土木工程建筑钢材分类、性能和结构

1、土木工程建筑钢材分类、性能和结构钢的冶炼和分类 钢的冶炼 1炼铁 2炼钢 3脱氧 4轧钢问：与钢材相比含碳量高是铁，还是含碳量低是铁？钢，是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.04%之间的铁合金的统称。1.钢材的分类按脱氧程度分类 沸腾钢 其代号为“F”。缺点：沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的致密程度较差。优点：成品率较高，故成本较低。镇静钢其代号为“Z”。优点：组织致密，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越。半镇静钢其代号为“b”。 特殊镇静钢钢的分类 按化学成份分类 碳素钢：含碳量为的铁碳合金碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳小于）；中碳钢（含碳）；高碳钢（含碳大

2、于）合金钢：碳素钢中加入一定量的合金元素则称为合金钢合金元素：硅（Si）、锰（Mn）等 合金钢按合金元素的总含量可分为低合金钢（合金元素总含量小于5）；中合金钢（合金元素总含量为502）；高合金钢（合金元素总含量大于02）。钢的分类按品质（杂质含量）分类普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢。钢的基本晶体结构及对钢材性能的影响1纯铁的晶格类型 2钢的基本晶体组织 （1）铁素体（2）渗碳体 （3）珠光体 化学成分对钢性能的影响 碳碳是决定钢材性质的主要元素。碳含量提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低。碳是显著降低钢材可焊性元素之一，含碳量超过时钢的可焊性显著降低。含碳量增加还增加钢的冷脆性

3、和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。 化学成分对钢性能的影响硅硅含量在2以内，可提高钢材的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不明显。硅是我国钢筋用钢的主加合金元素，主要用于提高钢材的强度。 化学成分对钢性能的影响锰锰对氧和硫的结合力大于铁对氧和硫的结合力，因此锰能使有害的FeO、FeS分别形成MnO、MnS而进入钢渣中，因而，锰能消减硫和氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性质和可焊性改善。多余的锰溶于铁素体中，可提高钢材的强度。锰是我国低合金结构钢的主加合金元素，锰含量一般在l2范围内。 化学成分对钢性能的影响磷磷是碳素钢中的有害杂质。它可使钢材的强度提高，但塑性和韧性显著下降，同

4、时使钢材冷脆性显著增大。磷在钢中的偏析倾向强烈，显著降低钢材的可焊性，焊接时焊缝容易产生裂纹。化学成分对钢性能的影响硫硫是钢中很有害的元素。热脆性：硫往往形成低熔点硫化铁FeS，夹杂在钢材中。钢材在红热状态下进行加工或焊接时，FeS已熔化，使钢的内部产生裂纹，这种在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。硫所引起的热脆性大大降低了钢材的热加工性和可焊性。硫偏析较严重，降低了钢材的冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性。化学成分对钢性能的影响氧氧是钢中的有害杂质降低钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。 化学成分对钢性能的影响氮氮可使钢材的强度提高，但塑性特别是

5、韧性显著下降。溶于铁素体中的氮，有向晶格的缺陷处移动、集中的倾向，故可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。 02.3 建筑钢材的主要力学性能 本节介绍抗拉性能 冷弯性能冲击韧性 硬度耐疲劳性抗拉性能拉伸性能是建筑钢材的重要性能。拉伸试验中的重要技术指标屈服点抗拉强度伸长率抗拉性能弹性阶段 弹性极限 屈服阶段 屈服点 S 强化阶段 极限抗拉强度b 颈缩阶段 抗拉性能例题问题： 低碳钢拉伸过程中屈服阶段的特点是 。A、随荷载的增加应力和应变成比例增加B、荷载不增加情况下仍能继续伸长C、荷载增加，应变才相应增加，但应力与应变不是直线关系D、应变迅速增加，应力反而下降，直至断裂答案：B抗拉性能屈

6、强比 定义屈强比指钢材拉伸时的屈服强度和抗拉强度的比值，用Sb表示。 屈强比的工程意义屈强比越小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性大，因而结构的安全性高。但屈强比太小，反映钢材不能有效地被利用。屈强比大，钢材的强度利用较为充分，但钢材受力超过屈服点工作时的可靠性差。 例题问题： 下列关于钢材的屈强比的叙述中，合理的是 。 、屈强比越高，结构越安全，且钢材利用率也较高 、屈强比越高，结构越安全，但钢材利用率不高 、屈强比越高，结构越不安全，但钢材利用率较高 、屈强比越高，结构越不安全，且钢材利用率较低答案：C抗拉性能伸长率 试样拉断后，标距的增量（L）与原始标距（L0）之比，称为伸长率，以表

7、示。按下式计算伸长率： 抗拉性能5与 02标距与直径之比越大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越小。通常以5和02分别表示L05d0和L002d0时的伸长率，d0为试件的原直径。对于同一钢材，5大于02。 抗拉性能中、高碳钢拉伸特点抗拉强度高；伸长率小；没有明显的屈服阶段。屈服极限（点）确定故常以发生残余变形时的应力作为屈服强度，称为条件屈服强度，用表示。中、高碳钢拉伸时应力应变图 02.3.2 冷弯性能冷弯性能定义指钢材在常温下承受弯曲变形的能力 钢材的冷弯性能指标（弯曲程度）是通过试件被弯曲的角度和弯心直径与试件厚度（或直径）的比值确定的02.3.3 冲击韧性冲击韧性定义指钢材抵抗冲击荷

8、载而不破坏的能力。冲击韧性指标（冲击韧性值K）摆锤打击带V型缺口试件，在V型刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性值。K越大，冲击韧性越好。02.3.3 冲击韧性冲击韧性的影响因素钢材的化学成分；组织状态；冶炼；加工。例如，钢材中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。02.3.3 冲击韧性钢材的冷脆性与脆性临界温度冲击韧性随温度的降低而下降，开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，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。脆性临界温度的数值越低，钢材的抗低温冲击性能越好。负温下使用的结构，应选用

9、脆性临界温度比使用温度低的钢材。 硬度 布氏硬度测定示意图 02.3.5 耐疲劳性 疲劳破坏钢材在交变荷载作用下应力远小于抗拉强度时发生断裂的现象。疲劳极限指疲劳试验中试件在交变荷载作用下，在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力，周期基数一般为200万次或400万次以上。影响因素抗拉强度高，其疲劳强度也高。内部组织和表面质量有关，疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的。设计重复荷载进行疲劳验算的结构，应了解所用钢材的疲劳极限 钢材的冷加工强化及时效处理冷加工强化将钢材于常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷轧），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化，这个过程称为冷加工强化处理。

10、建筑钢材常见的冷加工方法有：冷拉：将钢材在常温下进行拉伸至超过屈服点再卸载的加工方法。冷拔；冷轧；冷扭；刻痕等。 冷拔钢材的冷加工强化及时效处理钢筋经冷拉后性能变化的规律：钢筋经冷拉后，屈服点将提高，抗拉强度不变，但塑性和韧性下降。冷拉的目的提高钢材的屈服点、节约钢材。 低碳钢冷加工强化 1. 冷加工强化产生冷加工强化的原因钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。 F位错螺型位错 2. 时效处理 时效的定义钢材随时间的延长，屈服强度、抗拉强度和硬度提高，而塑性和冲击韧性下降的现象。产生时效的原因：主要是-Fe晶格中的碳、氮原子的移动、集中甚

11、至呈碳化物或氮化物析出的倾向。 热处理退火淬火回火正火钢材的焊接 帮条焊对焊搭接焊广州大学 程从密第38页，共61页02.5 钢材的防火和防腐蚀 钢材的高温性能 钢材的防火及防火措施 钢材的锈蚀与防止 钢材的高温性能 钢材属于不燃烧材料，可是在火灾条件下，裸露的钢结构会在十几分钟内发生倒塌破坏。当温度小于175时，受热钢材强度略有升高，随后强度伴随温度急剧地下降；当温度为500时，受热钢材强度仅为其常温强度的30%；而当温度达到750时，可认为钢材强度已全部丧失。 广州大学 程从密第40页，共61页钢材的防火及防火措施 钢材的防火及防火措施 钢材的锈蚀与防止 钢材锈蚀的原因 钢材的锈蚀指其表面

12、与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。根据钢材表面与周围介质的作用不同，锈蚀可分为下述两类：& 化学锈蚀 & 电化学锈蚀钢材的锈蚀与防止 化学锈蚀指钢材表面与周围介质直接发生化学反应而产生的锈蚀，如钢材在常温和高温时发生氧化形成Fe3O4。氧化性气体有空气、氧、水蒸汽、二氧化碳、二氧化硫和氯等，反应后生成疏松氧化物。化学锈蚀速度随温度、湿度提高而加速。干湿交替环境下腐蚀更为严重，在干燥环境下腐蚀速度缓慢。钢材的锈蚀与防止 电化学锈蚀定义：指钢材与电解质溶液相接触而产生电流，形成原电池作用而发生的腐蚀(主要腐蚀类型）。机理应力腐蚀钢材的锈蚀与防止 防止钢材腐蚀的措施 合金化金属覆盖非金属覆盖混凝土

13、用钢筋的防锈土木工程常用金属材料的性质及应用建筑常用钢种碳素结构钢优质碳素结构钢低合金高强度结构钢钢结构用钢热轧型钢冷弯薄壁型钢棒材、钢管和板材混凝土结构用钢热轧钢筋冷轧钮钢筋冷轧带肋钢筋预应力混凝土用钢丝钢绞线碳素结构钢碳素结构钢的牌号组成：代表屈服点的字母Q + 屈服点数值 + 质量等级符号 + 脱氧方法符号。如Q235-BF符号意义如下： 碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢的特点是：生产过程中对硫、磷等有害杂质控制较严（S、P）；一般都用平炉、氧气碱性转炉（炉衬为碱性材料）或电弧炉冶炼，脱氧程度较高；大部分为镇静钢，因此质量较稳定。优质碳素结构钢优质碳素结构钢的钢号用两位数

14、字表示，它表示平均含碳量的万分数。例如：45号钢，表示平均含碳量为的优质碳素结构钢。当钢材中含锰量较高时，在钢号后加注“Mn”。例如：45Mn即表示平均含碳量为，含锰的优质碳素结构钢。在优质碳素钢中，只有三个钢号属沸腾钢，应在钢号后加注“F”，其余均为镇静钢。 优质碳素结构钢优质碳素结构钢的应用用于重要结构的钢铸件及高强螺栓，常用3045号钢；预应力钢筋混凝土中用于制作锚具，常用45号钢；用于碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线，常用6580号钢。 优质碳素结构钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢定义在碳素结构钢基础上加入总量小于5的合金元素。所加合金元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。优质碳素结构钢低合金高强度结构钢牌号有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等5个牌号；如：Q 345 A优质碳素结构钢低合金高强度结构钢2.热轧钢筋热轧钢筋根据表面形状分光圆钢筋带肋钢筋月牙肋钢筋表面及截面形状 1.热轧钢筋光圆钢筋牌号：HPB235轧制用钢：Q235碳素结构钢特点：强度较低，但具有塑性好，伸长率高（525），便于弯折成型，容易焊接。应用：可用作中、小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋，构件的箍筋，钢、木结构的拉杆等。可作为冷轧带肋钢筋、冷拔低碳钢丝的原材料。 1.热轧钢筋带肋钢筋 (1)牌号:HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。H、R、B分别为热轧（H