建筑鋼材基礎知識

建筑鋼材

本章概述了1、鋼材的冶煉、加工及分類。重點介紹了鋼材的力學性能、工藝性能及現(xiàn)行國家標準對鋼材的性能及技術要求。2、簡述了鋼的化學成分及所含合金元素等對鋼材性能的影響。介紹了碳素結構鋼和低合金結構鋼的牌號表示方法、技術要求及各類牌號鋼材的性能和用途。3、簡述了鋼筋、型材、管材等主要鋼材品種的檢驗方法及注意事項、如何正確地選材、合理用材的方法。4、生產(chǎn)鋼材價格的主要成本及影響價格的主要因素。金屬材料

一建筑鋼材概述：了解鋼材的分類；掌握建筑鋼材的力學性質：拉伸性能，冷彎性能、沖擊韌性和硬度；掌握建筑鋼材的化學成分對鋼材性能的影響；了解鋼材的冷加工、熱處理和焊接；重點、難點：建筑鋼材的力學性質；一、鋼的冶煉和分類鋼是由生鐵冶煉而成的。鋼和鐵都是鐵碳合金，鋼的含碳量在2%以下，而生鐵的含碳量大于2%。另外鋼中的雜質含量也少于生鐵。生鐵有煉鋼生鐵和鑄造生鐵之分。鋼的冶煉就是將熔融的生鐵進行氧化，使碳的含量降低到規(guī)定范圍，其他雜質含量也降低到允許范圍之內(nèi)。

1、鋼的冶煉（1）

概述

（1）鋼材的定義：鋼材是一種以鐵為主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和錳Mn)的材料；（2）鋼材的優(yōu)點以及缺點：優(yōu)點：（1）抗拉、抗壓、抗沖擊性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和鉚接，裝配方便；缺點：易銹蝕；（2）建筑鋼材建筑鋼材是指建筑工程中用的各種鋼材。建筑鋼材主要包括：鋼結構用各種型材（如工字鋼、角鋼、方鋼、圓鋼、扁鋼等H型鋼）；管材（焊管、直縫焊管、無縫管、鍋爐管、不銹鋼管等）板材（如鋼板等）；混凝土用各種螺紋線材、鋼絲和鋼絞線等；鋼結構用各種型材示意圖1建筑鋼材用各種管材示意圖2鋼結構用各種鋼材示意圖3

鋼筋型鋼

鋼板鋼絲1、按冶煉方式分類分類三大類:（1）轉爐鋼（2）平爐鋼（3）電爐鋼；（1）轉爐鋼：以熔融的鐵水為原料、由轉爐的底部或側面向轉爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進行冶煉而得到的鋼，叫做轉爐鋼；轉爐鋼的缺點：吹煉時易混入空氣中的氮、氫等雜質，故建筑中常用的是氧氣轉爐鋼；熔煉時間短，雜質含量不易控制，因此質量差；（2）平爐鋼：以固態(tài)或液態(tài)的生鐵、鐵礦石或廢鋼為原料、用煤氣或重油為燃料在平爐中冶煉而得到的鋼，叫做平爐鋼；平爐鋼的特點：熔煉時間長，易控制質量，因此質量好，但成本較轉爐鋼高；1、按冶煉方式分類（3）電爐鋼：用電熱進行高溫冶煉而得到的鋼；一般用高壓電弧作為熱源，故熔煉的溫度高，且溫度可以自由調(diào)節(jié)，清除雜質則容易得多，故電爐鋼的質量最好；電爐鋼的特點：熔煉溫度可自由調(diào)節(jié)，清除雜質徹底，因此質量最好，但成本最高；（1）、按冶煉方式分類過程焦炭鐵礦石高爐熔融生鐵精煉鋼鑄錠鋼錠建筑鋼材鋼材的冶煉過程（1）沸騰鋼；（2）鎮(zhèn)靜鋼；（3）半鎮(zhèn)靜鋼（1）沸騰鋼的特點：含雜質較多，質量較差，致密性差，但成本低；（2）鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼的特點：結構致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，是質量較好的鋼種，但是產(chǎn)品率低，且成本較高；（3）半鎮(zhèn)靜鋼：半鎮(zhèn)靜鋼的特點：脫氧程度以及鋼的質量介于沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼之間；（2）、按脫氧的方式分類

(3)、按壓力加工方式分類(1）熱加工鋼材：

是將鋼錠加熱到一定溫度，使得鋼錠成呈塑性狀態(tài)進行的壓力加工，如熱軋、熱鍛（2）冷加工鋼材：

指在常溫下進行加工的鋼材；壓力加工的目的：排掉冶煉、鑄錠過程中鋼材結構的不均勻、氣泡等缺點；(4)、按化學成分分類

分類：（1）碳素鋼；（2）合金鋼（1）碳素鋼：指含碳量小于2%的鋼，一般又分為以下三種：碳素鋼分為：低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼（2）合金鋼：

為改善鋼的某些性質而特意加入的一定量的一種或幾種合金元素；如硅、錳和鎳等；合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼、中碳鋼、高碳鋼。（5）、按主要質量等級分類

（1）普通質量鋼；（2）優(yōu)質鋼；（3）高級優(yōu)質鋼；（6）、鋼材按用途分為三大類：（1）結構鋼：建筑結構工程中最常用的鋼種是碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼；（2）工具鋼：用于各種切削工具的鋼；（3）特種鋼：具有特殊性能的鋼，如耐酸鋼、耐熱鋼、不銹鋼等；（7）、建筑鋼材按用途分類

1、鋼結構用鋼；

2、混凝土結構用鋼；總結：建筑結構工程中最常用的鋼種是碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼；1、

鋼材的分類1、

鋼材的分類二、鋼材的性質

鋼材的性質包括強度、彈性、塑性和韌性（1）、拉伸試驗

低碳鋼受拉到拉斷，共經(jīng)歷了四個階段彈性階段（I）：測定彈性模量；屈服階段（II）：測定屈服強度。強化階段（III）：測定抗拉強度。頸縮階段（IV）：測定伸長率。

鋼筋的拉伸實驗鋼筋塑性的表示指標伸長率：試件拉段后，標距長度的增量與原標距長度之比；斷面收縮率：是指斷面口處的面積收縮量與原面積之比；冷彎性能：指鋼材在常溫下承受彎曲的能力。冷彎曲實驗一般是把鋼材按規(guī)定的角度（90或180度）與n(n=彎心直徑d/鋼材的厚度或直徑a)進行彎曲。屈服點（σs）是結構設計時取值的依據(jù)，表示鋼材在正常工作時承受應力不超過屈服點值；屈服點與抗拉強度的比值（σs／σb）稱為屈強比。它反映鋼材的利用率和使用中安全可靠程度；伸長率（δ）:表示鋼材的塑性變形能力。鋼材在使用中，為避免正常受力時在缺陷處產(chǎn)生應力集中發(fā)生脆斷，要求其塑性良好，即具有一定的伸長率，可以使缺陷處受力超過屈服點時，隨著發(fā)生塑性變形使受力重新分布，而避免結構物的破壞。例：為什么說屈服點（σs

(西格馬)

）、抗拉強度（σb

(西格馬)

）和伸長率（δ(得爾塔)

）是建筑工程用鋼的重要技術性能指標？概況：某廠的鋼結構屋架是用中碳鋼焊接而成的，使用一段時間后，屋架坍塌，請分析事故原因。分析討論：首先是因為鋼材的選用不當，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；且其焊接性能較差，焊接時鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強度結構鋼。[工程實例分析]

鋼結構屋架倒塌

沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。它是用試驗機擺錘沖擊帶有V形缺口的標準試件的背面，將其折斷后試件單位截面積上所消耗的功，作為鋼材的沖擊韌性指標，值越大，表明鋼材的沖擊韌性愈好。

影響鋼材沖擊韌性的因素很多，鋼的化學成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質量都會影響沖擊韌性。

（2）、沖擊韌性圖

沖擊韌性試驗圖(a)試件尺寸；(b)試驗裝置；(c)試驗機1—擺錘；2—試件；3—試驗臺；4—刻度盤；5—指針

硬度是指鋼材抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生局部變形的能力。測定鋼材硬度常用布氏法。布氏法是用一直徑為D的硬質鋼球，在荷載P(N)的作用下壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的時間后卸去荷載，用讀數(shù)放大鏡測出壓痕直徑d，以壓痕表面積(mm2)除荷載P，即為布氏硬度值HB。HB值越大，表示鋼材越硬。

(3)、硬度圖

布氏硬度測定示意圖

鋼材在交變應力的反復作用下，往往在應力遠小于其抗拉強度時就發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限來表示，它是指疲勞試驗時試件在交變應力作用下，于規(guī)定周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。一般認為，鋼材的疲勞破壞是由拉應力引起的，抗拉強度高，其疲勞極限也較高。鋼材的疲勞極限與其內(nèi)部組織和表面質量有關。

（4）、疲勞強度

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是建筑鋼材的重要工藝性能。鋼材的冷彎性能指標是用彎曲角度和彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值來衡量的。試驗時采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值愈小，表示對冷彎性能的要求愈高。鋼材的冷彎性能和伸長率都是塑性變形能力的反映。

（5）、冷彎性能圖

鋼材冷彎(a)試樣安裝；(b)彎曲90°；(c)彎曲180°；(d)彎曲至兩面重合；(e)規(guī)定彎心四、鋼材的冷加工、時效冷加工：指的是鋼材在常溫下進行的加工，常見的有冷拔、冷拉、冷軋，冷扭、刻痕等；時效：鋼材隨著時間的延長，強度和硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象；在冷加工狀態(tài)下，時效性特別明顯。分為自然時效和人工時效兩種。以鋼筋的冷拉為例(圖)，圖中OBCD為未經(jīng)冷拉時的應力-應變曲線。一般建筑用鋼筋常利用冷加工、時效作用來提高鋼筋的強度。鋼筋經(jīng)冷拉時效后應力-應變圖的變化

鋼筋冷拉后屈服強度可提高15%~20%，冷拔后屈服強度可提高40%~60%。冷拔是將外形為光圓的盤條鋼筋從硬質合金拔絲?？字袕娦欣?如圖)，由于?？字睆叫∮阡摻钪睆剑摻钤诎沃七^程中既受拉力又受擠壓力，使強度大幅度提高但塑性顯著降低。冷加工在工程中的應用冷拔?？捉猓涸诔叵聦摬倪M行機械加工，使其產(chǎn)生塑性變形，以提高其屈服強度的過程稱為冷加工強化。機械加工方法主要是對鋼筋進行冷拉和冷拔。冷軋主要在鋼廠進行。時效處理是將經(jīng)過冷加工的鋼材，在常溫下存放15～20天，或者加熱到100～200ｏＣ，并保持2小時以內(nèi)，這個過程稱為時效處理。常溫放置稱為自然時效，加熱處理稱為人工時效。冷拉并時效處理后的鋼筋，其屈服點提高20％～25％，抗拉強度也有提高，塑性和韌性降低較大，彈性模量基本恢復。例題：何謂鋼的冷加工強化及時效處理？冷拉并時效處理后的鋼筋性能有何變化？在建筑工地，經(jīng)常對比使用要求的強度偏低和塑性偏大的鋼筋或低碳盤條鋼筋進行冷拉或冷拔并時效處理，以提高屈服強度和利用率，節(jié)省鋼材。同時還兼有調(diào)直、除銹的作用。這種加工所用機械比較簡單，容易操作，效果明顯，所以建筑工程中常采取此法。補充知識二建筑鋼材的標準與選用建筑鋼材一般分兩種：1鋼結構用鋼材:2鋼筋混凝土結構用鋼：主要有鋼筋、鋼絲和鋼絞線等

其中低合金結構鋼：包括角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管、鋼板等；

二、鋼結構用鋼材1碳素結構鋼

牌號的表示方法：（如Q235—A.F）（1）按屈服點值分為五種：195、215、235、355、275MPa；（2）按磷、硫雜質的含量由多到少分為A、B、C、D四個質量等級；（3）按脫氧方式分為F、b、Z、TZ四種。名稱符號名稱符號屈服強度質量等級沸騰鋼QA、B、C、DF半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼BZTZ碳素結構鋼的選用可見，隨著鋼材牌號的增加，含碳量是增加的，鋼材的屈服點與抗拉強度增加，但是塑性與韌性有所下降，因此對碳素結構鋼而言，一般選擇Q235牌號的鋼作為鋼結構用鋼。碳素結構鋼隨牌號的增大，含碳量增加，其強度和硬度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。

Q195、Q215號鋼強度低，塑性和韌性較好，易于冷加工，常用于軋制薄板和盤條，制造鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等。

Q215號鋼經(jīng)冷加工后可代替Q235號鋼使用。

Q235號鋼是建筑工程中應用最廣泛的鋼，屬低碳鋼，具有較高的強度，良好的塑性、韌性及可焊性，綜合性能好，能滿足一般鋼結構和鋼筋混凝土用鋼要求，且成本較低，大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋。

Q255、Q275號鋼強度較高，但塑性、韌性較差，可焊性也差，不易焊接和冷彎加工，可用于軋制鋼筋、作螺栓配件等，但更多用于機械零件和工具等。

低合金高強度結構鋼共有5個牌號。其牌號的表示方法由屈服點字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級三個部分組成，屈服點數(shù)值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五種，質量等級按照硫、磷等雜質含量由多到少分為A、B、C、D、E五級。

如Q345A表示屈服點為345MPa的A級鋼。2.1低合金高強度結構鋼的牌號表示方法

Q295號鋼中含有少量的合金元素，強度不高，但有良好的塑性、冷彎性能、焊接性能及耐蝕性能。主要用于建筑工程中對強度要求不高的一般工程結構。

Q345、Q390號鋼綜合力學性能好，焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性能均好，C、D、E級鋼具有良好的低溫韌性。主要用于工程中承受較高荷載的焊接結構。

Q420、Q460號鋼強度高，特別是在熱處理后有較高的綜合力學性能。主要用于大型工程結構及荷載大的輕型結構。

2.2低合金高強度結構鋼的性能和應用

三、檢驗方法及注意事項、

（一）、鋼筋材料要求及檢驗方法:

根據(jù)：鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋（GB1499.2—2007）

1.鋼筋:應有出廠質量證明和檢驗報告單，并按有關規(guī)定分批抽取試樣作機械性能試驗合格后方可使用。

2.鋼筋:表面不得有裂紋和局部縮螺旋肋鋼絲外形示意圖三、檢驗方法及注意事項、

（二）、型材材料要求及檢驗方法:根據(jù)：熱軋型鋼GBT706-2008

1、型材：應有出廠質量證明和檢驗報告單，并按有關規(guī)定分批抽取試樣作機械性能試驗合格后方可使用。2、型材注意事項：型材在檢驗過程中應注意腿高和拐角厚度，三、檢驗方法及注意事項、

（三）、管材材料要求及檢驗方法:根據(jù)：GB/T8162-1999、GB/T8163-1999、GB3087-1999、GB5310-95、GB/T3091-20081、管材：應有出廠質量證明和檢驗報告單，并按有關規(guī)定分批抽取試樣作機械性能試驗合格后方可使用。2、管材注意事項：管材在檢驗過程中應焊管注意毛刺無縫注意壁厚和偏心。（四）、生產(chǎn)鋼材價格的主要成本1、鋼材成本結構分析：（1）

煉鐵工藝的