钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到 的破坏。 分类 化学锈蚀 钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀, 多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。 干燥环境缓慢，温湿度高，发展迅速。 电化学锈蚀 钢材本身组成和杂质的存在,在表面介质的作用 下,各成分电极电位不同,形成微电池，铁元素失 去了电子成为Fe2+进入介质溶液，与溶液中的OH- 离子结合生成Fe(OH)2。,（二）钢材的防锈蚀,钢 材 的 锈 蚀,结果： 在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小， 降低钢材的性能， 因而承载力降低。,（二）钢材的防锈蚀,钢 材 的

18、防 护,三个方面：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。 具体措施 采用耐候钢（耐大气腐蚀钢） 金属覆盖：电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。 非金属覆盖：在钢材表面用非金属材料做为保护膜, 如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。 混凝土用钢筋的防锈： 提高砼密实度； 钢筋砼保护层厚度；,限制使用含Cl-的外加剂； 钢筋涂覆环氧树脂或镀锌。,（二）钢材的防锈蚀,七、建筑钢材的品种及选用,钢结构用钢 碳素钢 低合金高强度结构钢 钢筋混凝土结构用钢筋 热轧钢筋 冷轧钢筋 冷拉碳素钢,碳 素 结 构 钢,定义：指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧 钢板、型钢等。 牌号及其表

19、示方法： 举例：Q235AF 表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。,（一）钢结构用钢,碳 素 结 构 钢,选择： 碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，强度增大，但塑性和韧性降低 建筑工程中主要应用Q235号钢 特点：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。 Q195、Q215号钢材 特点：强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加 工，可制作铆钉、钢筋等。 4,（一）钢结构用钢,碳 素 结 构 钢,选择： Q255、Q275号钢材 特点：强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用 于

20、钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。 受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的 结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。,（一）钢结构用钢,低 合 金 高 强 度 钢,定义 在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几 种合金元素，在合金元素的总含量小于5%的 结构钢。 常用的合金元素：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。 牌号及其表示方法： 三部分表示：Q+屈服点数值+质量等级 五个牌号： Q295、 Q345、 Q390、 Q420和 Q460。,（一）钢结构用钢,低 合 金 高 强 度 钢,低合金钢的牌号表示：含碳量+合金元素种类、含量 前两位数字表示平均含碳量的万分数； 其后的元素符号表

21、示按主次加入的合金元素； 合金元素后面如未附数字，表示其平均含量在1.5%以下； 如附有数字“2”,表示其平均含量在1.5%2.5%之间； 最后如附有“b”,表示为半镇静钢，否则为镇静钢。 如：16Mn 表示平均含碳量为0.16%，合金元素平均 含量低于1.5%的镇静钢。,（一）钢结构用钢,低 合 金 高 强 度 钢,选用： 特点：轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲 击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具 有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工。 尤其适用于高层及大跨度建筑(如大跨度桥梁、 大型厅馆、电视塔等)的主体结构材料。 与普通碳素钢相比可节约钢材，而且可以减轻 自重，延长使用寿命，经

22、济效益显著。,（一）钢结构用钢,热 轧 钢 筋,含义：包括热轧光圆钢筋和热轧变形钢筋。 牌号及其表示方法： 四个牌号：HPB235、HRB335、HRB400、 HRB500 牌号意义： R代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋。 热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆； 热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。 牌号中的数字： 表示热轧钢筋的屈服强度。,（二）钢筋混凝土结构用钢,热 轧 钢 筋,选用： 光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性好,便于 冷加工,广泛用做普通钢筋混凝土。 HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及 焊接性也较好,广泛用做大、中型钢筋混凝土结 构的受力

23、钢筋。 HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差 ，适宜作预应力钢筋。,（二）钢筋混凝土结构用钢,冷 拉 热 轧 钢 筋,目的：为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工 规程对热轧钢筋进行冷拉。 分级： 冷拉级、冷拉级 冷拉级、冷拉级 选用 冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋。 冷拉、级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土 结构的预应力筋。 由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断， 因此，冷拉钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。,（二）钢筋混凝土结构用钢,冷 轧 带 肋 钢 筋,冷轧带肋钢筋是用低碳钢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。 冷轧带肋钢筋代号

24、为CR，按抗拉强度分为三级： CRB550、 CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170， 数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。 冷轧带肋钢筋提高了钢筋的握裹力，可广泛用于 中、小 预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土 结构构件，也可用于焊接钢筋网。,（二）钢筋混凝土结构用钢,预 应 力 钢 丝,分类：按交货状态分为冷拉钢丝、消除应力钢丝； 按外形分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋钢丝； 按松驰能力分为I级松驰和级松驰两级。 代号：RCD(冷拉钢丝)、S(消除应力钢丝)、 SI(消除应力刻痕钢丝)、SH(消除应力螺旋 肋钢丝)。 作用：节约钢材、减小构件截面、节省混凝土。 应用：桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应 力钢筋混凝土构件中。,（二）钢筋混凝土结构用钢,预 应 力 钢 绞 线,分类： 按捻制结构分为三类： 用两根钢丝捻制的钢绞线（表示为12）； 用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为13）； 用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为17）。 按应力松驰能力分为 I级松驰和级松驰两种。 应用：主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨 屋架、大跨度吊车梁等。 特点：安全可靠，节约钢材，且不需冷拉，焊接接头 等加工，在土木工程中得到广泛应用。,（二）钢筋混凝土结构用钢,华北某厂需焊接一座露天需承受动荷载的钢支架，该厂已有三种碳素结