1、扬州工业职业技术学院 建筑材料教研室,情境七 建筑钢材的性能与检测,71 建筑钢材,上海宝钢,（一）概述,一、钢及其特性 钢 理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。 含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。 钢的特点 具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。,二、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。,2.线材 如钢筋、钢丝等。,3.管材无缝钢管、焊接钢管等。,4.板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。,压型彩钢板,三、
2、 钢的冶炼方法简介,按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为： 1. 空气转炉炼钢法 一般炼制普通碳素钢。 2 .氧气转炉炼钢法 炼制优质碳素钢和合金钢。 3 .平炉炼钢法 用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。 4.电炉炼钢法,白口铁,液态生铁,吹入空气或氧气,钢,浇注成钢锭,脱 氧,四、钢的分类,1.按冶炼方法分2.按质量分按S和P元素含量，分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。,钢,转炉钢,沸腾钢,电炉钢,平炉钢,按冶炼方法分,按脱氧程度分,半镇静钢,镇静钢,特殊镇静钢,按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢,四、钢的分类,3.按化学成分分4.按用途分分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈
3、钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。,钢,中碳钢,低合金钢,高碳钢,低碳钢,碳素钢,合金钢,中合金钢,高合金钢,C0.25%,C=0.25%0.60,C0.60,合金总含量5%,5%10,10,（二） 钢材的性质,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.低碳钢的拉伸性能,0,钢材拉伸过程的-图,OB弹性阶段,BC屈服阶段,CD强化阶段,DE颈缩阶段,以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,（1）拉伸试验过程,0,钢材拉伸弹性阶段示意图,p比例极限，MPa。,B弹性极限，MPa。,注：由于A、B两点相距较近，一般认为p=B
4、 。,0,钢材拉伸屈服阶段示意图,放大后,0,钢材拉伸强化阶段示意图,b 抗拉强度或强度极限。,0,钢材拉伸颈缩阶段示意图,DE颈缩阶段,（2）拉伸过程的参数,强度指标 屈服强度：抗拉强度：塑性指标 伸长率：,2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能,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。见左图。,0,oa总变形。 ba弹性变形99.8%。 ob塑性变形0.2%。,二、冲击韧性,定义及指标 指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值k表示。k 越大，则冲击韧性越好。 k是以
5、试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。 影响因素 硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。,Construction Materials,冲击韧性试验示意图,三、耐疲强度,在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，因此，钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关，一般
6、抗拉强度高，其疲劳极限也较高。由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的，故钢材的疲劳极限不仅与其内部组织有关，也和表面质量有关,四、硬度,钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。布氏法的测定原理是利用直径为（）的淬火钢球，以P（）的荷载将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得到直径为（）的压痕，以压痕表面积（）除荷载，所得的应力值即为试件的布氏硬度值，以数字表示，不带单位。 洛氏法测定的原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值，洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。,五、工艺性能,1.冷弯性能指钢材在常温
7、下承受弯曲变形的能力。冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90或180）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，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。,2、冷加工性能及时效,（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。,（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
8、时效。 时效分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。,可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。 可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。 焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热
9、及焊后热处理等措施。,3、可焊性,（三）钢材的化学成分及对性能的影响,（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。 （2）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。 （）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。,（）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。
10、硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。 （）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。 （）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。,（）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、妮、钒等的
11、配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。（）钛：钛是强脱氧剂。它能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。（）钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。,（四）建筑钢材的标准与选用,一、钢结构用钢材,（一）碳素结构钢1.牌号表示法 碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、B、Z、TZ)等四部分组成。 如：Q235AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸腾钢。当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示“”与“Z”符号可予以省略。 2.牌号
12、共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。3.技术要求 化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB700规定。,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。,4、性能与应用,（二）低合金高强度结构钢,在碳素钢的基础上，加
13、入总量小于的合金元素炼成的钢，称为低合金高强度结构钢，简称低合金结构钢。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。 1.牌号表示方法 由代表屈服点的拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。 如Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。 2.牌号 共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。3.技术要求 其化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB/T1591 的规定,4.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
14、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。,二、钢筋混凝土用钢材,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：
15、 光圆：8、10、12、16、20 ； 带肋：6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm,应符合下表的规定。,（4）热轧钢筋的力学性能、工艺性能,2、低碳热轧圆盘条,（1）概述 低碳热轧圆盘条的公称直径为5.530mm，大多通过卷线机成盘卷供应，因此称为盘条、盘圆或线材。 （2）分类 按用途分为：供拉丝用盘条（代号L）、供建筑和其他一般用途用盘条（代号J）两种。 （3）牌号 低碳热轧圆盘条的牌号表示方法由屈服点符号、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号、用途类别符号等五个内容表示。,（4）力学性能和工艺性能 （5）应用 大量用作建筑工程中钢筋混凝土的配筋外，还适用于供拉丝、包
16、装及其它用途。,低碳热轧圆盘条的力学性能和工艺性能,3、预应力混凝土用热处理钢筋,（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 。,有纵肋,无纵肋,（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、冷轧带肋钢筋,（1）生产
17、 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,（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。,5
18、、预应力混凝土用钢丝及钢绞线,大型预应力混凝土构件，由于受力很大，常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力钢筋。,、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。 （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 。,、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
19、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。,（五）钢材的锈蚀和防止,一、钢材的锈蚀钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。 根据锈蚀作用的机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种：（）化学锈蚀化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。（）电化学锈蚀电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流
20、，形成微电池而引起的锈蚀。,二、防止钢材锈蚀的措施,1、保护层法钢结构防止锈蚀的方法通常是采用表面刷漆。薄壁钢材可采用热浸镀锌等措施。混凝土配筋的防锈措施，根据结构的性质和所处环境条件等，主要是保证混凝土的密实、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度等，还可掺用阻锈剂。 2、制成合金钢钢材的组织及化学成分是引起钢材锈蚀的内因。通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效地提高钢材的抗腐蚀能力。例如，炼钢时在钢中加入铬、镍等合金元素，可制得不锈钢。 3、电化学保护法,72 铝材和铝合金,铝属于有色轻金属，密度为 2.7 gcm3，是钢的 1/3；铝的熔点低，为660
21、。 特点：良好的导热性、导电性和热反射性，并易于加工和焊接。纯铝材质软、强度低，不适于建筑工程使用。 纯铝中加人适量的镁（Mg）、铜(Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）等合金元素，从而制得各种铝合金，使强度大幅度提高。,一、铝合金的分类与特性,1、防锈铝合金又称防锈铝，其特点是耐腐蚀性较高，抛光性好，能长期保持光亮的表面，强度比纯铝高，塑性及焊接性能良好，但切削加工性能不良。用于承受中等或低荷载及要求耐腐蚀卫光洁表面的构件、铝管。 2、硬铝合金简称硬铝硬铝合金经淬火时效处理后强度高极限强度达480 MP；硬铝合金耐蚀性好，塑性较低，焊接和加工性能不及防锈铝合金因此大多用铆接接头。生产门窗、货架、柜
22、台的主要铝合金原料建筑上用作承重结构，是轻型结构的主要结构材料。 3、超硬铝合金又称超硬铝，超硬铝合金经热处理后，其强度和硬度比硬铝合金更高，塑性及耐蚀性中等；切削加工性和点焊性能良好。用作承重构件和高荷载构件。,二、建筑用铝合金制品,1、铝合金门窗铝合金门窗质量轻，气密性、水密性和隔声性能好；色泽美观，不锈蚀，不褪色，与普通窗相比强度高，刚度大，坚固耐用。 2、铝合金装饰板花纹板：可用于墙面装饰以及楼梯踏步等处。波纹板：适用于旅馆、饭店商场墙面和屋面的装饰。穿孔板：可用于宾馆、饭店、剧场、影院、播音室等 应用：公共建筑和中高档民用建筑隔音、吸音板，也可用于各类车间厂房作为降噪声措施。,本章小
23、结,钢材是建筑工程中常用的建筑材料之一。建筑钢材主要包括各种型钢、钢筋、钢丝和钢绞线等； 建筑钢材的主要性能包括力学性能、工艺性能和耐久性三个方面； 建筑钢材所用的钢种包括碳素结构钢（非合金钢）、低合金高强度结构钢。 建筑工程中常用的钢筋，其力学性能、工艺性能、化学成分等必须符合相应标准的规定。 钢丝和钢绞线具有强度高、变形较小等特点，主要用作普通预应力混凝土结构及大跨度预应力结构的预应力筋。,例7-1 什么是钢材的冷弯性能？它的表示方法及实际意义是什么？ 例7-2 何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？ 例7-3碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235AF和Q23
24、5号钢在性能上有何区别？,韩国汉城大桥倒塌 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。,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。,1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。,谢 谢！,
