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第2章建筑金属材料,钢铁的区别,钢和铁的主要区别是含碳量的多少生铁的含碳量在2.11%4.30%，含杂质较多钢的含碳量在0.03%2.11%，含杂质较少,2.1钢材的分类,1.按化学成分分类碳素钢(含碳量在0.02%2.06%）低碳钢（C0.6%）合金钢：碳素钢中加入一定量的合金元素。低合金钢（合金10%）,2.按冶炼时脱氧程度分类,（）沸腾钢F（）镇静钢Z（）半镇静钢b（）特殊镇静钢TZ,3.按有害杂质含量分类,按钢中有害杂质磷（）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：普通钢(S0.050%;p0.045%)优质钢(S0.035%;p0.035%)高级优质钢(S0.025%;p0.025%)特级优质钢(S0.015%;p0.025%),建筑钢材,建筑钢材分为钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢。前者主要是型钢和钢板，后者主要是钢筋、钢丝、钢绞线等。建筑钢材的原料主要为碳素钢结构钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。,2.2建筑钢材的主要技术性能,力学性能工艺性能,抗拉性能拉伸试验冲击韧性冲击试验耐疲劳性疲劳试验,主要性能,冷弯性能冷弯试验焊接性能,1.抗拉性能拉伸试验,抗拉性能是建筑钢材最重要的性能，表征抗拉性能的技术指标有屈服点、抗拉强度及伸长率。（1）屈服点：设计时，一般以屈服强度或屈服点作为强度取值的依据。通常用s表示。对于硬钢，取残余变形为0.2原始标距长度时的应力作为屈服点，称为条件屈服点，用0.2表示。,（）抗拉强度与屈强比,对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用b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。,(3)伸长率,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。即表征了钢材的塑性变形能力。越大越好。,2.冲击韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。对直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行冲击韧性检验。,钢材冲击韧性与温度关系,冲击韧性随温度的降低而下降。当达到某一温度范围时，冲击值突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。,在负温下使用的结构，应当选用临界温度比使用温度低的钢材。,3.耐疲劳性,在反复荷载作用下，钢材在远低于抗拉强度时突然发生断裂，称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳强度极限表示，其含义是：试件在2106次应力循环作用下工作而不至引起断裂的最大应力。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。,4.冷弯性能,冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。试件按规定条件弯曲，若弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。它表征在恶劣变形条件下钢材的塑性，能揭示内应力，杂质等缺陷，可用于焊接质量的检验，能揭示焊件在受弯表面裂纹，杂质等缺陷。注意：伸长率和冷弯性能所体现钢材塑性的不同,5.可焊性,定义：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0.25，可焊性显著下降等。,2.3钢材的化学成分对性能的影响,1碳(C)；当含碳量小于0.8时，C含量增加将使抗拉强度及硬度提高，但塑性与韧性将降低，焊接性能、耐腐蚀性能也下降。2硅(Si)：当小于等于1时，Si含量的增加可显著提高强度及硬度，而对塑性及韧性无显著影响。3锰(Mn)：在一定限度内，随Mn含量的增加可显著提高强度并可消减因氧与硫引起的热脆性。改善热加工性能。4硫(S)：为有害元素，有强烈的偏析作用，使机械性能、焊接性能下降（引起热裂纹）。5磷(P)；为有害元素，含量的增加可提高强度，塑性及韧性显著下降。有强烈的偏析作用，引起冷脆性，焊接性下降。但可提高耐磨性及耐腐蚀性。,2.4钢材的强化与加工,1.冷加工强化,将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。,2.时效处理,将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520d，或加热至100200后保持一定时间（23h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。时效处理方法有两种：在常温下存放1520d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至100200后保持一定时间（23h），称人工时效，适合于高强钢筋。,3.热处理,热处理是将钢材按规定的温度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。,基本方法：退火、正火、淬火、回火目的：通过改变钢材组织，得到满足工程建设要求的钢材。,2.5土木工程常用建筑钢材,2.5.1建筑钢材的主要钢种,2.5.2建筑工程中钢材主要用途,2.5.1建筑钢材的主要钢种,牌号表示方法应用,优质碳素钢,低合金高强度结构钢,碳素结构钢,1.碳素结构钢,按国家标准GB700-2006规定，我国碳素结构钢分四个牌号，即195、Q215、Q235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。碳素结构钢的牌号表示:Q+数字+质量等级符号+脱氧程度符号组成A、B、C、DF、B、Z、TZ例如Q235-A.F.，它表示屈服点为235N2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。,碳素结构钢的具体牌号,Q195-Q195F、Q195b、Q195Q215-Q215AF、Q215Ab、Q215A、Q215BF、Q215Bb、Q215BQ235-Q235AF、Q235Ab、Q235A、Q235BF、Q235Bb、Q235B、Q235C、Q235DQ275-Q275随着牌号的增大，含碳量由小到大，抗拉强度逐渐提高，而伸长率及冷弯性能则随着牌号的增大而降低。随钢材质量等级的提高（AD），S、P含量越低，钢的质量越好，其焊接性能和低温抗冲击性能都得到提高。,应用,建筑工程中主要应用的碳素钢是Q235号钢，可轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。Q235号钢广泛用于一般钢结构。其中C、D级可用在重要的焊接结构。Q195、Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋。Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。选用钢材时，还要根据工程结构的荷载类型(动荷载或静荷载)、连接方式(焊接或铆接)及环境温度等，综合考虑钢材的牌号、质量等级、脱氧方法加以选择。如受动荷载、焊接结构、在低温情况下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢材及沸腾钢。,2.优质碳素结构钢,按国家标准GB/T6991999优质碳素结构钢的规定，优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为：普通锰含量（锰含量0.8）钢和较高锰含量（锰含量0.71.2）钢两组。优质碳素结构钢共有31个牌号，表示方法是：含碳量、含锰量、脱氧程度例：10F和45Mn、30分别表示平均含碳量为0.10沸腾钢和平均含碳量为0.45，较高含锰量的镇静钢。,优质碳素结构钢的基本牌号,08F、10F、15F、08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、15Mn、20Mn、25Mn、30Mn、35Mn、40Mn、45Mn、50Mn、60Mn、65Mn、70Mn共31个。在建筑工程中，30-45号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强螺栓，45号钢用作预应力混凝土锚具，65-80号钢用于生产预应力混凝土用碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。,3.低合金高强度结构钢,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，简称低合金结构钢。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、等。牌号表示：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。,应用,低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。,2.5.2建筑工程中钢材主要用途,用于混凝土结构：钢筋主要用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的配筋，是土木工程中用量最大的钢材之一。用于钢结构,1.混凝土结构用钢,1）热轧钢筋热轧光圆HPB235、HPB300Q235、Q300轧制热轧带肋HRB335HRBF500低合金钢以上钢筋除圆钢外，其它也称螺纹钢，钢筋的公称直径为8-50毫米，推荐采用的直径为8、12、16、20、25、32、40毫米。2）冷轧扭钢筋,4）预应力混凝土用钢丝冷拔钢丝和消除应力钢丝5）预应力混凝土用钢绞线以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除应力的热处理而制成。,3）冷轧带肋钢筋牌号：CRB+抗拉强度最小值CRB550为普通钢筋混凝土钢筋,d:412mmCRB650CRB800CRB970CRB1170为预应力钢筋，d：(4，5，6)mm,2.钢结构用钢,1）热轧型钢主要用于各种承重构件，梁、柱等。2）钢板和压型钢板主要用于维护结构、楼板、屋面。3）冷弯薄壁型钢主要用于轻型钢结构。,热轧型钢,1）简单断面型钢方钢热轧方钢、冷拉方钢；圆钢热轧圆钢、锻制圆钢、冷拉圆钢；线材；扁钢；弹簧扁钢；角钢等边角钢、不等边角钢；三角钢；六角钢；弓形钢；椭圆钢,2）复杂断面型钢,工字钢普通工字钢、轻型工字钢槽钢热轧槽钢（普通槽钢、轻型槽钢）、弯曲槽钢H型钢（又称宽腿工字钢）钢轨重轨、轻轨、起重机钢轨、其他专用钢轨窗框钢钢板桩弯曲型钢冷弯型钢、热弯型钢其他,角钢,角钢俗称角铁、是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边角钢和不等边角钢之分。等边角钢的两个边宽相等。其规格以边宽边宽边厚的毫米数表示。如“30303”，即表示边宽为30毫米、边厚为3毫米的等边角钢。,槽钢,槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。其规格表示方法，如120535，表示腰高为120毫米，腿宽为53毫米的槽钢，腰厚为5毫米的槽钢，或称12#槽钢。,H、T型钢的规格标记：,高度H宽度B腹板宽度t1翼缘厚度t2例：H340250914T248199914,2.6建筑钢材的腐蚀与防护,1、钢材的防锈混凝土配筋的防锈措施应考虑：限制水灰比和水泥用量，限制氯盐外加剂的使用，采取措施保证混凝土的密实性，还可以采用掺加防锈剂(加重铬酸盐等)的方法。2、钢材的防火裸露的、未作表面防火处理的钢结构，耐火极限仅15min左右。防火处理主要的方法是在其表面上涂敷防火涂料。防火涂料有STIA型钢结构防火涂料及LG钢结构防火隔热涂料等。,习题,1.严寒地区受动荷载作用的焊接结构，应选用碳素结构钢的品种是()。AQ235AFB.Q235BCQ235AbDQ235D2.钢材的化学成分中：在一定限度内，随（）含量的增加可显著提高强度并可消减因氧与硫引起的热脆性，改善热加工性能。A.SB.SiC.MnD.P,3.钢筋经冷拉和时效处理后，其性能的变化中，以下何种说法是不正确的？（）A.屈服强度提高B.抗拉强度提高C.断后伸长率减小D.冲击吸收功增大,4.关于冷弯性能正确的是（）。A、指钢材