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1、情境4 建筑钢材,第一节 建筑钢材,建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）和用于钢筋混凝土的钢筋、钢丝、钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等。,C型钢,H型钢,钢管,钢板,钢丝,钢筋,钢绞线,建筑钢材的特点优点：抗拉强度高、塑性和韧性好 能承受冲击和振动荷载 易于加工成板材、型材和线材 良好的焊接和铆接性能缺点：易锈蚀、维护费用高 耐火性差 生产能耗大,5,建筑钢材的应用大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房,6,钢结构厂房,7,钢结构桥梁,8,国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。“鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，以巨大的钢网围合、覆
2、盖着9.1万人的体育场，采用了当今先进的建筑科技，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，结构相当复杂，为国内外特有建筑。,一、钢材的冶炼和分类,钢材的冶炼 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。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。,一、钢材的冶炼和分类,钢材的冶炼 精炼是指生铁中的碳和其它杂质氧化为气体或氧化物，被排除从而使生铁中的碳与杂质的含量降低。Si+2FeO=SiO2+2Fe2P+5FeO=P2O5+5Fe
3、脱氧是在精炼后的钢水中加入硅铁、锰铁等脱氧剂，使在精炼过程中同时被氧化的铁还原。,钢材的分类,1.按化学成分分类（）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.022.06。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢（含碳量小于0.25）、中碳钢（含碳量为0.250.60）高碳钢（含碳量大于0.60）,（）合金钢。是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量小于）中合金钢（合金元素总含量为10
4、）高合金钢（合金元素总含量大于10）,2.按冶炼设备分类 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。,3、根据脱氧程度的不同
5、分类（）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。,（）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模冷却凝固，故称镇静钢。镇静钢成本较高，但组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。（）半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢。,4、按质量分类 根据硫、磷有害杂质的含量不同，钢材分为普通
6、钢、优质钢和特殊优质钢等5、按用途分类 钢材分为建筑钢、结构钢、工具钢和特殊性能钢。建筑工程常用品种：普通低碳结构钢、普通低合金结构钢、部分优质合金钢。,第二节 钢材的技术性质力学性质：抗拉、冲击韧性、硬度、耐疲劳性工艺性质：冷弯、可焊性,第二节 钢材的技术性质抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳钢（软钢）受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标，见图.低碳钢受拉时的应力一应变图。,受力四个阶段,弹性阶段（OA）fp弹性极限E 弹性模量屈服阶段（AB）fy屈服极限强化阶段（BC）fu受拉强度颈缩阶段（CD）伸长率,强
7、度指标,*明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用,*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度,（）第一阶段：弹性阶段，为一直线，说明应力-应变曲线成正比关系，如卸去拉力，试件能恢复原状，这种性质即为弹性，该阶段为弹性阶段。应力-应变的比值为一常数，该常数为弹性模量E（E=/）,弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。,（2）屈服阶段：应力应变不再成正比关系，开始出现塑性变形，该阶段的应力最低点称为屈服强度或屈服点，用fy表示。结构设
8、计时一般以屈服强度fy作为强度取值的依据。而对屈服现象不明显的中碳和高碳钢（硬钢），则规定以产生残余变形为原标距长度的0.2%所对应的应力值作为屈服强度，称为条件屈服强度，用f0.2表示。,（3）强化阶段：曲线逐步上升，表示试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，这一阶段称为强化阶段。对应于最高点C的应力值称为极限抗拉强度，简称抗拉强度，用fu表示。设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比sb有一定意义。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.6-0.75。,（4
9、）颈缩阶段：当曲线到达点后试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”，直到断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即,伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以5和10分别表示L0=5d0和 L0=10d0（0为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，5应大于10。,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有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)
10、。k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好。,冲击韧性,冲击韧性试验图,(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机,影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。,冲击韧性,发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使
11、用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。,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。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。,硬度,布氏硬度测定示意图,钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉
12、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，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。,疲劳强度,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。,冷弯性能,钢材冷弯,(a)试样安
13、装；(b)弯曲90；(c)弯曲180；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心,钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。又如，含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。,焊接性能,钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。(1)碳是决定钢材性能的主要元素。土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。,第三节 钢的化学成分对钢材性能的影响,(2)硅、
14、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。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。,(3)硫、磷（有害元素）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
15、下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性。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。,(4)氧、氮（有害元素）未除尽的氧、氮大部分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 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。在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。,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
16、有冷拉、冷拔和冷轧。工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。,第四节、钢材的冷加工和热处理,1、钢材的冷加工,将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d，或加热到100200并保持一段时间，其强度和硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低。,时效,2.钢材的热处理,按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除
17、钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。钢材的热处理通常有以下几种基本方法：()淬火。将钢材加热至723（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。,()回火。将淬火后的钢材重新加热到723以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是
18、使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。,（）退火。退火是指将钢材加热至723以上某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。（）正火。是将钢材加热到723以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小。,第五节 建筑钢材的技术标准,1.建筑钢材的主要钢种（1）碳素结构钢按国家标准GB700-88规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、四个质量等级。,碳素结构
19、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。例如Q235-A.F.，它表示：屈服点为235N2的平炉或氧气转炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。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。碳素结构钢的力学性能指标规定见表2-1所示。,技术要求,碳素结构钢的化学成分GB700-88,技术要求,碳素结构钢的拉伸、冲击韧性GB700-88,技术要求,碳素结构钢的冷弯试验GB700-88,（2）低合金结构钢,在碳素钢的基础上，加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
20、结构钢。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。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。,按照低合金高强度结构钢（GBT15911994）规定共分20个钢号。牌号由代表钢材屈服强度的字母“”、屈服强度数值、质量等级符号（、）三个部分按顺序组成。例如：Q295A，表示屈服强度为不小于295MPa，质量等级为级的低合金结构钢。,技术要求,低合金结构钢的化学成分,技术要求,低合金结构钢的力学和冷弯性能,第六节 混凝土用钢筋、钢丝,(1)热轧钢筋 根据表面特征不同，热轧钢筋分为光圆钢筋和带
21、肋钢筋。根据强度的高低，热轧钢筋又分为不同的强度等级，各强度等级热轧钢筋的技术标准见表4.1.6。我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分为IIV级，四个强度等级的钢筋中，除I级钢筋为低碳钢外，其余三级热轧带肋钢筋均为低合金钢。其牌号由HRB和规定屈服强度最小值构成。、分别为热轧、肋、钢筋的英文名称的第一个字母。,热轧钢筋的力学和工艺性能,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
22、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。,冷轧带肋钢筋是低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋的牌号表示方法与技术要求 根据冷轧带肋钢筋(GB 137882000)的规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和抗拉强度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号，其力学性能和工艺性能应符合下表的规定。,冷轧带肋钢筋,冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能(GB 137882000),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
23、钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的3-6倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。,热处理钢筋是用热轧的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。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。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。,预应力混凝土用热处理钢筋,分类及代号根据预应力混凝土用钢丝(GB/T 52232002)的规定，
24、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。,预应力混凝土用钢丝,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。刻痕钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的压痕。,预应力混凝土用钢绞
25、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。,预应力混凝土用钢绞线,钢绞线按其应力松弛性能分为两级：级松弛和级松弛，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。,第七节、钢材的腐蚀与防止,钢材腐蚀 化学腐蚀 钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧和工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。电
26、化学腐蚀 电化学腐蚀是由于金属表面形成原电池而产生的腐蚀。,钢材腐蚀的防止涂敷保护膜 使金属与周围介质隔离，既不能产生氧化锈蚀反应，也不能形成腐蚀原电池。电化学防腐 电化学防腐包括阳极保护和阴极保护，适用于不容易或不能涂敷保护膜层的钢结构制成合金钢 在钢中加入合金元素铬、镍、钛、铜，制成不锈钢，提高其耐蚀能力。,例2-1 从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN;抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12，标距为60，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？解：1.
27、钢筋试样屈服点为：钢筋试样抗拉强度为：b=(548+561)2=555 N/mm2,钢筋试样伸长率为：=(17.7+19.0)2=18.4%查表4.1.6知s1、s2 均大于335 N/mm2,b1、b2 均大于490 N/mm2,钢筋试样伸长率均大于16%故该钢筋为II级钢。2.该钢筋的屈强比为：s/b=385/555=0.69该II级钢筋的屈强比在0.600.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。,例2-2 为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？解：屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s值；屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度；伸长率（）表示钢材的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。,
