钢材的抗拉性能

钢材的抗拉性能第一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六掌握：建筑钢材的主要性能。

熟悉：建筑钢材的常用钢种及应用。

了解：钢筋混凝土用钢材的品种及应用。

本章教学目标第二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第一节钢的冶炼和分类第三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六平炉炼钢氧气转炉炼钢电炉炼钢一钢的冶炼第四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六(1)沸腾钢(2)镇静钢(3)半镇静钢根据脱氧程度分为：第五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六二钢的分类第六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第二节建筑钢材的主要技术性能第九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

建筑钢材的技术性能力学性能工艺性能化学性能抗拉性能冲击韧性疲劳强度硬度冷弯性能第十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六1.应力

2.应变3.弹性与弹性变形4.塑性与塑性变形FFAΔLL0L1建筑钢材的抗拉性能第十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六一、钢材的拉伸性能钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2第十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六低碳钢的受拉过程分为四个阶段建筑钢材的抗拉性能O弹性阶段OA屈服阶段AB强化阶段BC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力－应变图第十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六建筑钢材的抗拉性能一、弹性阶段OA

一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量

E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。

A点对应的应力。αOA低碳钢受拉的应力－应变图E1

＞E2图形的特点：

试件的特点：计算的指标：ABCD弹性极限第十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六建筑钢材的抗拉性能二、屈服阶段AB

一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——

屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下屈服。第十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六三、强化阶段BC

一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高——抗拉强度

图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOA低碳钢受拉的应力－应变图ACDBB上B下C点对应的应力。建筑钢材的抗拉性能强化。第十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六四、颈缩阶段CD

一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——

，直到断裂。伸长率δ：

图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOAACDBB上B下L1L0建筑钢材的抗拉性能计算的指标：颈缩第十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六三个重要的指标1.屈服强度σs

结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度σb

钢材所能承受的最大应力屈强比

屈强比，利用率，安全可靠程度3.伸长率δ

衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好

↑αOAACDBB上B下↑↓第二十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六4．断面收缩率L1d0L0L0=5d0或10d0A0、An前后的截面积δ5与δ10谁大第二十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第二十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六中碳钢、高碳钢的应力－应变图规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。第二十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六二、冲击韧性

钢材抵抗冲击荷载的能力。

定义试件第二十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六讨论与分析计算式测试方法演示ak↑冲击韧性↑。第二十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第二十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

钢的化学成分;例：S、P↑冲击韧性↓冶炼及轧制质量质量↑冲击韧性↑温度温度↓，冲击韧性↓

ak影响冲击韧性的因素

第二十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六三、疲劳强度设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。第二十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六四、钢材的硬度硬度――是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。定义测定方法演示第二十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第三十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六讨论与分析材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。第三十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六五、钢材的冷弯性能

指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，

试件被弯曲角度α、弯心直径与厚度的比值d/a

定义指标试验演示第三十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第三十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六弯曲角度α↑d/a↑，表示对冷弯性能要求越高。结论试验演示第三十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第三十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。六钢材的冷加工(一)钢材的冷加工及时效第三十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

第三十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

钢筋冷拉后屈服强度可提高15%-20%，冷拔后屈服强度可提高40%-60%。时效钢材随时间的延长而表现出强度提高，塑性和韧性下降的现象称为时效。(二)冷加工在工程中的应用第三十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六1.碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。七钢的化学成分对钢材性能的影响第三十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六2.硅、锰

加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。第四十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六3.硫、磷

硫使钢材的热脆性增加，磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，使钢材的冷脆性增加。第四十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六4.氧、氮降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。第四十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六5.铝、钛、钒、铌

是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。

第四十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第三节建筑钢材的常用钢种第四十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。一碳素结构钢(一)碳素结构钢的牌号表示方法碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。碳素结构钢分5个牌号，即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。按其硫、磷杂质含量由多到少分为A、B、C、D4个质量等级。第四十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

举例

镇静钢和特殊镇静钢在钢的牌号中Z和TZ予以省略。如Q235-A·F，表示此碳素结构钢是屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235—C，表示此碳素结构钢是屈服点为235MPa的C级镇静钢。

(二)碳素结构钢的技术要求化学成分、力学性能、

冷弯性能碳素结构钢随着牌号的增大，其含碳量和含锰量增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。第四十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六(三)碳素结构钢的性能和应用

土木工程中应用最广泛的碳素结构钢是Q235，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好。用Q235钢大量轧制成各种型钢、钢板及钢筋。其中Q235-A级钢，仅适用于承受静荷载作用的结构；Q235-C和Q235-D级钢，可用于重要的焊接结构。

Q195、Q215钢，强度低，塑性和韧性较好，具有良好的可焊性，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及钢丝等，也可用作轧材用料。Q215钢经冷加工后可代替Q235钢使用。

Q255、Q275钢，强度较高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、制作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。

第四十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%-30%，但成本并不很高。二低合金高强度结构钢第四十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六(一)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由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）三个部分组成，共有5个牌号。Q295、Q345、Q390、Q420和Q460(二)低合金高强度结构钢的技术要求化学成分与力学性能(三)低合金高强度结构钢的性能和应用主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。第四十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第四节钢材混凝土用钢材第五十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。一钢筋混凝土用热轧钢筋第五十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋

第五十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六热轧钢筋的力学性能和工艺性能

第五十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第五十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六二冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的3~6倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。第五十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六冷轧带肋钢筋第五十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

热处理钢筋经过调质热处理而成，具有强度高、韧性高、粘结力高和塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件。三预应力混凝土用热处理钢筋第五十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六热处理钢筋的力学性质(GB4463—1984)

公称直径(mm)牌号屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率(%)不小于640Si2Mn1325147068.248Si2Mn1045Si2Cr第五十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六四预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。第五十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六螺旋肋钢丝外形示意图

第六十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六三面刻痕钢丝外形示意图

第六十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六五预应力混凝土用钢绞线

钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。第六十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六预应力钢绞线截面图第六十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第六十四页，共七十九页，编辑于2023年，星期六六、钢材的锈蚀与防止

1钢材的锈蚀

定义钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到破坏。

害处钢材锈蚀不仅使截面积减小，性能降低甚至报废，而且因产生锈坑，可造成应力集中，加速结构破坏。

分类根据锈蚀作用机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种。

第六十五页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

化学锈蚀

定义

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。

原理这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。在常温下，钢材表面形成一薄层氧化保护膜FeO，可以起一定的防止钢材锈蚀的作用，故在干燥环境中，钢材锈蚀进展缓慢。但在温度或湿度较高的环境中，化学锈蚀进展加快。返回第六十六页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

电化学锈蚀

定义

电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触，形成微电池而产生的锈蚀。

原理

潮湿环境中钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，而钢材本身含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极电位不同，形成许多微电池。在阳极区，铁被氧化成为Fe2+离子进入水膜；在阴极区，溶于水膜中的氧被还原为OH-离子。随后两者结合生成不溶于水的Fe（OH）2，并进一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe（OH）3

电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。

第六十七页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

影响钢材锈蚀的主要因素有环境中的湿度、氧，介质中的酸、碱、盐，钢材的化学成分及表面状况等。一些卤素离子，特别是氯离子能破坏保护膜，促进锈蚀反应，使锈蚀迅速发展。钢材锈蚀时，伴随体积增大，最严重的可达原体积的6倍，在钢筋混凝土中会使周围的混凝土胀裂。埋入混凝土中的钢材，由于混凝土的碱性介质（新浇混凝土的pH值为12左右），在钢材表面形成碱性保护膜，阻止锈蚀继续发展，故混凝土中的钢材一般不易锈蚀。第六十八页，共七十九页，编辑于2023年，星期六2锈蚀的防止

钢结构

通常采用表面刷漆的方法。常用的底漆有红丹、环氧富锌漆

薄壁钢材

采用热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层等措施、铁红环氧底漆等，面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。

混凝土配筋

根据结构的性质和所处环境等，考虑混凝土的质量要求，主要是提高混凝土的密实度，保证足够的钢筋保护层厚度，限制氯盐外加剂的掺入量。混凝土中还可掺用阻锈剂。第六十九页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

预应力钢筋

一般含碳量较高，又多是经过变形加工或冷加工的，因而对锈蚀破坏较敏感，特别是高强度热处理钢筋，容易产生锈蚀现象。所以，重要的预应力混凝土结构，除了禁止掺用氯盐外，还应对原材料进行严格检验。

钢材的化学成分对耐锈性影响很大，通过加入某些合金元素，可以提高钢材的耐锈蚀能力。例如，在钢中加入一定量的铬、镍、钛等合金元素，可制成不锈钢。第七十页，共七十九页，编辑于2023年，星期六第五节铝合金一、铝和铝合金的特点

铝外观呈银白色，密度为2.7g/cm3，熔点为660℃，铝还具有良好的导电性和导热性。另外由于其表面常常被氧化铝薄膜覆盖，因此其具有一定的耐蚀性。

铝的可塑性良好（伸长率为50%），可加工成管材、板材和各种型材，还可压制成极薄的铝箔（6～25×10-3mm），并具有极高的光、热反射比，但铝的硬度和强度较低。第七十一页，共七十九页，编辑于2023年，星期六

铝合金不仅保持铝质量轻的特点，同时机械力学性能大幅度提高，例如屈服强度可达210～500MPa，抗拉强度可达380～550MPa等。因此铝合金不仅可用于建筑装饰领域，而且可用于结构领域。

铝合金的主要缺点是弹性模量小，热膨胀系数大，耐热性差等。第七十二页，共七十九页，编辑于2023年，星期六二、铝合金的分类

铝合金按照合金元素可分为二元合金和三元合金，如Al-Mn合金、Al-Mg合金、Al-Mg-Si合金等。铝合金按照加工方法可分为铸造铝合金和变形铝合金。所谓变形铝合金是指采用冲压、弯曲、辊轧、挤压等工艺使铝合金的组织和形状发生变化的铝合金。变形铝合金又可分为热处理强化型和非强化型，强化型是指通过热处理的方式提高铝合金的强度，例如Al-Mg-Si合金（锻铝）、Al-Cu-Mg合金（硬铝）等；非强化型是指不能用热处理的方式提高铝合金的强度，例如Al-Mn合金、Al-Mg合金等。

第七十三页，共七十九页，编辑于2023年，星期六三、常用铝合金制品

建筑装饰工程中常用的铝合金制品包括铝合金门窗、铝合金幕墙、铝合金装饰板、铝合金龙骨和各种室内装饰配件等。