1、第6章 建筑钢材,（1）掌握钢材主要性质及其实用意义；（2）了解钢中元素对钢性的影响；（3）熟悉钢的分类；（4）掌握钢材的技术标准及选用。,本章目的要求：,建筑钢材特性：强度高、塑性韧性好，可以承受冲击和振动荷载，能够切割、焊接、铆接，便于装配。钢结构安全可靠，构件自重小，因此被广泛用于工业与民用建筑结构中。钢铁区别：生铁C2%的铁碳合金，杂质多，硬脆钢 0.06%C2%的铁碳合金，杂质少，强度高，塑性好纯铁C0.04%的铁碳合金,第1节 钢的冶炼与分类,1.1 钢的分类1、按照化学成分： 碳素钢：按含碳量的高低可分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。 合金钢：按合金元素的含量不同，也可分为低合金钢、中
2、合 金钢、高合金钢。2、按含有害杂质（硫、磷等）： 普通钢、优质钢、高级优质钢。3、根据冶炼时脱氧程度： 沸腾钢(冲击韧性和可焊性差) 、镇静钢、半镇静钢。4、按冶炼方法： 平炉钢、氧气转炉钢和电炉钢。5、按用途： 结构钢、工具钢和特殊钢（如不锈钢、耐热钢、等）。,1.2 钢的冶炼 生铁 钢水+钢渣 原理将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降到一定 限度，同时把其它杂质的含量也降到一定限度。,脱氧：精炼后的钢液中还留有一定的氧化铁，使钢的质量降低，需加入脱氧剂以消除其影响。常用的脱氧剂有锰铁、硅铁和铝锭。,常用的炼钢方法：空气转炉法、氧气转炉法、平炉法和电炉法。,第2节 建筑钢材的性能,钢材性能,
3、强度塑性冲击韧性硬度,冷弯性能焊接性能（可焊性）冷加工热处理,一.力学性能 (机械性能),二.工艺性能,2.1 力学性能,进行拉伸试验，可以绘出下图所示的应力应变关系曲线：,B,（1）强度,1、弹性阶段（OB阶段）：应力与应变成正比，此时， 卸去外力后，试件能恢复原来的长度，对应B的应力叫弹 性极限。2、屈服阶段（BB阶段）：当应力超过弹性极限后，此时应 力不增加，但应变却迅速增长，说明钢材暂时失去抵抗变形 的能力，这种现象称为屈服。此时材料已产生塑性变形。 对应C下点的应力，称为屈服极限，也叫屈服强度或屈服 点（S）。3、强化阶段（ B C阶段）：试件过屈服点后，钢材内部组织 重新建立了新的
4、平衡，又恢复了抵抗外力的能力，此时曲 线又向上升，直至最高点C。对应C点的应力叫强度极限， 又叫抗拉强度（b）。4、颈缩阶段（CD阶段）：当外力达到顶点D之后，在试件的 某一部位断面开始显著缩小，称为颈缩现象。,拉伸性能指标主要有：屈服点、抗拉强度和伸长率等。 （1）、屈服强度（屈服点）s 结构设计中，钢材强度取值依据。*软钢： 上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服强度：不计初始瞬时效应时的最小强度，即屈服点,Fs 屈服阶段最小应力(首次回针所对应的力)，N；Ao 钢材的截面积，mm2。,*硬钢 条件(名义)屈服点0.2产生0.2%l0残余(永久、塑性)变形时的应力。记为0.2 l0
5、原始标距长度,（2）抗拉强度：受拉时所能承受的最大应力值。抗拉强度/屈服强度=强屈比。 强屈比越大表示可靠性越大，安全性越高，但不能太大， 强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25一般大于1.2通常情况下，屈强比在0.600.75范围是比较合适的。（3）伸长率: = l1 l0 100% l 塑性指标 式中l0试件原始标距长度（mm） l1试件拉断后将其拼合所量出的拉后标距长度（mm）, 值越大，表示钢材塑性好，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强。 *值有两种表示方法： 5、10 5、 10表示 l0 = 5d0、10d0时的伸长率 ；d0钢材直径；对于同种钢材： 5 与 1
6、0之间的关系为：5(、)10,（2）冲击性能 1.钢材抵抗冲击荷载破坏的能力，称为冲击韧性。 表示：冲击韧性值k(J/cm2 ) 测定：冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。对经常承受较大冲击荷载的结构，应选择k 值较高的钢材。,2.冲击韧性的影响因素：钢材的化学成分、组织状态、环境温度、时效,（3）硬度钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变 形的能力。 指标布氏硬度值，以HB表示,钢材的冷脆性 温度对冲击韧性有重大影响，当温度降到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称为冷脆性，这一温度范围称为脆性转变温度或脆性临界温度。时效随着时间的延长，钢材机械强度提高，
7、而塑性和韧性降低的现象称为时效。,2.2工艺性能（1）冷弯性能 冷弯性能系指钢材在常温条件下承受弯曲变形的能力，是钢材重要的工艺性能。 表示：弯曲角度（）以及弯心直径（d）对钢材厚度或直径（a）的比值 测定：冷弯性能指标通过冷弯试验而确定，冷弯也是检验钢材塑性的一种方法，但对钢材塑性的评定更加严格，也更敏感。 评价：用于揭示钢材内部是否存在组织的不均匀、内应力、夹杂物、未溶物和微裂缝等缺陷。因此，冷弯性能可反映钢材的冶金质量和焊接质量。,（2）焊接性能（可焊性）,1、可焊性定义 钢材在一定焊接工艺条件下，在焊接及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后焊缝处性质应尽可能与母材相同。影响因素：
8、 碳、合金元素（锰、钒）、杂质元素越多，可焊性越小； 硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性。,2、焊接方式钢结构：电弧焊 钢筋：电渣压力焊 焊条电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电（俗称电弧燃烧）所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程 。 电渣压力焊是将两钢筋安放成竖向对接形式，利用焊接电流通过两钢筋间隙，在焊剂层下形成电弧过程和电渣过程，产生电弧热和电阻热，熔化钢筋，加压完成的一种压焊方法。,3、焊接质量的检验方法取样试件试验、原位非破损检验两类,即将钢材在常温下进行冷拉，冷轧或冷拔，使产生塑形变形，从而提高屈服强度，塑形
9、和韧性会下降。 由于产生内应力，弹性模量也下降。 冷拉和冷拔是金属冷加工的两种不同的方法，两者并非一个概念。 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。 冷拔加工使材料除了有拉伸变形外还有挤压变形，冷拔加工一般要在专门的冷拔机上进行。 经冷拔加工的材料要比经冷拉加工的材料性能更好些。抗拉和抗压强度都会提高。,目的：提高屈服强度，节约钢材。 冷加工时效处理：自然时效和人工时效。可使屈服点进一步提高，抗拉强度稍见 增长，塑形和韧性继续降低，但弹模可基本恢复。,（3）冷加工,（4）热处理：将
10、钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。方法有：退火、正火、淬火和回火。 钢的退火是把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零件最终热处理作好组织准备。 正火与退火的不同点是正火冷却速度比冷却速度稍快，因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。另外，正火炉外冷却不占用设备，生产率较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。,淬火与回火是热处理工艺中很重要的、应用非常广泛的工序。淬火能显著提高钢的强度和硬度。如果再配以不同温度的回火，即可消
11、除（或减轻）淬火内应力，又能得到强度、硬度和韧性的配合，满足不同的要求。所以，淬火和回火是密不可分的两道热处理工艺。 淬火 将钢材加热至基本组织改变温度以上（723910，依碳含量定），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，使其转变成不稳定组织，淬火即完成。淬火使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度大大增加，塑性和韧性明显下降。回火 将比较硬脆、存在内应力的钢，加热至基本组织改变温度以下（150650 内选定），保温后按一定制度冷却至室温。其目的是促进不稳定组织转变为需要的组织，并消除淬火后产生的内应力，恢复塑性和韧性。回火后的钢材，淬火产生的内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得
12、到改善。,3.1 钢的化学成分对钢材性能的影响1、碳 在钢材中碳原子与铁原子之间的结合有三种基本方式；即固溶体、化合物和机械混合物。 由于铁与碳结合方式的不同，碳素钢在常温下形成的基本组织有:(1)铁素体碳溶于Fe晶格中的固溶体，强度低，塑性较好(2)渗碳体铁与碳的化合物（Fe3C），硬脆，钢的主要强化组分(3)珠光体铁素体与渗碳体的机械混合物，性能介于铁素体与滲 碳体之间,第3节 建筑钢材的化学成分,当C1%时，单独存在渗碳体系，C提高，强度、塑性、韧性降低。2、杂质 磷冷脆性 硫低熔点，降低各种力学性能3、有益元素 硅提高强度、硬度，对塑性、韧性影响不大 锰显著提高强度、硬度，略微降低塑性
13、、韧性,第4节 建筑钢材的标准与选用,4.1建筑钢材的主要钢种,一、普通碳素结构钢 （1）牌号表示方法： 钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质 量等级和脱氧程度四个部分按顺序组成。 Q屈服点数值质量等级脱氧程度 Q195 A F（沸腾钢） Q215 B b（半镇静钢） Q235 C Z（镇静钢） Q255 D TZ（特殊镇静钢） Z,TZ经常忽略 如Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢； Q235C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。,（2）技术要求 碳素结构钢的力学性能见书表2-2。随钢号的增大,含 碳量增加,强度和硬度相应提高,而塑性和韧性则降低. （3）常用牌号
14、建筑工程中应用最广泛的是Q235号钢,具有较高的强 度,良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般 钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低。（二）优质碳素结构钢1、牌号：共31个牌号2、特性：对S、P等有害杂质含量控制更严格，且大部分为镇静 钢，质量稳定，性能优于碳素结构钢，但成本较高。,三、低合金高强度结构钢（1）特点 在碳素结构钢的基础上加入总量小于5%的合金元素即低合金高强度结构钢。与碳素钢相比，具有高的屈服强度、抗拉强度、耐磨 性、耐蚀性、耐低温性能等。因此，它是综合性较为理想的建筑钢材，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用。另外成本并不很高。,（2）牌号的表示方法
15、由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成。 Q屈服点数值 质量等级（按冲击韧性即S,P含量） Q295 A Q345 B Q390 C Q420 D Q460 E,（3）常用牌号 Q345及Q390（4）应用 在钢结构中常采用低合金高强度结构钢轧制型钢、钢板，来建筑桥梁、高层及大跨度建筑。,建筑钢材是主要的建筑材料之一，它包括钢结构用钢材（如钢板、型钢、钢管等）和钢筋混凝土用钢材（如钢筋、钢丝等）。,4.2 常用建筑钢材,一、钢筋 常用的有热轧钢筋、冷加工钢筋以及钢丝、钢绞线等。 1、热轧钢筋 热轧钢筋按其表面特征分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋。 （1）热轧光圆钢筋1个牌号（HPB23
16、5），性能应符合书表7-6 的规定。 （2）热轧带肋钢筋有3个牌号，各牌号钢筋的力学性能应符 合下表的规定。,热轧带肋钢筋的力学性能（GB1499-1998）,解：由题知，A 82 s F/A = 72.2103/ 82 359.1 Mpa b F/A = 104.5103/ 82 519.74 Mpa = (l1l0)/l0100% (94.480)/80100% 18% 查表知该钢筋属热轧级钢筋（即HRB335） 屈强比s/b 359.1/519.74 0.69,例题：直径为16mm的热轧钢筋，取样作拉伸实验，达到屈服点的荷载为72.2KN，极限时的荷载为104.5KN，试件标距长度为80
17、mm，拉断后的长度为94.4mm。 问：该钢筋属哪级？ 该钢筋的屈强比是多少？,2、冷轧带肋钢筋（ GB13788-2000 ） 冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型 高效建筑钢材。 （1）牌号 按抗拉强度分为 CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170 （2）优点 强度高、塑性好、握裹力强等，而且节约钢材、降低成 本，其综合性能优良。 （3）应用 CRB550宜用作普通钢筋混凝土结构。 其它牌号宜用作预应力混凝土结构中。,3、预应力混凝土用热处理钢筋 热处理钢筋是将热轧带肋钢筋经淬火和回火调质处理制成。 特点：高强度、高韧性和锚固力强 应用：适用于预
18、应力混凝土构件的配筋。 按其外形分为带纵肋和无纵肋两种，成盘供应，每盘钢筋应由一整根100-200 m钢筋盘成，开盘后能自行伸 直，不需调直及焊接，故施工简便。,4、预应力混凝土用钢丝及钢绞线 （1）预应力混凝土用钢丝：采用优质碳素钢盘条经冷拉等 工艺而制成的。 品种：冷拉钢丝（代号RCD） 消除应力光圆钢丝（代号S） 消除应力刻痕钢丝（代号SI） 消除应力螺旋肋钢丝（代号SH） 应用：预应力混凝土用钢丝的强度高，抗拉强高b为1500MPa以上，屈服强度0.2为1100MPa以上，质量稳定，安全可靠，且柔性好，无接头。主要用于大跨度屋架、大跨度吊车梁、桥梁、电杆、轨枕等的预应力钢筋。,（2）预
19、应力混凝土用钢绞线 结构类型：1x2 1x3 1x7(7根高强度钢丝经绞捻，热处理消除内应 力而制成) 应用： 破坏荷载为102300kN，屈服荷载为86.6255KN, 主要用于大跨度、重负荷的后张法预应力屋架、桥梁、 薄腹梁等结构的预应力钢筋。,二、型钢、钢板 型钢有热轧和冷轧成型两种。钢板也有热轧（厚度为0.35200 mm ）和冷轧（厚度为0.25 mm）两种。 1、热轧型钢 热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z 型钢等。 建筑用热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235-A，其强度适中、塑性及可焊性较好，成本低，适合建筑工程使用。 在钢结构中，推荐使用低合金钢，主要有两种：Q34
20、5及Q390。用于大跨度、承受动载的钢结构中。,2、冷弯薄壁型钢 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。,3、钢板 分类： 按供货：以平板状态供货的称钢板，以卷状供货的称钢带。 按轧制温度：分为热轧和冷轧两种； 按厚度：热轧钢板分为厚板（厚度大于4 mm）和薄板（厚 度为0.35-4 mm）两种;冷轧钢板只有薄板(厚度0.2- 4mm)一种。 应用： 建筑用钢板及钢带主要是碳素结构钢。一般厚板可用焊 接结构；薄板可用作屋面或墻面等围护结构，或用作涂层钢 板的原材料；还可用来弯曲为型钢。4、压型钢板 薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等形状，称为 压型钢板。 特点：单位质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美 观等。 应用： 主要用于围护结构、楼板、屋面等。,
