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建筑钢材 省建研院 执行标准钢的冶炼和分类建筑钢材的主要技术性能及影响钢材的冷加工与热处理建筑钢材的选用钢材性能的检测 省建研院 执行标准 金属材料拉伸试验第1部分 室温试验方法 GB T228 1 2010 钢筋混凝土用钢第2部分 热轧带肋钢筋 GB1499 2 2007 钢筋焊接接头试验方法标准 JGJ T27 2001 省建研院 钢的冶炼和分类建筑钢材是建筑工程中使用的各种钢材 包括钢结构用的型钢 钢板和钢筋混凝土的用的钢筋 钢丝等 以及钢门窗和各种建筑五金等 钢材具有强度高 塑性和韧性好 能承受冲击和振动荷载 且易于加工和装配 钢材的缺点是易锈蚀和耐火性差 省建研院 钢的冶炼钢是含碳量为0 06 2 0 并含有某些其他元素的铁碳合金 铁矿石铁水 矿渣钢水 钢渣 省建研院 炼铁 冶炼 炼钢 冶炼 铁水铁块或废钢 钢的分类根据钢的化学成分 品质和用途不同 可分成不同的钢种 其中建筑上常用的钢种是普通碳素结构钢 低碳钢 和普通低合金结构钢 省建研院 省建研院 钢材 化学成分 冶炼时脱氧氧程度 品质和用途 1 碳素钢2 合金钢 1 普通质量钢2 优质钢3 高级优质钢4 特技优质钢 1 镇静钢2 沸腾钢3 半镇静钢 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 省建研院 2 线材如钢筋 钢丝等 省建研院 3 管材无缝钢管 焊接钢管等 省建研院 4 板材光面钢板 花纹钢板 彩色涂层钢板等 压型彩钢板 省建研院 钢材的主要技术性能及影响钢材的主要技术性能包括量方面 强度力学性能塑性韧性硬度工艺性能冷弯性能 焊接性能 省建研院 拉伸性能 力学性能力学性能又称机械性能 是钢材最重要的使用性能 在建筑结构中 对承受静荷载作用的钢材 要求具有一定的力学强度 保证正常工作和安全使用 对承受动荷载作用的钢材 还要求具有较高的韧性 不发生断裂 省建研院 拉伸性能强度在外力作用下 材料抵抗变形和断裂的能力称为强度 测定钢材强度的主要方法是拉伸试验 钢材受拉时 在产生应力的同时 相应地产生应变 应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征 省建研院 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 低碳钢的拉伸性能 省建研院 根据材料的性质 曲线可以分为四个阶段比例弹性阶段 非比例弹性阶段 弹塑性阶段 塑性阶段或屈服阶段 B B 应变强化阶段 颈缩破坏阶段 省建研院 弹性阶段 O A 屈服阶段 A B 强化阶段 颈缩阶段 0 低碳钢拉伸过程的 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 省建研院 0 弹性阶段示意图 p 比例极限 MPa B 弹性极限 MPa 注 由于A B两点相距较近 一般认为 p B 省建研院 弹性阶段应力与伸长率成正比关系 卸去外力 试件恢复原来的形状和尺寸 此阶段的变形称为弹性变形 在弹性阶段 应力与应变的比值为常数 即弹性模量E 弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力 弹性模量E越大 抵抗变形的能力越强 省建研院 0 屈服阶段示意图 放大后 省建研院 屈服阶段应力超过弹性极限后 出现塑性变形 出现一个波动的小平台 这种现象称为屈服 分为上屈服强度和下屈服强度 用ReH ReL表示 由于下屈服点的数值较为稳定且便于检测 因此它作为材料抵抗力的指标 称为屈服点或屈服强度 省建研院 以下屈服点作为钢材的屈服强度 屈服点是钢材力学性能最重要的指标 如果钢材超过屈服点以上工作 虽然没有断裂 但会产生不允许的结构变形 一般不能满足使用上的要求 因此 在结构设计时 屈服点是确定钢材容许应力的主要依据 省建研院 0 强化阶段示意图 b 抗拉强度或强度极限 省建研院 强化阶段当应力超过屈服强度后 由于内部晶格重新排列 其抵抗变形的能力又重新提高 伸长率随着应力的提高而增加 直至应力达到最大值 CD呈上升曲线 称为强化阶段 最高点D的应力称为抗拉强度 极限强度 用Rm表示 省建研院 抗拉强度是抵抗钢材受拉时所能承受的最大应力 是抵抗破坏能力的的重要指标 屈服强度和抗拉强度之比 ReL Rm 称为屈强比 是反映钢材的利用率和结构安全可靠程度 省建研院 能否利用抗拉强度进行结构设计 屈强比越小 表明结构的可靠性越高 不易发生脆裂和局部超载造成破坏 但屈强比太小不能充分充分发挥钢材的强度水平 导致钢材强度利用率偏低 造成浪费 不经济 建筑结构用钢合理的屈强比一般在0 60 0 75范围内 省建研院 0 颈缩阶段示意图 DE 颈缩阶段 省建研院 颈缩阶段当试件受力达到D点后 抵抗变形的能力明显下降 塑性变形急剧增加 应力逐渐下降 试件薄弱处的截面积将显著缩小 产生 颈缩 现象 直到断裂 省建研院 强度指标屈服强度 抗拉强度 塑性指标伸长率 省建研院 塑性塑性表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力 它是钢材的一个重要指标 钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示 省建研院 将试件断裂后的两端合拼起来 测定断后标距的残余伸长与原始标距之比的百分率 称为断后伸长率 A A Lu Lo LoLu 拉断后标距的长度 mmLo 试件原始标距长度 mm 省建研院 断后伸长率 A 是表明钢材塑性变形能力的重要指标 A越大说明钢材的塑性越好 由于试件发生颈缩 塑性变形在标距内分布不均匀 颈缩伸长值最大 原标距越长 颈缩伸长值在整个伸长值中的比重越小 造成伸长率偏小 需要确定原始标距 因此 金属材料拉伸试验第1部分 室温试验方法 GB T228 1 2010中对标距长度进行了规定 省建研院 比例试样 1 标距为 为横截面面积 d为试样横截面直径 r为半径 省建研院 2 符号A应附下脚注说明使用的比例系数 例如 A11 3表示原始标距为11 3非比例试样 符号A应附下脚注说明使用的原始标距 以mm表示 例如 A80mm 表示原始标距为80mm的断后伸长率 省建研院 断面伸长率Z是指试件拉断后颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积之比的百分率Z So Su SoSu 拉断后最小横截面积 mm2So 试件原始横截面积 mm2Z越大 钢材的塑性越好 省建研院 钢材塑性大 不仅便于进行各种加工 而且能保证钢材在建筑上的安全使用 因为钢材的塑性变形能调整局部高峰应力 使之趋于平缓 以免引起建筑结构的局部破坏及其导致的整个结构破坏 钢材在塑性破坏前 有很明显的变形和较长的变形持续时间 便于人们发现和补救 省建研院 韧性韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力 通常用冲击韧性来表示 以摆锤冲断V形缺口试件时 单位面积所消耗的功来表示 省建研院 温度对冲击韧性有重大影响 当温度降低到一定程度时 冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性 这一现象称为冷脆性 这一温度范围称为脆性临界 转变 温度 临界温度越低 钢材的低温冲击韧性越好 省建研院 材料在使用过程中 可能承受多次重复的小量冲击荷载 因此冲击试验所得的一次冲击破坏的冲击韧性与这种情况不符合 材料承受多次小量重复冲击荷载的能力 主要取决于其强度的高低 而不是其冲击韧性的大小 省建研院 硬度硬度表示钢材表面局部体积内抵抗变形的能力 是衡量钢材软硬程度的一个指标 钢材硬度测定是以硬物压入钢材表面 然后根据压力大小和压痕面积或压入深度来评定钢材硬度的 常用指标有布氏硬度 HB 和洛氏硬度 HR 省建研院 工艺性能工艺性能表示钢材在各种加工过程中的行为 良好的工艺性能是钢制品或构件的质量保证 而且可以提高成品率 降低成本 主要包括 冷弯 冷拉 冷拔及焊接性能 省建研院 冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲而不破坏的能力 弯曲程度用弯曲角度和弯心直径对试件厚度或直径的比值来衡量 冷弯试验是将钢材按规定的弯心直径弯曲到规定的角度 通过检查弯曲后钢材试件拱面和两侧面是否发生裂纹 起层或断裂来判定合格与否 省建研院 弯曲角度越大 弯心直径对试件厚度或直径的比值越小 则表示钢材的冷弯性能越好 建筑结构在加工和制造过程中 常用把钢板 钢筋等材料弯曲成一定形状 都需要钢材有良好的冷弯性能 钢材在弯曲过程中 受弯部产生局部不均匀塑性变形 这种变形在一定程度上比伸长率更能反映钢材的内部组织状态 内应力及杂质等缺陷 省建研院 省建研院 冷弯试验的指标 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 试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格 焊接性能焊接是把两块金属局部加热并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态 从而使之牢固地联接起来 焊接性能 可焊性 指钢材在通常的焊接方法与工艺条件下获得良好焊接接头的性能 省建研院 可焊性好得钢材易于用一般焊接方法和工艺施焊 焊接时不易形成裂纹 气孔 夹渣等缺陷 焊接接头牢固可靠 焊缝及其附近受热影响区的性能不低于母材的力学性能 建筑工程中 焊接结构应用广泛 如钢结构构件的联接 钢筋混凝土的钢筋骨架 接头及预埋件 连接件等 省建研院 低碳钢有优良的可焊性 高碳钢的焊接性能较差 钢材的冷加工和热处理在日常生产或应用过程中 常对钢材进行加工处理 为了达到提高钢材性能 及节约钢材用量的目的 常用的加工方式主要有冷加工和热处理 省建研院 冷加工与时效冷加工指钢材在再结晶温度下 常温 进行的机械加工 如冷拉 冷轧 冷拔 冷扭和冷冲等加工 将钢材在常温下进行冷拉 冷拔冷轧使钢材产生塑性变形 从而使强度和硬度提高 塑性 韧性和弹性模量明显下降 这种过程称为冷加工强化 省建研院 屈服点提高 冷加工变形越大 则强化越明显 即屈服强度提高越多 而塑性和韧性下降也越大 冷加工强化是由于钢材在冷加工变形时 发生晶粒变形 破碎和晶格歪扭 从而导致钢材屈服强度提高 塑性降低 省建研院 现象和原理 省建研院 冷加工后的钢材随时间的延长 强度 硬度提高 塑性 韧性下降的现象称为时效强化 省建研院 屈服强度和极限强度随时间而提高 伸长率和冲击韧性逐渐降低 弹性模量得已恢复 自然时效 冷加工后常温下存放15 20d 强度较低钢材 人工时效 冷加工后加热至100 200 保持2h 强度较高钢材 因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性 用应变时效敏感系数来表示 即时效前后冲击韧性值的变化率 应变时效敏感系数越大 则时效后冲击韧性的降低愈显著 对于受到振动冲击荷载作用或出于较低温度下的重要结构 为避免脆性破坏 应选用时效敏感性小的钢材 省建研院 热处理热处理是将钢材在固态范围内进行加热 保温和冷却 从而改变其金相组织和显微结构组织 获得需要性能的一种综合工艺 主要包括以下几种方法 退火 正火 淬火和回火 省建研院 退火 将钢材加热到一定温度 保温后缓慢冷却 随炉冷却 的一种热处理工艺 正火 退火的一种特例 两者仅冷却速度不同 正火是在空气冷却 强度 硬度更高 淬火 将钢材加热到相变临界点以上 900 以上 保温后放入冷水或油等冷却介质中快速冷却的一种热处理操作 回火 将钢材加热到相变温度以下 保温后在空气中冷却的热处理工艺 目的是消除淬火产生的很大内应力 省建研院 建筑钢材的选用碳素结构钢优质碳素钢低合金高强度结构钢 省建研院 碳素结构钢1 牌号由代表屈服强度的字母 屈服强度数值 质量等级符号 脱氧方法符号等四部分顺序组成 其中以 Q 代表屈服强度 例Q235AF 省建研院 例Q235AF 屈服强度为235MPa的A级沸腾钢Q 钢材屈服强度 屈 字汉语拼音首位字母 195MPa 215MPa 235MPa 275MPa 屈服强度数值 A B C D 质量等级 F 沸腾钢 沸 字汉语拼音首位字母 Z 镇静钢 镇 字汉语拼音首位字母 TZ 特殊镇静钢 特 字汉语拼音首位字母 省建研院 2 技术性能参照 碳素结构钢 GB T700 2006的规定 省建研院 3 用途Q195强度不高 塑性 韧性 加工性能与焊接性能较好 主要用于轧制薄板和盘条等 Q215用途与Q195基本相同 还大量用做管坯和螺栓等 Q215经冷加工后可代替Q235使用 省建研院 Q235强度适中 有良好的承载性 又具有较好的塑性和韧性 可焊性和可加工型也好 是建筑工程中应用最广泛的碳素钢 Q235钢可轧制成各种型材 钢板 管材和钢筋 Q275强度 硬度较高 耐磨性较好 但塑性 冲击韧性和可焊性差 因此 Q275钢不宜在建筑结构中使用 主要用于制造轴类 农具 耐磨零件和垫板等 省建研院 低合金高强度结构钢在碳素钢基础上 添加总量少于5 合金元素的钢材 具有强度高 塑性和低温冲击韧性好 耐锈蚀等特点 省建研院 1 牌号由代表屈服强度的字母 屈服强度数值 质量等级符号 三部分顺序组成 例Q345 D表示屈服强度为345MPa的D级钢 省建研院 2 技术性能参照 低合金高强度结构钢 GB1591 2008的规定 省建研院 3 用途由于合金元素的强化作用 是低合金结构钢不但具有较高的强度 且具有较好的塑性 韧性和可焊性 Q345钢的综合性能较好 是钢结构的常用牌号 与碳素结构钢Q235相比 低合金高强度结构钢Q345的强度和承载力更高 并具有良好的承受东荷载和耐疲劳性能 但价格稍高 省建研院 用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢Q235可节省钢材15 25 并减轻结构的自重 低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中 特别是大型结构 重型结构 大跨度结构 高层结构 桥梁结构 承受动力荷载和冲击荷载的结构 省建研院 钢的选用不同建筑结构对材质的要求是 重要结构构件 梁柱 屋架 高于一般构件 受拉 受弯构件高于受压构件 焊接结构高于栓接或铆接结构 低温工作环境的结构高于高温工作环境的结构 直接承受动力荷载的结构高于间接承受动力荷载或承受静荷载的结构 省建研院 钢筋混凝土用钢材混凝土具有较高的抗压强度 但抗拉强度很低 用钢筋增强混凝土 可大大扩展混凝土的应用范围 而混凝土又对钢筋起到保护作用 钢筋混凝土结构用的钢筋 主要由碳素结构钢 低合金高强度结构钢和优质碳素钢制成 省建研院 热轧钢筋热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋 按外形可分为光圆和带肋两种 牌号热轧直条光圆钢筋 HPB235热轧带肋钢筋 HRB335 HRB400 HRB500 省建研院 省建研院 H R B分别为热轧 Hotrolled 带肋 Ribbed 钢筋 Bars 三个词英文首位字母 推荐公称尺寸 光圆 8 10 12 16 20 带肋 6 8 10 12 16 20 25 32 40和50mm 热轧钢筋的力学性能 工艺性能 省建研院 按屈服强度分级 冷轧钢筋冷轧带肋钢筋是由热轧原盘条经冷轧或冷拔减径后 在其表面冷轧称两面或三面有肋的钢筋 也可低温回火处理 按抗拉强度分为CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170共五个牌号 直径范围为4 12mm 推荐的公称直径为5 6 7 8 9 10mm 省建研院 1 概述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 其外形分别见右图 代号为RB150 2 规格公称直径6 8 2 10mm 3 牌号有40Si2Mn 48Si2Mn和45Si2Cr三个 有纵肋 无纵肋 省建研院 4 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 预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能 预应力混凝土用钢丝 钢绞线 省建研院 省建研院 省建研院 省建研院 钢丝1 生产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