钢结构基础知识系列讲座之一

1、钢结构基础知识系列讲座之一,钢桥及结构用钢,2009.11,第一部分,钢的分类和钢板新国家标准,1. 钢的分类 按不同方式钢可以有很多种分类,1.1 按化学成份分类 按是否加入合金元素,可分为碳素钢和合金钢: 碳素钢是指钢中除为了脱氧而加入硅(si)、锰（mn） 等合金元素外，不含其它合金元素的钢。 按含碳量高低又可分为 低碳钢 c0.25% 中碳钢 0.25%c0.60% 高碳钢 c0.60%, 合金钢 指除si，mn等元素外 还含有其它合金元素（如铬、镍、钼、钛、钒、铜、铝、铌等和稀有元素，有的还含有某些非金属元素（如硼、氮等）的钢。 按钢中所含的主要合金元素不同，可分为锰钢、硅钢、硼钢等

2、,1.2 按冶炼方法分类 按炼钢炉设备的不同，可分为转炉钢、电炉钢、平炉 钢。平炉钢工艺落后已基本不采用。,1.3 按脱氧程度分类 （1）沸腾钢（f） 沸腾钢脱氧不完全，组织不致密，性能差。结构一般不用沸腾钢。 （2）镇静钢 （z） 脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。 （3）半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。(新规范已取消),1.4 按质量分类 （1）普通钢 s0.05%， p0.045% （2）优质钢 s0.035%， p0.035% （3）高级优质钢 s0.030%， p0.030%,1.5 按用途分 （1）结构钢 包括碳素结构钢和合金结构钢 碳素结构钢一般s0.055%，

3、p0.045% 优质碳素结构钢s、p含量均小于0.040% （2）合金结构钢 在优质碳素钢的基础上，适当加入一种或多种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。,（3）工具钢 包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢 （4）特殊性能钢 如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等,2. 板带钢的分类 板带钢产量在钢材中所占比例约为45%65% 板带钢的宽度b与厚度h比值很大，一般b/h可达5000以上。,板材-宽厚比和表面积很大的扁平钢材 通常是对剪切成定尺长度的产品而言，成卷供应的称为带钢或板卷，其中宽度大于600mm称宽带钢，小于600mm称窄带钢。 具有一定定尺长度板材常称为钢板,2.1 按规格不同

4、分 （1）中厚板 中板 厚度 420mm 厚板 厚度 2060mm 特厚板 厚度 60160mm （2）薄板（包括带钢） 厚度 0.24mm 极薄带材（箔材） 厚度 0.0010.2mm,2.2 按生产方法分类 （1）热轧钢板-钢坯加热后进行轧制 （2）冷轧钢板-钢坯不加热进行轧制，一般用于轧制极薄板,2.3 按用途分类 桥梁钢板、结构钢板、锅炉钢板、造船钢板、汽车钢板、装甲钢板、电工钢板、弹簧钢板等,2.4 按表面特征分类 镀锌板（热镀锌板、电镀锌板） 镀锡板 复合钢板 彩色涂层钢板,3. 建筑结构用钢的新国家标准 我国建筑结构用钢板采用下列国家标准： 碳素结构钢建筑结构用钢板 低合金高强度

5、结构钢桥梁用结构钢,3.1 碳素结构钢 （1）普通碳素结构钢-常用的钢种 国标碳素结构钢（gb/t700-2006） 牌号 质量等级 q195 - q215 a、b q235 a、b、c、d q275 a、b、c、d q - 屈服强度的“屈”字汉语拼音 235- 屈服强度值（mpa）按厚度为16mm定义,2006标准较1988标准作了如下修改 脱氧方法中取消了半镇静钢 取消q255牌号 化学成份中将碳、锰的含量区间值修改为上限值，取消各牌号钢材的碳、锰的含量下限值，较大幅度提高锰含量上限值。 q195牌号钢的p、s含量分别由0.045%和0.050%降低为0.035%和0.040% 其它化学成

6、份，力学性能均有不同改变和提高,碳素结构钢是20年来首次修订，应用时注意下列各点： 设计中选用q235-a（b）级钢时，应选用镇静钢，不应选用沸腾钢。 在保证力学性能情况下，a级钢的碳、锰、硅含量不作为交货条件。故焊接结构不宜于用235-a级钢。 由于厚度大于60100mm的q235级钢屈服强度提高了约7%，按现行规范设计其强度储备裕度较大。,（2）优质碳素结构钢（gb/t699-1999） 一般不用于建筑钢结构而用于一些工具类等专用用途钢中。在gb/t699-99中钢的分类为： 按冶金质量分为： 优质钢 高级优质钢 a 特级优质钢 e 按使用加工方法分： 压力加工用钢 up 切削加工用钢 u

7、c 钢的牌号多达31种序号。,3.2建筑结构用钢板（gb/t19879-2005） 该标准为原冶金行业标准高层建筑用钢板（yb4104-2000）修订升级后的国标，已于2005年颁布执行。本标准钢板简称gj钢板，是我国建筑钢结构专用的第一钢材品种，其综合性能优于低合金高强度结构钢（gb/t1591-1994）生产的钢材。有q235gj、q345gj、q390gj、q420gj、q460gj等牌号用于重要的建筑结构中。,3.3低合金高强度结构钢（gb/t1591-2008） 从2009年10月1日开始实施，与1994标准相比主要变化如下： 扩大了标准适用范围； 增加了q500、q550、q620

8、、q690强度级别，取消了q295级别； 加严了对s、p等有害元素控制； 增加了钢材碳当量及裂纹敏感系数的计算公式及规定；,修改了钢材的交货状态，取消了调质钢的规定 修改了钢材力学性能值及厚度组距的规定，明确屈服强度为下屈服强度； 提高了冲击吸收能量值 增加了各牌号钢的厚度方向性能要求。,牌号 质量等级 q345 a、b、c、d、e q390 a、b、c、d、e q420 a、b、c、d、e q460 c、d、e q500 c、d、e q550 c、d、e q620 c、d、e q690 c、d、e,3.4桥梁用结构钢（gb/t714-2008） 从2009年10月1日开始实施，与2000年标

9、准相比变化如下： 增加了q460q、q500q、q550q、q620q、q690q钢级； 修改了钢化学成份规定，加严了对s、p有害元素的控制； 修改了碳当量计算公式； 增加了裂纹敏感系数的规定； 增加了炉外精炼的要求；,修改了钢材的交货状态； 修改了钢材厚度效应规定； 提高了冲击吸收能量值，取消了时效冲击的规定； 增加了各牌号钢厚度方向性能要求； 修改了检验规则；,牌号 质量等级 q235q c、d、e q345q c、d、e q370q c、d、e q420q d、e q460q d、e q500q d、e q550q d、e q620q d、e q690q d、e 注： q为“桥”字汉语拼

10、音，表示桥梁用钢。,3.5 gb/t1591-2008和gb/t714-2008的比较 （1）化学成份比较 c q460以前 “714”比“1591”低0.02%，q460后一样 si q420以前 “714”比“1591”高0.05%，q420后低0.05% mn 两规范相近 “714”在q620以前设下限1% p “714”比“1591” 低0.05% s “714”比“1591” 低0.050.10 nb、v、n “714”比“1591” 较低 ti “714”比“1591” 低较多 mo “714”比“1591” 较高,（2）可焊接指标的比较 碳当量（cev） 热轧、控轧交货：按牌号，

11、厚度“714”比“1591”低0.010.04% 正火轧制 ，正火加回火交货；按牌号，厚度，714比1591低0.040.08% 热机械轧制（tmcp）或tmcp加回火状态交货； 两规范大体相当 焊接裂纹敏感指数（pcm） tmcp或tmcp加回火状态交货（c0.12%） 两规范大体相当,（3）钢的拉伸性能（=16100mm） “714 ” “1591” rel(下屈服强度)mpa 各级钢下降1040 4060 rm（mpa） 高出rm155120 变动范围160-190 mpa a（%） 两规范相当,注：上屈服强度（reh）和下屈服强度（rel）的图解,（4）v型冲击试验温度和冲击吸收能量

12、=12150mm，0c，-20c，-40c “714” “1591” q345q460 47j 34j q500q690 47j c、d、e级分别为 55j、47j、31j,3.6 选用钢材级别及质量等级的基本原则 桥梁中的主体结构选用桥梁用结构钢。要求低温冲击高的桥梁采用质量等级高的桥梁钢。 要求较好焊接性能的焊接结构选用cev或pcm较低的钢材。 交货状态应与钢的牌号，质量等级相适应外，还应与结构焊接，制作工艺相适应。 临时结构及桥梁中的辅助结构选用碳素结构钢和低合金高强度结构钢，并选用与制作相应的质量等级，一般在a、b、c级中选用。,第二部分,碳钢的基础知识,1. 金属与合金构造的基本概

13、念,非晶体和晶体 一切物质都是由原子组成的，固态物质按其构造不同分非晶体与晶体。 原子作不规则排列称非晶体，如玻璃，塑料等。 原子作有规则排列称为晶体，金属都是晶体。,1.1 晶粒和晶界 在金属的金相组织中可见金属是由许多小块所组成，把这些小块称为晶粒，晶粒与晶粒的交界称为晶界。 金属晶粒愈细其强度、塑韧性愈高。,1.2 合金 按照构造不同可分为： 固溶体 二种或二种以上的元素在固态时能相互溶解的称固溶体，如碳溶解于铁中。 化合物 二种或二种以上的元素按一定比例化合而成一种新的化合物。如铁与碳的化合物fe3c。 机械混合物 二种或二种以上的组元，在固态时既不溶解又不化合，形成紧密地混合物。如2

14、0号钢就是由75%的铁素体和25%珠光体组成,1.3 铁碳合金状态图 碳钢和铸铁都是铁碳合金，铁碳合金图是铁碳合金在缓慢加热和冷却时组织性能的转变规律。也是研究铁碳合金及加工的理论基础和重要工具。 这里介绍碳钢（碳的含量小于2.11%）的状态图。,（1）铁碳合金状态图,（2）铁碳合金状态图各区域的组织 ac线为液相线。各种成份的合金温度高于ac线全部为液体，冷却到ac线开始结晶析出奥氏体。 ae线为固态线。温度降到ae线时，组织中的液体全部结晶为奥氏体。aesg区域内的组织为奥氏体 gs线又称a3线，含碳量0.8%，gs线以上全部为奥氏体 psk线又称a1线，是一条温度为723水平线，这个温度

15、是奥氏体和珠光体相互转化的温度,1.4 碳钢组织的基本组成物 铁素体 碳溶解于铁中形成的固溶体。常用表示。其组织性能与纯铁相近，具有较低强度和硬度，良好的塑韧性。 奥氏体 碳溶解于 r 铁中形成的固溶体。它的强度、硬度低，具有极好的塑性，温度愈高，强度及硬度愈低，塑性愈好。,渗碳体 铁和碳形成的化合物fe3c。钢中碳含量愈高，fe3c数量愈多，其性能硬而脆。 珠光体 铁素体和渗碳体组成的紧密机械混合物。它随碳含量增加而增加，强度和硬度增加，塑韧性降低。,1.5 碳钢的室温组织 亚共析钢 钢的含碳量小于0.8% 共析钢 钢的含碳量等于0.8% 过共析钢 钢的含碳量大于0.8%,2. 钢的热处理

16、钢热处理目的在于改变或改善钢的性能，它是通过钢在热处理过程中的组织转变来实现的。 中厚板生产中常用的热处理作业有退火、正火、淬火与回火。,2.1 退火 将刚加热到a3或a1温度以上2030，保温一定时间后，缓慢冷却到室温的过程。 目的是降低钢的硬度，便于加工。细化晶粒和消除内应力，为以后热处理作准备。,2.2 正火 将钢加热到a3或acm以上3050，经保温使钢完全奥氏体化，然后再流通空气中冷却。正火的珠光体比退火更细，硬度和强度略高于退火。 常用正火代替退火。正火也称常化。,2.3 淬火 将钢加热到a3或a1线以上3050，经过保温后投入水或油中使其迅速冷却的过程。目的是提高钢的硬度，在极快

17、冷却速度下，淬火后的钢可得到高硬度的马氏体。对含碳量很低的钢进行淬火其硬度提高是有限的。,2.4 回火淬火加回火 钢淬火后提高了硬度和强度，但同时带来了冲击韧性的降低，凡是淬火后的钢都必须回火。把淬火后的钢重新加热到a1线（723）以下，保温一段时间后再冷却的方法称回火。 回火温度愈高时，钢的强度和硬度下降愈多，而塑韧性提高愈多。按回火加热温度不同，可分为三种回火。,（1）低温回火 回火温度在150200左右，使其脆性降低，冲击韧性提高，硬度降低较少，用于高硬度，高耐磨用钢 （2）中温回火 回火温度在300450左右，钢的硬度下降，韧性提高，常用于弹簧类用钢 （3）高温回火 回火温度在5006

18、50左右，淬火钢内应力大部分消除，强度、硬度降低，塑、韧性提高，具有最好的综合性能。钢材在淬火后进行高温回火又称调质处理。,3. 碳钢中的化学元素及其对性能影响 （1）常存元素 由于炼钢原料含有或在冶炼过程中为脱氧目的而加的，是不可避免的。 （2）偶存元素 某一炉钢中意外含有的一些元素（如废钢中掺杂不同的合金钢）不是经常有的。 （3）合金元素 为了某一目的而添加的元素。,碳（c） 含碳量对钢性能影响最大，含碳量增高，钢的强度、硬度增加，而塑性和韧性下降，使可焊性变坏。 硅（si） 最基本的脱氧剂。硅溶解于铁素体，能使钢的强度、硬度增加，但降低塑、韧性，不希望硅含量太高。 锰（mn） 锰能脱氧，

19、形成mns 而降低s对钢的有害作用，减少脆性。锰在控轧中是十分重要元素，能细化晶粒，提高强度，增加韧性，但含量太高易形成贝氏体，对韧性不利。,硫（s） s在钢中形成mns 后，在低温轧制时，易沿晶粒开裂，钢的各向异性加大，对塑、韧性不利，含量愈低愈好。 磷（p） 能溶于铁素体中，而使钢的强度、硬度增加，冲击韧性降低，低温时尤甚。这种有害元素愈少愈好。,钼（mo） 加入mo是为了 进一步提高强度 镍（ni）、铬（cr）、铜（cu） 它们可提高钢的强度，ni在0.5%以下可改善钢韧性 铝（al）终脱氧剂。钢中存在可溶铝时，对性能是有利的，形成aln可细化晶粒，固定n可提高钢的韧性。,铌（nb）、钒

20、（v）、钛（ti）等微合金化元素的作用 在控制轧制工艺中，加入nb、v、ti元素在钢中形成碳、氮或碳氮化合物，起到抑制晶粒长大及弥散强化作用，得到强度和韧性同时提高。,第三部分 结构用钢新国标的解读,gb/t1591-2008及gb/t714-2008 2008-12-06 发布 2009-10-01 实施,1. 可焊性的指标 1.1 碳当量（cev）由熔炼分析成分按下式计算 cev=c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15 把钢中合金元素的含量按其对淬硬性影响和作用换算成碳的相当含量。可作为评定钢材焊接性的一种参考指标。 国外有许多不同公式表达。,1.2 裂纹敏感性指数（p

21、cm）由熔炼分析成分按下式计算： pcm=c+si/30+mn/20+cu/20+ni/60+cv/20+mo/15+v/10+5b 表示金属材料在焊接时产生裂纹的敏感程度 （采用日本钢结构协会提出的公式）,2. 钢的冶炼方法 标准规定“钢由转炉或电炉冶炼，必要时加炉外精炼”。,2.1 炼钢工艺流程示意图,2.2 炼钢的基本任务 四脱（脱碳、脱氧、脱磷、脱硫） 二去（去气、去夹杂） 二调整（调整成分和温度）,2.3 转炉炼钢工艺及示意图 （1）氧气转炉炼钢是国内最主要的炼钢方法。 主要工艺：装料吹炼脱氧出钢溅渣 护炉倒渣 。,装料 吹氧 出钢 倒渣,（2）转炉炼钢系统示意图（顶吹）,2.4 电

22、炉炼钢 （1）电炉炼钢是靠电极与金属料之间放电产生电弧，使电能在弧光中转变为热能，熔化金属和炉渣的炼钢方法。 优点：热效率高，可达65% 温度高，可达3000 温度易调控 炉内可脱s、p和o 设备简单，占地少,（2）电弧炉结构 电弧炉体由金属构件和耐火材料筑成的炉衬组成。,2.5 炉外精炼（二次冶金） 初炼是将炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化，脱磷、脱碳，去除杂质和脱氧合金化，获得初炼钢水。 精炼是将初炼的钢水在真空，隋性气体或还原性气氛的容器内进一步脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和成份的微调等。,钢水炉外精炼的优点： 缩短冶炼时间，提高生产率 改善钢的质量，扩大品种 调节炼浇节奏，实现多炉连浇

23、降低生产成本,3. 交货状态 3.1 标准规定的内容： “1591”规定：热轧、控轧、正火、正火轧制或正火加回火、热机械轧制（tmcp）或热机械轧制加回火状态。 “714” 规定：q345qq460q热轧、控轧、正火、正火轧制、热机械轧制（ tmcp ） q460qq690q 淬火+回火， tmcp 、 tmcp +回火。,3.2 轧钢生产的原料及其比较 钢锭 初轧坯 连铸坯 成材率 低 较低 最高 所需设备 不需特别设备 需要初轧厂 需要连铸设备 表面质量 缺陷多 良好 良好 内部质量 头底部有 钢锭大， 头底部缺 缺陷，偏 轧后便于 陷所占比 析严重 除去缺陷 例小，偏析少,3.3 连续铸

24、钢连铸坯 钢液经过连续铸钢机（连铸机）直接生产钢坯的方法，使用这种方法生产来的钢坯称连铸坯。其工艺流程如图所示。,3.4 中厚板生产主要工艺流程 板坯加热除鳞(粗轧)精轧热矫直 （快速冷却）切头、切尾、取试样、切定尺标志。 这些工艺是由轧机、矫直机、定尺剪，快速冷却等装备 来完成的。,3.5 交货状态 (1) 热轧普通轧制 中厚板都需要将钢坯加热后进行轧制,称热轧,普通热轧轧制温度较高。,（2）控轧-控制轧制(cr) control rolling 通过使所有热轧条件(加热温度，各轧制道次的温度、压下量)的最佳化，人为地使奥氏体状态相变成微细的铁素体组织的控制调整技术（奥氏体调整） 控轧操作比

25、通常热轧制在温度低的范围进行。,（3）热机械轧制（tmcp）thermo-mechanical control process 在控制轧制之后，在奥氏体向铁素体相变的温度区域进行快速冷却，使相变组织更加细化,以此获得更高的强度。高度的控制轧制，或组合了控制轧制和控制冷却的轧制方法称tmcp 。 它是当今高性能钢材主要生产手段，是提高钢材的强度、韧性和焊接性的一种控制工艺技术。,各种轧制程序的模式示意图,（4）正火 将钢加热到a3以上30-50度使钢完全奥氏体化，将钢在正火炉中加热保温后，工件出炉冷却。正火的珠光体比退火后细，硬度和强度也略高于退火。,（5）正火轧制 在控制轧制的基础上，按正火工艺进行轧制，欲得到正火钢的性能。它比炉内正火钢的均匀性较差。这是参照欧洲标准新提的一种轧钢工艺。,（6）淬火加回火 淬火和回火通常联在一起进行，目的是稳定淬火后的组织和尺寸，降低和消除淬火应力。 淬火后再进行高温回火称调质处理，得到回火索氏体组织。调质处理后，既有足够高的强度，并有良好的塑、韧性。这是强化钢材重要的热处理方法。,（7）正火+回火，tmcp+回火 这是标准新增的两种热处理工艺。 回火目的是获得所需的综合性能，不同的回火温度可以获得不同的组