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1、第七章 建 筑 钢 材,概 述,定义用于工程建设中的各种钢材。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；钢材易锈蚀、耐火性差。,一、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、花纹钢板等。,钢桥,二、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,7.1 钢的生产与分类,一、钢的生产,冶炼,铸锭,压力加工,二、钢的冶炼,钢是由生铁冶炼而成的。理论上把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢；含碳量超过2%，称为
2、生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。,焦炭,铁矿石,生铁,高炉熔融,生铁,精炼,氧化还原,钢,铸锭,钢锭,建筑钢材,钢材的冶炼过程,炉种的影响及氧化程度,炉种的影响,脱氧程度及钢材影响,按化学成分分类,三、钢的分类,普通钢 P0.045%,S0.055%优质钢 P0.035-0.04%,S0.04%高级优质钢 P0.035%,S0.03%,按用途分类,结构钢 各种工程构件及机械零件工具钢 刀具、模具特殊钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢,按质量分类,一、碳,四、钢的主要化学成分对钢材性能的影响,碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量增加，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%
3、时，由于钢材变脆，强度反而下降。,二、硅,含量在1%以内，可提高钢的强度和疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，对可焊性及冷加工性能有影响。,四、磷、硫,磷有害物质。常温下，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。硫有害物质。当钢材进行热加工时，易产生脆裂现象，这称为热脆性，降低可焊性。,三、锰,可提高钢的强度、硬度和耐磨性，能消减硫和氧引起的热脆性，改善钢的热加工性能。,五、氧、氮,氧有害物质。降低钢材的强度、塑性和韧性，冷加工性能下降，氧还使钢的热脆性增加，使可焊性变差。氮能使钢的强度提高
4、，塑性和韧性下降，使冷脆性及时效敏感性增加，可焊性变差。,五、钛、钒、铌,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。,7.2 建筑钢材的主要性能,机械性能拉伸性能 冲击韧性 疲劳强度工艺性能冷弯性能 焊接性能,工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中钢材的基本性能有,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。,机械性能,1.拉伸性能,低碳钢受拉时的-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。,钢材拉伸弹性阶段示意图,p比例极限，MPa,B弹性
5、极限，MPa,注：由于A、B两点相距较近，一般认为p=B。,钢材拉伸屈服阶段示意图,放大后,钢材拉伸强化阶段示意图,b 抗拉强度或强度极限,钢材拉伸颈缩阶段示意图,DE颈缩阶段,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。,oa总变形。ob弹性变形99.8%ba塑性变形0.2%,中碳与高碳钢受拉时的-图,屈服强度,定义：是指钢材开始丧失随变形而抵抗外力的能力,并开始产生大量变形的能力。意义：是弹性变形转变为塑性的转折点。当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材内部的应力自
6、动分配至低应力部位。所以说，屈服点是确定钢结构容许应力值的依据。,公式：,s屈服强度 Fs 屈服应力 Ao试件截面积,拉伸过程的主要参数,抗拉强度,定义：是指钢材能够承受的最大拉应力。意义：当外力大于拉伸强度时，钢材完全丧失对变形的抵抗能力而断裂。因此在结构设计中不能应用。,屈强比,定义：s/b反映了钢材的可利用率和安全性的大小。,合理屈强比：碳素钢:0.580.63低碳合金结构钢:0.650.75,伸长率,L0原标点间距L1 拉断后标点间距,断面收缩率,A0原断面面积A1 拉断后断面面积,塑性是指钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。,伸长率的测定,Ak试件破坏时的冲击功 F 试件槽口
7、处截面积,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。,概念：钢材的冷脆性和临界温度。,2.冲击韧性,定义及指标:冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。其大小用冲击韧性值k来表示。k越大，则冲击韧性越好。,3.疲劳强度,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。疲劳强度：在疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂时所能承受的最大应力值(r)。钢材的疲劳强度与其抗拉强度有关，一般抗拉强度高，其疲劳强度也较高。
8、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。,4、硬度,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，以荷载P除以压痕表面积(mm2)，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。,1.冷弯性能,定义：钢材在常温下承受弯曲变形的能力。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）。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材某些内在缺陷，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。,工艺性能,2.可焊性能,定义
9、：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及焊后热处理等措施。,钢材的冷加工和时效,1.定义冷加工：指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷轧等处理。冷加工强化：钢材经冷加工后强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象。时效：经冷加工后钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象。自然时效：经冷
10、拉的钢材在常温下存放15-20天，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象。人工时效：经冷拉的钢材在加热至100-200，并保持一段时间（一般2h以上），这将使时效加速。时效敏感性：因时效而导致性能改变的程度。,钢筋冷拔示意图,冷拉将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定塑性变形。经冷拉后钢材的屈服强度一般可提高20%30%。根据张拉控制参数的不同，冷拉有“单控”和“双控”之分。,冷拔将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉而且受挤压以提高强度。每次冷拔断面缩小应在10%以下，可经多次冷拔。经冷拔后钢材的屈服强度可提高40%60%，效果比冷拉好。,2.冷加工时效强化原理,钢材在冷加
11、工过程中塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，晶格严重畸变，因而对晶面的进一步滑移起到阻碍作用，故可提高钢材的屈服强度，而使塑性和韧性降低。,7.3 建筑钢材的品种与选用,建筑钢材包括：型钢钢管钢板钢丝钢筋,常用的钢材品种为：碳素结构钢与低合金钢二大类。,一、碳素结构钢,1.定义：指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧钢板、型钢等。现行国家标准为碳素结构钢（GB700-88）2.牌号表示方法：由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成；共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。3.技术要求：包括化学成分、力学性能、冶炼方
12、法、交货状态及表面质量五个方面。,表 2.1 碳素结构钢的化学成分（GB700-88）,表 2.2 碳素结构钢的力学性能（GB70088）,表2.3 碳素结构钢抗弯试验指标(GB700-88),4.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
13、零件。,二、低合金高强度结构钢,1.定义：在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的结构钢。2.牌号表示方法：由代表屈服点的字母、屈服点数值和质量等级符号三个部分按顺序组成；共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。3.技术要求：包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态及表面质量五个方面。,表 2.4 低合金高强度结构钢的化学成分（GB1591-94）,续表,续表,续表,表 2.5 低合金高强度结构钢的力学性能（GB1591-94）,续表,续表,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。
14、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。,二、钢结构用钢材（一）型钢 1、热轧型钢 钢结构常用的热轧型钢有：工字钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢、H型钢、T型钢等。,2、冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢用26mm的钢板经冷弯或模压而制成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢和方形、矩形等空心薄壁型钢。,3、钢板和压型钢板 钢板是用碳素结构钢和低合金钢
15、轧制而成的扁平钢材，可热轧或冷轧生产。以平板状态供货的称钢板，以卷状供货称钢带。厚度大于4mm以上为厚板，厚度小于或等于4mm的为薄板。热轧碳素结构钢厚板是钢结构的主要用材，低合金钢厚板用于重型结构、大跨度桥梁和高压容器等。薄板主要用于屋面、墙面或压型板的原料等。压型钢板用薄板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等，制成彩色、镀锌、防腐等薄板。其质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观等特点。主要用于围护结构、楼板、屋面等。,钢筋和钢丝,一、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：热轧光圆钢筋HPB235；热轧带肋钢
16、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,表 2.6 热轧钢筋的力学性能及工艺性能,4.应用,Q235钢筋的强度低，但塑性与可焊性很好，主要用作小型普通钢筋混凝土结构的主筋。使用时常进行冷加工，以提高钢材的利用率。HRB335、HRB400级钢筋强度较高，塑性和可焊性也较好。GB50010-2001提倡HRB400级作为钢筋混凝土结构的主力钢筋，广泛用作各种普通钢筋混凝土结构中的主筋以及预应力混凝土结构中的非预应力筋。HRB500级钢筋强度高，但塑性和可焊性较差，可用作预应力混凝土结构中的主
17、筋。,二、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相关规定。如表所示。,表 2.8 冷轧带肋钢筋主要力学性能和工艺性能,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
18、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。,冷拉热轧钢筋,目的：为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工 规程对热轧钢筋进行冷拉。分级：冷拉级、冷拉级冷拉级、冷拉级选用冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋。冷拉、级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土 结构的预应力筋。由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断，因此，冷拉钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。,四、热处理钢筋,1.定义：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。2.规格：公称直径6、8.2、10mm。3.牌号：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三个。4.力学性能,预
19、应力混凝土用热处理钢筋的力学性能,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。,五、冷拔低碳钢丝,冷拔低碳钢丝是将直径为6.5mm或8mm的碳素结构钢热轧盘条，在常温下通过拔丝机进行多次强力拉拔而成。,六、钢丝,1.定义：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.力学性能应符合相关规定。4.应用：钢丝主要用作桥梁、吊车梁、电杆、楼
20、板、大口径管道等预应力混凝土构件中的预应力筋。,七、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。,本章小结,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。,
