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1、第八章 建筑钢材及铝材,石河子职业技术学院,教学要求：了解钢材的分类；掌握建筑钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性能、冲击韧性和硬度；掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影响；了解钢材的冷加工、热处理和焊接；教学重点、难点：建筑钢材的的标准及选用；,石河子职业技术学院,概 述：,（1）钢材的定义：钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料；（2）钢材的优点以及缺点：优点：（1）抗拉、抗压、抗冲击性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便；缺点：易锈蚀；,石河子职业技术学院,（3）建筑钢材：,建筑钢材是指建筑工程中用的
2、各种钢材。建筑钢材主要包括：钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等）；板材（如钢板等）；混凝土用各种钢筋、钢丝和钢绞线等；,石河子职业技术学院,钢结构用各种型材示意图：,石河子职业技术学院,8.1 钢的冶炼加工与分类,钢一般是由生铁在炼钢炉中熔炼而成的；但是生铁中含有较多的碳（通常为2%4.5%）和其他的杂质；炼钢的实质：就是把熔融的生铁进行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他杂质降低到容许的范围；,石河子职业技术学院,8.1.1 钢的冶炼加工及对钢材质量的影响,（1）转炉钢：以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢
3、；（2）平炉钢：以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做平炉钢；（3）电弧炼钢：用电热进行高温冶炼而得到的钢；一般用高压电弧作为热源，故熔炼的温度高，且温度可以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最好；,大规模炼钢的方法主要有：（1）转炉钢（2）平炉钢（3）电弧炼钢,石河子职业技术学院,（1）沸腾钢：仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，脱 氧很不完全的钢；（2）镇静钢：用必要数量的硅、锰和铝等脱氧 剂进行彻底脱氧而得到的钢；（3）半镇静钢：脱氧程度以及钢的质量介于沸 腾钢和半镇静钢之间；,按脱氧的方式分为三大类（1）沸腾钢；（2）镇静钢；（3）半镇静
4、钢,脱氧的目的：去掉冶炼过程中形成的FeO,石河子职业技术学院,按压力加工方式分为两大类（1）热加工钢材：是将钢锭加热到一定温度，使得钢锭成呈塑性状态进行的压力加工，如热轧、热锻（2）冷加工钢材：指在常温下进行加工的钢材；压力加工的目的：排掉冶炼、铸锭过程中钢材结构的不均匀、气泡等缺点；,石河子职业技术学院,8.1.2 钢的分类,1）碳素钢：指含碳量小于2%的钢，一般又分为以下三种：低碳钢：含碳量小于0.25%的碳素钢；中碳钢：含碳量在0.25%0.6%之间；高碳钢：含碳量在0.6%2%之间；,（1）按化学成分分为两大类：碳素钢 合金钢,石河子职业技术学院,2）合金钢：,为改善钢的某些性质而特
5、意加入的一定量的一种或几种合金元素；如硅、锰和镍等；合金钢分为三类：低合金钢：合金元素总量小于5%的钢；中合金钢：合金元素总量在5%10%之间的钢；高合金钢：合金元素总量大于10%的钢；,石河子职业技术学院,（2）按主质量等级分为三大类：普通质量钢 优质钢 高级优质钢；,（3）钢材按用途分为三大类：1）结构钢：建筑结构工程中最常用的钢种 是碳素结构钢和低合金高强度结构钢；2）工具钢：用于各种切削工具的钢；3）特种钢：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等；,石河子职业技术学院,总结：建筑结构工程中最常用的 钢种是碳素结构钢和低合 金高强度结构钢；,石河子职业技术学院,8.2 建筑钢材的主
6、要技术性能,钢材的性质包括强度、弹性、塑性和韧性。,石河子职业技术学院,8.2.1 力学性能,弹性阶段（I）：OA段是一条直线，应力与应变成正比，A 为弹性极限强度；屈服阶段（II）：AB段，钢材失去了弹性变形的能力，应力增加不大，但应变迅速增加，发生了屈服现象。强化阶段（III）：BC段，钢材内部组织发生了变化，提高了抵抗外力的能力。颈缩阶段（IV）：CD段，变形迅速发展，应力下降，到D点发生试件的破坏。,8.2.1.1 抗拉性能低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段：,第16页，共61页,屈强比定义屈强比指钢材拉伸时的屈服强度和抗拉强度的比值，用Sb表示。屈强比的工程意义屈强比越小，反映钢材受
7、力超过屈服点工作时的可靠性大，因而结构的安全性高。但屈强比太小，反映钢材不能有效地被利用。屈强比大，钢材的强度利用较为充分，但钢材受力超过屈服点工作时的可靠性差。,石河子职业技术学院,钢筋的拉伸实验：,石河子职业技术学院,石河子职业技术学院,钢筋塑性的表示指标:,伸长率：试件拉段后，标距长度的增量与原标距 长度之比,断面收缩率：是指断面口处的面积收缩量与原面积之比；,石河子职业技术学院,8.2.2 工艺性能,8.2.2.1 冷弯性能冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲的能力。冷弯曲实验一般是把钢材按规定的角度（90或 180度）与n(n=弯心直径d/钢材的厚度或直径a)进行弯曲。,石河子职业技术学
8、院,8.2.2.2 冷加工性能及时效冷加工：指的是钢材在常温下进行的加工，常见的有冷拔、冷拉、冷轧，冷扭、刻痕等；时效：钢材随着时间的延长，强度和硬度提高，而塑性、韧性下降的现象；在冷加工状态下，时效性特别明显。一般建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强度。,石河子职业技术学院,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。自然时效:将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520;人工时效:将经过冷拉的钢筋加热到100200并保持一段时间；以上两个过程都称为时效处理。,石河子职业技术学院,在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强
9、度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。,石河子职业技术学院,8.2.3 钢的化学成分对钢材性质的影响,一般钢：碳、磷、硫、氧、氮等；合金钢：为改善钢材的某些性质，特意加入的元素，如锰、硅、钒、钛等。,石河子职业技术学院,1、碳,石河子职业技术学院,2、锰、硅 为脱氧而有意加入的元素，能显著提高钢材的强度，对塑性与韧性的影响不是很大。3、磷 使钢材的拉伸强度提高，塑性和韧性下降，能显著增加钢材的冷脆性，降低钢材的可焊性；4、硫 能使钢材产生
10、热脆性，降低钢材的热加工与可焊性；5、氧、氮 降低钢材的力学性质，严重影响了钢材的韧性，并能促进时效，降低钢材的可焊性；,石河子职业技术学院,8.3 建筑钢材的标准与选用,建筑钢材一般分两种：,1、钢结构用钢材:,2、钢筋混凝土结构用钢：,其中低合金结构钢：包括角钢、工字钢、槽钢和钢管、钢板等；,主要有钢筋、钢丝和钢绞线等,石河子职业技术学院,8.3.1 钢结构用钢材,1、碳素结构钢 牌号的表示方法：（如Q235A.F）（1）按屈服点值分为五种：195、215、235、355、275MPa；（2）按磷、硫杂质的含量由多到少分为A、B、C、D四个质量等级；（3）按脱氧方式分为F、b、Z、TZ四种
11、。,石河子职业技术学院,碳素结构钢的选用,从表8.1、表8.2可见，随着钢材牌号的增加，含碳量是增加的，钢材的屈服点与抗拉强度增加，但是塑性与韧性有所下降，因此对碳素结构钢而言，一般选择Q235牌号的钢作为钢结构用钢。,石河子职业技术学院,例：碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235AF和Q235号钢在性能上有何区别？解：碳素结构钢的牌号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。Q235AF和Q235D均为235碳素结构钢，是建筑中应用最多的碳素钢。二者性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。1）按硫、
12、磷含量多少来衡量，Q235D磷、硫含量均少于Q235AF,质量较好；2）按脱氧程度衡量Q235D为镇静钢，质量最好，Q235AF 为沸腾钢。3）Q235AF钢，仅适用于承受间接动荷载的静荷载的结构。而Q235D可适用于动荷载作用或处在低温环境下的工作条件。,石河子职业技术学院,2、低合金高强度结构钢,牌号的表示方法：如Q295A。其中Q表示屈服点，295MPa表示屈服值，A表示质量等级；分五个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460；应用：一般用于大跨度、大柱网结构,石河子职业技术学院,3、钢结构用钢材1）热轧型钢 角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢2）冷弯薄壁型钢 角钢
13、、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢3）钢板、压型钢板,石河子职业技术学院,8.3.2 钢筋混凝土用钢（包括钢筋、钢丝和钢绞线）,钢筋有以下三种：冷拉热轧钢筋：普通混凝土非应力钢筋；热处理钢筋：预应力混凝土枕轨、也用于预应力混凝土板、吊车梁等；冷轧带肋钢筋：在中小型预应力混凝土构件和普通的混凝土构件中应用广泛。,石河子职业技术学院,(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8.8，8.9-2。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
14、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。,石河子职业技术学院,（2）预应力混凝土用热处理钢筋 预应力混凝土用热处理钢筋是用8、10（）的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调质处理而成，代号为。优点：强度高，可代替高强钢丝使用；配筋根数少，节约钢材；锚固性好，不易打滑，预应力值稳定；施工简便，开盘后钢筋自然伸直，不需调直及焊接。主要用于预应力钢筋混凝土轨枕，也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。,石河子职业技术学院,（3）冷轧带肋钢筋 是采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或
15、三面有肋的钢筋；是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5级，其代号为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、和CRB1170，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。冷轧带肋钢筋的公称直径范围为12。冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合表8-8的要求。,石河子职业技术学院,（4）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。预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢盘条，经酸洗、冷拉或再经回火处理等工艺制成，钢铰线是由根直径为2.55.0的高强度钢丝，铰捻后经一定热处理清除内应力而制成。铰
16、捻方向一般为左捻。,石河子职业技术学院,8.3.3 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,石河子职业技术学院,8.4.1 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。,8.4 钢材的腐蚀和防止,石河子职业技术学院,（）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，形成微电池而引起的锈蚀。潮湿环境中的钢材表面会被一层电解质水膜所覆
17、盖，而钢材是由铁素体、渗碳体及游离石墨等多种成分组成，由于这些成分的电极电位不同，首先，钢的表面层在电解质溶液中构成以铁素体为阳极，以渗碳体为阴极的微电池。在阳极，铁失去电子成为Fe2+进入水膜；在阴极，溶于水膜中的氧被还原生成。,石河子职业技术学院,8.4.2 锈蚀的防止 钢结构防止锈蚀的方法通常是采用表面刷漆。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。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。,石河子职业技术学院,8.5 铝和铝合金材料（略）,石河子职业技术学院,本 章 结 束,
