第2章建筑钢材.ppt

1、第二章 建筑钢材,一. 钢材的化学成分及晶体组织 二. 钢材的分类 三. 建筑钢材的主要力学性能 四. 钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接 五. 钢材的防火和腐蚀 六. 建筑钢材的品种与选用,学习目的和要求,熟练掌握建筑钢材的主要力学性能； 熟悉建筑钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接方法； 熟悉建筑钢材的防火和防腐蚀； 掌握土木工程中常用建筑钢材的分类及其选用原则。,第一节 钢材的化学成分及晶体组织,一. 钢的晶体组织 铁-碳合金晶体 金属键钢材的强度和塑性 1. 铁和碳三种结合形式 固溶体铁（Fe）中固溶着微量的碳(C)； 化合物铁和碳结合成化合物Fe3； 机械混合物固溶体和化合

2、物的混合 2. 钢的显微组织 铁素体 在一Fe中，溶碳能力较差（小于0.02），塑性、韧性很 好，强度、硬度很低。 奥氏体 723以上，在一Fe中的固溶体，溶碳能力较强。其强度、 硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。 渗碳体 化合物Fe3C ，含量高（达6.67），塑性差，性硬脆，抗拉 强度低。 珠光体 铁素体和渗碳体的机械混合物，层状结构，塑性较好，强度和 硬度较高。,3. 晶体缺陷 （1）点缺陷 空位：强度 间隙原子：晶面滑移力 强度 （弥散强化） （2）线缺陷 位错：塑性,点缺陷,线缺陷,（3）面缺陷 晶界处原子排列混乱 晶界 滑移阻力 强度 塑性 晶粒细，晶界多，强度高，韧性好。

3、（细晶强化）,二. 钢材的化学组成 1. 碳（C）（） 强度 塑性、韧性 可焊性 冷脆性、时效敏感性 抗大气敏感性,2. 硅(Si)：Si 1%时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。 3. 锰（Mn)：含量在1%范围内，细晶强化，强度提高，减硫脱氧，改善热加工性质。,4. 硫（S）氧(O)磷(P)氮(N) S、O 强烈的偏析作用，降低各种力学性能 低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。 P 偏析富集，低温冷脆，并显著降低钢材的可焊性。 提高耐磨性和耐腐蚀性（低合金钢中配合其他元素使用） N 塑性 、韧性 ，可焊性 ，时效敏感性和冷脆性 。,5. 钛（Ti）、钒(V) Ti

4、 强脱氧剂,细晶强化（显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向）。 V 与C、N、O形成化合物，细晶强化（能有效提高强度，并能减少时效倾向)， 焊接淬硬。,一.按化学成分分 1.碳素钢 低碳钢（含碳量小于0.25）、 中碳钢（含碳量为0.250.60） 高碳钢（含碳量大于0.60） 2.低合金钢（合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等） 低合金钢（合金元素总含量小于） 中合金钢（合金元素总含量为10） 高合金钢（合金元素总含量大于10）。,第二节 钢材的分类,二. 按冶炼方法分 1. 氧气转炉钢 时间短（2040min）,不需燃料。 建筑用钢的主流 2. 平炉钢 时间长（23h），质量好，设

5、备投资大，燃料效率低，成本高。 3. 电炉钢 利用电流的热效应产生的高温炼钢，可在短时间达到预定高温，能充分除去P和S，得到高纯度的优质钢，适用于冶炼优质或特殊质量的特种钢。,三. 按冶炼时脱氧程度分类 1.沸腾钢 以锰铁为脱氧剂，则脱氧不完全。钢水入锭时，会有大量的气体外逸，呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“”。 特点：塑性好、利于冲压，但化学成分不匀，P和S偏析严重，沸腾钢组织不够致密，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。,2. 镇静钢 以锰铁、硅铁和铝锭为脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“”。 特点：组

6、织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。成本较高，适用于承受冲击振动荷载、预应力混凝土等重要的结构工程。 3. 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“”。 4. 特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。,四. 按有害杂质含量分类 按钢中有害杂质磷（）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：1. 普通钢 P0.045；S 0.050%。2. 优质钢 P 0.035%； S 0.035%。3. 特级优质钢 P 0.025%； S 0.015%。 五. 按用途分类 1. 结构钢 主要用于工程结构构件及机械零件

7、的钢，一般为低碳钢或中碳钢。 2. 工具钢 主要用于各种工具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。 3. 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、耐酸钢等，一般为合金钢。,第三节建筑钢材的主要技术性能,钢材的优点：强度高、品质均匀、具有一定弹性和塑性变形能 力，能承受冲击和振动荷载。可加工性能好、可铸造 成各种形状、装配性强。 缺点：易锈蚀、维修费用大、耐火性差,一. 抗拉性能,1. 弹性极限p OA段为弹性阶段，应力应变成正比，A点对应的应力值为p 2. 屈服点s 屈服下限下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做s。设计时一般以s作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以

8、0.2残余变形时的应力0.2作为屈服强度。 3. 抗拉强度b 拉伸曲线最高点C对应的应力。 4. 屈强比s/b s/b ，安全性 ，利用率 。,5. 伸长率 表征了钢材的塑性变形能力。 拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即,由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以5和10分别表示L0=5d0和 L0=10d0（0为试件直径）时的伸长率。 同一种钢材，510。,拉伸试验机,二. 冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力，用冲击韧性ak（/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性

9、愈好。,影响冲击韧性的因素： 钢材的化学成分与组织状态 S、P含量高时，钢材组织中有非金属夹杂物和偏析现象时， ak下降。 钢材的轧制和焊接质量 沿轧制方向不同，冲击韧性不同。 焊接中的缺陷使冲击韧性降低。 环境温度 钢材的冷脆性 脆性临界温度 时间 时效 时效敏感性,冲击韧性随温度的降低而降低，其规律是开始降低缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，称钢材的冷脆性。发生冷脆时的温度称为脆性临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。,自然时效：1520d 人工时效:100200，23d 因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。 对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材

10、。,随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。 完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。,时效,三. 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，是钢材的重要工艺性能。 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90、180）及弯心直径 对试件厚度（或直径）a的比值（/a）表示的，试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。,冷弯性能表明钢材在静荷下的塑性，可揭示内部组织是否均匀，有无杂质。 弯曲角度 弯心直径,冷弯性能,冷弯也是检验钢材塑性的一种方法

11、，并与伸长率相关。伸长率大的钢材，其冷弯性能必然好。但冷弯试验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、更敏感。,四. 硬度 钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。 布氏法的测定原理是利用直径为（）的淬火钢球，以荷载P（）将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得到直径为（）的压痕，以压痕表面积（）除荷载，所得的应力值即为试件的布氏硬度值，以数字表示，不带单位。 钢材的硬度值实际上是材料弹性、塑性、变形强化率、强度和韧性等一系列性能的综合反映。,五. 耐疲劳性 在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种

12、现象称为钢材的疲劳破坏。 疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，因此，钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关，一般抗拉强度高，其疲劳极限也较高。由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的，故钢材的疲劳极限不仅与其内部组织有关，也和表面质量有关。,一. 钢材的冷加工和时效处理 1. 冷加工 将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度的过程称为钢材的冷加工强化。 冷加工强化的原理是：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将

13、起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。,第四节 钢材的冷加工和热处理,2. 时效 随时间的延长，强度和硬度增加，塑性、韧性下降的性质。 时效处理： 自然时效 常温下存放1520 人工时效 加热到100200并保持23h 自然时效适用于低强钢筋，人工时效适用于高强钢筋。 目的：屈服点进一步提高，恢复弹性模量。,钢材产生时效的主要原因是：溶于一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复

14、。,钢材冷拉和时效处理后的效果：屈服强度进一步提高、抗拉强度提高，塑性和韧性进一步降低,二. 钢材的热处理 按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。 1. 淬火 将钢材加热至723（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。,2. 回火 将淬火后的钢材重新加热到723以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢

15、地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。 若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。 3. 退火。退火是指将钢材加热至723以上某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。,三. 钢材焊接 钢结构的主要连接形式之一。 要求：焊接后钢材的力学性能，特别是强度，一般不低于原有钢材的强度。 化学成分及其含量对可焊性的影响： 含碳量、合金元素

16、及杂质含量提高，钢材的可焊性降低。 焊接质量取决于： 焊接工艺 焊接材料 钢材的可焊性 焊接质量的检验方法：原位非破损检测和原位取样试件试验,第五节 建筑钢材的技术标准 一. 建筑钢材的主要钢种 1.碳素结构钢 （1）牌号 牌号由四部分组成 代表屈服强度的字母“Q” 屈服强度 质量等级 脱氧程度 屈服强度有195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、四个质量等级。脱氧程度F、b、z、TZ。,例如：Q235-AF， 表示：屈服点为235N2、级沸腾碳素结构钢。 当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示“”与“Z”符号可予以省略。 （2）碳素结构钢的性质及应用

17、 随牌号的增大，含碳量增高，屈服强度、抗拉强度提高，塑性与韧性降低，冷弯性能变差，同时可焊性降低。, Q195 性质：强度较低，塑性和韧性较好，易于冷弯和焊接。 应用：轧制薄板和盘条 Q215 性质：强度稍高，其余同Q195。 应用：钢坯、螺栓 Q235(主要结构用钢) 性质：较高的强度，较好的塑性、韧性、可焊性。 应用：分A、B、C、D四个级别,Q235A 用于承受静荷载的结构 Q235B 用于承受动荷载焊接的普通钢结构 Q235C 用于承受动荷载焊接的重要结构 Q235D 用于承受低温环境中使用的动荷载焊接 的重要结构 Q255 性质：强度高，塑性和韧性差，可焊性差。 应用：钢筋混凝土结构

18、中配筋和制造螺栓。 Q275 性质：耐磨性较好，其他同Q255。 应用：用于制作机械零件和工具。,钢号选用原则： 工程结构的重要性 荷载类型（动或静） 焊接要求 使用环境温度,2. 低合金结构钢 （1）牌号 由三部分组成 代表屈服强度的字母“Q” 屈服强度 质量等级（A、B、C、D、E） 屈服强度有295、Q345、Q390、Q420和Q460 （2）性质和应用 性质：屈服强度高，良好的塑性和韧性，耐低温性好，耐 腐蚀及耐磨性好，时效敏感性低。节约钢量2030%。 应用：大跨、高层、重型结构,二. 钢筋混凝土结构用钢 (一) 热轧钢筋 根据表面特征不同，分为光圆钢筋和带肋钢筋。 根据屈服强度、

19、抗拉强度等分为级。 I级钢筋：低碳钢，光圆钢筋，强度低，塑性 好，可焊性好，用于非预应力混凝土、 受力筋和构造筋。 、级：低合金钢，带肋钢筋，用于预应力或 非预应力混凝土。 级：优质合金钢，带肋钢筋，用于预应力混 凝土。,牌号：HPB235、HRB335、HRB400、HRB540 牌号 强度 塑性 韧性 可焊性,（三）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。,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，不需调直及焊接。 应用：主要用于预

20、应力钢筋混凝土轨枕，也用于预 应力梁、板结构及吊车梁等。,1,（四）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，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。 冷轧带肋钢筋克服了冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，因此在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土构件中得到了越来越广的应

21、用。,（五）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。 1. 预应力高强度钢丝 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。 预应力混凝土用钢丝分为： （1）冷拉钢丝（代号） （2）矫直回火钢丝（代号） （3）矫直回火刻痕钢丝（代号JK）三种。 性质：b达1500MPa以上，屈服强度0.2达1100MPa 以上，质量稳定，安全可靠，且柔性好，无接头。 应用：用于大跨度预应力混凝土结构及需要曲线配 筋的预应力混凝土结构。,2. 钢铰线 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

22、般为左捻。 性质：预应力混凝土用钢绞线（17）直径有9.0、 12.0和15.0三种，整根破坏负荷可达 300kN，屈服负荷可达255kN。安全可靠、质 量高，无接头。 应用：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。,三. 型钢,钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。 1. 热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种： 厚板：厚度为 4.560mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板) 薄板：厚度为0.35-4mm(冷弯薄壁型钢的原料)。 表示方法： “-厚 宽 长（单位为毫米

23、）”， 如：-12 800 2100等。,2. 热轧型钢 角钢有等边和不等边两种。 等边角钢 表示方法：边宽厚度，如 L100 10，为肢宽 100 mm 、厚 10mm 的等边角钢。 不等边角钢 表示方法：边宽边宽厚度，如 L100 x 80 x 10 等。 槽钢分为热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢两种。 表示方法： 30a 或 30Q,轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。,工字钢与槽钢相同，分为普通型和轻型。 表示方法： I32c , I32Q 。 H 型钢和剖分 T 型钢分为三类：宽翼缘 （ W ）、中翼缘 （ M ）和窄翼缘

24、 （ N ）。 表示方法：HW 、 HM 或HN ，后面跟“高度 （毫米） 宽度（毫米） ” , 例如HW300300 ，即为截面高 度为 300mm ，翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘 H 型钢。,3.冷弯薄壁型钢 是用 2-6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为 0.4-2mm ，用做轻型屋面等构件。,第六节 建筑钢材的锈蚀与防止 一. 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： （一）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

25、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。,（二）电化学锈蚀（主要形式） 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。 1. 电解质溶液 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。当凝聚在钢材表面的水份融入CO2、SO2等气体后，形成了电解质溶液。 2. 阴阳两极 铁较活泼，成为阳极；碳为阴极，阴阳两极通过电解质溶液连接，使电子产生流动。 3. 电化学腐蚀 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，后结合成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。,二. 防止钢

26、材锈蚀的措施 （一）涂敷保护层 涂料、电镀、搪瓷或塑料层 （二）设置阳极或阴极保护,对于不宜涂敷保护层的钢结构，如：地下管道、港口结构等，可采取阳极或阴极保护的方法。 阳极保护： 又称外加电流保护法，是在钢结构的附近埋设一些费钢铁，外加直流电源，将阴极接在被保护的钢结构上，阳极接在废钢铁上，通电后废钢铁称为阳极而被腐蚀，钢结构称为阴极而得到保护。 阴极保护：是在被保护的钢结构上连接一块比钢更活泼的金属，如：锌、镁等，使其称为阳极而被腐蚀，钢结构得以保护。,（三）混凝土配筋的防锈措施 根据结构的性质和所处环境条件等，主要是保证混凝土的密实、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土

27、一定的碱度等，还可掺用阻锈剂。 （四）加入某些合金元素 钢材的组织及化学成分是引起钢材锈蚀的内因。通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效地提高钢材的抗腐蚀能力。例如，炼钢时在钢中加入铬、镍等合金元素，可制得不锈钢。,例1 从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，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,评定其级别？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？ 解：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。 该钢筋的屈强比为： s/b = 385/555 =0.69 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。,例2 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