建筑钢材-第七章

1、第七章 建筑钢材,概 述,二、钢材的优点以及缺点： 优点： （1）强度高：抗拉、抗压、抗冲击性能好； （2）有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载； （3）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便； 缺点：易锈蚀；耐火性差。,一、钢材的定义： 钢材的主要成分是铁和碳。一般而言，含碳量大于2.06%的为铸铁，小于2.06%的为钢。并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料。,第七章 建筑钢材,平炉炼钢法：用平炉以煤气或重油为燃料，在燃烧加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液的炼钢方法。质量好，成本高。,电炉炼钢法：主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000

2、。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。质量最好。,转炉炼钢法：以液态生铁为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。,钢的冶炼方法：是以铁水或生铁为主要原材料，在转炉、平炉或电炉中冶炼，用氧化的方法除去铁中的碳和部分杂质。,第七章 建筑钢材,三、建筑钢材的主要品种,建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。 建筑钢材主要包括：,1.型钢：有一定截面形状和尺寸的条型钢材。 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。,第七章 建

3、筑钢材,2.线材 如钢筋、钢丝等。,3.管材 无缝钢管、焊接钢管等。,4.板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。,第七章 建筑钢材,7-1 钢的冶炼及分类,一、钢的冶炼,炼钢的本质： 把熔融的生铁进行氧化，使含碳量降低到2.06%以下，并且使其他杂质降低到允许的范围；所以，在理论上凡含碳量在2.06以下，含有害杂质较少的FeC合金称为钢。,钢一般是由生铁在炼钢炉中熔炼而成的；生铁中含有较多的碳（通常为2.06%4.5%）和其他的杂质；,第七章 建筑钢材,二、钢材的分类,1.按冶炼方法和脱氧程度分,第七章 建筑钢材,沸腾钢：仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，脱氧不完全的钢。由于钢水中残存有FeO与C

4、化合成二氧化碳，铸锭时有大量气泡外溢，状似沸腾，内含有气泡杂质，质量较差。代号为“F”,半镇静钢：脱氧程度及钢的质量介于上述二者之间。代号为“b”,镇静钢：用必要数量的硅、锰和铝等脱氧剂脱氧，脱氧充分，在铸锭时钢水平静地凝固，因此得名。组织致密，化学成分均匀，性能稳定，质量较好。代号为“Z”,特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。 特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。,第七章 建筑钢材,2.按化学成份分,碳素钢中加入一定量的合金元素，称为合金钢。除了固有的铁、碳和少量的硅、锰、硫、氮等之外，还含有少量的锰、钛、铬、镍等合金元素。,第七章 建筑

5、钢材,普通钢 P0.045%，S0.050% 优质钢 P0.035%，S0.035% 高级优质钢 P0.025%，S0.025% 特级优质钢 P0.025%，S 0.015%,3.按杂质含量（品质）分类,4.按用途分,结构钢,钢结构用钢,钢筋混凝土用钢,工具钢,特殊性能钢（轴承钢）,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,钢材拉伸过程的-（应力-应变）图,OA弹性阶段,AB屈服阶段,BC强化阶段,CD颈缩阶段,0,7-2 钢材的主要技术性能,一、抗拉性能 低碳钢的抗拉性能 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。 拉伸试验：,C,D,第七章 建筑钢材,弹性模量 钢材受力初期，应力与应变成正比例关系

6、，卸去外力，试件恢复原状，这一阶段称为弹性阶段。他们之间的比值为一常数，称为弹性模量，用E表示。弹性模量反应钢材的刚度，是钢材受力条件下计算结构变形的重要指标。,OA弹性阶段,屈服强度 当应力超过弹性极限后，应变的增长比应力快，除产生弹性变形外，还产生塑性变形，呈现屈服现象。在试验期达到塑性变形而应力不增加的应力点，称为屈服强度，可分为：,第七章 建筑钢材,注：由于上屈服点不稳定，所以国标规定以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,AB屈服阶段,上屈服强度：锯齿形最高点所对应的应力B上； 下屈服强度：锯齿形最低点所对应的应力B下，即屈服点,第七章 建筑钢材,（ BC强化阶段）,在钢材屈服到一定程

7、度后，由于内部晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高，在应力-应变图上，曲线从B下开始上升直至最高点C，这一过程为强化阶段。对应的最高点C的应力为抗拉强度Rm。它是钢材能承受的最大拉应力。,强屈比越小，结构可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。,强屈比,（抗拉强度与屈服强度之比值）,第七章 建筑钢材,意义：A值越大，塑性越强，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强。,Lo试件原始标距长度，mm ； L1试件拉断后测定出伸长 后标距部分的长度，mm。,CD颈缩阶段,在钢材达到C点后，试件薄弱处的断面将显著减小，塑性变形急剧增加，产生“紧缩”

8、现象而断裂。塑性是钢材的一个重要性能指标。钢材的塑性通常用拉伸试验时断后伸长率A来表示：,A,第七章 建筑钢材,二、冲击韧性,冲击韧性试验原理图,指标：冲击韧性值 ，以摆锤冲断V形缺口试件时单位截面积上所消耗的功（J/cm2）来表示。 值愈大，钢材的冲击韧性愈好。,m摆锤的质量，mg； g重力加速度，9.81m/s； H，h摆锤冲击前后的高度，m； A试件槽口处截面积，cm2,指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。 试验方法：冲击韧性是将标准试件（中部V缺口）置于冲击机的支架上，并使切槽位于受力一侧。摆锤从一定高度自由落下冲击试件。,第七章 建筑钢材,三、耐疲劳性 交变荷载反复作用时，钢材在应力远低于

9、其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏。一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应力称为疲劳强度。,四、冷弯性能,指钢材在常温下承受弯曲变形而不破坏的能力。以试验时的弯曲角度和弯心直径d为来表示。,第七章 建筑钢材,冷弯试验的指标： 由弯心直径d与试件厚度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、起层或断裂则冷弯合格。当弯曲角度愈大，则表明钢材的冷弯性能越好。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。,（1）焊接方式：搭接、对接 （2） 焊接要求： 焊接处（焊缝及其附近过热区）不产

10、生裂缝及硬脆倾向。 焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度不低于原钢材强度。 （3）影响因素：碳、合金元素等杂质元素越多，可焊性越小。,第七章 建筑钢材,五、焊接性能,焊接是将两块金属局部加热并使其接缝部分迅速成熔融或半熔融状态，从而使之牢牢地连接起来。,第七章 建筑钢材,7-3 钢材的冷加工和热处理 一、钢材的冷加工 1、定义：指钢材在常温下进行的机械加工。 2、常见的冷加工方式： 冷拉、冷拔、冷轧等。 3、冷加工强化 钢材经冷加工后产生塑性变形，提高屈服强度，降低塑性、韧性，这种过程称为冷加工强化。 机理：钢材在冷加工时，晶粒间产生滑移，晶粒形状产生变形。在滑移区，晶粒破碎，晶格歪扭，对继续滑

11、移产生阻力，从而导致钢材的屈服强度提高，塑性降低。,第七章 建筑钢材,时效处理： 钢筋于常温下存放1520d，或加热到100200并保持一段时间,这个过程称为时效处理。,自然时效,作用: 钢筋冷拉以后再经过 时效处理，其屈服点 进一步提高，抗拉强度明显提高，塑性有所降低。,人工时效,第七章 建筑钢材,三、钢材热处理,1.淬火 将钢材加热至基本组织改变温度（723）以上，保温使组织完全转变，马上放入水或油中急冷，使之转变为不稳定组织的一种热处理方法。目的：提高强度和硬度，但降低了塑性和韧性。 2.回火 所谓回火，就是将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下，保温后按一定方法冷却至

12、室温的热处理方法。淬火结束后，马上进行回火。回火的目的：促进不稳定组织转变为需要的组织；消除淬火产生的内应力，降低脆性，改善机械性能。,第七章 建筑钢材,3.退火 将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却（随炉冷却）的一种热处理工艺。目的：通过退火减少加工中产生的缺陷，消除内应力，改善性能。 4.正火 正火是退火的一种特例，两者仅冷却速度不同。在空气中冷却，与退火相比，正火后钢的硬度、强度提高，塑性降低。,第七章 建筑钢材,温度,时间,加热,保温,淬火,正火,退火,回火,炉中缓慢冷却。退火使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。,加热至相变温度以上，迅速置于水中或机油中急冷，强度和硬度提高，脆性增大，塑性

13、和韧性明显降低。,目的是为了消除淬火产生的很大内应力，降低脆性，改善机械性能。,第七章 建筑钢材,一、土木工程用钢材 1、碳素结构钢 （1）碳素结构钢的牌号 表示顺序：碳素钢（Q）+屈服点强度值（单位MPa）+质量等级（有A、B、C、D 4级，逐级提高）+脱氧程度（F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇静钢。牌号表示时Z、TZ可省略）。 例如： Q195F：Q表示碳素结构钢，195表示屈服强度为195MPa，F表示沸腾钢.,7-4 建筑用钢,第七章 建筑钢材,2、低合金高强度结构钢 在碳素钢的基础上，加入总量小于的合金元素炼成的钢，称为低合金高强度结构钢，简称低合金结构钢。加入合金是

14、为了改善钢材的塑性和韧性。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。,第七章 建筑钢材,低合金高强度钢的选用 低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工，因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如 大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构料。与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。 当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。 不锈钢具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺点是温度升高时膨胀性较大，可以作为建筑装饰材料。,第七章 建

15、筑钢材,二、钢结构用钢材,1.热轧型钢 钢结构常用的型钢有H型钢、工字钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等。型钢由于截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间链接方便，所以型钢是钢结构中采用的主要钢材。 2.冷弯型钢 冷弯型钢是一种经济的轻型薄壁钢材。土木工程使用的冷弯型钢常用厚度为1.56mm薄钢板或钢带经冷轧或模压而成，也称为冷弯薄壁型钢。 3.钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。,第七章 建筑钢材,三、混凝土结构用钢 1、热轧钢筋 （1）牌号 我国热轧钢筋标准，按屈服强度、抗拉强度等力学性能分为四个强度等级。 热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400、R

16、RB400四个牌号。 牌号意义：H代表热轧，P代表光圆、R代表带肋、B代表钢筋。 其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆； 热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。 牌号中的数字：表示热轧钢筋的屈服强度。,第七章 建筑钢材,（2）热轧钢筋的选用 光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用做普通钢筋混凝土。 HRB335，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。 RRB400带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋。,第七章 建筑钢材,2、冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在

17、其表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。 冷轧带肋钢筋代号为CRB，按抗拉强度分为五级：CRB550、CRB650、CRB800、 CRB970 、 CRB1170 ，其中数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。 CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土钢筋。,第七章 建筑钢材,3、冷轧扭钢筋 冷轧扭钢筋是低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。 冷轧扭钢筋的标记由产品名称代号、强度等级代号、标志代号、主参数代号以及类型代号组成。代号为CTB。 应用：冷轧扭钢筋可适用于钢筋混凝土构件。 特点：冷轧扭钢筋与混凝土的握裹力与其螺距

18、大小有直接关系。螺距越小,握裹力越大,但加工难度也越大,因此,应选择适宜的螺距。,第七章 建筑钢材,4、预应力混凝土用钢丝和钢绞线 （1）预应力钢丝分类： 按外形分为光圆钢丝(P)、刻痕钢丝() 、螺旋肋钢丝(H) 按加工状态分为冷拔钢丝和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛钢丝和普通松弛钢丝； 代号：WCD（冷拉钢丝）、WLR（低松弛钢丝）、WNR（普通松弛钢丝）。 例如：直径为4mm、抗拉强度为1670MPa冷拉光圆钢丝，标注为： 预应力钢丝4.00-1670-WCD-P-GB/T 5223-2002。,第七章 建筑钢材,（2）预应力钢绞线分类： 按捻制结构分为三类：用两根

19、钢丝捻制的钢绞线（表示为12）、用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为13）、用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为17）。 产品标记应包括预应力钢绞线、结构代号、公称直径、强度级别、标准号。例如：公称直径为15.20mm、强度级别为1860MPa的七根钢丝捻制的标准型钢丝线，标记为： 预应力钢绞线17-15.20-1860-GB/T 5224-2003 （3）预应力钢丝和钢绞线的应用 强度高、柔韧性好、无接头、质量稳定、施工简便等优点，主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、大跨度吊车梁等，安全可靠，节约钢材，且不需冷拉，焊接接头等加工，因此，在土木工程中得到广泛应用。,第七章 建筑钢材,7-5 钢材的锈蚀与防护,一