土木工程材料第08章金屬材料

第八章鋼材鋼的冶煉和分類建筑鋼材的主要技術性能鋼的化學成分對鋼性能的影響鋼材的冷加工和熱處理建筑用鋼鋼結構用鋼材鋼筋混凝土用鋼材鋼材可用作主要的結構材料、也可以用作連接材料、圍護材料和飾面材料等。優(yōu)點：品質(zhì)均勻塑性和韌性好高的抗拉強度易于加工成板材、型材和線材良好的焊接和鉚接性能缺點：易銹蝕、維護費用高耐火性差生產(chǎn)能耗大

8.1鋼的冶煉和分類鋼的冶煉鋼和鐵的主要成分是鐵和碳。合碳量大于2.06％的為生鐵，含碳量為0.02%～2.06％的為鋼第一步：生鐵的冶煉是將鐵礦石、石灰石、焦碳和少量錳礦石在高爐內(nèi)，在高溫的作用下進行還原反應和其他的化學反應，鐵礦石中的氧化鐵形成金屬鐵，然后再吸收碳而成生鐵。原料中的雜質(zhì)則和石灰石等化合成熔渣。

鐵礦石鐵水＋礦渣冶煉8.1鋼的冶煉和分類鋼的冶煉第二步：鋼的冶煉是以鐵水或生鐵作為主要原料，在轉爐、平爐或電爐中冶煉。與生鐵的冶煉相反，是用氧化的方法來除去鐵中的碳及部分雜質(zhì).

鐵水或鐵塊、廢鋼鋼水＋鋼渣

冶煉煉鋼生產(chǎn)工藝示意圖鋼材的分類碳素鋼（非合金鋼）按照碳的含量分

(1)低碳鋼含碳量小于0.25％；

(2)中碳鋼含碳量為0.25％～0.6％；

(3)高碳鋼含碳量大于0.6％。合金鋼按照摻入合金元素(一種或多種)的總量分

(1)低合金鋼合金元素總含量小于5％；

(2)中合金鋼合金元素總含量為5％～10％；

(3)高合金鋼合金元素總含量大于10％。

按冶煉時的脫氧程度分:沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼

鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼8.2鋼材的技術性質(zhì)力學性能強度塑性韌性耐疲勞性工藝性能冷彎性能焊接性能強度四個階段：Ⅰ彈性階段Ⅱ屈服階段Ⅲ強化階段Ⅳ頸縮階段Ⅰ彈性階段（OA段）彈性極限，用p表示。此階段應力與應變成正比，其比值為常數(shù)，即彈性模量，用E表示，/=E。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力。它是鋼材在受力條件下計算結構變形的重要指標。常用低碳鋼的彈性模量E=(2.0～2.1)105MPa，p=180～200MPa。Ⅱ屈服階段（AB段）應力超過p后，應變增加很快，而應力基本保持不變。這種現(xiàn)象稱為屈服。此時應力與應變不再成比例，試件開始產(chǎn)生塑性變形。－曲線上開始發(fā)生屈服的點Ｂ，稱為屈服點，這時的應力稱為屈服極限，用s表示。鋼材受力達到屈服點后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設計中一般以屈服點作為強度取值的依據(jù)。常用低碳鋼的s為185～235MPa。預應力鋼筋混凝土用的高強度鋼筋和鋼絲具有硬鋼的特點：抗拉強度高，無明顯的屈服階段，伸長率小。這類鋼材由于沒有明顯的屈服階段，不能測定屈服點，故常用發(fā)生殘余變形0.2%時的應力作為規(guī)定的屈服極限，用

0.2表示。Ⅲ強化階段當荷載超過屈服點后，因塑性變形使其內(nèi)部的組織結構得到調(diào)整，抵抗變形的能力有所增強，－曲線又開始上升，稱為強化階段。曲線最高點Ｃ所對應的應力稱為抗拉強度，用b表示。常用低碳鋼的b為375～500MPa。屈強比（s/b）—屈強比越小，鋼材在受力超過屈服點時的可靠性越大，結構越安全。但如果屈強比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用低碳鋼的屈強比為0.58～0.63，合金鋼為0.65～0.75。0.63～0.75范圍最合適。Ⅳ頸縮階段應力超過b后，試件的變形開始集中于某一小段內(nèi)，使該段的橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，－曲線開始下降，直至Ｄ點，試件被拉斷。力學性能塑性

表示鋼材在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力，是鋼材的重要性能指標伸長率斷面收縮率

力學性能塑性

伸長率反映了鋼材塑性大小情況，在工程中具有重要意義。塑性良好的鋼材，偶爾超載、產(chǎn)生塑性變形，會使內(nèi)部應力重新分布，不致由于應力集中而發(fā)生脆斷。鋼材在塑性破壞前，有明顯的變形和變形持續(xù)時間，便于發(fā)現(xiàn)和補救。力學性能韌性

韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力,通常用沖擊韌性值來表示.

力學性能韌性

對于重要的結構以及承受動荷載作用的結構,特別是處于低溫條件下,為了防止脆性破壞,應保證鋼材具有一定的沖擊韌性。

冷脆性:

當溫度降低到一定程度時,沖擊韌性大幅度下降而使鋼材呈脆性,這一現(xiàn)象稱為冷脆性。鋼材的沖擊韌性與溫度的關系影響沖擊韌性的因素鋼材的沖擊韌性對鋼的化學成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質(zhì)量都比較敏感。如，鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。K值還與試驗溫度有關。某些材料在常溫時沖擊韌性并不低，破壞時呈現(xiàn)韌性破壞特征。但當試驗溫度低于某值時，K突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形而發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。K劇烈改變的溫度區(qū)間稱為脆性轉變溫度。時效，冷加工和動力加載情況下時效敏感。承受動荷載、負溫結構等需檢驗鋼材的沖擊韌性。耐疲勞性

鋼材在交變荷載的反復作用下，往往在應力遠小于其抗拉強度時就發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞。實驗證明，鋼材承受的交變應力越大，則鋼材至斷裂時經(jīng)受的交變應力循環(huán)次數(shù)N越少，反之越多。當交變應力降低至一定值時，鋼材可經(jīng)受無限次交變應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞。通常取交變應力循環(huán)次數(shù)N=107時，試件不發(fā)生破壞的最大應力n作為其疲勞極限。鋼材的疲勞曲線疲勞破壞的原因鋼材的疲勞破壞一般由拉應力引起的，首先在局部開始形成細小裂紋，隨后由于微裂紋尖端的應力集中而使其逐漸擴大，直至突然發(fā)生瞬時疲勞斷裂。鋼材內(nèi)部的組織結構、成分偏析及其它缺陷，是決定其疲勞性能的主要因素。鋼材的截面變化、表面質(zhì)量及內(nèi)應力大小等造成應力集中的因素，都與其疲勞極限有關。如鋼筋焊接接頭和表面微小的腐蝕缺陷，都可使疲勞極限顯著降低。當疲勞條件與腐蝕環(huán)境同時出現(xiàn)時，可促使局部應力集中的出現(xiàn)，大大增加了疲勞破壞的危險性。工藝性能冷彎性能

冷彎性能指在常溫條件下，鋼材受彎變形的能力。一般用彎曲角度、彎心直徑相對應鋼材的厚度或直徑的比值來表示。

鋼材的冷彎示意圖冷彎性能意義鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表示鋼材在靜荷載條件下的塑性。但冷彎是鋼材處于不利變形條件下的塑性，而伸長率是反映鋼材在均勻變形下的塑性。故冷彎試驗是一種比較嚴格的檢驗。它能揭示鋼材內(nèi)部組織的均勻性，以及存在內(nèi)應力或夾雜物等缺陷的程度。在拉力試驗中，這些缺陷常因塑性變形導致應力重分布而反映不出來。在工程實踐中，冷彎試驗還被用作檢驗鋼材焊接質(zhì)量的一種手段，能揭示焊件在受彎表面存在的未熔合、微裂紋和夾雜物。工藝性能焊接性能可焊性是指在一定焊接工藝條件下，在焊縫及附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向。焊接后的力學性能．特別是強度不得低于原鋼材的性質(zhì)?？珊感灾饕芑瘜W元素及其含量的影響，含碳量高將增加焊接的硬脆性．含碳量小于0.25％的碳素鋼具有良好的可焊性。硫、磷及氣體雜質(zhì)會使可焊性降低，加入過多的合金元索，如硅、錳、釩、鈦等，也將降低可焊性。焊接示意圖8.3鋼的化學成分對鋼性能

的影響碳

影響鋼材性能的主要元素之一，在碳素鋼中隨著含碳量的增加，其強度和硬

度提高，塑性和韌性降低。當含碳量大于1％后，脆性增加，硬度增加，強度下降。含碳量大于0.3％時鋼的可焊性顯著降低。此外，含碳量增加，鋼的冷脆性和時效敏感性增大，耐大氣銹蝕性降低。

8.3鋼的化學成分對鋼性能的影響硅硅含量在1％以內(nèi)時，可提高鋼的強度、疲勞極限、耐腐蝕性及抗氧化性，對塑性和韌性影響不大，但對可焊性和冷加工性能有所影響。硅可作為合金元素，用以提高合金鋼的強度。錳錳可提高鋼材的強度、硬度及耐磨性。能消減硫和氧引起的熱脆性，改善鋼材的熱加工牲能。錳可作為合金元素，提高合金鋼的強度。但含量過高也影響可焊性。

8.3鋼的化學成分對鋼性能的影響硫硫是碳索鋼中的有害雜質(zhì)。在焊接時，易產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象，稱為熱脆性，顯著降低可焊性。含硫過量還會降低鋼的韌性、耐疲勞性等機械性能及耐腐蝕性能。磷磷是碳素鋼中的有害雜質(zhì)。常溫下能提高鋼的強度和硬度，但塑性和韌性顯著下降，低溫時更甚，即引起所謂“冷脆性”。也影響可焊性，但磷可提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性能。

8.3鋼的化學成分對鋼性能的影響氧

氧是碳素鋼中的有害雜質(zhì)。含氧量增加，便鋼的機械強度降低、塑性和韌性低，促進時效作用，還能使熱脆性增加，焊接性能變差。

氮

氮能使鋼的強度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮還會加劇鋼的時效敏感性和冷脆性，使可焊性變差8.4鋼材的冷加工和熱處理冷加工

冷加工是在常溫下進行機械加工，包括冷拉、冷拔、冷扭、冷沖和冷壓等各種方式。

8.4鋼材的冷加工和熱處理冷加工強化處理冷加工強化鋼材經(jīng)過冷拉、冷拔或冷軋，其屈服點提高而抗拉強度基本不變，塑性和韌性相應降低的現(xiàn)象稱為冷加工強化。冷加工時效處理鋼材經(jīng)冷加工后，隨著時間的延長，鋼的屈服強度和強度極限逐漸提高，而塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象，稱為時效。

分人工時效和自然時效。O′KCD:冷加工強化處理O′K1C1D1:冷加工時效處理冷加工的工程效益鋼筋經(jīng)冷拉后，一般屈服點可提高20%~25%，冷拔鋼絲的屈服點可提高40%~60%。由此可適當減小鋼筋混凝土結構設計截面，或減少混凝土中配筋數(shù)量，從而達到節(jié)約鋼材的目的。鋼筋冷拉還有利于簡化施工工序。冷拉盤條鋼筋可省去開盤和調(diào)直工序；冷拉直條鋼筋則可與矯直、除銹等工序一并完成8.4鋼材的熱處理淬火加熱至顯微組織轉變溫度以上，使其微組織發(fā)生轉變后冷卻。強度和硬度可以提高，塑性和韌性下降?；鼗饘Υ慊鹛幚淼匿摬脑偌訜嶂溜@微組織轉變溫度以下，后冷卻。使顯微組織更加穩(wěn)定，使其韌性和塑性得到一定恢復。8.5建筑鋼材碳素結構鋼低合金高強度結構鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼碳素結構鋼碳素結構鋼是碳素鋼中的一類，可加工成各種型鋼、鋼筋和鋼絲。適用于一般結構和工程。構件可進行焊接、鉚接和栓接。牌號鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧程度符號等四個部分按順序組成。如：Q235A·F

屈服點等級：Q195、

Q215、

Q235、

Q275技術技能見表用途

Q235鋼，強度適中，有良好的承載性，有具有較好的塑性和韌性，可焊性和加工性也好，是鋼結構常用的牌號。

低合金高強度結構鋼

在碳素結構鋼的基礎上加入總量小于5％的合金元素而形成的鋼種。加入合金元素的目的是提高鋼材強度和改善性能。常用的合金元索有硅、錳、鈦、釩、鉻、鎳和銅等。大多數(shù)合金元素不僅可以提高鋼的強度和硬度，還能改善塑性和韌性。牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值和質(zhì)量等級符號三個部分按順序組成，如Q345A屈服點等級：Q295、

Q345、

Q390、

Q420、

Q460技術技能參表用途

Q345鋼的綜合性能較好，是鋼結構常用的牌號，Q390也是推薦使用的牌號，優(yōu)質(zhì)碳素鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼對有害雜質(zhì)含量(S<0.035％，P<0.035％)控制嚴格、質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)于碳素結構鋼。

屈服強度高，抗沖擊性能、低溫性能、可焊性均較好。

8.6鋼結構用鋼材熱軋型鋼熱軋普通工字鋼廣泛用于各種建筑結構和橋梁，主要用于承受橫向彎曲的桿件，但不宜單獨用作軸心受壓構件或雙向彎曲的構件熱軋H型鋼H型鋼截面形狀經(jīng)濟合理，力學性能好，常用于要求承裁力大、截面穩(wěn)定性好的大型建筑(如高層建筑)。熱軋等邊型鋼和不等邊型鋼各類鋼材8.6鋼結構用鋼材冷彎薄壁型鋼:重量輕，用鋼少，適于作輕型鋼結構的承重構件和在建筑構造上的使用

8.6鋼結構用鋼材棒材熱軋六角鋼和八角鋼:加工螺栓熱軋扁鋼:做房架結構、扶梯、橋梁和柵欄熱軋圓鋼和方鋼：很少使用，圓鋼可用于輕型結構，用做桿件和連接件8.6鋼結構用鋼材鋼管常用于制作桁架、塔桅等構件，也可用于制作鋼管混凝土板材主要用于屋面板、樓板和墻板等。在鋼結構中，單塊鋼板不能獨立工作，必須用幾塊板組合成工字形、箱形等結構來承受荷載。8.7鋼筋混凝土用鋼材熱軋鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的成品鋼筋，按外形可分為光圓和帶肋兩種。8.7鋼筋混凝土用鋼材熱軋鋼筋HPB300，低碳鋼，廣泛用做小型鋼筋混凝土結構中的構造筋，逐步取消HPB235.

7.7鋼筋混凝土用鋼材熱軋鋼筋ⅠR235，低碳鋼，廣泛用做小型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋以及各種鋼筋混凝土結構中的構造筋ⅡRL335低碳低合金鋼鋼筋混凝土中的常用鋼筋，廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋ⅢRL400，低碳低合金鋼用法同Ⅱ級鋼筋ⅣRL540，中碳低合金鋼強度高，用于預應力混凝土構件

8.7鋼筋混凝土用鋼材熱軋鋼筋HRB400、HRB500低碳低合金鋼鋼筋混凝土中的常用鋼筋，廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋，逐步取消HRB335.

7.7鋼筋混凝土用鋼材熱軋鋼筋ⅠR235，低碳鋼，廣泛用做小型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋以及各種鋼筋混凝土結構中的構造筋ⅡRL335低碳低合金鋼鋼筋混凝土中的常用鋼筋，廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋ⅢRL400，低碳低合金鋼用法同Ⅱ級鋼筋ⅣRL540，中碳低合金鋼強度高，用于預應力混凝土構件

低碳鋼熱軋圓盤條拉絲用低碳鋼熱軋圓盤條鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋HRB8.7鋼筋混凝土用鋼材

冷拔鋼絲用直徑為6~8mm的Q235或Q215的熱軋圓盤條,經(jīng)一次或多次的拔制而得的鋼絲，其屈服強度可提高40％一60％，但失去了低碳鋼的性質(zhì)，變得硬脆，屬硬鋼類鋼絲．分甲、乙兩極，甲級用于中小混凝土的預應力鋼筋，乙級用于非預應力鋼筋。

8.7鋼筋混凝土用鋼材冷軋帶肋鋼筋用熱軋圓盤條經(jīng)冷軋或冷拔減徑后、在其表面冷軋成三面有肋的鋼筋。

按抗拉強度將鋼筋分為LL550、LL650和LL800三級。冷軋帶肋鋼筋比熱軋鋼筋強度明顯提高，節(jié)約了鋼材，同時冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉冷拔鋼筋(絲)握裹力較差的缺點。

LL650和LL800用于中小混凝土的預應力結構中的受力主筋，LL550用于普通鋼筋混凝土結構構件中中的受力主筋、架立筋等

7.7鋼筋混凝土用鋼材熱軋鋼筋ⅠR235，低碳鋼，廣泛用做小型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋以及各種鋼筋混凝土結構中的構造筋ⅡRL335低碳低合金鋼鋼筋混凝土中的常用鋼筋，廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結構中的主要受力鋼筋ⅢRL400，低碳低合金鋼用法同Ⅱ級鋼筋ⅣRL540，中碳低合金鋼強度高，用于預應力混凝土構件

8.7鋼筋混凝土用鋼材預應力混凝土用熱處理鋼筋

熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋的帶肋鋼筋(中碳低合金鋼)經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理而成的。其特點是塑性降低不大．但強度提高很多，綜合性能比較理想。按外形分為有縱肋和無縱肋兩種（都有橫肋）。

8.7鋼筋混凝土用鋼材熱處理鋼筋主要用于項應力混凝土軌枕．代替碳素鋼絲。由于其具有制作方便、質(zhì)量穩(wěn)定、錨固性好、節(jié)省鋼材等優(yōu)點，巳開始應用于預應力混凝土工程中。

8.7鋼筋混凝土用鋼材預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線

它們是鋼廠用優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼經(jīng)冷加工、再回火、冷軋或絞捻等加工而成的專用產(chǎn)品，也稱為優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲及鋼絞線。鋼絲抗拉強度高達1470－1770MPa,分為消除應力光圓鋼絲、消除應力刻痕鋼絲、消除應力螺旋肋鋼絲和冷拉鋼絲四種。按應力松弛分為兩級：I級松弛（普通松弛）

Ⅱ級松弛（低松弛）

鋼絞線根據(jù)鋼絲的股數(shù)分為1×2、1×3、1×7三種結構類型鋼絲和鋼絞線均具有強度高、柔韌性好、質(zhì)量穩(wěn)定，使用時不需接頭等優(yōu)點，尤其適用于需要曲線配筋的預應力混凝土結構、大跨度或重荷載的屋架等。鋼材的選用原則依據(jù)：

Ⅰ荷載性質(zhì)

Ⅱ使用溫度

Ⅲ連接方式

Ⅳ鋼材厚度

Ⅴ結構重要性碳素結構鋼的牌號碳素結構鋼的選用Q235－A級鋼材適用于承受靜載的結構。Q235－C、D級鋼材可用于重要焊接、沖擊、振動和在較低溫度條件下工作的結構。Q195、Q215號鋼材的強度低，塑性、韌性和冷加工性能好，可制作鋼釘、鉚釘和鐵絲等。Q255、Q275號鋼材的強度高，塑性、韌性和可焊性差，可用于螺栓、工具等。優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼按化學成分，為碳素鋼按含碳量，為中碳鋼、高碳鋼按用途，為結構鋼按鋼中有害雜質(zhì)(S、P)的含量，為優(yōu)質(zhì)鋼土木工程中主要使用30-45號優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的鋼號用兩位數(shù)字表示，它表示平均含碳量的萬分數(shù)。含錳較高時，在鋼號后加注“Mn”。有三個鋼號屬沸騰鋼，應在鋼號后加注“F”，其余均為鎮(zhèn)靜鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的選用鋼鑄件及高強螺栓：30-45號鋼。預應力鋼筋混凝土中的錨具：45號鋼。碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線：65-80號鋼。低合金高強度結構鋼在碳素結構鋼中