1、本 章 内 容,8.1 钢的冶炼和分类 8.2 钢材的主要性能 8.3 建筑钢材的技术标准及选用,8.1 钢的冶炼和分类,8.1.1 钢的冶炼 8.1.2 钢的分类,8.1.1 钢的冶炼,钢 是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。 生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。钢的冶炼 就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。,根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。 (1)平炉炼钢 它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃
2、料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。 可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。,(2)氧气转炉炼钢 以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(2040min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。 (3)电炉炼钢 以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。,炉种的影响及氧化程度,钢的脱氧 冶炼后的钢水中含有以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。根据脱氧程度的不同，钢
3、可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。,沸腾钢 弱脱氧剂脱氧，下注法浇铸。 脱氧不完全，浇铸时残存的氧和碳发生反应，有气体逸出，如同沸水，铸锭后钢锭内残留气孔，轧制时可缝合。 成材率高，成本低。但组织不致密，力学性能不够均匀，适合轧制板材、管材和线材。,镇静钢 强脱氧剂锰铁、硅铁、铝块， 浇铸时不发生碳氧反应，钢液平静，凝固后上部有集中缩孔， 钢锭组织致密，成分均匀，力学性能好。孔缩要切除，故成材率低、成本高，一般用于有重要用途的钢。,半镇静钢 脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，首先在盛钢桶内用硅铁脱氧，然后在钢锭中加少量铝补充脱氧。 一般用于生产普通碳素钢和普通低合金钢。,脱氧程度及钢材质量
4、,8.1.2 钢的分类,8.2 钢材的主要性能,8.2.1 抗拉性能 8.2.2 冲击韧性 8.2.3 疲劳强度 8.2.4 硬度 8.2.5 冷弯性能 8.2.6 钢材的冷加工 8.2.7 化学成分对性能的影响,8.2.1 抗拉性能,由低碳钢在拉伸过程中形成的应力()-应变()关系图(图8.1)可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。 (1)弹性阶段(OA) (2)屈服阶段(AB) (3)强化阶段(BC) (4)颈缩阶段(CD),图8.1 低碳钢受拉的应力-应变图,(1)弹性阶段(OA) 在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。弹性阶段
5、的最高点A所对应的应力值称为弹性极限p。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=/=tan。,(2)屈服阶段(AB) 当应力超过弹性极限p后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在-关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限s。 钢材受力达屈服后，虽然尚未破坏，但变形发展迅速，已经不能满足使用要求，所以设计中一般以屈服强度作为钢材强度取值的依据。,对于外力作用下屈服现象不明显的钢材，如中、高碳钢，规定卸载后产生0.2%塑性应变时的应力值作为屈服强度，
6、用 表示，如图中、高碳钢的应力应变图(曲线) 。,(3)强化阶段(BC) 当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在-关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用b表示，它是钢材所能承受的最大应力。,抗拉强度在工程中不能直接利用，但屈服强度与抗拉强度的比值（屈强比，用 表示）是评价钢材受力特征的一个参数，屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，材料越不容易发生危险的脆性破坏，但屈强比过小，钢材强度的利用率偏低，不够经济。建筑钢材合理的屈强比一般为0.60.75。,(
7、4)颈缩阶段(CD) 当应力达到抗拉强度b后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率：,伸长率是反映钢材塑性变形能力的一个重要指标，在工程中具有重要意义， 越大，说明材料的塑性性质好，破坏前会有较大的塑性变形，可防止突发性的破坏。工程上一般规定 5%的材料为塑性变形；5%的材料为脆性材料。,试件拉断后，其颈缩处横截面面积减缩量占原横截面面积的百分率，称为材料的截面收缩率（用 表示），截面收缩率也是反映钢材塑性变形程度的一个指标，计算公式如式：,冲击韧性 钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆
8、锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以k表示(J/cm2)。k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图8.2)。影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，温度、时间、以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。,8.2.2 冲击韧性,图8.2 冲击韧性试验图,(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机,1摆锤；2试件；3试验台；4刻度盘；5指针,疲劳破坏 钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内
9、不发生断裂所能承受的最大应力。,8.2.3 疲劳强度,一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。,硬度 是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。如图8.3。,8.2.4 硬度,图8.3 布氏硬度测定示意图,8.2.5 冷弯性能,图8.4 钢材冷弯,(a)试样安装；(b)弯曲90； (c)弯曲180；(
10、d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心,1.冷加工强化 钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。以钢筋的冷拉为例(图8.5)，图中OBCD为未经冷拉时的应力-应变曲线。,8.2.6 钢材的冷加工,图8.5 钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化,冷拉 钢筋冷拉后屈服强度可提高15%20%，冷拔后屈服强度可提高40%60%。冷拔 是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔(如图8.6)，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。 ,图8.6
11、冷拔模孔,冷轧 是将圆钢在轧钢机上轧成断面按一定规律变化的钢筋，可增大钢筋与混凝土间的粘结力，提高钢筋的屈服强度。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因此能较好地保持塑性性质及内部结构的均匀性。,2.钢材的时效 钢材经冷加工后，随时间的延长，钢材屈服极限和强度极限逐渐提高而塑性和韧性逐渐降低的现象，称为时效。经过冷拉的钢筋在常温下存放1520d，或加热到100200并保持一定时间，这个过程称为时效处理，前者为自然时效，后者为人工时效一般强度较低的钢材采用自然时效，而强度较高的钢材则采用人工时效。,(1)碳 是决定钢材性能的主要元素。 如图8.7所示，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性
12、和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。 (2)硅、锰 加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。 硅导致冷脆性，锰消除热脆性,8.2.7 化学成分对性能的影响,(3)硫、磷 硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔点的共晶体。当钢材温度升至1000以上进行热加工时，共晶体熔化，晶粒分离，使钢材沿晶界破裂，这种现象叫做热脆性。磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性。,(4)氧、氮 未除尽的氧、氮大部分
13、以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。 (5)钛、钒、铌 是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。,图8.7 含碳量对热轧碳素钢性质的影响,b抗拉强度；k冲击韧性；HB硬度； 伸长率；面积缩减率,8.3 建筑钢材技术标准及选用,建筑工程中需要消耗大量的钢材，按用于不同的工程结构类型可分为： 钢结构用钢 各种型钢、钢板、钢管等； 钢筋混凝土工程用钢 如各种钢筋和钢丝。从材质上分主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢，也用到优质碳素结构钢。,普通碳素
14、结构钢 简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。现行国家标准碳素结构钢(GB /T7002006)具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。,8.3.1 普通碳素结构钢,碳素结构钢的牌号 由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。碳素结构钢可分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号。其他各符号含义见表8.1。如Q235A、F，表示屈服强度为235MPa，质量等级为A级的沸腾钢。Q255B，表示屈服强度为255MPa，质量等级为
15、B级的镇静钢。,表8.1碳素结构钢的牌号,碳素结构钢的选用 碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。 Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。,Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，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，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。 Q255、Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作
16、螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。,一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。目的是提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%30%，但成本并不很高。,8.3.2 低合金高强度结构钢,牌号 低合金高强度结构钢共有5个牌号。其牌号的表示方法由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成，屈服点数值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五种，质量
17、等级按照硫、磷等杂质含量由多到少分为A、B、C、D、E五级。如Q345A表示屈服点为345MPa的A级钢。,低合金高强度结构钢应用 Q295号钢 含有少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯性能、焊接性能及耐蚀性能。 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号钢 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。 主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构。Q420、Q460号钢 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荷载大的轻型结构。,1.钢筋混凝土用热轧钢筋 钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋。
18、光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑。带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋；横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋。如图8.8。,8.3.3钢筋混凝土用钢筋、钢丝,(1)热轧钢筋的牌号表示方法与技术要求 根据钢筋混凝土用热轧光圆钢筋(GB 130131991)及钢筋混凝土用热轧带肋钢筋(GB 1499.22007)的规定，热轧直条光圆钢筋的级别为级，Hot Rolled Plain Steel Bar,强度等级代号为HPB235。热轧带肋钢筋的牌号由HRB和屈服点最小值表示。热轧带肋钢筋有Hot Rolle
19、d Ribbed Steel Bar ,HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。,(2)热轧钢筋的应用 热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。 RRB代表余热处理钢筋REMAINED HEAT RIBBED STEEL BARS,(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋,2.冷轧带肋钢筋 是低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长
20、度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋。(1)冷轧带肋钢筋的牌号表示方法 根据冷轧带肋钢筋(GB 137882000)的规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB Cold Rolled Ribbed Steel Bar和抗拉强度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号。,(2)冷轧带肋钢筋的应用 冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的36倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。,3.预应力混凝土用热处理钢筋 是用热轧的
21、螺纹钢筋经淬火和回火的调质热处理而成的。按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种。其代号为RB150。RB表示热处理，150表示抗拉强度不小于150。 ,根据预应力混凝土用热处理钢筋(GB 44631984)的规定，热处理钢筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三个牌号，直径有6mm、8.2mm和10mm三种规格，钢筋热处理后应卷成盘形供应，开盘后钢筋能自动伸直。 热处理钢筋经过调质热处理而成，具有强度高、韧性高、粘结力高和塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件 。,表8.9 热处理钢筋的力学性质(GB 44631984),4.预应力混凝土用钢丝 (1)分类及代号 根据预应力混凝土
22、用钢丝(GB/T 52232002)的规定，预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝(代号为WCD)和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝(代号为WLR)和普通松弛级钢丝(代号为WNR)。冷拉钢丝是用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而成产品，以盘卷供货的钢丝。,低松弛钢丝是指钢丝在塑性变形下(轴应变)进行短时热处理而得到的，普通松弛钢丝是指钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理而得到的。预应力混凝土用钢丝按外形分为光圆钢丝(代号为P)、螺旋肋钢丝(代号为H)和刻痕钢丝(代号为I)三种。螺旋肋钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的肋条，如图8.9所示。刻痕钢丝表面沿着长度方向
23、上有规则间隔的压痕，如图8.10所示。,图8.9 螺旋肋钢丝外形示意图,图8.10 三面刻痕钢丝外形示意图,(2)预应力混凝土用钢丝的应用 预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。,5.预应力混凝土用钢绞线 是以数根圆形断面钢丝经绞捻和消除内应力的热处理后制成。根据预应力混凝土用钢绞线(GB/T 52241995)的规定，钢绞线按捻制结构分为三种结构类型：12、13和17，分别用2根、3根和7根钢丝捻制而成，如图8.11所示。,钢绞线按其应力松弛性能分为两级：级松
24、弛和级松弛，级松弛即普通松弛级，级松弛即低松弛级。 钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。,图8.11 预应力钢绞线截面图,8.4 钢轨,钢轨的组织与性能，主要取决于它的化学成分。在碳素钢中加入铬(Cr)可提高钢的强度、硬度、耐磨性、淬透性和耐磨蚀性； 加入钒(V)可提高钢的强度、耐磨性和淬透性，改善钢的塑性和韧性； 加入钛(Ti)可细化钢的晶粒，提高强度，改善韧性； 加入稀土可细化有害的非金属杂质的粒径，改善钢的耐磨性和韧性，以此改善钢轨的综合性能。,8.4.1钢轨的分类,按钢种分 碳
25、素轨主要以碳(C)、锰(Mn)两元素来提高强度，改善韧性。如U71Mn、U74。合金轨是以碳素轨为基础，添加适量合金元素钒(V)、钛(Ti)、铬(Cr)、钼(Mo)等，来提高钢轨的强度和韧性。热处理轨主要是碳素轨通过加热和控制冷却，来改善其金相结构，从而获得高强度和高韧性。,按力学性能分 普通轨是指抗张强度不小于800MPa的钢轨；高强轨是指抗张强度不小于900MPa的钢轨；耐磨轨是指抗张强度不小于1100MPa的钢轨。,按钢轨的重量分 38kg/m(P38)、 43kg/m(P43)、 45kg/m(P45)、 50kg/m(P50)、 60kg/m(P60) 75kg/m(P75)。,按钢轨长度分 12.5m 25m 今后将主要生产25m轨。 目前国内用得最多的钢轨是P60的U71Mn。,8.4.2钢轨的断面尺寸,钢轨断面为左右对称的工字型，从上往下分为轨头、轨腰和轨底三部分。,8.4.3钢轨的标志及说明,钢轨标志是表示生产厂、出厂时间、钢轨材质、生产过程等内容的符号钢轨标志一般均轧制于钢轨一侧轨腰上，有两种类型，一种是辊轧凸字，字体凸出于轨腰表面；另一种为热轧凹字，字体凹陷在轨腰表面以下。,国产钢轨生产厂家名称、代号表,END,THINKS!,
