第8章 建筑钢材

1、第8章 建筑钢材8.1 钢的冶炼和分类 建筑钢材是以铁为主要元素，含碳量为0. 02%2. 06%，并含有其他元素的合金材料。建筑钢材的抗拉、抗压和抗冲击性能好，可切割、可焊接、可铆接，装配方便，但是容易锈蚀，耐火性差。8.1.1 钢的冶炼1钢的生产分为以下两步。(1)炼铁铁矿砂在熔炉（高炉）中提炼成铁的过程称为炼铣。炼铣时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉下部风口吹人，炉内焦炭燃烧生成1500高温，产生一氧化碳炉气自炉中上升，一氧化碳把铁矿砂还原，炼成的铣铁自炉下方出铣口流出，由混铣炉暂储并运到炼钢工厂，或用盛桶装熔铣注入形状似猪食槽的铸模内。(2)炼钢根

2、据炼钢设备的不同，常用的炼钢方法有氧气转炉法、平炉法、电炉法。氧气转炉炼钢法。氧气转炉法是以熔铁水为原料，用纯氧代替空气，由炉顶向转炉内吹人高压氧气，能有效的去除磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高，而成本却较低。常用来炼制优质碳素钢和合金钢。平炉炼钢法。以固体或液体生铁、铁矿石或废钢作原料，用煤气或重油为燃料进行冶炼。平炉钢由于熔炼时间长，化学成分可以精确控制，所以杂质含量少，成品质量高。其缺点是能耗犬、成本高、冶炼周期长。近年来此法逐渐消失被转炉取代。电炉炼钢法。电炉炼钢法是以生铁或废钢原料，利用电能迅速加热进行高温冶炼。电炉熔炼温度高，温度还可以调节，清除杂质容易。因此，电炉钢的质量最好，但

3、成本较高。高炉炼铁是现代炼铁生产的主要方法，全世界95%以上的生铁由高炉冶炼而成。目前氧气转炉炼钢法是最主要的炼钢方法，而平炉炼钢法已基本淘汰。8.1.2 钢的分类钢的品种繁多，分类方法很多，通常有按化学成分、质量、用途等几种分类方法。钢的分类见表8 -1。目前，在建筑工程中，常见的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。3建筑钢材的技术性能钢材的技术性质主要包括力学性能（抗拉性能、冲击性能、耐疲劳性能）和工艺性能（冷弯和焊接）两个方面。8.2.2 工艺性能1冷弯性能2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，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。建筑工程的

4、钢结构中，焊接结构要占90%以上。钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0. 25%时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。3冷加工性能及时效处理(1)冷加工强化处理。将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭和刻痕等使其产生塑性变形，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。将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15

5、20 d，或加热至100200后保持一定时间(23 h)，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。时效处理法有两种方法。在常温下存放1520 d，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(23 h)，称为人I时效，适合于高强钢筋。8.2.3钢材成分对性能的影响(1)钢材的化学成分以生铁冶炼钢材，经过一定的工艺处理后，钢材中除主要含有铁和碳外，还有少量硅、锰、磷、硫、氧、氮等难以除净的化学元素。另外，在生产合金钢的工艺中，为了改善钢材的性能，还特意加入一些化学元素，如锰、硅、矾、钛等。(2)化学元素对

6、钢材性能的影响碳(C)碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随着含碳量的增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。建筑工程用钢材含碳量不大于0. 8%。硅(Si)硅是钢的主要合金元素，是为脱氧去硫而加入的。当硅在钢材中的含量较低(小于1%)时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。但若含硅量超过1%时，会增加钢材的冷脆性，降低可焊性。锰(Mn)锰是我国低合金钢的重要合金元素，锰含量一般在1%2%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。氧(O)其大部分以氧化物的形式夹杂在钢中，使钢的强度、塑性及可焊性

7、降低。硫(S)硫为有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，有强烈的偏析作用，使机械性能、焊接性能下降，同时还降低耐腐蚀性。磷(P)磷为有害元素，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，使冷弯性能变坏，但可提高耐磨性及耐腐蚀性。氮(N)氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。8.3建筑钢材的种类和选用建筑工程用钢可分为钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢两类，前者主要采用型钢和钢板，后者主要采用钢筋和钢丝。钢结构用钢的母材主要有碳素结构钢、优质碳素结构钢和低合金结构钢三种。薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢。钢结构用钢常见的类

8、型有热轧型钢、冷弯薄壁型钢、棒材、铜管和板材。8. 3.1碳素结构钢（非合金钢）1碳素结构钢牌号及其表示方法2碳素结构钢技术性能与应用根据国家标准碳素结构钢(GB/T 700-2006)，随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。碳素结构钢的化学成分、力学性能、冷弯性能应符合国家规定标准。不同牌号的碳素钢在土木工程中有不同的应用。8.3.2低合金高强度结构钢1牌号及表示方法2碳素结构钢技术性能与应用8.3.3钢筋混凝土结构用钢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保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋，主

9、要由碳素结构钢、优质碳素钢、低合金钢制成，包括有热轧钢筋、冷轧钢筋、预应力混泥土用热处理钢筋、钢丝及钢绞线。钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成，包括有如下几种。1热轧钢筋用加热钢坯扎成的条型成品钢筋，称为热轧钢筋。钢筋混凝土用热轧钢筋，根其表面状态特征、工艺与供应方式可分为热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋与热轧热处理钢筋等。热轧带肋钢筋通常为圆形横截面，且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。按肋纹的形状分为月牙肋和登高肋。热轧钢筋按其力学性能，分为I级、级、级、级，在施工图图纸中用符号A、B、C、D来表示，其强度等级代号分别为HPB235、HRB335、HRB400、

10、HRB500。其中I级钢筋由碳素结构钢轧制，其余均由低合金钢轧制而成。2冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是由热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号。CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土钢筋。CRB550钢筋的公称直径范围为412 mm。CRB650及以上牌号钢筋的公称直径为4、5、6 mm。与冷拔低碳钢丝相比，冷轧带肋钢筋具有强度高、塑形好，与混泥土粘结牢固，节约钢材，质量稳定等优点。3热处理钢筋热处理钢筋是将钢筋按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组

11、织，从而获得需要性能的一种工艺过程。其恃点是塑性降低不多，但其强度提高很大，综合性能比较理想。应用于预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土工程结构。4预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火奥氏体化、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。 钢丝的抗拉强度比钢筋混凝土用热轧光圆钢、热轧带肋钢筋高许多，在构件中采用预应力钢丝可收到节省钢材、减少构件截面和节省混凝土的效果，主要用作桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。5预应力混泥土用钢绞线根据预应力混凝土用钢绞线(GB 5224-95)规定，预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消

12、除应力的热处理而制成。根据钢丝的股数分为12、13和17三种类型，其中1表示以一根钢丝为芯，2、3、7分别表示其周围围绕的钢丝数量为2、3和7根。预应力混泥土用钢绞线按其应力松弛性能分为以下两种。(1)应力松弛级别：I级松弛，代号：I。(2)应力松弛级别：级松弛，代号：。钢绞线具有强度高，与混凝土粘结性好，断面面积大，使用根数少，在结构中布置方便，易于锚固等优点。主要用于预应力混凝土配筋，适用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥粱等负荷大、跨度大的预应力结构。8.3.4 钢材的选用原则钢材的选用一般遵循以下原则。(1)荷载性质。对于经常承受动力或震动荷载的结构，容易产生应力集中，从而引起疲劳破坏，需要

13、选用材质比较高的钢材。(2)使用温度。对于经常处于低温状态的结构，钢材容易发生冷脆断裂，特别是焊接结构，因而要求钢材具有良好的塑性和低温冲击韧性。(3)连接方式。对于焊接结构，当温度变化和受力性质改变时，焊缝附近的母体金属容易出现冷、热裂纹，促使结构早期破坏。所以焊接结构对钢材化学成分和机械性能要求应较严。(4)钢材厚度。钢材力学性能一般随厚度增大而降低，钢材经多次轧制后，钢的内部结晶组织更为紧密，强度更高，质量更好。故一般结构用的钢材厚度不宜超过40 mm。(5)结构重要性。选择钢材要考虑结构使用的重要性，如大跨度结构、重要的建筑物结构，需相应选用技术指标高、质量好的钢材。8.4钢材的锈蚀及

14、防止8.4.1钢材锈蚀钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。钢材锈蚀不仅使截面积减小，性能降低，而且因产生锈坑，可造成应力集中，加速结构破坏甚至报废。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。1化学锈饨化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。2电化学腐蚀电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。它是指钢材与电解质溶液接触产生电流，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盖，而

15、钢材含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极点位不同，从而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。引起钢材锈蚀的主要因素是水、氧气及介质中所含的酸、碱、盐等，同时钢材本身的组织成分对锈蚀也有很大影响。钢材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用所致，但以电化学腐蚀为主。8.4.2 防止锈蚀的方法1保护层法通常的方法是采用在表面施加保护层，使钢材与周围介质隔离。保护层可分为金属保护层和非金属保护层两类。(1)非金属保护层常用的是在钢材表面刷漆，常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等，面漆的有调和漆、酚醛磁漆等，该方法简单易行，但不耐久。此外，还可以采用塑料保护层、沥青保护层、搪瓷保护层等。(2)金属保护层是用耐蚀性较好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，如镀锌、镀锡、镀铬等。薄壁钢材可采用热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层等措施。2制成合金钢材的组织及化学成分是引起锈蚀的内因。通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效的提高钢材的抗腐蚀性能。例如，在钢中加入一定量的合金元素，制成不锈钢，可以提高耐锈蚀能力。复习思考题81钢的冶炼方法有哪几种？对材质有何影响？2钢有哪几种分类方法？3低碳钢受拉时的应力一应变图中，分为哪几个阶段？各阶段的特征及指标如何？ 4什么是钢材