第九章建筑鋼材

1、第九章 鋼材一、鋼材的種類n鋼結構工程用型鋼（角鋼、槽鋼、工字鋼等）、鋼板和鋼管等。n鋼筋混凝土結構工程用鋼筋及鋼絲。前言前言鋼結構網(wǎng)架槽鋼工字鋼前言前言角鋼H型鋼鋼管前言前言帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋鋼絞線二、鋼材的優(yōu)點1.質(zhì)量均勻，性能可靠。 適合于鑄造、鍛造、切割、壓力加工、冷加工或熱處理；也可用鉚接和焊接等多種連接方式進行裝配式施工。前言前言2.強度、硬度高。 適合于制作各種承載較大的構件和結構，以及鋼軌和機械加工用的切割工具。前言前言3.塑性、韌性好。 常溫下能承受較大的塑性變形，便于冷拉、冷拔、冷軋等各種工冷加工；良好的韌性，使得鋼材在常溫下可以承受較大的沖擊作用，適合于制作吊車梁等承受

2、動荷載的結構和構件。前言前言三、鋼材的缺點1.易銹蝕。2.維修費用高。3.耐火性差。 前言前言第一節(jié)鋼材的冶煉及分類一、鋼材的冶煉 1.冶煉原理 將生鐵中的碳含量降至2.0%以下，使硫、磷等雜質(zhì)含量降至一定范圍內(nèi)即成為鋼。第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類 （1）除碳 通過氧化法，可將一部分碳變成氣體而逸出。 2FeO2 2FeO FeOC FeCO第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類 （2）造渣 在氧化還原反應中可將生鐵中的Si、Mn變?yōu)殇撛∮阡撍隙懦觥?FeOMn FeMnO 2FeOSi 2FeSiO2 鐵水中的S、P雜質(zhì)只有在堿性條件下才能去除，通常加入一定量的石灰石。 5Fe

3、O2P3CaO 5FeCa3(PO4)2 FeSCaO FeOCaS 第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類 （3）脫氧 由于錳、硅、鋁與氧的結合能力大于氧與鐵的結合能力，所以脫氧時給鋼水中加入錳鐵、硅鐵或鋁錠作為還原劑，將鋼水中的FeO還原為鐵，使氧變?yōu)镸n、Si或Al的氧化物而進入鋼渣。 脫氧減少了鋼材中的氣泡并克服了元素分布不均（通常稱為偏析）的缺點，可明顯改善鋼材的技術性能。 第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類2.冶煉方法n平爐煉鋼n氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼n電爐鋼 第第一一節(jié)節(jié)冶冶煉煉與與分分類類二、鋼材的分類1.按化學成分分類碳素鋼碳素鋼：n低碳鋼（含碳量小于0.25%）n中碳鋼（含碳量為0.

4、25%0.60%）n高碳鋼（含碳量大于0.60%）第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類合金鋼合金鋼：是指在煉鋼過程中，有意識地加入一種或多種能改善鋼材性能的合金元素而制得的鋼種。常用合金元素有：硅、錳、鈦、釩、鈮、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為：n低合金鋼（合金元素總含量小于%）n中合金鋼（合金元素總含量為%10%）n高合金鋼（合金元素總含量大于10%）第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類2按雜質(zhì)含量（S、P）分類n優(yōu)質(zhì)碳素鋼（硫、磷含量不高于0.035 % ）n高級碳素鋼（硫、磷含量不高于0.030 % ）n特優(yōu)碳素鋼（硫含量不大于0.020 % ，磷含量不大于0.025 % ）第一

5、節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類3按冶煉方式分類平爐鋼氧氣轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類4按冶煉時脫氧程度分類（1）鎮(zhèn)靜鋼（Z） 煉鋼時采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，且同時能起去硫作用。這種鋼水鑄錠時能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號為“”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預應力混凝土等重要的結構工程。第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類（2）沸騰鋼(F) 煉鋼時僅加入錳鐵進行脫氧，則脫氧不完全。這種鋼水澆入錠模時，會有大量的CO氣體從鋼水中外逸，引起鋼水呈沸騰狀，故稱沸騰鋼。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏

6、析較嚴重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般建筑工程。（3）特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，故其質(zhì)量最好，適用于特別重要的結構工程。第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類（5）按用途分類結構鋼結構鋼：碳素結構鋼、合金結構鋼工具鋼工具鋼：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼特殊鋼特殊鋼：橋鋼、鋼軌鋼等 建筑用鋼主要是普通碳素鋼中的建筑用鋼主要是普通碳素鋼中的低碳低碳鋼鋼和合金鋼中的和合金鋼中的低合金鋼低合金鋼。 第一節(jié)第一節(jié) 冶煉及分類冶煉及分類第二節(jié)鋼材的力學性能n抗拉性能n沖擊性能n耐疲勞性能第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能一、抗拉性能1.主要測試指標

7、主要測試指標：n屈服強度n抗拉強度n伸長率（斷面收縮率）等2.2.鋼材（低碳鋼）的抗拉過程主要包括鋼材（低碳鋼）的抗拉過程主要包括：n彈性階段n屈服階段n強化階段n頸縮階段第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能3.相關知識點回顧（1）應力 （2）應變（3）彈性與彈性變形（4）塑性與塑性變形AFAN0001LLLLL第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能低碳鋼的受拉過程分為四個階段低碳鋼的受拉過程分為四個階段0LLOAF彈性階段彈性階段OAOA屈服階段屈服階段ABAB強化階段強化階段BCBC頸縮階段頸縮階段CDCDABCD低碳鋼受拉的應力應變圖低碳鋼受拉的應力應變圖第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力

8、學性能鋼材的力學性能彈性階段彈性階段OA 一條通過原點一條通過原點的直線，應力與應變成正比。的直線，應力與應變成正比。 彈性彈性彈性模量彈性模量 E E值的大小反映了鋼材抵抗值的大小反映了鋼材抵抗彈性變形的能力。彈性變形的能力。 A點對應點對應的應力。的應力。tgE:p0LLOAFA低碳鋼受拉的應力應變圖低碳鋼受拉的應力應變圖p E1 E2l圖形的特點：l 試件的特點：l計算的指標：ABCD彈性極限第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能屈服階段屈服階段AB 一條波動的曲線，應力增加很小，而應變增加很大。 所能承受的拉力增加很小，而塑性變形迅速增加，似乎鋼材不能承受外力 屈服強度（也叫屈服點

9、） 點對應的應力。0LLl圖形的特點：l試件的特點：l計算的指標：OAFA低碳鋼受拉的應力應變圖低碳鋼受拉的應力應變圖pACDBB上上B下下:s下BsAFss屈服。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能強化階段強化階段BC 一段上升的曲線。抵抗塑性變形的能力又重新提高抗拉強度 l圖形的特點：l試件的特點：l計算的指標：0LLOAFA低碳鋼受拉的應力應變圖低碳鋼受拉的應力應變圖pACDBB上上B下下sAFbbbC點對應的應力。強化。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能頸縮階段頸縮階段CD 一段下降的曲線。變形迅速發(fā)展，在有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小 ，直到斷裂。伸長率： l圖形的特點：

10、l試件的特點：l計算的指標：AF0LLOApACDBB上上B下下sb%100001LLLL1L0l計算的指標：頸縮第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能三個重要的指標n屈服強度s 結構設計中鋼材強度取值的依據(jù)n抗拉強度b 鋼材所能承受的最大應力 屈強比 屈強比，利用率 ，安全可靠程度n伸長率 衡量鋼材塑性的指標，越大說明鋼材的塑性越好 bsbsAF0LLOApACDBB上上B下下sbsbbs%100001LLL第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能4斷面收縮率L10AAnd0L0L0=5d0或10d0A0、 An前后的截面積5與10誰大第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能2 .

11、0中碳鋼、高碳鋼的應力應變圖l規(guī)定：產(chǎn)生殘余變形為原始標距的0.2%時所對應的應力值，作為硬鋼的屈服強度，稱為非比例延伸應力，用0.2表示。1第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能3.冷彎的意義：鋼材的冷彎性能和伸長率均是塑性變形能力的反映，但伸長率是在試件軸向均勻變形條件下測定的，而冷彎性能則是在更嚴格條件下鋼材局部變形的能力，它可揭示鋼材內(nèi)部結構是否均勻，是否存在內(nèi)應力和夾雜物等缺陷，還經(jīng)常用冷彎來檢驗焊縫接頭。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能二、沖擊韌性二、沖擊韌性1.1.定義定義：是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。2.2.沖擊韌性指標沖擊韌性指標：是通過標準試件的彎曲沖擊韌性試

12、驗確定的。以擺錘打擊試件，于刻槽處將其打斷，試件單位截面積上所消耗的功，即為鋼材的沖擊韌性指標，用沖擊韌性ak（/cm2）表示。ak值愈大，沖擊韌性愈好。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能沖擊實驗第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能3.3.冷脆性冷脆性：鋼材的化學成分、組織狀態(tài)、內(nèi)在缺陷及環(huán)境溫度都會影響鋼材的沖擊韌性。試驗表明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規(guī)律是開始下降緩和，當達到一定溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性，這種脆性稱為鋼材的冷脆性。 發(fā)生冷脆時的溫度稱為臨界溫度，其數(shù)值愈低，說明鋼材的低溫沖擊性能愈好。所以在負溫下使用的結構，應當選用脆性臨界溫度較工作溫度為低的鋼

13、材。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能 隨時間的延長而表現(xiàn)出強度提高，塑性和沖擊韌性下降的現(xiàn)象稱為時效。完成時效變化的過程可達數(shù)十年，但是鋼材如經(jīng)受冷加工變形，或使用中經(jīng)受震動和反復荷載的影響，時效可迅速發(fā)展。因時效而導致性能改變的程度稱為時效敏感性，對于承受動荷載的結構應該選用時效敏感性小的鋼材。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能三、耐疲勞性1.定義：鋼材在交變荷載反復多次作用下，可在最大應力遠低于屈服強度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。若max越大，則次數(shù)N越小。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能2.疲勞破壞的原因：

14、鋼材的疲勞破壞是拉應力引起的，首先在局部開始形成微細裂紋，其后由于裂紋尖端處產(chǎn)生應力集中而使裂紋逐漸擴展直至疲勞斷裂。鋼材內(nèi)部的晶體結構、成分偏析以及最大應力處的表面光潔程度等因素均會明顯影響疲勞強度。第二節(jié)第二節(jié) 鋼材的力學性能鋼材的力學性能第三節(jié)鋼材的工藝性能一、冷彎性能1.定義：冷彎性能是鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是鋼材的工藝性能指標。2.彎曲測試彎曲測試：彎心直徑d與試件直徑（或厚度）a的比值d/a越小，彎曲角度越大，說明試件受彎程度越高，對不同的鋼材有相應的標準要求，試件受彎處不發(fā)生裂縫，斷裂或起層，即認為冷彎性能合格。第三節(jié)第三節(jié) 鋼材的工藝性能鋼材的工藝性能二、焊接性能1.

15、焊接連接是鋼結構的主要連接方式，在鋼筋混凝土工程中，焊接則是廣泛應用于鋼筋接頭、鋼筋網(wǎng)、鋼筋骨架和預埋件的焊接，以及裝配式構件的安裝。因此，要求鋼材具有良好的可焊性。2.鋼材的可焊性主要受其化學成分及含量的影響。第三節(jié)第三節(jié) 鋼材的工藝性能鋼材的工藝性能第四節(jié)鋼材的化學成分對鋼材性能的影響一、化學成分對鋼材性能的影響 鋼材的化學成分主要是指碳、硅、錳、硫、磷等，在不同情況下往往還需考慮氧、氮及各種合金元素。（1）碳：土木工程用鋼材含碳量不大于0.8。在此范圍內(nèi)，隨著鋼中碳含量的提高，強度和硬度隨著鋼中碳含量的提高，強度和硬度相應提高，而塑性和韌性則相應降低，碳還可顯相應提高，而塑性和韌性則相應

16、降低，碳還可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。感性，降低抗大氣銹蝕性。第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的化學成分對鋼材性能的影響鋼材的化學成分對鋼材性能的影響含碳量對熱軋?zhí)妓劁撔再|(zhì)的影響 b抗拉強度；k沖擊韌性；HB硬度；伸長率；面積縮減率 (2(2）硅硅：當硅在鋼中的含量較低（小于1%）時，可提高鋼材的強度，而對塑性和韌性影響不明顯。(3(3）錳錳：錳是我國低合金鋼的主加合金元素，錳含量一般在1%范圍內(nèi)，它的作用主要是使強度提高，錳還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質(zhì)改善。第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的化學成分對鋼材性能的影響鋼材

17、的化學成分對鋼材性能的影響（）（）硫硫：是有害元素。呈非金屬硫化物夾雜物存在于鋼中，具有強烈的偏析作用，降低各種機械性能。硫化物造成的低熔點使鋼在焊接時易于產(chǎn)生熱裂紋，導致熱脆性，顯著降低可焊性。（）（）磷磷：為有害元素，含量提高，鋼材的強度提高，塑性和韌性顯著下降，特別是溫度愈低，對韌性和塑性的影響愈大，磷在鋼中的偏析作用強烈，使鋼材冷脆性增大，并顯著降低鋼材的可焊性。第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的化學成分對鋼材性能的影響鋼材的化學成分對鋼材性能的影響（）（）氧氧：為有害元素。主要存在于非金屬夾雜物內(nèi)，可降低鋼的機械性能，特別是韌性，氧有促進時效傾向的作用，氧化物造成的低熔點亦使鋼的可焊形變差。（）（

18、）氮氮：氮對鋼材性質(zhì)的影響與碳、磷相似，使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮可加劇鋼材的時效敏感性和冷脆性，降低可焊性。第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的化學成分對鋼材性能的影響鋼材的化學成分對鋼材性能的影響（）（）鈦鈦：鈦是強脫氧劑。它能顯著提高強度，改善韌性和可焊性，減少時效傾向，是常用的合金元素。（）（）釩釩：釩是強的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高強度，并能減少時效傾向，但增加焊接時的淬硬傾向。第四節(jié)第四節(jié) 鋼材的化學成分對鋼材性能的影響鋼材的化學成分對鋼材性能的影響第五節(jié)鋼材的強化一、鋼材的冷加工及時效一、鋼材的冷加工及時效 1、冷加工的種類、冷加工的種類 冷加工的主要目的冷加工的主要目

19、的：提高屈服強度，節(jié)約鋼提高屈服強度，節(jié)約鋼材，但往往會導致塑性、韌性及彈性模量的材，但往往會導致塑性、韌性及彈性模量的降低。降低。形式形式：冷拉、冷拔、冷軋。冷拉、冷拔、冷軋。 第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化n冷拉冷拉是降低碳鋼絲從孔略小于鋼絲直徑的拔絲模中強力拔出，使斷面減小，長度伸長的工藝過程。n冷軋冷軋是使低碳鋼絲通過硬質(zhì)雜輥，在鋼絲表面軋制出呈一定規(guī)律分布的砸痕。冷拔、冷軋后的鋼絲，強度和硬度明顯提高，塑性和韌性則顯著下降。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化n冷加工強化的原理冷加工強化的原理：鋼材在塑性變形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格嚴重畸變，對晶格的進一步滑移將起到阻礙作用，

20、故鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低。由于塑性變形中產(chǎn)生內(nèi)應力，故鋼材的彈性模量降低。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化2冷加工在工程中的應用冷加工在工程中的應用（1 1）冷加工具有明顯的經(jīng)濟效益冷加工具有明顯的經(jīng)濟效益（2 2）簡化施工工藝簡化施工工藝，使盤條鋼筋的開盤、，使盤條鋼筋的開盤、矯直、冷拉三道工序合為一道，直條鋼筋矯直、冷拉三道工序合為一道，直條鋼筋則可使矯直、除銹、冷拉合為一道工序。則可使矯直、除銹、冷拉合為一道工序。（3 3）冷加工和時效一般同時采用冷加工和時效一般同時采用，通過試，通過試驗確定冷拉控制參數(shù)和時效。驗確定冷拉控制參數(shù)和時效。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化3

21、3時效處理時效處理：將經(jīng)過冷拉的鋼筋于常溫下存放1520，或加熱到100200度并保持一段時間，這個過程稱為時效處理。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化鋼筋經(jīng)冷拉時效后應力-應變圖的變化 n冷拉以后再經(jīng)過時效處理的鋼筋，其屈服點進一步提高，抗拉強度稍見增長，塑性繼續(xù)有所降低。由于時效過程中應力的消減，故彈性模量可基本恢復。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化n鋼材產(chǎn)生時效的主要原因鋼材產(chǎn)生時效的主要原因：溶于一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷處移動和集中的速度大為加快，這將使滑移面缺陷處碳、氮原子富集，使晶格畸變加劇，造成其滑移、變形更為困難，因而強度進一步提高

22、，塑性和韌性則進一步降低，而彈性模量則基本恢復。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化二、鋼筋的熱處理 按照一定的制度，將鋼材加熱到一定的溫度，在此溫度下保持一定的時間，再以一定的速度和方式進行冷卻，以使鋼材內(nèi)部晶體組織和顯微結構按要求進行改變，或者消除鋼中的內(nèi)應力，從而獲得人們所需求的機械力學性能，這一過程就稱為鋼材的熱處理。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化熱處理的幾種基本方法： ( () ) 淬火淬火。將鋼材加熱至723（相變溫度）以上某一溫度，并保持一定時間后，迅速置于水中或機油中冷卻，這個過程稱鋼材的淬火處理。鋼材經(jīng)淬火后，強度和硬度提高，脆性增大，塑性和韌性明顯降低。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材

23、的強化鋼材的強化 ( () ) 回火回火。將淬火后的鋼材重新加熱到723以下某一溫度范圍，保溫一定時間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫，這一過程稱為回火處理。回火可消除鋼材淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應力，使其硬度降低，恢復塑性和韌性。回火溫度愈高，鋼材硬度下降愈多，塑性和韌性等性能均得以改善。若鋼材淬火后隨即進行高溫回火處理，則稱調(diào)質(zhì)處理，其目的是使鋼材的強度、塑性、韌性等性能均得以改善。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化（）（）退火退火。退火是指將鋼材加熱至723以上某一溫度，保持相當時間后，在退火爐中緩慢冷卻。退火能消除鋼材中的內(nèi)應力，細化晶粒，均勻組織，使鋼材硬度降低，塑性和韌性提高。（）（）正火正火。

24、是將鋼材加熱到723以上某一溫度，并保持相當長時間，然后在空氣中緩慢冷卻，則可得到均勻細小的顯微組織。鋼材正火后強度和硬度提高，塑性較退火為小。第五節(jié)第五節(jié) 鋼材的強化鋼材的強化第六節(jié)常用建筑鋼材的性能一、鋼結構用鋼的性能及選用1普通碳素結構鋼 按國家標準GB/T700-2006規(guī)定，我國碳素結構鋼分四個牌號，即195、Q215、Q235、和Q275。各牌號鋼又按其硫、磷含量由多至少分為、多個質(zhì)量等級。第六節(jié)第六節(jié) 常用建筑鋼材的性能常用建筑鋼材的性能（1）鋼牌號的表示方法、代號和符號Q屈服強度值等級脫氧方式，如Q235AF為屈服強度不小于235MPa,質(zhì)量等級為A級的沸騰碳素結構鋼。（2）技術要求，見GB/T7002006.第六節(jié)第六節(jié) 常用建筑鋼材的性能常用建筑鋼材的性能二、鋼筋混凝土結構用鋼1.熱軋鋼筋：光圓鋼筋（GB130131991），帶肋鋼筋（GB14991998） 我國熱軋鋼筋標準，按屈服強度、抗拉強度等力學性能分為IIV級，四個強度等級的鋼筋中，除I級鋼筋為低碳鋼外，其余三級熱軋帶肋鋼