《道路建筑材料（活页式）》课件 项目9 建筑钢材

道路建筑材料

第九章建筑钢材

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：钢材的分类。本章教学目标一、钢材的定义与分类

二、钢材的技术性质主要内容三、建筑钢材的标准与选用一、钢的定义第一节钢材的定义与分类钢理论上，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、钢的冶炼白口铁液态生铁吹入空气或氧气钢浇注成钢锭脱氧熔融按照炼钢炉的种类，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.电炉炼钢法三、钢的分类钢的分类方法很多，目前的分类方法主要有下面几种。

1.按化学成分分类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％2、按品质分类按S和P元素含量，分为普通质量钢、优质钢、高级质量钢和特级优质钢。

(1)普通钢。硫含量≤0.050%，磷含量≤0.045%。

(2)优质钢。硫含量≤0.035%，磷含量≤0.035%。

(3)高级优质钢。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.025%。

(4)特级优质钢。硫含量≤0.025%，磷含量≤0.015%。建筑中常用普通钢，有时也用优质钢。3、按脱氧程度分类

(1)沸腾钢。炼钢时加入锰铁进行脱氧，脱氧很不完全，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，杂质和夹杂物多，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但其生产成本低、产量高、可广泛用于一般的建筑工程。

(2)镇静钢。炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧充分，这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，基本无CO气泡产生，故称镇静钢，代号为“Z”(亦可省略不写)。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。

(3)特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，其质量最好。适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”(亦可省略不写)。

(4)半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。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）。

在土木工程中，掌握钢材的性能是合理选用钢材的基础。钢材的性能主要包括力学性能(抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等)和工艺性能(冷弯性能、焊接性能和热处理性能等)两个方面。一、抗拉性能

抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。建筑钢材的抗拉性能可用低碳钢受拉时的应力—应变图来阐明。低碳钢从受拉至拉断，分为以下四个阶段。第二节建筑钢材的主要技术性能

1.弹性阶段OA为弹性阶段。在OA范围内，随着荷载的增加，应变随应力成正比增加。如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为弹性极限。在这一范围内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E表示

。2.屈服阶段AB为屈服阶段。在AB曲线范围内，应力与应变不成比例，开始产生塑性变形，应变增加的速度大于应力增长速度，钢材抵抗外力的能力发生“屈服”了。这一阶段应力最高点，称为屈服上限，最低点为屈服下限。因屈服下限比较稳定易测，故一般以屈服下限点对应的应力作为屈服点。常用低碳钢的

为195MPa～300MPa。3.强化阶段BC为强化阶段。过B点后，抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，随着应力的提高而增强。对应于最高点C的应力，称为抗拉强度.

抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值(即屈强比)，能反映钢材的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。4.颈缩阶段CD为颈缩阶段。过C点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂。σε0钢材拉伸过程的σ-ε图OB—弹性阶段BC—屈服阶段CD—强化阶段DE—颈缩阶段A0BCB0DCEDFEC上上屈服点C下下屈服点以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。σε0钢材拉伸弹性阶段示意图AB0弹性阶段σp—比例极限，MPa。σpσBσB—弹性极限，MPa。注：由于A、B两点相距较近，一般认为σp=σB。σε0

钢材拉伸屈服阶段示意图AB0C下C上CBC下C上C屈服阶段放大后σε0

钢材拉伸强化阶段示意图AB0C下C上CDDDDD强化阶段σbσb——抗拉强度或强度极限。DCσε0E钢材拉伸颈缩阶段示意图AB0C下C上CDDE——颈缩阶段

通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的一个重要性指标。钢材塑性用伸长率或断面收缩率表示。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距l1。试件拉断后标距的伸长量与原始标距(l0)的百分比称为伸长率(δ)。伸长率的计算公式如下：

测定试件拉断处的截面积(A1)。试件拉断前后截面积的改变量与原始截面积(A0)的百分比称为断面收缩率(φ)。断面收缩率的计算公式如下：

l0

A0d0l头部头部工作段硬钢强度高，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。见左图σε0A0.2%aboa——总变形。ba——弹性变形99.8%。ob——塑性变形0.2%。2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能二、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。冲击韧性试验图(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机三、耐疲劳性

钢材在交变荷载反复作用下，可在远小于抗拉强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度(或称疲劳极限)来表示，它是指试件在交变应力下，作用107周次，不发生疲劳破坏的最大应力值。

钢材的疲劳破坏是拉应力引起。首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材的内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。

疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。在设计承受反复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。三、硬度硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏硬度测定示意图四、焊接性能可焊性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。可焊性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。五、冷弯性能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°）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它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。六、

冷加工强化1.冷加工强化的机理

将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑性和韧性会降低，这个过程称为冷加工强化处理。2.冷加工强化方法(1)冷拉。将钢筋拉至其应力—应变曲线的强化阶段内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，其屈服极限将有所提高，而其塑性变形能力将有所降低。钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%`25%。(2)冷拔。将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在10%以内。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光滑，屈服强度可提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。

2.冷加工强化方法(3)冷轧。将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋，可提高其强度及与混凝土的黏结力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性。七、时效处理

将冷加工处理后的钢材经过处理，使得其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复的过程称为时效处理。

自然时效:钢材经冷加工后在常温下搁置15～20天在自然条件下的时效，适用于低强度钢筋。

人工时效:钢材加热至100～200℃保持2h以内，钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低完成时效过程，适合于高强钢筋。

1.钢材腐蚀化学腐蚀钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧和工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。电化学腐蚀电化学腐蚀是由于金属表面形成原电池而产生的腐蚀。八、耐久性

2.建筑钢材的锈蚀和保管防护措施保护层：非金属保护层和金属保护层制成合金钢混凝土配筋的防锈一、碳素结构钢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。共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。

2、技术要求化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB/T700规定。第三节建筑钢材的标准与选用3.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。二、低合金高强度结构钢

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Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号2.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、HRB500H、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50mm三、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=7a四、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。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。五、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～