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1、第3章 钢结构材料,知识目标了解钢结构所用材料、品种、规格；熟悉钢结构材料选用要求；熟悉钢结构材料的基本性能和钢材的基本知识。学习目标 通过理论教学和技能实训，学生能够了解钢结构所用材料、品种、规格；熟悉钢材材料的力学性能和材料基本知识。,第3章 钢结构材料,3.1基础知识,3.1.1.黑色金属、钢和有色金属的基本概念 3.1.2.常用钢材的分类1.按建筑用途分类 根据建筑用途分类，钢材可分为碳素结构钢、焊接结构耐候钢、高耐候性结构钢和桥梁用结构钢等专用结构钢。在建筑结构中，较为常用的是碳素结构钢和桥梁用结构钢。,第3章 钢结构材料,2.按化学成分分类,碳素钢。根据钢材含碳量的不同，可分为三种
2、：低碳钢：碳的质量分数小于0.25%的钢。中碳钢：碳的质量分数在0.25%0.60%之间的钢。高碳钢：碳的质量分数大于0.60%的钢。合金钢。在碳素钢中加入一定量的合金元素以提高钢材性能的钢，称为合金钢。可分为：低合金钢：合金元素总的质量分数小于5%的钢。中合金钢：合金元素总的质量分数在5%10%之间的钢。高合金钢：合金元素总的质量分数大于10%的钢。,第3章 钢结构材料,3.按品质分类,普通钢。甲类钢：只保证机械性能的钢。乙类钢：只保证化学成分，但不必保证机械性能的钢。特类钢：既保证化学成分，又保证机械性能的钢。优质钢。在结构钢中，含硫量不超过0.045%，含碳量不超过0.040%；在工具钢
3、中含硫量不超过0.030%，含碳量不超过0.035%。对于其他杂质，如铬、镍、铜等的含量都有一定的限制。高级优质钢。属于这一类的一般都是合金钢。钢中含硫量不0.020%，含碳量不超过0.030%，对其他杂质的含量要求更加严格。,第3章 钢结构材料,4.按钢材外形,可分为型材、板材、管材、金属制品四大类。其中建筑钢结构中使用最多的是型材和板材。,第3章 钢结构材料,3.1.3钢材术语与钢铁牌号,1.钢材术语表3.2 钢材缺陷术语表 3.3钢材常用标准术语表3.4钢材的交货状态2.钢铁牌号：采取汉字牌号和汉语拼音字母牌号(1)牌号中化学元素采用汉字或国际化学符号表示。如：“碳”或“C”、“锰”或“
4、Mn”、“铬”或“Cr”。(2)钢材的产品用途、冶炼方法和浇注方法，也采用汉字或汉语标音表示，原则上只用一个字母，取第一个字，一般不超过两个汉字或字母，见表3.6。,第3章 钢结构材料,第2章 钢结构的材料,3.2 钢材化学成分,钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。,3.2.1 化学成分,碳（C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，
5、是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。,第3章 钢结构材料,硅（Si）硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒
6、(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,第3章 钢结构材料,铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。硫（S）硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。,第3章 钢结构材料,磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的
7、杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。氧(O)、氮(N)氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。,第3章 钢结构材料,3.3.1钢材性能的分类,3.3钢材性能及检验方法,第3章 钢结构材料,A点所对应的应力为比例极限，而E点所对应的应力为弹性极限。Q235钢的比例极限，对应的应变。,3.3.2钢材力学性能,1较高的强度 钢材的强度指标主要有屈服强度（屈服点）fy和抗拉强度fu，可通过钢材的静力单向拉伸试验获得。标准试件（GB22863）l0/d=5或10，常温
8、（20）下缓慢加载，一次完成。标准拉伸曲线可以分为四个阶段：(1)弹性阶段（OE段）：材料处于纯弹性，卸载后无残余应变；,第3章 钢结构材料,(4)颈缩阶段（BD段）极限强度后，试件出现局部截面横向收缩，塑性变形迅速增大，即颈缩现象。此时，只要荷载不断降低，变形能继续发展，直至D点试件断裂。,(2)屈服阶段（ECF段）应力波动的最低值称为屈服点或屈服强度，屈服阶段从开始（E点）到曲线再度上升(F点)的变形范围较大，相应的应变幅度称为流幅。Q235钢的屈服点，对应的应变，流幅0.152.5。(3)强化阶段（FB段）应变的增加快于应力的增加，塑性特性明显。B点的应力为抗拉强度或极限强度。,第3章
9、钢结构材料,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,从拉伸曲线可以得到:钢材的屈服强度fy与比例极限fp和弹性极限fe很接近，在屈服强度之前，钢材应变很小，而在屈服强度以后，钢材产生很大的塑性变形，常使结构出现了使用上不允许的残余变形。因此认为：屈服强度是设计时钢材可以达到的最大应力，钢材可看作为理想的弹塑性。抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大应力，屈强比（fy/fu）是衡量钢材强度储备的一个系数，屈强比愈低钢材的安全储备愈大，但屈强比过小时，钢材强度的利用率太低，不够经济；屈强比过大时，安全储备太小而不够安全。屈服强度和抗拉强度是承重结构所用钢材应具有的基本保证项目，对一般非承
10、重结构构件所用钢材只要保证抗拉强度即可。,第3章 钢结构材料,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,2.良好的塑性 塑性是指钢材在应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。一般用伸长率来衡量，它由钢材的静力单向拉伸试验得到。值愈大，钢材的塑性愈好。试件l0/d=5和=10时测得的伸长率分别以5和10表示，d为试件直径。,承重结构用的钢材，不论在静力荷载或动力荷载作用下，以及在加工制作过程中，除了应具有较高的强度外，尚应要求具有足够的伸长率，对非承重结构构件所用钢材也要保证其伸长率。,第3章 钢结构材料,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,3
11、.合格的冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下冷加工发生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力。用冷弯试验来检验，如果试件弯曲180，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性变形，还能暴露出钢材的内部缺陷。冷弯性能是衡量钢材力学性能的综合指标。,钢材的强度、塑性、冲击韧性和冷弯性能称为钢材的力学性能或机械性能。,第3章 钢结构材料,4.韧性好（冲击试验）韧性是指钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指标，它是强度和塑性的综合表现，是判断钢材在动力荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。韧性的好坏用冲击韧性值表示，它是对带
12、有夏比V型缺口（Charpy）试件进行冲击试验测得的试件断裂时的冲击功。,第3章 钢结构材料,第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求,韧性好表示在动荷载作用下破坏时能吸收比较多的能量，从而提高结构抵抗动力荷载的能力，降低脆性破坏的危险程度。对需要验算疲劳的结构所用钢材应具有在不同试验温度下的冲击韧性的合格保证。对其它重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于16mm的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。,第3章 钢结构材料,5.可焊性好,可焊性是指在一定的焊接工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。可分为施工上的可焊性的和使用上的可焊性。施工上的可焊性好是指在一定的焊
13、接工艺下，焊缝金属及其附近金属均不产生裂纹；使用上的可焊性好是指焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。普通碳素钢当其含碳量在0.27以下，含锰量在0.7以下，含硅量在0.4以下，硫、磷含量各在0.05以下时，可焊性是好的。对低合金钢，用碳当量CE衡量其可焊性。碳当量CE越高可焊性越差。,第3章 钢结构材料,3.4钢材的选用,1选择钢材牌号和材性时应综合考虑的因素(1)结构的重要性。(2)荷载情况。(3)连接方法。(4)结构所处的温度和环境 结构所处的环境条件，如温度变化情况及腐蚀介质情况等，(5)钢材厚度。,第3章 钢结构材料,3.5.1碳素
14、结构钢 碳素结构钢包括一般结构钢和工程用热轧钢板、钢带、型钢等。现行国家标准碳素结构钢(GB7002006)具体规定了它的牌号表示方法、代号和符号、技术要求、试验方法、检验规则等。碳素结构钢的化学成分、力学性能、特性和用途，应分别符合表3.7、表3.14、表3.16的要求。,3.5建筑常用钢材,第3章 钢结构材料,(一)牌号表示方法 1、分类：标准中规定：碳素结构钢按屈服点的数值(MPa)分为195、215、235、275共四种；按硫磷杂质的含量由多到少分为A、B、C、D四个质量等级；按照脱氧程度不同分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(z)和沸腾钢(F)。2、牌号：钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈
15、服点数值、质量等级和脱氧程度四个部分按顺序组成。对于镇静钢和特殊镇静钢，在钢的牌号中予以省略。如Q235-AF，表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。,第3章 钢结构材料,(二)钢材的选用 建筑工程中应用广泛的是Q235号钢。其含碳量为014022，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。在钢结构中主要使用Q235钢轧制成的各种型钢。Q195、Q215号钢，强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。Q
16、275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、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。,第3章 钢结构材料,3.5.2低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素(总含量小于5)的一种结构钢。尤其近年来研究采用铌、钒、钛及稀土金属微合金化技术，不但大大提高了强度，改善各项物理性能，而且降低了成本。目前，美国和我国在低合金高强度结构钢生产技术方面居世界领先地位。,第3章 钢结构材料,低合金结构钢的化学成分、力学性能、特性和用途，应分别符合表3.8、表3.18、表3.17的要求。在钢结构中常采用低合金高强度结
17、构钢轧制型钢、钢板、建筑桥梁、高层及大跨度建筑。,(一)牌号的表示方法 根据国家标准低合金高强度结构(GB15912008)规定，所加元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其牌号的表示方法由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级(分A、B、C、D、E五个等级)三个部分组成。,第3章 钢结构材料,钢结构采用的型材有热轧成形的钢板和型钢。钢结构构件一般应直接选用各种型钢。构件之间可直接或附联接钢板进行联接。联接方式有铆接、螺栓联接或焊接。型钢有热轧和冷轧成形两种。钢板也有热轧(厚度为035200mm)和冷轧(厚度为025mm)两种。常用型钢主要有角钢、工字钢、槽钢、H型钢、圆（方）钢、钢管等
18、，,3.6钢结构常用型材,第3章 钢结构材料,型钢工字钢、槽钢、圆钢、角钢等,第3章 钢结构材料,工字钢与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分 a、b 及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如：I32c,I32Q 等。H 型钢和剖分 T 型钢热轧 H 型钢分为三类：宽翼缘 H 型钢（HW）、中翼缘 H 型钢（HM）和窄翼缘 H 型钢（HN）。H 型钢型号的表示方法是先用符号 HW、HM 和 HN 表示 H 型钢的类别，后面加“高度（毫米）x 宽度（毫米）”,例如HW300 x300
19、，即为截面高度为 300mm，翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘 H 型钢。剖分 T 型钢也分为三类，即：宽翼缘剖分 T 型钢（TW）、中翼缘剖分 T 型钢(TM）和窄翼缘剖分 T 型钢(TN）。剖分 T 型钢系由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与 H 型钢类同。,1 热轧型钢 角钢有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x 10为肢宽 100 mm、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x 10 等。槽钢我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如 30a，指槽钢外廓高度为 30cm
20、 且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如 25Q，表示外廓高度为 25cm,Q 是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样号数时，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。,第3章 钢结构材料,1 热轧型钢,工字钢与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分 a、b 及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如：I32c,I32Q 等。,第3章 钢结构材料,1 热轧型钢,3）H型钢和T型钢,H型钢与普通工字钢的区别:翼缘宽，故早期有宽翼缘
21、工字钢一说；翼缘内表面无斜度、上下表面平行，便于与其它构件连接；从材料分布形式来看，工字钢材料主要集中在腹板附近，愈向两侧延伸，钢材愈少，而在轧制H型钢中，材料分布侧重在翼缘部分。所以，H型钢的截面特性要明显优越于传统的工、槽、角钢及它们的组合截面。,H型钢和T型钢均分为三类：宽翼缘：HW TW；中翼缘：HM TM；窄翼缘：HN TN。,如HW3003001015,第3章 钢结构材料,H型钢,第3章 钢结构材料,H型钢常用规格,第3章 钢结构材料,2.钢板、压形钢板,以平板状态供货的称钢板；以卷状供货的称钢带。按轧制温度不同，分为热轧和冷轧两种；按厚度热轧钢板分为厚板(厚度大于4mm)和薄板(
22、厚度为0354mm)两种；冷轧钢板只有薄板(厚度为生024mm)一种。彩钢板,钢带、钢板区别在成品形状,如500102100，50010,第3章 钢结构材料,第3章 钢结构材料,第3章 钢结构材料,3 冷弯薄壁型钢通常是用26mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。主要用于轻型钢结构。其标识方法与热轧型钢相同。,第3章 钢结构材料,冷弯C型钢、Z型钢 壁薄自重轻，截面性能优良，强度高，与传统槽钢相比，同等强度可节约材30%。C型钢广泛用于钢结构建筑的檩条、墙梁。Z型钢特别适用于大坡度屋面的檩条。C型钢高度为80、100、120、140、160五种规格，长
23、一般不超过12米。,第3章 钢结构材料,C型钢、Z型钢,第3章 钢结构材料,建筑业应用结构用冷弯方形管、矩形管 立柱采用方矩形管，以增大焊缝的长度，提高抗震性。冷弯方矩形管作立柱、H型钢作房梁其良好的抗震性能和经济优势 国外冷弯方矩形管和热轧H型钢在建筑业中的用量约为1：1的关系。,4.冷弯型钢,第3章 钢结构材料,冷弯型钢常用规格,第3章 钢结构材料,5.钢管,有热轧无缝钢管和焊接钢管两大类，焊接钢管分为直缝焊、螺旋焊两种，用符号“”后加“外径厚度”,如1025,螺旋焊管,第3章 钢结构材料,用于网架结构 三角形网架 星形网架,5.钢管,第3章 钢结构材料,星形网架,第3章 钢结构材料,3.
24、7 铝合金型材 铝合金型材具有良好的 耐蚀性能，在工业气愤和海洋性气氛下，未经表面处理的铝合金的耐腐蚀能力优于其他合金材料，经涂漆和氧化着色后，铝合金的耐蚀性更高。铝合金型材可进行热处理（一般为淬火和人工时效）强化。铝合金具有良好的机械加工性能，可用氩弧焊进行焊接，合金制品经阳极氧化着色处理后，可制成各种装饰颜色。,第3章 钢结构材料,一、铝合金门窗及其他铝合金制品1、铝合金门窗 铝合金门窗是将经表面处理的铝合金型材，经加工而制成的门窗构件。在建筑中采用铝合金门窗，尽管其造价比普通的钢门窗高3-4倍，但由于其长期维修费用低、性能好、可节约能源、特别是富有良好的装饰性，所以应用日益广泛。目前我国
25、已有平开铝窗、推拉铝窗、平开铝门、平推拉式铝门、铝制地弹簧门等几十种系列投入市场。基本满足了我国城乡建设的需要。,第3章 钢结构材料,2、铝合金装饰板 铝合金装饰板属于现代流行的建筑装饰材料，具有质量轻、不燃烧、耐久性好、施工方便、装饰华丽等优点，适用于公共建筑、室内外装饰饰面，产品颜色有本色、古铜色、金黄色、茶色等。3、铝合金吊顶材料 铝合金吊顶材料有质轻、不锈蚀、美观等优点，适用于较高的室内吊顶。全套部件包括铝龙骨、铝平顶筋、铝天花板及相应吊挂件等。4、专门的铝合金装饰制品 许多类型的棒、杆和其他的铝合金制品，可拼装成富有装饰性的栏杆、扶手、屏幕和格栅，能张开的铝合金片可用作装饰性的屏幕或
26、遮阳帘。,第3章 钢结构材料,2.塑钢门窗,产量将达到4000-4500万平方米，重点 在三北采暖和沿海地区加强推广应用。塑钢门窗是以氯乙烯(PVC)树脂为主要原料，加工成型材，型材的空腔里填加钢衬(加强筋）。型材壁厚应在2.5毫米以上。,第3章 钢结构材料,塑钢门窗与铝合金门窗性能比较,抗风压强度：塑窗(15002500Pa)比铝窗(2500350Pa)低2个等级。气密性：塑窗和铝窗在同一个等级上(2.50.5m3/mh)。保温性：能塑窗是铝窗的1.36倍(单层窗)和1.44倍(单框双玻窗)。采光性能：塑窗遮光面积比铝窗大10%左右。隔声性能：塑窗与铝窗性能相似防火性能、防雷和静电、装饰性：塑窗比铝窗差 塑窗存在老化问题 铝窗也存在变形问题 塑窗一般用于低层住宅。,第3章 钢结构材料,不同建筑门窗使用周期内投资比较表:（元/米2）,第3章 钢结构材料,复习思考题,1.钢材如何分类的？在钢材的化学成分中，应严格控制哪些有害成分的含量，为什么?2.钢材有哪些性能?选择钢材时应考虑哪些主要因素?3.钢材有几种规格?钢结构中热轧钢板、热轧型钢种类有哪些？型钢用什么符号表示?4.解释下列名词：(1)韧性(2)可焊性(3)交货状态5.温度对钢材性能有什么影响?6.根据学院和当地的实际情况，选择性的完成下篇第13.4节的实训项目。,第3章 钢结构材料,
