1、第8章 建筑钢材,上海宝山钢铁厂,8.1 钢的冶炼和分类,建筑钢材（定义）：是以铁为主要元素，含碳量为0.02%2.06%，并含有其他元素的合金材料。优点：抗拉、抗压和抗冲击性能好，可切割、可焊接、可铆接，装配方便。缺点：容易生锈，耐火性差。,钢材在建筑工程中的应用,钢材在建筑工程中的应用,钢材在建筑工程中的应用,建筑钢材的主要品种,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。,建筑钢材的主要品种,2.线材 如钢筋、钢丝等。,建筑钢材的主要品种,3.管材无缝钢管、焊接钢管等。,建筑钢材的主要品种,4.板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等
2、。,钢结构用各种型材示意图,8.1.1 钢的冶炼,1钢的生产分为以下两步 (1)炼铁铁矿砂在熔炉（高炉）中提炼的过程为炼铣。(2)炼钢,白口铁,液态生铁,吹入空气或氧气,钢,浇注成钢锭,脱 氧,根据炼钢设备的不同，常用的炼钢方法有氧气转炉法、平炉法、电炉法。氧气转炉炼钢法。氧气转炉法是以熔铁水为原料，用纯氧代替空气由炉顶向转炉内吹入高压氧气，能有效的去除磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高，而成本却较低。平炉炼钢法。以固体或液体生铁、铁矿石或废钢为原料，用煤气或重油进行冶炼。电炉炼钢法。电炉炼钢法是以生铁或废铁为原料，利用电能顺速加热进行炼钢。,氧气 转炉法,平炉炼钢法,电炉炼钢法,8.1.2 钢
3、的分类,8.2 建筑钢材的技术性能,建筑钢材的技术性能,冷弯性能,焊接性能,8.2.1 力学性能,1.抗拉性能抗拉伸是建筑钢材的主要工作形式，所以抗拉性能是表示钢材性能和选用钢材的重要指标。,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。,低碳钢的受拉过程分为四个阶段,弹性阶段OA,屈服阶段AB,强化阶段BC,颈缩阶段CD,低碳钢受拉的应力应变图,O,一、弹性阶段OA一条通过原点 的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量E值的大小反映了钢材抵抗 弹性变形的能力。A点对应 的应力。,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,弹性极限,O,低
4、碳钢受拉的应力应变图,二、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。所能承受的拉 力增加很小，而塑性变形迅速 增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,屈服。,低碳钢受拉的应力应变图,C,D,B,三、强化阶段BC一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新 提高抗拉强度,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,强化。,C点对应的应力。,低碳钢受拉的应力应变图,C,四、颈缩阶段CD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，直到断裂。伸长率：,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,颈缩,三
5、个重要的指标 1.屈服强度s结构设计中钢材强度取值的依据 2.抗拉强度b钢材所能承受的最大应力屈强比屈强比，利用率 ，安全可靠程度3.伸长率衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好,O,C,D,拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测的的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标。,抗 拉 性 能,2、塑性 建筑钢材应具有很好的塑性。钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。 3 、冲击韧性 钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。 冲击韧性性随温度的降低而下降，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种形制为钢材的冷脆性。,4、 耐疲
6、劳性 受交变荷载反复作用时，刚才在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏。 在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。 钢材在无穷次交变荷载作用下而不至于引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限。 一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限值也较高。,8.2.2 工艺性能,1、冷弯性能 2、焊接性能3、冷加工性能及时效处理,1、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，是钢材的重要工艺性能。指标：弯曲角度、弯心直径钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。,钢筋冷弯,冷弯试验,试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚
7、度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。 冷弯检验是：按规定的弯曲角度和弯心直径进行弯曲后，检查试件弯曲处外面及侧面不发生裂缝、断裂或起层,即认为冷弯性能合格。,冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率则是反映钢材在均匀变形下的塑性。 因此，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它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。冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。,2、焊接性能 焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔状态，而老牢固连接起来。它是钢结构主要的连接形式。 钢材的焊接性能（定义）钢材的化学成分对钢
8、材的焊接性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。,焊接质量的检验方法,测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。,合格,不合格,钢材的可焊性试验,3、冷加工性能及时效处理,（1）.冷加工强化 冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。 建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等 。 对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。,3、冷加工性能及时效处理,（2）.时效 钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。 时效分
9、为自然时效和人工时效两种。 自然时效是将其冷加工后，在常温下放置1520d； 人工时效是将冷加工后的钢材加热至100200保持2h以上。 经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。,8.2.3 钢材成分对性能的影响,（1）钢材化学成分以生铁冶炼钢材，经过一定的工艺处理后，钢材中除主要含有铁和碳外，还有少量硅、锰、磷、硫、氧、氮等难以除净的化学元素。 另外，在生产合金钢的工艺中，为了改善钢材的性能，还特意加入一些化学元素，如锰、硅、矾、钛等。,硅,（2）化学元素钢材性能的影响,碳,8.3建筑钢材的种类和选用,建筑工程用钢可分为钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两类，
10、前者采用型钢和钢板，后者主要采用钢筋和钢丝。钢结构用钢的母材主要有碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金结构钢三种。薄壁轻钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢、和小角钢。钢结构用钢常见的类型有热轧钢型钢、冷弯薄壁型钢、棒材、和板钢。,8.3.1 碳素结构钢,1、碳素结构钢牌号及其表示方法,代表屈服点的字母,屈 服 点 名 称,质 量 等 级 符 号,牌号组成,脱 氧 程 度 符 号,牌号与性能的关系,共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。 根据国家标准GB700-88的规定，碳素结构钢按屈服点分为五个牌号，当牌号增大时，钢材的含碳量提高，强度提高，伸长率降低，塑性和韧性降低，冷弯
11、性能逐渐变差。 同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。,2.碳素结构钢技术性能与应用 Q195、Q215，含碳量低，强度低，塑性、韧性、加工性能和可焊性好，主要用于轧制薄板和盘条、制造铆钉、地脚螺栓等。 Q235，含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。 Q255、Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的结构及加工机械零件。,8.3.2 低合金高强度结构钢,1.牌号表示方
12、法,共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。,2、低合金高强度结构钢的性能及应用,Q295，钢中只含有极少量合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构。 Q345、Q390，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，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。,8.3.3 钢筋混凝土结构用钢,1、热轧钢筋 2、冷轧带肋钢筋 3、热处理钢筋 4、预应力混凝土用钢
13、丝 5、预应力混凝土用钢绞线,1、热轧钢筋,1.生产 采用钢锭经加热轧制自然冷却而成。 2.分类 钢筋混凝土用热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。3.牌号 热轧直条光圆钢筋 ：HPB235 热轧带肋钢筋：HRB335、HRB400、HRB500,H、R、B分别为热轧（Hotrolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词英文首位字母。推荐公称尺寸： 光圆：8、10、12、16、20 ； 带肋：6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm,2.冷轧带肋钢筋,1.生产 冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。钢筋冷轧后允许进行低温回火
14、处理。 2.牌号 按抗拉强度分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170共五个牌号。 3.规格 直径范围为412mm，推荐的公称直径为5、6、7、8、9、10mm,2.冷轧带肋钢筋,4.力学性能和工艺性能 应符合GB13788的相关规定 。5.应用 冷轧带肋钢筋用于非预应力构件，与热轧圆盘条相比，强度提高17%左右，可节约钢材30%左右； 用于预应力构件，与低碳冷拔丝比，伸长率高，钢筋与混凝土之间的粘结力较大，适用于中、小预应力混凝土结构构件，也适用于焊接钢筋网。,3.热处理钢筋,1.概述 热处理钢筋是经过淬火和回火调质处理的螺纹钢筋。分有纵肋和无纵肋两种，其外形
15、分别见右图。代号为RB150。 2.规格 公称直径6、8.2、10mm。 3.牌号 有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三个 。,3.热处理钢筋,4.力学性能5.特点及应用 热处理钢筋具有很高的强度外，还具有较好的塑性和韧性，特别适合于预应力构件。 但其对应力腐蚀及缺陷敏感性强，应防止产生锈蚀及刻痕等现象。热处理钢筋不适用于焊接和点焊的钢筋 。,预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能,4、预应力混凝土用钢丝,1.生产 以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。 2.分类 按交货状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种； 按外形分为光面钢丝和刻痕钢丝两种。
16、 3.力学性能 应符合相应标准规定。 钢丝主要用作桥梁、吊车梁、电杆、楼板、大口径管道等预应力混凝土构件中的预应力筋 。,5、预应力混凝土用钢绞线,1.生产 由多根圆形断面钢丝捻制而成。钢绞线按左捻制成并经回火处理消除内应力。 2.规格 钢绞线按应力松弛性能分为两级：级松弛（代号）、级松弛（代号）。公称直径有9.0、12.0、15.0mm三种规格。 3.特点及应用 钢绞线与其他配筋材料相比，具有强度高、柔性好、质量稳定、成盘供应不需接头等优点。 适用于作大型建筑、公路或铁路桥梁、吊车梁等大跨度预应力混凝土构件的预应力钢筋，广泛地应用于大跨度、重荷载的结构工程中。,预应力钢绞线截面图,8.3.4
17、钢材的选用原则,（1）荷载性质 （2）使用温度 （3）连接方式 （4）钢材厚度 （5）结构重要性,8.4 钢材的锈蚀及防止,锈蚀定义：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。 1、化学锈蚀 是指钢材表面直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。 2、电化学锈蚀 电化学锈蚀是由于金属表面形成了原电池而产生的锈蚀。钢材在大气中的锈蚀，是化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用所致，但以电化学锈蚀为主。,防止锈蚀的方法 1、保护层法 在钢材表面施加保护层，使钢材与周围介质隔离，从而防止钢材锈蚀。保护层可分为金属保护层和非金属保护层。 （1）非金属保护层常用的是在钢材表面刷漆。 （2）金属保护层是用耐蚀性较好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。 2、制成合金法 在碳素钢和低合金钢中加入铬、铜、钛、镍等合金元素而制成的，如在低合金钢中加入铬可制成不锈钢。,
