新型建筑材料 课件 第3章 建筑钢材

第三章

建筑钢材新型建筑材料2026/1/242第三章建筑钢材1234钢的生产与分类建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的品种与选用钢材防火与防锈CONTENTS2026/1/243第三章建筑钢材钢的生产与分类建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的品种与选用钢材防火与防锈CONTENTS12342026/1/2443.1.1钢的生产（1）钢的冶炼钢是由生铁冶炼（Smelting）而成的。钢和生铁的主要成分都是铁和碳，其主要区别在于含碳量不同。炼钢的原理就是通过将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到预定范围内，使其他杂质的含量降低到允许范围内。

2026/1/2453.1.1钢的生产

常用的炼钢方法主要有氧气转炉法、平炉法和电炉法（高炉冶铁技术）三种，以下为其特点：

2026/1/2463.1.1钢的生产

推动行业的绿色转型和可持续发展具有不可或缺的作用。新型低碳冶炼技术主要有：①以氢代碳②竖炉铁焦③煤气循环④气基竖炉直接还原法⑤核能制氢炼钢技术⑥碳捕集和封存技术

高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室富氢低碳冶炼热模拟实验系统2026/1/2473.1.1钢的生产（2）钢的铸锭将冶炼好的钢液注入锭模，冷凝后便形成柱状的钢锭（钢坯），此过程称为钢的铸锭（Foundry）。钢在冶炼过程中，由于氧化作用使部分铁被氧化，多余氧化铁的存在，会使钢的质量变差。钢液在铸锭之前须进行脱氧处理。常用的脱氧剂有锰铁、硅铁和铝锭等，其中以铝锭的脱氧效果为最好。2026/1/2483.1.1钢的生产（3）压力加工钢液在铸锭冷却过程中，由于内部某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心聚集，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析。目前普遍认为，硫、磷等元素的存在是导致偏析的最主要原因之一。偏析现象对钢材质量影响很大。2026/1/2493.1.1钢的生产（3）压力加工

除化学偏析外，在钢锭中往往还会有缩孔、气泡、晶粒粗大，组织不致密等缺陷存在，为了保证钢的质量并满足工程需要，钢锭须再经过压力加工（PressedWork），轧制成各种型钢和钢筋后才能使用。压力加工可分为热加工和冷加工两种。（1）热加工：将钢锭重新加热至一定温度，使其呈塑性状态，再施加压力改变其形状，称为热加工。2026/1/24103.1.1钢的生产（3）压力加工（2）冷加工：钢材在常温下进行的压力加工称为冷加工。冷加工的方式很多，有冷拉、冷拔、冷轧，冷扭、冲压等。钢筋冷拔示意图2026/1/24113.1.2钢的分类1.按脱氧程度分类（1）沸腾钢（F）：沸腾钢是脱氧不完全的碳素钢。经脱氧处理之后，在钢液中尚存有较多的氧化铁。

当钢液注入锭模后，氧化铁与碳继续发生反应，生成大量CO气体，气泡外逸引起钢液“沸腾”，故称沸腾钢。2026/1/24123.1.2钢的分类1.按脱氧程度分类（2）镇静钢（Z）：镇静钢是脱氧完全的碳素钢，一般先用锰铁、后用硅铁、最后用铝进行脱氧或单用强脱氧剂进行脱氧，由于钢中的氧已很少（<0.01%），因此当钢水浇铸在钢锭模内时呈静止状态，即没有碳和氧化铁产生一氧化碳的沸腾现象，所以称镇静钢。2026/1/24133.1.2钢的分类1.按脱氧程度分类（3）特殊镇静钢（TZ）:特殊镇静钢的脱氧程度比镇静钢还要充分彻底，其质量一般是最好的。在建筑领域，特殊镇静钢主要用于特别重要的结构工程。硅镇静钢(用Si+Mn脱氧)1硅铝镇静钢(Si+Mn+少量Al脱氧)2铝镇静钢(用过剩Al>0.01%)32026/1/24143.1.2钢的分类2.按化学成分分类

碳素钢（CarbonSteel）的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁碳合金，其中碳含量对钢的性质影响显著。碳素钢合金钢（AlloySteel）是在碳素钢的基础上增加适量的一种或多种合金元素（如硅，锰，钛、钒等）后冶炼而成的。合金元素的掺量虽少，但却能显著地改善钢的力学性能和工艺性能，同时还可使钢获得某种特殊的理化性能。0102合金钢

按照含碳量不同，碳素钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。低碳钢含的碳量<0.25%，其硬度低、塑性好中碳钢的含碳量为0.25%~0.60%，其热加工及切削性能良好，焊接性能较差。高碳钢含碳量>0.60%，有着较高的弹性极限。

按照合金元素含量不同，合金钢又可分为：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5%~10%；高合金钢，合金元素总含量≥10%。2026/1/24153.1.2钢的分类3.按有害杂质含量分类和用途分类0102普通钢S≤0.050%，P≤0.045%0304优质钢S≤0.035%，P≤0.035%高级优质钢S≤0.025%，P≤0.025%特级优质钢S≤0.015%，P≤0.025%2026/1/24163.2.1力学性能4.按用途的不同分类结构钢：指主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低碳钢或中碳钢.工具钢：指主要用于各种工具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。特殊钢：具有特殊物理，化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢，耐酸钢，耐磨钢、磁性钢等，一般为合金钢。2026/1/2417第三章建筑钢材钢的生产与分类建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的品种与选用钢材防火与防锈CONTENTS12342026/1/24183.2.1力学性能1.抗拉性能

拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以抗拉性能是钢材最为重要的力学性能指标之一。

通过低碳钢轴向拉伸实验，观察实验过程中应力（σ）-应变（ε）曲线，可以更好地理解钢材抗拉性能的特征指标和变化规律。

低碳钢轴向拉伸实验的主要仪器有万能试验机(精度1%)、游标卡尺（0.1mm以上的分辨率）、千分尺、标距仪等。2026/1/24193.2.1力学性能万能试验机游标卡尺千分尺标距仪2026/1/24203.2.1力学性能应力-应变曲线可分为弹性阶段（OA）、屈服阶段（AB）、强化阶段（BC）和颈缩阶段（CD）四个阶段。低碳钢受拉时的应力-应变图2026/1/24213.1.2钢的分类弹性阶段（OA）在OA段，荷载较小，此时如卸去荷载，试件将恢复原状，表明此阶段的变形为完全的弹性变形，因此称OA段为弹性阶段。屈服阶段（AB）应力与应变不再保持正比关系而成锯齿形变化，应力的增长明显滞后于应变的增加，钢材内部暂时失去了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服，因此称AB段为屈服阶段。强化阶段（BC）经过屈服阶段，钢材内部组织结构发生了变化，建立了新的平衡，使之抵抗塑性变形的能力重新提高而得到强化，应力-应变曲线开始继续上升直至最高点C。应力达到最高点C之后，变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截面面积急剧减小，即颈缩现象。颈缩与断裂阶段（CD）2026/1/24223.2.1力学性能钢材的颈缩现象钢材试件拉断前后的示意图

断面收缩率越大，钢材的塑性也就越好。2026/1/24233.2.1力学性能高碳钢受拉时的应力应变图

高碳钢的特点是抗拉强度高，塑性变形小，无明显的屈服平台。

通过拉伸试验，可以测得钢材的三项重要技术指标，即屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）。2026/1/24243.2.1力学性能2.冲击韧性

冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用下的塑性变形和断裂能力。冲击韧性试验示意图2026/1/24253.2.1力学性能钢材冲击韧性与温度关系

钢材的冲击韧性随温度的降低而下降，其变化规律是开始时下降缓和，当温度降低到某一范围时，突然下降很多而成脆性，这种现象称为钢材的冷脆性，此时的温度称为脆性临界温度。它的数值越低，钢材的低温冲击性能越好。2026/1/24263.2.1力学性能泰坦尼克号南极科考昆仑站雪龙2号极地考察船2026/1/24273.2.1力学性能3.疲劳强度在反复交变荷载作用下，结构工程中所使用的钢材往往会在应力远低于其抗拉强度的情况下，发生突然破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏一般存在低于屈服应力，周期性载荷，裂纹扩展，局部应力集中的特点。测定疲劳强度时，应根据结构使用条件确定采用的应力循环类型（如拉-拉型、拉-压型等），应力特征值（最小与最大应力之比）和周期基数。2026/1/24283.2.1力学性能4.硬度

硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力，它是衡量钢材软硬程度的一个指标。测定钢材硬度的方法很多，主要有布氏法、洛氏法和维氏法等。布氏硬度实验洛氏硬度试验2026/1/24293.2.1力学性能根据硬度值的大小，可以判定钢材的软硬程度，据此还可以估计钢材的抗拉强度。实验证明，当碳素钢的硬度HB≤175时，其抗拉强度σb≈0.36HB；当HB>175时，σb≈0.35HB。钢材的硬度应是适度的，并不是硬度越高，性能越好。在实际工程应用中要选择合适钢材来满足工程要求。2026/1/24303.2.2工艺性能1.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，以弯曲角度（α）及弯心直径对试件厚度（或直径）的比值（d/a）来表示。冷弯试验示意图2026/1/24313.2.2工艺性能冷弯弯心直径的规定

各种钢材按规定的弯曲角度和弯心直径进行冷弯试验后，如在试件的弯曲处未发生裂纹，裂断或起层现象，即认为冷弯性能合格。2026/1/24323.2.2工艺性能2.冷加工性能及时效

将钢材于常温下进行各种加工（包括冷拉，冷拔、冷轧，冷扭，刻痕等），使之产生塑性变形，从而提高其屈服强度，称为冷加工强化。

冷拉是在施工现场经常采用的一种冷加工方法。将钢筋一端固定，利用冷拉设备对其另一端进行张拉，使其伸长。

冷拔是预制构件厂经常采用的另一种冷加工方法。将热轧圆盘条通过硬质合金拔丝模孔，进行强力拉拔，使其伸长变细。2026/1/24333.2.2工艺性能2.冷加工性能及时效冷拉时效前后应力-应变图变化

钢材经冷拉时效后，其屈服强度将得到进一步提高（由K点提高到K1点），同时抗拉强度也得到了相应提高（由C点提高到C1点），但塑性和韧性则进一步降低。2026/1/24343.2.3焊接性能

焊接连接是钢结构的主要连结方式，在工业与民用建筑的钢结构中，焊接结构占90%以上。

建筑钢材的焊接方法最主要的是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的电渣压力焊。电弧焊示意电渣压力焊

1-钢筋2-铁丝圈3-焊剂4-焊剂筒2026/1/24353.2.3焊接性能对性能最有影响的缺陷是裂纹、缺口、塑性和韧性的下降。焊件的质量主要取决于选择正确的焊接工艺和适当的焊接材料，以及钢材本身的可焊性。钢材的可焊性是指钢材是否适应用通常的方法与工艺进行焊接的性能。选择焊接结构用钢，应注意选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对于高碳钢及合金钢，为了改善其可焊性，焊接时一般需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。焊接质量的检验方法主要有取样试件试验和原位非破损检测两类。2026/1/2436第三章建筑钢材钢的生产与分类建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的品种与选用钢材防火与防锈CONTENTS12342026/1/24373.3.1钢结构用钢材1.碳素结构钢材（1）牌号及表示方法碳素结构钢的牌号由屈服点符号、屈服点数值、质量等级符号及脱氧程度符号四个部分按顺序组成，每两部分之间以“—”相连。具体表述如下：X1X2—X3X4X1—屈服点符号，以“屈”字汉语拼音首位字母“Q”来表示；X2—屈服点数值，分195、215、235、255、275五种，单位N/mm2；X3—质量等级符号，按钢中硫、磷有害杂质含量由多到少分为A、B、C、D四级，钢的质量随A、B、C、D顺序在逐级提高；X4—脱氧程度符号，有F、Z、TZ三种，分别代表沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢。在牌号中，Z和TZ符号可予以省略。2026/1/24383.3.1钢结构用钢材1.碳素结构钢材（2）技术要求

碳素结构钢的技术要求主要包括牌号和化学成分、冶炼方法、交货状态、力学性能及表面质量五个方面。各牌号钢的化学成分、力学性能（含拉伸和冲击试验）、冷弯性能指标应分别符合下表的要求。

碳素结构钢的冷弯性能2026/1/24393.3.1钢结构用钢材碳素结构钢的化学成分

（熔炼分析）碳素结构钢的力学性能2026/1/24403.3.1钢结构用钢材1.碳素结构钢材（3）不同牌号钢材性能及用途的比较：碳素结构钢随牌号的增大，含碳量在增加，屈服强度及抗拉强度在提高，但塑性、韧性以及冷弯性能则随之降低。

Q195，Q215两种牌号的钢，强度较低，但塑性及韧性较好，易于冷加工和焊接，故多用于受荷较小及焊接结构中，常用来制作钢钉、铆钉及螺栓。1Q275牌号的钢，强度较高，但塑性，韧性较差，可焊性较低，不易进行冷弯加工，可用来轧制带肋钢筋，制作螺栓配件，用于钢筋混凝土结构及钢结构中，但更多的是用于机械零件和工具中。2Q235牌号居中，既具有较高的强度，又具有良好的塑性、韧性及可焊性，其综合性能好，能够满足一般钢结构和钢筋混凝土结构用钢的要求，且成本较低32026/1/24413.3.1钢结构用钢材2.低合金高强度结构钢（1）牌号及表示方法

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度“屈”字的汉语拼音首字母Q，规定的最小上屈服强度数值，交货状态代号质量等级符号（B、C、D、E、F）四个部分组成。当交货状态为热轧时，交货状态代号AR或WAR可省略；交货状态为正火或正火轧制状态时，交货状态代号均用N表示。Q+规定的最小上屈服强度数值+交货状态代号简称为“钢级”。

2026/1/24423.3.1钢结构用钢材2.低合金高强度结构钢（2）技术要求

对于低合金高强度结构钢而言，热轧钢的牌号及化学成分（熔炼分析）应符合规定，其碳当量值应符合规定。

正火及正火轧制钢的牌号及化学成分（熔炼分析）应符合的规定，其碳当量值应符合规定。

热机械轧制钢的牌号及化学成分（熔炼分析）应符合规定，其碳当量值应符合规定。

当热机械轧制钢的碳含量不大于0.12%时，宜采用焊接裂纹敏感性指数（Pcm）代替碳当量评估钢材的可焊性，Pcm值应符合表规定。

经供需双方协商，可指定采用碳当量或焊接裂纹敏感性指数评估钢材的可焊性,当未指定时，供方可任选其一。2026/1/24433.3.1钢结构用钢材热轧钢的牌号及化学成分热轧状态交货钢材的碳当量（基于熔炼分析）正火及正火轧制钢的牌号及化学成分正火及正火轧制状态交货钢材的碳当量（基于熔炼分析）2026/1/24443.3.1钢结构用钢材热轧钢的牌号及化学成分热轧状态交货钢材的碳当量（基于熔炼分析）热机械轧制钢的牌号及化学成分热机械轧制或热机械轧制加回火状态交货钢材的碳当量及焊接裂纹敏感性指数(基于熔炼分析)2026/1/24453.3.1钢结构用钢材2.低合金高强度结构钢（3）工程应用

低合金高强度结构钢主要用来轧制各种型钢（角钢，槽钢、工字钢）、钢板，钢管及钢筋等，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，尤其对各种重型结构，大跨结构、高层建筑以及承受动荷载和冲击荷载的结构（如桥梁工程等）更为适用。鸟巢水立方2026/1/24463.3.1钢结构用钢材2.低屈服强度钢（1）牌号及表示方法按照国家标准《建筑用低屈服强度钢板》（GB/T28905-2022）规定，低屈服强度钢的牌号由低屈服的英文“LowYield”中的首位英文字母“LY”和规定屈服强度目标值两部分按顺序排列。例如：LY160

其中，LY—低屈服的英文“LowYield”中的首位英文字母；160—规定屈服强度的目标值，单位兆帕（MPa）。2026/1/24473.3.1钢结构用钢材2.低屈服强度钢（2）技术要求

建筑用低屈服强度钢板的牌号及化学成分（熔炼分析）应符合规定，钢板的力学性能应符合规定。

公称厚度不小于6mm的钢板应做冲击试验，冲击试样尺寸取10mm×10mm×55mm标准试样；当钢板厚度不足以制取标准试样时，应采用7.5mm×10mm×55mm、5mm×10mm×55mm小尺寸试样，冲击吸收能量应分别为不小于规定值的75%或50%，优先采用较大尺寸试样。检验项目、试样数量、取样方法和试验方法见下表。2026/1/24483.3.1钢结构用钢材2.低屈服强度钢低屈服钢的牌号及化学成分低屈服钢的力学性能检验项目、试样数量、取样方法和试验方法2026/1/24493.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝1.热轧钢筋用加热钢坯轧制成的条形成品钢材，称为热轧钢筋。它是土木工程中用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋。热轧钢筋按其表面形状不同分为光圆钢筋和带肋钢筋。截面通常为圆形，钢筋的公称尺寸是与其公称截面面积相等的圆的直径。2026/1/24503.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝1.热轧钢筋（1）热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋的塑性好、伸长率高，并且具有易弯折成型、容易焊接等施工特点，由于其属于低强度钢筋，比较广泛用于中小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋和其他各种钢筋混凝土结构的箍筋，以及钢、木结构的拉杆、水泥混凝土路面的传力杆等。2026/1/24513.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝1.热轧钢筋热轧光圆钢筋的牌号热轧光圆钢筋的力学性能2026/1/24523.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝1.热轧钢筋（2）热轧带肋钢筋

热轧带肋钢筋因其表面带肋，加强了钢筋与混凝土之间的黏结力，而且其强度较高，塑性和焊接性也较好。相关研究表明，以热轧带肋钢筋代替光圆钢筋作为钢筋混凝土结构的受力钢筋，可节省钢材40%~50%。

因此，热轧带肋钢筋广泛用于水坝、桥梁、港口工程和房屋建筑结构等大、中型钢筋混凝土结构的主筋。2026/1/24533.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝1.热轧钢筋热轧带肋钢筋的牌号热轧带肋钢筋的力学性能热轧带肋钢筋的弯曲性能2026/1/24543.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝2.冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋是冷加工方法强化的典型产品，与传统的冷拔低碳钢丝相比，具有强度高、塑性好、握裹力强、节约钢材、质量稳定等优点。2026/1/24553.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝2.冷轧带肋钢筋

根据《冷轧带肋钢筋》（GB/T13788-2024）规定，冷轧带肋钢筋按延性高低分为冷轧带肋钢筋（CRB+抗拉强度特征值）和高延性冷轧带肋钢筋（CRB＋抗拉强度特征值＋H），C、R、B、H分别为冷轧、带肋、钢筋）、高延性四个词的英文首位字母。

冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB600H、CRB650、CRB800、CRB800H五个牌号。CRB550、CRB600H为普通钢筋混凝土用钢筋，CRB650、CRB800、CRB800H为预应力混凝土用钢筋。2026/1/24563.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝3.预应力混凝土用钢丝和钢绞线

预应力混凝土用钢丝是采用优质碳素钢或其他相应性能的钢种，经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强度钢丝。

根据《预应力混凝土用钢丝》（GB/T5223-2014）的规定：按外形尺寸预应力混凝土用钢丝可分为光圆钢丝（代号P），螺旋肋钢丝（代号H）和刻痕钢丝（代号I）三种。按加工状态，预应力混凝土用钢丝可分为冷拉钢丝（代号WCD）和消除应力钢丝（代号WLR）两类。2026/1/24573.3.2钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝3.预应力混凝土用钢丝和钢绞线

预应力混凝土用钢绞线是以数根冷拉光圆钢丝或刻痕钢丝经绞捻和消除内应力的热处理后制成。钢绞线按结构分为八类：（1）用两根钢丝捻制的钢绞线，结构代码1×2；（2）用三根钢丝捻制的钢绞线，结构代码1×3；（3）用三根刻痕钢丝捻制的钢绞线，结构代码1×3I；（4）用七根钢丝捻制的标准型钢绞线，结构代码1×7；（5）用六根刻痕钢丝和一根光圆中心钢丝捻制的钢绞线，结构代码1×7I；（6）用七根钢丝抢制又经模拔的钢绞线，结构代码（1×7）C；（7）用十九根钢丝抢制的1+9+9西鲁式钢绞线，结构代码1×19S；（8）用十九根钢丝抢制的1+6+6/6瓦林吞式钢绞线，结构代码1×19W。2026/1/24583.3.3钢材的选用原则对经常承受动荷载或反复交变荷载作用的结构，易产生应力集中，引起疲劳破坏，需选用韧性好﹑疲劳强度较高的钢材。焊接结构当温度变化和受力性质改变时，易导致焊缝附近的母体金属出现冷热裂缝，促使结构早期破坏。所以，焊接结构应特别注意化学成分对钢材性能的影响。要选用可焊性较好的钢材，以确保焊接质量钢材的部分力学性能一般会随厚度的增大而降低，钢材经多次轧制后，其晶体组织更加致密，强度提高，质量更好。钢材的选用还应考虑建筑或结构的重要性，对具有纪念性的建筑，重荷载大跨度的结构以及其他重要的建筑结构，必须选用材质好的钢材。对经常处于低温环境中的结构，钢材易发生冷脆断裂，特别是焊接结构，冷脆倾向更加显著，应选择塑性好、脆性临界温度低、冲击韧性好的钢材。543212026/1/2459第三章建筑钢材