土木工程材料-建筑钢材汇编

1、第一节第一节 概述概述什么是建筑钢材？什么是建筑钢材？l钢材钢材是钢经过冷、热加工而得到的各种定是钢经过冷、热加工而得到的各种定型产品。型产品。l建筑钢材建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢管、钢板和用圆钢、角钢、工字钢等）、钢管、钢板和用于钢筋混凝土的各种钢筋、钢丝等。于钢筋混凝土的各种钢筋、钢丝等。建筑钢材的特点？建筑钢材的特点？强度高；强度高；韧性、塑性好；韧性、塑性好；抗冲击，能承受较大的塑性变形，便于抗冲击，能承受较大的塑性变形，便于冷加工；冷加工；质量均匀，性能可靠；质量均匀，性能可靠；易锈蚀；易锈蚀；高温时易丧失强度。高温时易

2、丧失强度。明石海峡大桥明石海峡大桥20世纪最长的桥（主跨世纪最长的桥（主跨1990m）强度高、强度高、西尔斯大西尔斯大厦厦钢材的缺陷钢材的缺陷容易腐蚀：容易腐蚀：l措施：表面涂层，电镀，与混凝土复合措施：表面涂层，电镀，与混凝土复合耐火性差耐火性差双塔巨型的中心区钢柱，与外围钢柱，通过地板横梁以多重双塔巨型的中心区钢柱，与外围钢柱，通过地板横梁以多重锁扣和焊接的方式，紧密相连，形成相对轻盈而又异常坚固锁扣和焊接的方式，紧密相连，形成相对轻盈而又异常坚固的的“筒中筒筒中筒”结构。结构。 谁能想象这栋曾被称为世谁能想象这栋曾被称为世界建筑典范的双塔，却在界建筑典范的双塔，却在9/11当天，被飞机在

3、当天，被飞机在82层层和和96层撞击后，整栋大楼层撞击后，整栋大楼以近乎完美的垂直方式自以近乎完美的垂直方式自我毁灭了呢？我毁灭了呢？ 大楼轻易地承受了飞机的撞击。撞击口很快变黑，大楼轻易地承受了飞机的撞击。撞击口很快变黑，提示中心区有大火。提示中心区有大火。 南塔在飞机南塔在飞机撞击后撞击后5656分分钟，爆炸而钟，爆炸而成巨大的粉成巨大的粉尘，各种碎尘，各种碎片向四周喷片向四周喷射。射。 北塔完完全全地在北塔完完全全地在半空中化为粉末，半空中化为粉末，形成了与火山碎屑形成了与火山碎屑流非常相似的尘雾流非常相似的尘雾云，并迅速扩张到云，并迅速扩张到原来建筑物的数倍原来建筑物的数倍之大之大(四

4、张照片分别四张照片分别为开始倒塌后为开始倒塌后7， 13.3， 14.5，22秒秒)。 完美地塌陷在其边界内，没有对完美地塌陷在其边界内，没有对周围建筑物产生如何损坏。周围建筑物产生如何损坏。 建筑工程中作为结构材料建筑工程中作为结构材料l用型材作钢结构；用型材作钢结构；l用钢筋作钢筋混凝土结构。用钢筋作钢筋混凝土结构。钢材的分类钢材的分类1. 按化学成分分类铁铁 （C2%）：）：炼钢生铁；铸造生铁；合金生铁炼钢生铁；铸造生铁；合金生铁钢钢 （C2% ）l碳素钢碳素钢l低碳钢（低碳钢（C0.6%）l合金钢合金钢l低合金钢（合金低合金钢（合金10%）东京塔东京塔钢材钢材埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔铸铁铸

5、铁2. 按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类（）沸腾钢。（）沸腾钢。（）镇静钢（）镇静钢。（）半镇静钢。（）半镇静钢。（）特殊镇静钢。（）特殊镇静钢。脱氧脱氧沸腾钢：沸腾钢： 碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的低温下的冲击韧性冲击韧性较差。较差。(F)半镇静钢：半镇静钢： 脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(b)镇静钢：镇静钢： 脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。和时效敏感性较低

6、，疲劳强度和可焊性较好。(Z)特殊镇静钢：特殊镇静钢： 脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ) 3. 按有害杂质含量分类按有害杂质含量分类按钢中有害杂质磷（）和硫（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：含量的多少，钢材可分为以下四类：（）（）普通钢普通钢。（）（）优质钢优质钢。 （）（）高级优质钢高级优质钢。（）（）特级优质钢特级优质钢。4.根据性能及使用特性分类根据性能及使用特性分类结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢专门用途钢专门用途钢主要建筑钢材主要建筑钢材建筑上所用的主要是：建筑上所用的主要是

7、：属于属于碳素结构钢碳素结构钢的的低碳钢；低碳钢；属于属于普通钢普通钢的的低合金结构钢。低合金结构钢。钢的冶炼、加工及对钢材性能的影响1.钢的冶炼钢的冶炼1.钢的冶炼 根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种原料特点生产钢种氧气转炉氧气转炉 铁水，铁水，废钢废钢 可有效除去磷、硫杂质少，可有效除去磷、硫杂质少， 碳素钢碳素钢 效率高效率高 质量好。质量好。 低合金钢低合金钢 电炉电炉 生铁、废钢生铁、废钢 产量低、耗电大，杂质少产量低、耗电大，杂质少 合金钢合金钢 质量最好质量最好，成本高成本高

8、优质碳素钢优质碳素钢平炉平炉 生铁、废钢生铁、废钢 时间长，成分稳定时间长，成分稳定 碳素钢碳素钢 质量较好、成本较高质量较好、成本较高 低合金钢低合金钢2.钢的加工钢的加工热轧（压力热加工）热轧（压力热加工）冷加工（常温冷拉、冷拔、冷轧）冷加工（常温冷拉、冷拔、冷轧）热处理热处理时效时效l自然时效：冷拉后常温下放自然时效：冷拉后常温下放15201520天天l人工时效：加热人工时效：加热100200100200，存放一段时间，存放一段时间钢的晶体组织钢的晶体组织 金属的晶体结构金属的晶体结构 1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形状排列，形成体心立方

9、、面心立方和密排六方状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格；等三种晶格；2、晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合，、晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合，所有的价电子为自由电子；所有的价电子为自由电子；3、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，各晶粒之间存在晶界。各晶粒之间存在晶界。 钢中的晶体组织与性能钢中的晶体组织与性能铁素体铁素体 碳溶于碳溶于 Fe中的固溶体。中的固溶体。 Fe为体心结构，孔隙较为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度较低。与硬度较低。渗碳

10、体渗碳体 铁和碳的化合物铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达，含碳量高达6.69，故性质硬，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。珠光体珠光体 铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量中，含碳量0.77，其性质介于二者之间。，其性质介于二者之间。奥氏体奥氏体 碳溶于碳溶于 Fe中的固溶体，在中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量以上存在，含碳量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。在高温下热加工。钢材的力学性能及工艺性能钢材的力学性能及工

11、艺性能 一、力学性能一、力学性能1. 抗拉性能抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。技术指标：由拉力试验测定的屈服点、抗技术指标：由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。拉强度和伸长率。强度指标强度指标弹性极限（弹性极限（e） 表示钢材保持弹性变形表示钢材保持弹性变形, 不产生塑不产生塑性变形的最大应力性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。是弹性零件的设计依据。屈服强度（屈服强度（ s） 表示钢材开始发生明显塑性变形表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。的抗力，是钢结构设计的依据。条件屈服强度条件屈服强度 0.2 对于屈服现象不

12、明显的硬钢，则对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为规定以产生残余变形为0.2%时的应力。时的应力。 强度极限强度极限(抗拉强度抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的表示金属受拉时所能承受的最大应力。最大应力。 （）屈服点（）屈服点当对试件的拉伸进入塑性当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时，变形的屈服阶段时，称屈服下限称屈服下限下下所对应的应所对应的应力为屈服强度或屈服点，力为屈服强度或屈服点，记做记做s s。设计时一般以设计时一般以s s作为强度作为强度取值的依据。对屈服现象取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以不明显的钢材，规定以0.20.2残余变形时的应力残余变形时的应

13、力0.20.2作为屈服强度。作为屈服强度。（）抗拉强度与屈强比（）抗拉强度与屈强比对应于最高点的应力称为抗拉强度，用对应于最高点的应力称为抗拉强度，用b表示。表示。设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比sb有有一定意义。一定意义。l屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性屈强比愈小，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；愈大，因而结构的安全性愈高；l屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。因此，屈强比最好在因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。，既安全又经济。(3) 伸长率：

14、伸长率：量出拉断后标距部分的长度量出拉断后标距部分的长度L Ll l，标距的伸，标距的伸长值与原始标距长值与原始标距L L0 0的百分率称为伸长率。的百分率称为伸长率。即：即：%100001LLL断面收缩率（断面收缩率（） 试样拉断后试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。率。 = （F0F1）/ F0 100% 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大。塑性越大。L1L0伸长L0L1F0F1F1F0颈缩n=(L1-L0)/L0100%=(F0-F1)/F0100%2

15、硬度硬度 钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。布氏法和洛氏法两种方法测定。 洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图布氏硬度测量原理图布氏硬度测量原理图3 冲击韧性冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是夏比冲击试验确定的。冲击韧性指标是夏比冲击试验确定的。l以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标；截面积上所消耗的功，即

16、为钢材的冲击韧性指标；l用冲击韧性用冲击韧性ak（/cm2）表示。）表示。ak值愈大，冲击值愈大，冲击韧性愈好。韧性愈好。冲击试验：冲击试验：测量摆锤冲击前后的能量测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差差摆锤的高度差摆锤的摆锤的质量。质量。 再测量试件断裂面积。再测量试件断裂面积。摆锤试件H0H1二二 、工艺性能、工艺性能1. 冷弯性能冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。l 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90、180）及弯心直径对试件厚度（或直径）及弯心直径对试件厚度（或直径）a的比值（的比值（/a）区分的，试件按

17、规定的弯曲角）区分的，试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。，即认为冷弯性能合格。P钢材的冷弯试验ad外拱面2.可焊性可焊性指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。程度。影响钢材可焊性的主要因素是：影响钢材可焊性的主要因素是：化学成分及化学成分及含量。含量。l硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。l含碳量超过含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。，可焊性显著下降等。合格合格不合格不合格钢材的可焊性试验

18、钢材的可焊性试验焊接点焊接点断裂点断裂点断裂点断裂点化学成分对钢材性质的影响化学成分对钢材性质的影响化学化学元素元素强度强度韧性韧性塑性塑性其其 他他 性性 能能C C增加增加降降 低低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向SiSi增加增加影响不大影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性MnMn增加增加影响不大影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P P稍有稍有增加增加显著降低显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀

19、性性S S降低降低降降 低低增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O O降低降低降降 低低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性脆性N N提高提高降降 低低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性效敏感性TiTi提高提高改善改善 降低降低提高焊接性和抗蚀性提高焊接性和抗蚀性V V提高提高改善改善减少冷脆性、降低焊接性减少冷脆性、降低焊接性碳：建筑钢材含碳量不大于碳：建筑钢材含碳量不大于0.8。l随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，随着钢中碳含

20、量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。降低抗大气锈蚀性。讨论：碳素钢中含碳量对其组织碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响和性能的影响(1) 下图是碳素钢基本组织相对含量与下图是碳素钢基本组织相对含量与含碳量关系。请分析低碳钢、中碳钢和含碳量关系。请分析低碳钢、中碳钢和高碳钢随着含碳量的增加，其基本组织高碳钢随着含碳量的增加，其基本组织及性能如何变化。及性能如何变化。 钢中碳含量的影响钢中碳含量的影响屈服强度面积减缩率伸长率极限强

21、度建筑钢材的牌号和应用建筑钢材的牌号和应用（1）碳素结构钢）碳素结构钢l按国家标准按国家标准GB700-88规定，我国碳素结构钢分规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即五个牌号，即195、Q215、Q235、Q255和和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、四个质量等级。为、四个质量等级。l钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。塑性和韧性降低，可焊性变差。碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母（的字母（Q）、屈服点数值（）、屈服点数

22、值（/mm2）、质）、质量等级符号量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号、脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)等四部分组成。等四部分组成。l例如例如Q235-A.F，l表示：屈服点为表示：屈服点为235N2的平炉或氧气转的平炉或氧气转炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。l当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示“”与与“Z”符号可予以省略。符号可予以省略。碳素结构钢碳素结构钢选用原则选用原则 应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如：例如： Q195和和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓等。弯加工，可用于钢钉、螺栓等。Q235A使用于承受静载作用的钢结构；使用于承受静载作用的钢结构；Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；可用于承受动载焊接的普通钢结构；Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；可用于承受动载焊接的重要钢结构；Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构；可