建筑钢材学习材料课件

1、建筑钢材 学习要求：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、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；了解钢材的冷加工、热处理和焊接；重点、难点：建筑钢材的的标准及选用； 概 述：（1）钢材的定义： 钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料；（2）钢材的优点以及缺点：优点：（1）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；缺点：易锈蚀；（3）建筑钢材： 建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。建筑钢材主要包括：钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等

2、）；板材（如钢板等）；混凝土用各种钢筋、钢丝和钢绞线等； 8.1 钢材的分类钢一般是由生铁在炼钢炉中熔炼而成的；但是生铁中含有较多的碳（通常为2%4.5%）和其他的杂质；炼钢的实质：就是把熔融的生铁进行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他杂质降低到容许的范围； 8.1.1 按冶炼方式分为三大类（1）转炉钢；（2）平炉钢；（3）电炉钢；（1）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高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢；转炉钢的缺点：吹炼时易混入空气中的氮、氢等杂质，故建筑中常用的是氧气转炉钢；熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；（2）平炉钢： 以固态或

3、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，叫做平炉钢；平炉钢的特点：熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较转炉钢高；（3）电炉钢：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，故电炉钢的质量最好；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，但成本最高；（2）镇静钢：定义： 用必要数量的硅、锰和铝等脱氧剂进行彻底脱氧而得到的钢；名称的由来： 由于钢水脱氧充分，在浇注钢水的时候钢水能够平静凝固，因此叫做镇静钢；镇静钢的特点： 结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量较好的钢种，但是

4、产品率低，且成本较高；按化学成分按脱氧程度按有害物质含量碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢沸腾钢F一般工程镇静钢Z预应力砼半镇静钢B特殊镇静钢TZ特别重要工程普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢f 塑性韧性塑性韧性钢材的分类0.02%C2.06Fe C S P8.1.3 按压力加工方式分为两大类（1）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）冷加工钢材： 指在常温下进行加工的钢材；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；8.1.4 按化学成分分为两大类：（1）碳素钢；（2）合金钢（1）碳素钢： 指含碳量

5、小于2%的钢，一般又分为以下三种：低碳钢：含碳量小于0.25%的碳素钢；中碳钢：含碳量在0.25%0.6%之间；高碳钢：含碳量在0.6%2%之间；（2）合金钢：为改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；合金钢分为三类：低合金钢：合金元素总量小于5%的钢；中合金钢：合金元素总量在5%10%之间的钢；高合金钢：合金元素总量大于10%的钢；8.1.5 按主要质量等级分为三大类：（1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢；8.1.6 钢材按用途分为三大类：（1）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；（2）工具钢：用于各种切削工具的钢；

6、（3）特种钢：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等；8.1.7 建筑钢材按用途分为两大类：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；（1）钢结构用钢；（2）混凝土结构用钢；一 强度，弹性和塑性：低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段：弹性阶段（I）：OA段是一条直线，应力与应变成正比， A 为弹性极限强度；屈服阶段（II）：AB段，钢材失去了弹性变形的能力，应力增加不大，但应变迅速增加，发生了屈服现象。强化阶段（III）：BC段，钢材内部组织发生了变化，提高了抵抗外力的能力。颈缩阶段（IV）：CD段，变形迅速发展，应力下降，到D点发生试件的破坏。 钢筋的拉伸实验：钢

7、筋塑性的表示指标:伸长率：试件拉段后，标距长度的增量与原标距长度之比 ；断面收缩率：是指断面口处的面积收缩量与原面积之比；冷弯性能：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（90或180度）与n(n=弯心直径d/钢材的厚度或直径a)进行弯曲。例2-1 为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？解: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s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；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

8、力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。2） 硫-能使钢材产生热脆性，降低钢材的热加工与可焊性；3 ）氧、氮-降低钢材的力学性质，严重影响了钢材的韧性，并能促进时效，降低钢材的可焊性；4 ）锰、硅-为脱氧而有意加入的元素，能显著提高钢材的强度，对塑性与韧性的影响不是很大。5 碳对钢材的力学性质的影响* 总结：碳对钢材的力学性质的影响： 碳是钢材中最重要的元素，对钢材的性质起决定性的影响，钢材中含碳量一般是2%以下。 随着含碳量的增加，钢材的性能变化为： 钢材的强度相应的先增加后减小；硬度相应增加；而塑性与韧

9、性相应下降；钢材的冷弯性能、焊接与抗腐蚀性能降低8.3 钢材的冷加工、时效冷加工：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；时效：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； 在冷加工状态下，时效性特别明显。 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。 工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。自然时效:将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520;人工时效:将经过冷拉的钢筋加热到100200并保持一段时间；以上两个过程都称为时效处理。例8-3 何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并

10、时效处理后的钢筋性能有何变化？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。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。在建筑工地和混凝土预制厂，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、

11、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。8.4 建筑钢材的标准与选用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： 其中低合金结构钢：包括角钢、工字钢、槽钢和钢管、钢板等；主要有钢筋、钢丝和钢绞线等 一 钢结构用钢材1 碳素结构钢 牌号的表示方法： （如Q235A.F ）（1）按屈服点值分为五种：195、215、235、355、275MPa；（2）按磷、硫杂质的含量由多到少分为A、B、C、D四个质量等级；（3）按脱氧方式分为F、b、Z、TZ四种。碳素结构钢的选用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

12、韧性有所下降，因此对碳素结构钢而言，一般选择Q235牌号的钢作为钢结构用钢。例8-4碳素结构钢是如何划分牌号的？说明Q235AF和Q235号钢在性能上有何区别？解：碳素结构钢的牌号按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)等四部分组成。Q235AF和Q235D均为235碳素结构钢，是建筑中应用最多的碳素钢。二者性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。1）按硫、磷含量多少来衡量，Q235D磷、硫含量均少于Q235AF, 质量较好；2）按脱氧程度衡量Q235D为镇静钢，质量最好，Q235AF 为沸腾钢。3）Q235AF钢

13、，仅适用于承受间接动荷载的静荷载的结构。而Q235D可适用于动荷载作用或处在低温环境下的工作条件。2 低合金高强度结构钢在碳素结构钢的基础上加入总量小于5%的合金元素而形成的钢种。加入合金元素是为了改善钢材塑性和韧性，提高钢材的强度。通常加入的合金元素有锰、硅、钒、钛、镍和铜等。低合金高强度结构钢牌号的表示方法和碳素结构钢基本相同，只是质量等级有五个即A、B、C、D和E。低合金高强度结构钢（GB15911994）规定，低合金高强度结构钢的牌号有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五种。低合金高强度结构钢除强度高外，其塑性和韧性良好，硬度高，耐磨性好，耐腐蚀性能强和耐低温性能好。因此

14、，建筑工程中应用低合金结构钢可以减轻结构自重、节约钢材、增加使用寿命、经久耐用，特别适用于高层建筑和大跨度结构。 2 低合金高强度结构钢一 牌号的表示方法：如Q295A。 其中Q表示屈服点，295MPa表示屈服值，A表示质量等级； 分五个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460；应用：一般用于大跨度、大柱网结构 二 钢筋混凝土用钢（包括钢筋、钢丝和钢绞线）钢筋有以下三种：冷拉热轧钢筋：普通混凝土非应力钢筋；热处理钢筋：预应力混凝土枕轨、也用于预应力混凝土板、吊车梁等；冷轧带肋钢筋：在中小型预应力混凝土构件和普通的混凝土构件中应用广泛。2. 钢筋混凝土结构用钢 (1) 热轧钢筋 根

15、据表面特征不同，热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋。根据强度的高低，热轧钢筋又分为不同的强度等级，各强度等级热轧钢筋的技术标准见表8.8，8.9-2 。我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分为IIV级，四个强度等级的钢筋中，除I级钢筋为低碳钢外，其余三级热轧带肋钢筋均为低合金钢。其牌号由HRB和规定屈服强度最小值构成。、分别为热轧、肋、钢筋的英文名称的第一个字母。表89钢筋混凝土用热轧钢筋的力学性能与冷弯性能 （GB/T7011997、GB14991998） 屈服点 s MPa 抗拉强度 b MPa 伸长率 5 % 表面 形状 钢筋 级别 强度 等级 代号 牌号 公称直径 (mm) 不

16、小于 冷弯 d弯心直径 a钢筋公称直径 光圆 I R235 Q235 820 235 370 25 180d=a 625 180d=3a II RL335 HRB335 2850 335 490 16 d=4a 625 180d=4a III RL400 HRB400 2850 400 570 14 d=4a 625 180d=6a 带 助 钢 筋 IV RL540 HRB500 2850 500 630 12 d=7a 钢材的冷弯性能钢材的冷弯 弯曲角度 ， d/a ，表示对冷弯性能要求越高。试件被 弯曲角度、弯心直径与厚度的比值d/a。例8-5 从一批热轧钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试

17、验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN; 抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12，标距为60，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其牌号？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？解： 1.钢筋试样屈服点为：钢筋试样抗拉强度为：b =(548+561)2 = 555 N/mm2钢筋试样伸长率为：=(17.7+19.0)2 =18.4%查表8-9知s1、s2 均大于335 N/mm2, b1、b2 均大于490 N/mm2,钢筋试样伸长率均大于16%故该钢筋为II级钢（牌号为HRB335）。2. 该钢筋的屈强比为：s/b = 385/555 =0

18、.69该II级钢筋的屈强比在0.650.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。（2）钢筋混凝土用冷拉热轧钢筋 为了提高钢筋的强度及节约钢筋，工地上常按施工规程，控制一定的冷拉应力或冷拉率，对热轧钢筋进行冷拉。冷拉钢筋的力学性能应符合规范规定的要求。冷拉后不得有裂纹、起层等现象。其性质见表8-10。 （3）预应力混凝土用热处理钢筋 预应力混凝土用热处理钢筋是用8、10（）的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调质处理而成，代号为。性质参见表8-12预应力混凝土用热处理钢筋的优点：强度高，可代替高强钢丝使用；配筋根数少，节约钢材；锚固性好，不易打滑，预应力值稳定；施工简便，开盘后钢筋自然伸直，

19、不需调直及焊接。主要用于预应力钢筋混凝土轨枕，也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。（4）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋；冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5级，其代号为CRB550、CRB650 、CRB800 、CRB970 、和CRB1170，（CRB为Cold rolling ribbed steel bar)，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。冷轧带肋钢筋的公称直径范围为-12。冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合表8-11的要求。（5）冷拔

20、低碳钢丝冷拔低碳钢丝是将直径为6.58的Q235热轧盘条钢筋经冷拔加工而成。冷拔低碳钢丝分为甲、乙两级，甲级丝适用于作预应力筋，乙级丝适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。其力学性能应符合表8-13规定。（6）预应力混凝土用钢丝及钢绞线 大型预应力混凝土构件，由于受力很大，常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力钢筋。预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢盘条，经酸洗、冷拉或再经回火处理等工艺制成，钢铰线是由根直径为2.55.0的高强度钢丝，铰捻后经一定热处理清除内应力而制成。铰捻方向一般为左捻。 预应力混凝土用钢丝分为冷拉钢丝（代号）、矫直回火钢丝（代号）和矫直回火刻痕钢丝（代号JK）三种。前二

21、种其公称直径有 、三种，它们的抗拉强度b达1500MPa以上，屈服强度0.2可达1100MPa以上。 预应力混凝土用钢绞线直径有9.0、12.0和15.0三种，整根破坏负荷可达220kN，屈服负荷可达185kN。钢绞线主要用于大跨度、大负荷的后张法预应力屋架、桥梁和薄腹梁等结构的预应力筋。8.5 钢筋的防火保护（略）8.6钢材的腐蚀和防止钢材的锈蚀 钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。 根据锈蚀作用的机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种： （）化学锈蚀 化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。 这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。（）电化学锈蚀 电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，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，而钢材是由铁素体、渗碳体及游离石墨等多种成分组成，由于这些成分的电极电位不同，首先，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。在阳极，铁失去电子成为Fe2+进入水膜；在阴极，溶于水膜中的氧被还原生成。2 防止钢材锈蚀的措施 钢结构防止锈蚀的