模塊七建筑鋼材

模塊七建筑鋼材鋼材是最重要的土木工程材料之一，主要應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。

目的：使學生掌握建筑鋼材的分類、技術(shù)性能、鋼材的標準與使用及鋼材的銹蝕與防止。重點：鋼材的技術(shù)性能、標準與使用。難點：鋼材的技術(shù)性能。模塊七建筑鋼材建筑鋼材是指用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋、鋼絲和用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型鋼，以及用于圍護結(jié)構(gòu)和裝修工程的各種深加工鋼板和復合板等。它有較高的強度，有良好的塑性和韌性，能承受沖擊和振動載荷；可以焊接或鉚接，易于加工和裝配。但易銹蝕，耐火性差。它主要用作結(jié)構(gòu)材料，所以其性能往往對結(jié)構(gòu)的安全起著決定性作用。鋼的冶煉與分類生鐵是鐵礦石、熔劑(石灰石)、燃料(焦炭)在高爐中經(jīng)過還原反應(yīng)和造渣反應(yīng)而得到的—種碳鐵合金。煉鋼的原理是將熔融的生鐵進行氧化，使碳的含量降低到—定的限度，同時把其它雜質(zhì)的含量也降低到允許范圍內(nèi)。所以，在理論上凡含碳量在2％以下，含有害雜質(zhì)較少的鐵碳合金可稱為鋼。

鋼的冶煉與分類煉鋼后期精煉時，需在爐內(nèi)或鋼包中加入脫氧劑(錳鐵、硅鐵、鋁錠等)進行脫氧，使氧化鐵還原為金屬鐵。在鑄錠冷卻過程中，由于鋼內(nèi)某些元素在鐵的液相中的溶解度高于固相，使這些元素向凝固較遲的鋼錠中心集中，導致化學成分在鋼錠截面上分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為化學偏析，影響鋼的質(zhì)量，其中尤以硫、磷偏析最為嚴重。鋼的冶煉與分類我國常用的煉鋼方法有空氣轉(zhuǎn)爐法、氧氣轉(zhuǎn)爐法、平爐法、電爐法。建筑鋼材一般以前三種方法冶煉而得。根據(jù)脫氧程度不同，澆鑄的鋼錠可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼及特殊鎮(zhèn)靜鋼三種。鋼材的冶煉與軋制鋼的冶煉與分類沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，其塑性好，有利于沖壓，但組織不夠致密，氣泡含量較多，化學偏析較大，成分不均勻，強度及抗腐蝕性差，特別是低溫沖擊韌性顯著降低。但由于成本較低，因此被廣泛用于一般建筑結(jié)構(gòu)中。鋼的冶煉與分類鎮(zhèn)靜鋼是用錳、硅和鋁進行充分完全脫氧的鋼，此鋼結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)量均勻，焊接性能好，抗腐蝕性能強，但成本高，一般用于承受沖擊荷載或其它重要結(jié)構(gòu)。

特殊鎮(zhèn)靜鋼。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(jié)構(gòu)工程，代號為“TZ”。鋼的冶煉與分類由于鋼材在鑄錠過程中往往出現(xiàn)偏析、縮孔、氣泡、晶粒粗大、組織不致密等缺陷，故鋼材在澆鑄后，大多都要再經(jīng)過壓力加工才能使用。壓力加工可分為熱加工和冷加工兩種。

鋼的冶煉與分類熱加工是將鋼錠加熱至呈塑性狀態(tài)，再施加壓力改變其形狀，并使鋼錠內(nèi)部氣泡焊合，疏松組織密實。通過熱加工，不僅使鋼錠軋成各種型鋼及鋼筋，也提高了鋼的強度和質(zhì)量，一般輾軋的次數(shù)越多，鋼的強度提高也越大。

鋼的冶煉與分類冷加工是指鋼材在常溫下進行的壓力加工。冷加工的方式很多，如冷拉、冷拔、冷軋等。冷軋可軋制厚度很薄、表面光潔度較高的鋼板。建筑上常采用冷拉、冷拔來提高鋼材的強度。鋼的冶煉與分類鋼的冶煉與分類鋼的冶煉與分類建筑鋼材的主要技術(shù)性能

建筑鋼材的技術(shù)性能力學性能工藝性能化學性能抗拉性能沖擊韌性疲勞強度硬度冷彎性能建筑鋼材的抗拉性能1.應(yīng)力

2.應(yīng)變3.彈性與彈性變形4.塑性與塑性變形S0ΔLL0L1建筑鋼材的抗拉性能L0F1F1F2F2F3F3L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2低碳鋼的受拉過程分為四個階段O彈性階段OA屈服階段AB強化階段BC頸縮階段CDABCD低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖建筑鋼材的抗拉性能一、彈性階段OA

一條通過原點的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。彈性彈性模量

E值的大小反映了鋼材抵抗彈性變形的能力。

A點對應(yīng)的應(yīng)力。αOA低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖

E1＞E2圖形的特點：試件的特點：計算的指標：ABCD彈性極限二、屈服階段AB

一條波動的曲線，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)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）點對應(yīng)的應(yīng)力。圖形的特點：試件的特點：計算的指標：αOA低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖ACDBB上B下屈服。三、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

圖形的特點：試件的特點：計算的指標：αOA低碳鋼受拉的應(yīng)力－應(yīng)變圖ACDBB上B下C點對應(yīng)的應(yīng)力。強化。四、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A：

圖形的特點：試件的特點：計算的指標：L1L0計算的指標：頸縮αAACDBB上B下三個重要的指標1.屈服強度σs

結(jié)構(gòu)設(shè)計中鋼材強度取值的依據(jù)2.抗拉強度Rm

鋼材所能承受的最大應(yīng)力屈強比

屈強比，利用率，安全可靠程度3.伸長率A

衡量鋼材塑性的指標，越大說明鋼材的塑性越好

↑↑↓αOAACDBB上B下斷面收縮率d0L0L0=5d0或10d0S0、Su前后的截面積同一鋼材A5大于A10L1建筑鋼材的抗拉性能中碳鋼、高碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變圖規(guī)定：產(chǎn)生殘余變形為原始標距的0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力值，作為硬鋼的屈服強度，稱為條件屈服強度，用Rp0.2表示。建筑鋼材的沖擊韌性

鋼材抵抗沖擊荷載的能力。

定義試件它是以試件沖斷時缺口處單位面積上所消耗的功(J/cm2)來表示，其符號為αk。αk值越大，鋼材的沖擊韌性越好。

建筑鋼材的沖擊韌性鋼的化學成分;例：S、P↑沖擊韌性↓冶煉及軋制質(zhì)量質(zhì)量↑沖擊韌性↑溫度溫度↓，沖擊韌性↓

影響沖擊韌性的因素建筑鋼材的疲勞強度

鋼材在交變荷載反復多次作用下，往往在應(yīng)力遠低于抗拉強度時發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞指標用疲勞強度（或稱疲勞極限）來表示，它是指試件在交變應(yīng)力的作用下，于規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。對鋼材而言，一般將承受交變荷載達107周次時不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力，定義為疲勞強度。建筑鋼材的疲勞強度測定疲勞極限時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用條件確定所采用的應(yīng)力循環(huán)類型（如拉—拉型、拉—壓型等）、應(yīng)力比值（最小與最大應(yīng)力之比，又稱應(yīng)力特征值ρ）和周期基數(shù)。疲勞極限不僅與鋼材內(nèi)部組織有關(guān)，也和表面質(zhì)量有關(guān)。建筑鋼材的硬度硬度是指金屬材料抵抗硬物壓入表面的能力。亦即材料表面抵抗塑性變形的能力。常用布氏法測定：用一直徑為D（mm）的淬火鋼球以荷載P將其壓人試件表面，經(jīng)規(guī)定的持續(xù)時間后卸除荷載，即得直徑為d（mm）的壓痕，以壓痕表面積F除荷載P，所得的商即為該試件的布氏硬度值HB，以數(shù)字表示，不帶單位。

建筑鋼材的硬度1-鋼球；2-試件；P-施加于鋼球上的載荷；D-鋼球直徑；d-壓痕直徑；h-壓痕深度

建筑鋼材的硬度材料的硬度值實際上是材料彈性、塑性、變形強化率、強度和韌性等一系列性能的綜合反映。因此，硬度值往往與其他性能有一定的相關(guān)性。材料的強度越高，塑性變形抵抗力越強，硬度值也就越大。建筑鋼材的冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，常用試件在常溫下所能承受的彎曲程度表示。彎曲程度則通過試件被彎曲的角度和彎心直徑對試件厚度（或直徑）的比值來區(qū)分。試驗時采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對試件厚度（或直徑）的比值愈小，表示對冷彎性能的要求愈高。

建筑鋼材的冷彎性能冷彎檢驗是：按規(guī)定的彎曲角和彎心直徑進行試驗，試件的彎曲處不發(fā)生裂縫、裂斷或起層，即認為冷彎性能合格。相對于伸長率而言，冷彎是對鋼材塑性更嚴格的檢驗，它能揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物、未熔合和微裂紋等缺陷。建筑鋼材的冷彎性能

1-彎心；2-試件；3-支座

建筑鋼材的冷加工及時效將鋼材在常溫下進行冷加工(如冷拉、冷拔或冷軋)，使之產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強度，這個過程稱為冷加工強化處理。經(jīng)強化處理后鋼材的塑性和韌性會降低。建筑鋼材的冷加工及時效冷拉：將熱軋鋼筋用冷拉設(shè)備加力進行張拉，使之伸長。鋼材經(jīng)冷拉后，屈服強度可提高20％～30％，可節(jié)約鋼材l0％～20％，鋼材經(jīng)冷拉后屈服階段縮短，伸長率降低，材質(zhì)變硬。建筑鋼材的冷加工及時效冷拔：將光面圓鋼筋通過硬質(zhì)合金拔絲?？讖娦欣巍ｄ摻钤诶浒芜^程中，不僅受拉，同時還受到擠壓作用，因而冷拔的作用比純冷拉作用強烈。經(jīng)過一次或多次冷拔后的鋼筋，表面光潔度高，屈服強度提高40％～60％，但塑性大大降低，具有硬鋼的性質(zhì)。建筑鋼材的冷加工及時效鋼材經(jīng)過冷加工后，于常溫下存放15～20天，或加熱到100～200℃，并保持2h左右，其屈服強度、抗拉強度及硬度進一步提高，而塑性及韌性繼續(xù)降低，這種現(xiàn)象稱為時效。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。通常強度較低的鋼筋宜采用自然時效，強度較高的鋼筋則應(yīng)采用人工時效。建筑鋼材的冷加工及時效鋼筋經(jīng)冷拉時效后應(yīng)力應(yīng)變圖的變化

建筑鋼材的焊接性能焊接是各種型鋼、鋼板、鋼筋的重要聯(lián)接方式。鋼材的可焊性是指鋼材是否適應(yīng)通常的焊接方法與工藝進行焊接的性能?？珊感院玫匿摬囊子谟靡话愫附臃椒ê凸に囀┖?，焊口處不易形成裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，焊接后鋼材的力學性能，特別是強度不低于原有鋼材，硬脆傾向小。建筑鋼材的焊接性能鋼材可焊性能的好壞，主要取決于鋼的化學成分。含碳量高將增加焊接接頭的硬脆性，含碳量小于0.25％的碳素鋼具有良好的可焊性。加入合金元素(如硅、錳、釩、鈦等)，也將增大焊接處的硬脆性，降低可焊性，特別是硫能使焊接產(chǎn)生熱裂紋及硬脆性。鋼的化學成分對性能的影響

碳是鋼中的重要元素，對鋼的機械性能有重要的影響。當含碳量低于0.8％時，隨著含碳量的增加，鋼的抗拉強度（Rm）和硬度（HB）提高，而塑性及韌性降低。同時，還將使鋼的冷彎、焊接及抗腐蝕等性能降低，并增加鋼的冷脆性和時效敏感性。鋼的化學成分對性能的影響

含碳量對熱扎碳素鋼性能的影響

鋼的化學成分對性能的影響

硅是低合金鋼中的主要合金元素，是為了脫氧去硫而加入的。含量常在1％以內(nèi)，可提高強度，對塑性和韌性沒有明顯影響。但硅含量超過1％時，冷脆性增加，可焊性變差。鋼的化學成分對性能的影響

錳也是鋼的主要合金元素，能消減硫和氧所引起的熱脆性，改善鋼材的熱加工性能。當含量為0.8％～1.0%時，可顯著提高鋼的強度和硬度，幾乎不降低塑性及韌性，當其含量大于l%時，在提高強度的同時，塑性及韌性有所下降，可焊性變差。鋼的化學成分對性能的影響

磷是鋼中的有害元素，其含量提高，鋼材的強度提高，塑性和韌性顯著下降，特別是低溫下沖擊韌性下降更為明顯，常把這種現(xiàn)象稱為冷脆性。磷還能使鋼的冷彎性能降低，可焊性變壞。但磷可使鋼材的強度、耐磨性和耐蝕性提高，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。鋼的化學成分對性能的影響

硫在鋼的熱加工時易引起鋼的脆裂，稱為熱脆性。硫的存在還使鋼的沖擊韌性、疲勞強度、可焊性及耐蝕性降低，即使微量存在，也對鋼有害，因此，硫的含量要嚴格控制。鋼的化學成分對性能的影響

氧和氮會降低了鋼材的強度、冷彎性能和焊接性能。氧還使鋼的熱脆性增加，氮使冷脆性及時效敏感性增加。鋁、鈦、釩、鈮是鋼的強脫氧劑和合金元素。能改善鋼的組織、細化晶粒、改善韌性，并顯著提高強度。常用建筑鋼材土木工程中常用的鋼材可分為鋼結(jié)構(gòu)用的型鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用的鋼筋、鋼絲兩大類。常用的鋼筋、鋼絲、型鋼及預(yù)應(yīng)力錨具等，基本上都是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)熱軋或再進行冷加工強化及熱處理等工藝加工而成。碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號表示方法：由代表屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值（Q195、Q215、Q235、Q255、Q275）、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D）、脫氧程度符號（特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ、鎮(zhèn)靜鋼Z和沸騰鋼F）四部分按順序組成。對于鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，在鋼的牌號中予以省略。碳素結(jié)構(gòu)鋼的含碳量在0.06%～0.38%之間。碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)要求：包括化學成分、力學性能、冶煉方法、交貨狀態(tài)及表面質(zhì)量五個方面。碳素結(jié)構(gòu)鋼性能和用途：鋼材隨鋼號的增大，含碳量增加，強度和硬度相應(yīng)提高，而塑性和韌性則降低。建筑工程中應(yīng)用最廣泛的是Q235號鋼。其含碳量為0.14％～0.22％，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(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土用鋼要求，且成本較低。在鋼結(jié)構(gòu)中主要使用Q235鋼軋制成的各種型鋼。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，添加少量的一種或幾種合金元素(總含量小于5％)的一種結(jié)構(gòu)鋼。其綜合性能較為理想，尤其在大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)中更適用。另外，與使用碳素鋼相比，可節(jié)約鋼材20％～30％，而成本并不很高。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼牌號表示方法：由屈服點字母Q、屈服點數(shù)值（Q345、Q390、Q42O、Q460、Q500、Q55O、Q620、Q690）、質(zhì)量等級（A、B、C、D、E）三個部分組成。

技術(shù)要求：包括化學成分、力學性能等方面。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼性能和用途：在鋼結(jié)構(gòu)中常采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼軋制型鋼、鋼板，來建筑橋梁、高層及大跨度建筑。在重要的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，主要應(yīng)用低合金鋼加工成的熱軋帶肋鋼筋。型鋼和鋼板鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要是型鋼和鋼板。熱軋型鋼：有角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼，H型鋼、Z型鋼等。我國建筑用熱軋型鋼主要采用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235一A和低合金鋼Q345（16Mn）及Q390（15MnV）。其標記包括型鋼名稱、橫斷面主要尺寸、型鋼標準號及鋼牌號與鋼種標準等。型鋼和鋼板冷彎薄壁型鋼通常是用2～6mm薄鋼板冷彎或模壓而成，有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼。主要用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。其標示方法與熱軋型鋼相同。型鋼和鋼板用光面軋輥軋制而成的扁平鋼材，以平板狀態(tài)供貨的稱鋼板；以卷狀供貨的稱鋼帶。一般厚板可用于焊接結(jié)構(gòu)；薄板可用作屋面或墻面等圍護結(jié)構(gòu)，或用作涂層鋼板的原材料；型鋼和鋼板鋼板還可用來彎曲為型鋼薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、V形等形狀，稱為壓型鋼板。主要用于圍護結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等，還可將其與保溫材料等復合，制成復合墻板。鋼筋混凝土用鋼材

熱軋鋼筋：用加熱鋼坯軋成的條型成品鋼筋。它主要用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的配筋，是建筑工程中用量最大的鋼材品種之一。熱軋鋼筋按其軋制外形分為熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋；按力學性能分為HPB300、HRB400、HRB500和HRB600等幾個等級。(a)等高肋鋼筋；(b)月牙肋鋼筋

鋼筋混凝土用鋼材鋼筋混凝土用鋼材熱軋帶肋鋼筋采用低合金鋼熱軋而成，橫截面通常為圓形，且表面帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。其牌號有HRB400、HRB500、HRB600等級別。它具有較高的強度，塑性和可焊性也較好，鋼筋表面帶有縱肋和橫肋，從而加強了鋼筋與混凝土之間的握裹力，可用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋，以及預(yù)應(yīng)力鋼筋。鋼筋混凝土用鋼材冷軋帶肋鋼筋：冷軋帶肋鋼筋采用熱軋圓盤條經(jīng)冷軋而成，表面帶有沿長度方向均勻分布的二面或三面的月牙肋。按抗拉強度分為4個等級，即CRB550，CRB650，ICRB800，CRB970。冷軋后強度明顯提高，具有很強的握裹力，但塑性也隨之降低，適用于中、小預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。鋼筋混凝土用鋼材冷軋帶肋鋼筋鋼筋混凝土用鋼材預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或其他性能相應(yīng)的鋼種，經(jīng)冷加工及時效處理或熱處理而制得的高強度鋼絲?？煞譃槔淅摻z（RCD）、消除應(yīng)力光圓鋼絲（S）、消除應(yīng)力刻痕鋼絲（SI）和消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲（SH）四種，抗拉強度約在1470～1770MPa之間。鋼筋混凝土用鋼材螺旋肋鋼絲外形示意圖

鋼筋混凝土用鋼材三面刻痕鋼絲外形示意圖

鋼筋混凝土用鋼材預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲質(zhì)量穩(wěn)定、安全可靠、強度高、無接頭、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊車梁或橋梁等大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，還可用于軌枕、壓力管道等預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件。鋼筋混凝土用鋼材預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線是將兩根、三根或七根圓形斷面的鋼絲捻成一束，經(jīng)過消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理后制成。按其應(yīng)力松弛性能分為兩級，I級松弛和Ⅱ級松弛。鋼筋混凝土用鋼材預(yù)應(yīng)力鋼絞線截面圖

鋼筋混凝土用鋼材鋼筋混凝土用鋼材鋼絞線具有強度高，與混凝土粘結(jié)好，斷面面積大，使用根數(shù)少，在結(jié)構(gòu)中排列布置方便，易于錨固等優(yōu)點，主要用于大跨度、大荷載的預(yù)應(yīng)力屋架、薄腹梁等構(gòu)件。鋼材的選用原則荷載性質(zhì)：對經(jīng)常承受動力或振動荷載的結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起疲勞破壞，須選用材質(zhì)高的鋼材。

使用溫度

：經(jīng)常處于低溫狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，鋼材易發(fā)生冷脆斷裂，應(yīng)該要求