土木工程材料 课件 项目七、建筑钢材

泰州职业技术学院建筑工程学院项目七建筑钢材生铁熟铁19世纪上海滩预应力混凝土梁国家体育场——“天圆地方”鸟巢自主创新研制的Ｑ460钢材水立方内外层包裹的ETFE膜薄膜结构楼倒倒楼歪歪任务一

认识建筑钢筋上海宝钢一、钢及其特性钢理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。钢的特点具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。二、钢的冶炼方法简介按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为：1.空气转炉炼钢法一般炼制普通碳素钢。2.氧气转炉炼钢法炼制优质碳素钢和合金钢。3.平炉炼钢法用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。4.电炉炼钢法白口铁液态生铁吹入空气或氧气钢浇注成钢锭脱氧熔融三、钢的分类1.按冶炼方法分2.按质量分按S和P元素含量，分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。钢转炉钢沸腾钢电炉钢平炉钢按冶炼方法分按脱氧程度分半镇静钢镇静钢特殊镇静钢按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢3.按化学成分分4.按用途分分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等）。钢中碳钢低合金钢高碳钢低碳钢碳素钢合金钢中合金钢高合金钢C＜0.25%C=0.25%～0.60％C＞0.60％合金总含量＜5%5%～10％＞10％

.型钢简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。

.管材无缝钢管焊接钢管等。

.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。压型彩钢板④.线材如钢筋、钢丝等。任务二

掌握建筑钢材的基本性能标准试件按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。l0

A0d0l非标准试件不经过加工，直接在线材上切取的试件。头部头部工作段一、力学性能1.低碳钢的拉伸性能σε低碳钢拉伸过程的σ-ε图OA—弹性阶段AB—屈服阶段BC—强化阶段CD—颈缩阶段A0BCEDB上上屈服点B下下屈服点（1）拉伸试验过程σε0弹性阶段示意图A0弹性阶段σp—比例极限，MPa。σp（1）拉伸试验过程σε0屈服阶段示意图A0B下B上BAB下B上B屈服阶段放大后（1）拉伸试验过程σＳ－屈服强度σε0强化阶段示意图

A0B下B上强化阶段σbσb——抗拉强度或强度极限。CB（1）拉伸试验过程σε0D颈缩阶段示意图A0B下B上BCCD——颈缩阶段（1）拉伸试验过程（2）拉伸过程的参数强度指标弹性极限σp

屈服强度：σs抗拉强度：σb屈强比：σs

／σb是评价钢材受力特征的一个参数，反映钢材的利用率和结构安全可靠性。屈强比愈小，安全性越高，利用率偏低；屈强比愈大，钢材的利用率偏高，安全性越低。钢材的屈强比一般应０.６－０.７５屈服点作为强度取值的依据。塑性指标伸长率：断面收缩率δ值越大，说明材料的塑性越好（2）拉伸过程的参数硬钢（高碳钢）的拉伸性能硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度σ0.2来代替屈服强度。条件屈服点σ0.2

：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力值作为屈服强度。见左图。σε0A0.2%aboa——总变形。ba——弹性变形99.8%。ob——塑性变形0.2%。2、冲击韧性定义及指标指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值αk表示。αk

越大，则冲击韧性越好。αk是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。影响因素硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。冷脆3、耐疲劳性定义及指标钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然发生破坏，称为疲劳破坏。疲劳破坏指标：疲劳强度或疲劳极限。4、硬度定义及指标指钢材表面抵抗重物压入产生塑性变形的能力。布氏硬度（HB）、洛氏硬度

。测定:布氏硬度实验法二、工艺性能1.冷弯性能概念：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90°或180°）；判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。冷弯试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝等缺陷。2.冷加工冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。目的:主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。

冷拉产生塑性变形后卸去荷载冷拔高于屈服强度，比原直径小冷轧保持塑性和均匀性将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称之为冷拉；钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度。冷拉F冷弯性能将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉、而且受挤压以提高强度；每次冷拔断面缩小应为10%以下，可多次冷拔；在这个过程中，强度可提高40-60%，效果好与冷拉。冷拔冷弯性能时效钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。时效分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将其冷加工后，在常温下放置15～20d；人工时效是将冷加工后的钢材加热至100～200℃保持2h以上。经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。时效敏感性：因时效而导致钢材性能改变的性能。问答：钢材经冷加工和时效后性能有何变化？

建筑钢材经冷加工后其强度和硬度有所提高而塑性和韧性有所下降；经时效后强度和硬度进一步提高而塑性和韧性进一步下降。3.可焊性概念:是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。焊接方式：搭接、对接热脆定义：将钢材按一定规则加热保温再冷却，以获得需要性能的一种工艺过程。常用热处理退火一定温度随炉冷却减小缺陷正火一定温度空气冷却硬度、强度增加、塑性降低

淬火高温快速冷却

高强、高硬，

（水冷、油冷）塑性、韧性显著降低回火冷却后再次升温减少缺陷4、热处理三、化学成分对钢材性能的影响１、碳(C)含碳量增加，钢的强度和硬度增加，塑性和韧性下降。含碳量大于1.０％时，钢材变脆，强度反而下降。２、硫(S)热脆性有害元素之一３、磷(P)冷脆性有害元素之一但可以使钢的强度、耐磨性、耐蚀性增加。三、化学成分对钢材性能的影响４、硅、锰有益元素５、氧、氮有害元素氧会使钢具有热脆性，氮引起冷脆性和时效敏感性增加。6、铝、钛、钒、铌：提高钢材的强度，改善韧性和可焊性任务三熟悉建筑钢材的质量标准一、建筑常用钢材一般结构钢热轧用型钢钢板钢带1、普通碳素结构钢（非合金钢）：1）牌号表示法由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成；如：Q235－AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸腾钢。比较：Q235－AF、Q235－Bb、Q235－C、Q235－D的质量及应用。2）牌号共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。3）技术要求化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB700规定。各类牌号钢材的性能牌号与性能的关系根据国家标准GB/T700-2006的规定，碳素结构钢按屈服点分为4个牌号当牌号增大时，钢材的含碳量提高，伸长率降低，冷弯性能也降低。质量等级：取决于钢材内有害杂质S、P的含量，钢材的质量与好，其焊接性能和低温抗冲击性能也提高。各类牌号钢材的性能碳素结构钢的选用建筑钢结构中最常用的牌号为Q235(综合性能符合建筑工程的要求)。因为Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能满足一般钢结构用钢的要求。Q235的C级和D级钢，其S和P的含量低，所以主要作重要的焊接结构。尤其适用于低温条件下，受冲击荷载作用的焊接钢结构。4）应用Q195、Q215，含碳量低，强度低，塑性、韧性、加工性能和可焊性好，主要用于轧制薄板和盘条、制造铆钉、地脚螺栓等。Q235，含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。Q255、Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的结构及加工机械零件。受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。

2、优质碳素结构钢1）分类Mn含量不同2）牌号碳含量的万分数表示如：35Mn一般以热轧状态供应，S、P等杂质含量比普通碳素钢少，其含量均不得超过0.035%3）应用30-45号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强螺杆45号钢用作预应力混凝土锚具65-85号钢用于生产预应力混凝土用的钢丝和钢绞线普通Mn含量钢（小于0.8%）较高Mn含量钢（0.7%~1.2%）3、低合金高强度结构钢在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的结构钢。常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。1）牌号表示方法由代表屈服点的拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。如Q345-A表示屈服点不小于345MPa的A级镇静钢。2）牌号共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。3）技术要求其化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB/T1591的规定4）应用Q295，钢中只含有极少量合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。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，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。主要用于承受较高荷载的焊接结构。Q420、Q460，强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及要求强度高、荷载大的轻型结构。二、钢结构用型钢1、热轧型钢Q235-A一般工程使用。Q345、Q390，用于大跨度、承受动荷载的钢结构中2、冷弯薄壁型钢3、棒材、钢管、板材热轧钢筋预应力处理钢筋冷轧带肋钢筋冷拔低碳钢丝预应力钢丝、刻痕钢丝、钢绞线三、混凝土结构用钢1、热轧钢筋1）生产采用钢锭经加热轧制自然冷却而成。2）分类钢筋混凝土用热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。

3）牌号热轧直条光圆钢筋：HPB235热轧带肋钢筋：HRB335、HRB400、HRB500

H、R、B分别为热轧（Hotrolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词英文首位字母。推荐公称尺寸：光圆：8、10、12、16、20；带肋：6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm1、热轧钢筋4）热轧钢筋的力学性能、工艺性能应符合下表的规定。表面形状强度等级代号公称直径屈服点σs，MPa抗拉强度σb，MPa伸长率δ5，%冷弯d—弯心直径a—钢筋公称直径不小于光圆HPB2358～2023537025180°d=a月牙肋HRB3356～2528～5033549016180°d=3a180°d=4aHRB4006～2528～5040057014180°d=4a180°d=5aHRB5006～2528～5050063012180°d=6a180°d=7a1、热轧钢筋★5）应用

HPB235光圆钢筋，强度较低，但塑性、韧性及焊接性好，可用作中小型钢筋混凝土的受力筋或构造筋。

HRB335，HRB400带肋钢筋，强度较高，塑性及焊接性也较好，用途广泛，可用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。

HRB500带肋钢筋，强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋。2、冷轧带肋钢筋1）生产冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。钢筋冷轧后允许进行低温回火处理。2）牌号按抗拉强度分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170共五个牌号。3）规格直径范围为4～12mm，推荐的公称直径为5、6、7、8、9、10mm4）力学性能和工艺性能应符合GB13788的相关规定。5）应用冷轧带肋钢筋用于非预应力构件，与热轧圆盘条相比，强度提高17%左右，可节约钢材30%左右；用于预应力构件，与低碳冷拔丝比，伸长率高，钢筋与混凝土之间的粘结力较大，适用于中、小预应力混凝土结构构件，也适用于焊接钢筋网。

3、预应力钢筋1）概述热处理钢筋是经过淬火和回火调质处理的螺纹钢筋。分有纵肋和无纵肋两种，其外形分别见右图。代号为RB150。2）规格公称直径6、8、10mm。3）牌号有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三个。有纵肋无纵肋4）力学性能5）特点及应用热处理钢筋具有很高的强度外，还具有较好的塑性和韧性，特别适合于预应力构件。但其对应力腐蚀及缺陷敏感性强，应防止产生锈蚀及刻痕等现象。热处理钢筋不适用于焊接和点焊的钢筋。预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能公称直径mm牌号σ0.2σbδ10，%不小于MPa，不小于68.21040Si2Mn48Si2Mn45Si2Cr1325147064、低碳热轧圆盘条1）概述低碳热轧圆盘条的公称直径为5.5～30mm，大多通过卷线机成盘卷供应，因此称为盘条、盘圆或线材。4、低碳热轧圆盘条2）分类按用途分为：供拉丝用盘条（代号L）、供建筑和其他一般用途用盘条（代号J）两种。3）牌号低碳热轧圆盘条的牌号表示方法由屈服点符号、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号、用途类别符号等五个内容表示。所用牌号有Q195、Q215、Q235.4、低碳热轧圆盘条4）力学性能和工艺性能5）应用大量用作建筑工程中钢筋混凝土的配筋外，还适用于供拉丝、包装及其它用途。牌号力学性能冷弯试验180°d=弯心直径a=试样直径屈服点σs，MPa抗拉强度σb，MPa伸长率δ5，%不小于Q21521537527d=0Q23523541023d=0.5a低碳热轧圆盘条的力学性能和工艺性能

5、钢丝1）生产以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。2）分类按交货状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种；按外形分为光面钢丝和刻痕钢丝两种。按应力松弛分为Ⅰ级松弛和Ⅱ级松弛两种。3）力学性能及应用应符合相应标准规定。钢丝主要用作桥梁、吊车梁、电杆、楼板、大口径管道等预应力混凝土构件中的预应力筋。6、钢绞线1）生产由多根圆形断面钢丝捻制而成。钢绞线是经钢丝绞捻制成并经回火处理消除内应力的热处理后制成。6、钢绞线2）规格钢绞线按应力松弛性能分为两级：Ⅰ级松弛（代号Ⅰ）、Ⅱ级松弛（代号Ⅱ）。按所用钢筋的根数分为三种结构类型：1*2、1*3、1*7.公称直径有9.0、12.0、15.0mm三种规格。3）特点及应用钢绞线与其他配筋材料相比，具有强度高、柔性好、质量稳定、成盘供应不需接头等优点。适用于作大型建筑、公路或铁路桥梁、吊车梁等大跨度预应力混凝土构件的预应力钢筋，广泛地应用于大跨度、重荷载的结构工程中。任务四了解钢材的使用、存储与防护一、钢筋的锈蚀及防止（一）钢材的锈蚀定义：钢材表面与其周围介质发生化学反应或电化学作用而遭到的破坏。化学锈蚀：钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀，多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。在干燥环境中反应缓慢，但温度和湿度较高，锈蚀则发展迅速。电化学锈蚀：钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池，铁元素失去了电子成为Fe2+进入介质溶液，与溶液中的OH-离子结合生成Fe（OH）2。锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，降低钢材的性能，因而承载力降低。（二）锈蚀的防止1、采用耐候钢（耐大气腐蚀钢筋）2、金属覆盖——电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。3、非金属覆盖——在钢材表面用金属材料做为保护膜,

如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。4、混凝土用钢筋的防锈二、钢材的防火钢结构具有良好的力学性能，但在高温时，却会发生很大的变化。裸露的、未做表面防火处理的钢结构，耐火极限仅15mm左右就会失去支持能力。温度在200℃以内，可以认为钢材的性能基本不变，超过300℃以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始下降，应变急剧增大；到达600℃时已失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。实心包裹法将钢结构浇注在混凝土中防火涂料膨胀形（薄型）膨胀组分，遇火后会膨胀增厚5～10倍，形成多孔结构非膨胀型（厚型）厚度一般为8～50mm，呈粒状面，密度小，强度低，喷涂后需要用装饰面层隔护不燃性板材石膏板、硅酸钙板、蛭石岩板、珍珠岩板、矿棉板、岩棉板三、建筑钢材的验收与储运①生产厂是否具有产品生产许可证；②出厂合格证，出厂检验报告；③进场钢筋的表面或每捆（盘）钢筋均应有标志，应标明炉罐号或批号；并逐一进行检查。④分批抽取试样作力学性能检验。应符合同家有关标准的规定；⑤当钢筋存运输、加工过程中，发现脆断、焊接性能不良或力学性能显著不正常等现象，需进行化学成分检验或其他专项检验；⑥抽样复验应符合见取样送检的有关规定；⑦对冷拔钢丝的质量验收，应符合以下规定：(I)逐盘检查外观，钢丝表面不得有裂纹和机械损伤；(II)甲级钢丝的力学性能应逐盘检验。脆弱的防盗门！！西安某中高档小区防盗门《防盗门国家标准》，使用破坏工具开启防盗门的时间不能低于15分钟。然而，质检所的实验人员用普通工具撬开这樘防盗门却只用了不到5分钟的时间。

根据目前钢材的市场价格，按照正常工艺进行生产，一樘合格的防盗门成本在600元以上有的只有200多元,这些门之所以这么便宜是因为钢板厚度只有0.2至0.3毫米(标准规定是1毫米)。即使喷上一层厚厚的漆，厚度也只有0.5毫米。蜂窝纸被用来代替钢板和钢筋，充当防盗门的填充物挑选防盗门时可以借助住听、量、掂、看四种简便可行的方法本章小结钢材是建筑工程中常用的建筑材料之一。建筑钢材主要包括各种型钢、钢筋、钢丝和钢绞线等；建筑钢材的主要性能包括力学性能、工艺性能和耐久性三个方面；建筑钢材所用的钢种包括碳素结构钢（非合金钢）、低合金高强度结构钢。建筑工程中常用的钢筋，其力学性能、工艺性能、化学成分等必须符合相应标准的规定。钢丝和钢绞线具有强度高、变形较小等特点，主要用作普通预应力混凝土结构及大跨度预应力结构的预应力筋。

任务五了解钢材的检测项目内容1试验目的和意义2试验原理3试验装置和仪器4试验方法和步骤5试验数据记录与处理6试验结果分析与讨论1.试验目的和意义建筑钢材是指钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构的各种型钢，以及用于维护结构的装修工程的各种深加工钢板和复合板等。由于建筑钢材主要用作结构材料，钢材的性能往往对结构的安全起着决定性的作用，因此，我们应对各种钢材的性能有充分的了解，以便在设计和施工中合理地选择和使用。本实验的目的，是为了加深对钢筋受拉的应力－应变特性的认识；加深对屈服强度、抗拉强度和伸长率的认识；确定试验钢筋的牌号。2.试验原理抗拉强度是建筑钢材的最重要性能之一。由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材抗拉性能的主要技术指标。钢材的受拉性能，可通过低碳钢受拉时的应力－应变曲线阐明。低碳钢在常温和静载条件下，要