建筑钢材基础知识

1、建筑钢材建筑钢材 本章概述了本章概述了1 1、钢材的冶炼、加工及分类。重点介钢材的冶炼、加工及分类。重点介绍了钢材的力学性能、工艺性能及现行国家标准对钢材绍了钢材的力学性能、工艺性能及现行国家标准对钢材的性能及技术要求的性能及技术要求。2 2、简述了钢的化学成分及所含合金、简述了钢的化学成分及所含合金元素等对钢材性能的影响。介绍了碳素结构钢和低合金元素等对钢材性能的影响。介绍了碳素结构钢和低合金结构钢的牌号表示方法、技术要求及各类牌号钢材的性结构钢的牌号表示方法、技术要求及各类牌号钢材的性能和用途。能和用途。3 3、简述了钢筋、型材、管材等主要钢材品种、简述了钢筋、型材、管材等主要钢材品种的检

2、验方法及注意事项、如何正确地选材、合理用材的的检验方法及注意事项、如何正确地选材、合理用材的方法。方法。 4 4、生产钢材价格的主要成本及影响价格的主要、生产钢材价格的主要成本及影响价格的主要因素。因素。 了解钢材的分类；了解钢材的分类； 掌握建筑钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性能、掌握建筑钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性能、冲击韧性和硬度；冲击韧性和硬度； 掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影响；掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影响； 了解钢材的冷加工、热处理和焊接；了解钢材的冷加工、热处理和焊接； 建筑钢材的力学性质；建筑钢材的力学性质；一、一、 钢的冶炼和分类钢的冶炼和分类钢是由生铁冶

3、炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在的含碳量在2%2%以下，而生铁的含碳量大于以下，而生铁的含碳量大于2%2%。另外钢。另外钢中的杂质含量也少于生铁。中的杂质含量也少于生铁。生铁有生铁有炼钢生铁炼钢生铁和和铸造生铁铸造生铁之分。之分。钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。内。 1 1、 钢的冶炼钢的冶炼 钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，以下，并含有

4、其他元素（磷并含有其他元素（磷P、硫、硫S、氧、氧O、氮、氮N、硅、硅Si和锰和锰Mn)的材料；的材料；（1）抗拉、抗压、抗冲击性能好；）抗拉、抗压、抗冲击性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便；）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便；易锈蚀；易锈蚀；v 建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。v 建筑钢材主要包括：建筑钢材主要包括： 钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等圆钢、扁钢等 H型钢）；型钢）； 管材（焊管、直缝焊管、无缝管、锅炉管、不管材（焊管、直缝焊管、无缝管、锅炉管

5、、不锈钢管等）锈钢管等） 板材（如钢板等）；板材（如钢板等）； 混凝土用各种螺纹线材、钢丝和钢绞线等；混凝土用各种螺纹线材、钢丝和钢绞线等； 分类三大类分类三大类: :（1 1）转炉钢（）转炉钢（2 2）平炉钢（）平炉钢（3 3）电炉钢；）电炉钢；（1 1）转炉钢：）转炉钢： 以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢；高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢；q 转炉钢的缺点：转炉钢的缺点： 吹炼时易混入空气中的氮、氢等杂质，故建筑中常用的是吹炼时易混入空气中的氮、氢等杂质，

6、故建筑中常用的是氧气转炉钢；氧气转炉钢； 熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；（2）平炉钢：）平炉钢： 以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做平炉钢；平炉钢；q 平炉钢的特点：平炉钢的特点： 熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较转炉钢高；转炉钢高；（3 3）电炉钢：）电炉钢： 用电热进行高温冶炼而得到的钢；用电热进行高温冶炼而得到的钢； 一般用高压电弧作为热源，故

7、熔炼的温度高，且温度可一般用高压电弧作为热源，故熔炼的温度高，且温度可以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最好；好；q 电炉钢的特点：电炉钢的特点： 熔炼温度可自由调节，清除杂质彻底，因此质量最好，熔炼温度可自由调节，清除杂质彻底，因此质量最好，但成本最高；但成本最高；高炉熔融精炼（1 1）沸腾钢；（）沸腾钢；（2 2）镇静钢；（）镇静钢；（3 3）半镇静钢）半镇静钢 含杂质较多，质量较差，致密性差，但成本低；含杂质较多，质量较差，致密性差，但成本低； 结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量较好的钢种，结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量

8、较好的钢种，但是产品率低，且成本较高；但是产品率低，且成本较高； 脱氧程度以及钢的质量介于沸腾钢和半镇静钢之间脱氧程度以及钢的质量介于沸腾钢和半镇静钢之间；(1(1）热加工钢材：）热加工钢材： 是将钢锭加热到一定温度，使得钢锭成呈塑性状态进行的压力加工，如热轧、热锻（2 2）冷加工钢材：）冷加工钢材： 指在常温下进行加工的钢材；q压力加工的目的：排掉冶炼、铸锭过程中钢材结构的不均匀、气泡等缺点； 指含碳量小于指含碳量小于2%2%的钢，一般又分为以下三种：的钢，一般又分为以下三种：碳素钢分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢碳素钢分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢为改善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或为改

9、善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或几种合金元素；如硅、锰和镍等；几种合金元素；如硅、锰和镍等；v合金钢分为低合金钢、中合金钢、高合金钢、中碳钢、合金钢分为低合金钢、中合金钢、高合金钢、中碳钢、高碳钢。高碳钢。（1 1）普通质量钢；（）普通质量钢；（2 2）优质钢；（）优质钢；（3 3）高级优质钢；）高级优质钢；（1 1）结构钢：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构）结构钢：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢；钢和低合金高强度结构钢；（2 2）工具钢：用于各种切削工具的钢；）工具钢：用于各种切削工具的钢；（3 3）特种钢：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、）特种钢

10、：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等；不锈钢等； 1、钢结构用钢； 2、混凝土结构用钢；总结：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢； 钢材的性质包括强度、弹性、塑性和韧性低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段弹性阶段（弹性阶段（I I）：测定弹性模量；：测定弹性模量；屈服阶段（屈服阶段（IIII）：测定屈服强度。：测定屈服强度。强化阶段（强化阶段（IIIIII）：测定抗拉强度。：测定抗拉强度。颈缩阶段（颈缩阶段（IVIV）：测定伸长率。：测定伸长率。伸长率伸长率：试件拉段后，标距长度的增量与原标距长度：试件拉段后，标距长度的增量与原

11、标距长度之比之比 ；断面收缩率：断面收缩率：是指断面口处的面积收缩量与原面积之是指断面口处的面积收缩量与原面积之比；比；冷弯性能：冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲的能力。冷弯曲指钢材在常温下承受弯曲的能力。冷弯曲实验一般是把钢材按规定的角度（实验一般是把钢材按规定的角度（9090或或180180度）与度）与n(n(n=n=弯心直径弯心直径d/d/钢材的厚度或直径钢材的厚度或直径a)a)进行弯曲。进行弯曲。%l)ll(100001 |屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过屈服点值；|屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度；

12、|伸长率（）:表示钢材的塑性变形能力。|钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处受力超过屈服点时，随着发生塑性变形使受力重新分布，而避免结构物的破坏。例：为什么说屈服点（例：为什么说屈服点（s s (西格马西格马) ）、抗拉强度）、抗拉强度（b b (西格马西格马) ）和伸长率（）和伸长率（(得尔塔得尔塔) ）是建筑工程）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？用钢的重要技术性能指标？概况：某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。分析讨论： 首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢

13、差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。 建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。 工程实例分析工程实例分析 冲击韧性冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有摆锤冲击带有V V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，值越大，表明钢材的冲击韧性愈好。值越大，表明钢材的冲击韧性愈好。影响钢材冲击韧性的因素很多，影响钢材冲击韧

14、性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。都会影响冲击韧性。 （2）、）、 冲击韧性冲击韧性图 冲击韧性试验图 (a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机 1摆锤；2试件；3试验台；4刻度盘；5指针 硬度硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为布氏法是用一直径为D D的硬质钢球，在荷载的硬质钢球，在荷载P(N)P(N)的作用的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放下压入试件表面，经规定的时

15、间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径大镜测出压痕直径d d，以压痕表面积，以压痕表面积(mm(mm2 2) )除荷载除荷载P P，即为，即为布氏硬度值布氏硬度值HBHB。HBHB值越大，表示钢材越硬。值越大，表示钢材越硬。 (3)(3)、 硬度硬度图 布氏硬度测定示意图 钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发试验时

16、试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。生断裂所能承受的最大应力。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。组织和表面质量有关。 （4 4）、）、 疲劳强度疲劳强度冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度厚度

17、( (直径直径) )的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度大，弯心直径对试件厚度( (直径直径) )的比值愈小，表示对冷的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。弯性能的要求愈高。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。 （5）、）、 冷弯性能冷弯性能图 钢材冷弯 (a)试样安装；(b)弯曲90；(c)弯曲180；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心 冷加工冷加工：指的是钢材在常温下进行的加工，常见的有冷拔、：指的是钢材在常温下进行的加工，常见的有冷拔、冷拉、冷轧，冷扭、刻痕等；冷拉、冷

18、轧，冷扭、刻痕等；时效时效：钢材随着时间的延长，强度和硬度提高，而塑性、：钢材随着时间的延长，强度和硬度提高，而塑性、韧性下降的现象；韧性下降的现象； 在冷加工状态下，时效性特别明显。在冷加工状态下，时效性特别明显。分为自然时效和人工时效两种。分为自然时效和人工时效两种。以钢筋的冷拉为例以钢筋的冷拉为例( (图图) )，图中，图中OBCDOBCD为未经冷拉时的应力为未经冷拉时的应力- -应应变曲线。变曲线。一般建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强一般建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强度。度。钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化 钢筋冷拉后屈服强度可提高钢筋冷拉后屈服强度可提

19、高15%20%15%20%，冷拔后屈服强度可，冷拔后屈服强度可提高提高40%60%40%60%。冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔中强行拉拔( (如图如图) )，由于模孔直径小于钢筋直径，钢，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。提高但塑性显著降低。 冷加工在工程中的应用冷加工在工程中的应用冷拔模孔 |解：在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔

20、。冷轧主要在钢厂进行。|时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放1520天，或者加热到100200，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。|冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高2025，抗拉强度也有提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。在建筑工地，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。n建筑钢材一般分两种：1 钢结构用钢材:2 钢筋混凝土结构用钢： 主要有钢筋、钢丝

21、和钢绞线等 低低合合金金结结构构钢钢碳碳素素结结构构钢钢 其中低合金结构钢：包括角钢、工字钢、槽钢和钢管、钢板等；1 碳素结构钢碳素结构钢 牌号的表示方法牌号的表示方法： （如（如Q235A.F ）（1）按）按屈服点值屈服点值分为五种：分为五种：195、215、235、355、275MPa；（2）按）按磷、硫杂质的含量磷、硫杂质的含量由多到少分为由多到少分为A、B、C、D四四个质量等级；个质量等级；（3）按）按脱氧方式脱氧方式分为分为F、b、Z、TZ四种。四种。名称符号 名称符号 屈服强度质量等级沸腾钢 QA、B、C、DF 半镇静钢镇静钢特殊镇静钢 BZTZ 可见，随着钢材牌号的增加，含碳量是

22、增加的，钢可见，随着钢材牌号的增加，含碳量是增加的，钢材的屈服点与抗拉强度增加，但是塑性与韧性有所材的屈服点与抗拉强度增加，但是塑性与韧性有所下降，因此对碳素结构钢而言，一般选择下降，因此对碳素结构钢而言，一般选择Q235牌牌号号的钢作为钢结构用钢。的钢作为钢结构用钢。碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。逐渐变差。Q195、Q215号号钢强度低，塑性和韧性较好，钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢

23、钉、铆钉、螺栓及铁丝等。钉、铆钉、螺栓及铁丝等。 Q215号钢经冷加工后可代替号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。号钢使用。 Q235号钢号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧属低碳钢，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，大量被和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。 Q255、Q275号钢号钢强度较高，但塑性、韧性强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和

24、冷弯加工，可较差，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。械零件和工具等。 低合金高强度结构钢共有低合金高强度结构钢共有5 5个牌号。其牌号的表示方法个牌号。其牌号的表示方法由由屈服点字母屈服点字母Q Q、屈服点数值、质量等级、屈服点数值、质量等级三个部分组成，三个部分组成，屈服点数值共分屈服点数值共分295MPa295MPa、345MPa345MPa、390MPa390MPa、420MPa420MPa、460MPa460MPa五种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多到五种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多

25、到少分为少分为A A、B B、C C、D D、E E五级。五级。如如Q345AQ345A表示屈服点为表示屈服点为345MPa345MPa的的A A级钢级钢。 2.1 2.1 低合金高强度结构钢的牌号表示方法低合金高强度结构钢的牌号表示方法 Q295号钢中含有少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯性能、焊接性能及耐蚀性能。主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构。Q345、Q390号钢综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构。Q420、Q460号钢强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用

26、于大型工程结构及荷载大的轻型结构。 2.2 低合金高强度结构钢的性能和应用低合金高强度结构钢的性能和应用 检验方法及注意事项、检验方法及注意事项、（一）、钢筋钢筋材料要求及检验方法:根据：钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（GB1499.22007GB1499.22007） 1.钢筋:应有出厂质量证明和检验报告单，并按有关规定分批抽取试样作机械性能试验合格后方可使用。2.钢筋:表面不得有裂纹和局部缩螺旋肋钢丝外形示意图 检验方法及注意事项、检验方法及注意事项、（二）、型材型材 材料要求及检验方法: 根据：热轧型钢热轧型钢 GB T706-2008 1、型材：型材：应有出厂质量证明和检验报告单，并按有关规定分批抽取试样作机械性能试验合格后方可使用。 2、型材注意事项：型材在检验过程中应注意腿高和拐角厚度，检验方法及注意事项、检验方法及注意事项、（三）