鋼材主要性質(zhì)及其實(shí)用意義

第6章建筑鋼材/（1）掌握鋼材主要性質(zhì)及其實(shí)用意義；（2）了解鋼中元素對鋼性的影響；（3）熟悉鋼的分類；（4）掌握鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用。本章目的要求：建筑鋼材特性：強(qiáng)度高、塑性韌性好，可以承受沖擊和振動荷載，能夠切割、焊接、鉚接，便于裝配。鋼結(jié)構(gòu)安全可靠，構(gòu)件自重小，因此被廣泛用于工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)中。鋼鐵區(qū)別：生鐵—C>2%的鐵碳合金，雜質(zhì)多，硬脆鋼—0.06%<C<2%的鐵碳合金，雜質(zhì)少，強(qiáng)度高，塑性好純鐵—C<0.04%的鐵碳合金第1節(jié)

鋼的冶煉與分類1.1鋼的分類1、按照化學(xué)成分：碳素鋼：按含碳量的高低可分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。合金鋼：按合金元素的含量不同，也可分為低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼。2、按含有害雜質(zhì)（硫、磷等）：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼。3、根據(jù)冶煉時脫氧程度：沸騰鋼(沖擊韌性和可焊性差)、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼。4、按冶煉方法：平爐鋼、氧氣轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼。5、按用途：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼（如不銹鋼、耐熱鋼、等）。1.2鋼的冶煉

生鐵

鋼水+鋼渣原理—將熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使碳的含量降到一定限度，同時把其它雜質(zhì)的含量也降到一定限度。

脫氧：精煉后的鋼液中還留有一定的氧化鐵，使鋼的質(zhì)量降低，需加入脫氧劑以消除其影響。常用的脫氧劑有錳鐵、硅鐵和鋁錠。常用的煉鋼方法：空氣轉(zhuǎn)爐法、氧氣轉(zhuǎn)爐法、平爐法和電爐法。第2節(jié)建筑鋼材的性能鋼材性能強(qiáng)度塑性沖擊韌性硬度冷彎性能焊接性能（可焊性）冷加工熱處理一.力學(xué)性能

(機(jī)械性能)二.工藝性能2.1力學(xué)性能進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，可以繪出下圖所示的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線：B’（1）強(qiáng)度1、彈性階段（OB階段）：應(yīng)力σ與應(yīng)變ε成正比，此時，卸去外力后，試件能恢復(fù)原來的長度，對應(yīng)B的應(yīng)力叫彈性極限。2、屈服階段（BB’階段）：當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，此時應(yīng)力不增加，但應(yīng)變卻迅速增長，說明鋼材暫時失去抵抗變形的能力，這種現(xiàn)象稱為屈服。此時材料已產(chǎn)生塑性變形。對應(yīng)C下點(diǎn)的應(yīng)力，稱為屈服極限，也叫屈服強(qiáng)度或屈服點(diǎn)（σS）。3、強(qiáng)化階段（B’

C階段）：試件過屈服點(diǎn)后，鋼材內(nèi)部組織重新建立了新的平衡，又恢復(fù)了抵抗外力的能力，此時曲線又向上升，直至最高點(diǎn)C。對應(yīng)C點(diǎn)的應(yīng)力叫強(qiáng)度極限，又叫抗拉強(qiáng)度（σb）。4、頸縮階段（CD階段）：當(dāng)外力達(dá)到頂點(diǎn)D之后，在試件的某一部位斷面開始顯著縮小，稱為頸縮現(xiàn)象。

拉伸性能指標(biāo)主要有：屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度和伸長率等。

（1）、屈服強(qiáng)度（屈服點(diǎn)）s

——

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，鋼材強(qiáng)度取值依據(jù)。*軟鋼：

上屈服強(qiáng)度：試樣首次屈服前的最大應(yīng)力；

下屈服強(qiáng)度：不計初始瞬時效應(yīng)時的最小強(qiáng)度，即屈服點(diǎn)Fs——屈服階段最小應(yīng)力(首次回針?biāo)鶎?yīng)的力)，N；Ao——鋼材的截面積，mm2。

*硬鋼

條件(名義)屈服點(diǎn)0.2——產(chǎn)生0.2%l0殘余(永久、塑性)變形時的應(yīng)力。記為σ0.2

l0——原始標(biāo)距長度

（2）抗拉強(qiáng)度：受拉時所能承受的最大應(yīng)力值?？估瓘?qiáng)度/屈服強(qiáng)度=強(qiáng)屈比。強(qiáng)屈比越大表示可靠性越大，安全性越高，但不能太大，

強(qiáng)屈比一般不低于1.2，抗震結(jié)構(gòu)一般不低于1.25一般大于1.2通常情況下，屈強(qiáng)比在0.60～0.75范圍是比較合適的。（3）伸長率:δ=l1－l0×100%

l０

塑性指標(biāo)

式中l(wèi)0——試件原始標(biāo)距長度（mm）

l1——試件拉斷后將其拼合所量出的拉后標(biāo)距長度（mm）

值越大，表示鋼材塑性好，可避免結(jié)構(gòu)過早破壞；加工性增強(qiáng)，安全性增強(qiáng)。

**δ值有兩種表示方法：5、10

5、10表示l0=5d0、10d0時的伸長率；d0——鋼材直徑；對于同種鋼材：5與10之間的關(guān)系為：5(＞、＜、＝)10（2）沖擊性能1.鋼材抵抗沖擊荷載破壞的能力，稱為沖擊韌性。表示：沖擊韌性值αk(J/cm2)測定：沖擊韌性指標(biāo)是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲沖擊韌性試驗(yàn)確定的。對經(jīng)常承受較大沖擊荷載的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇αk值較高的鋼材。2.沖擊韌性的影響因素：鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、環(huán)境溫度、時效（3）硬度鋼材表面局部體積內(nèi)抵抗外物壓入產(chǎn)生塑性變形的能力。

指標(biāo)——布氏硬度值，以HB表示鋼材的冷脆性

溫度對沖擊韌性有重大影響，當(dāng)溫度降到一定程度時，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，這一溫度范圍稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度或脆性臨界溫度。時效——隨著時間的延長，鋼材機(jī)械強(qiáng)度提高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為時效。2.2工藝性能（1）冷彎性能冷彎性能系指鋼材在常溫條件下承受彎曲變形的能力，是鋼材重要的工藝性能。表示：彎曲角度（α）以及彎心直徑（d）對鋼材厚度或直徑（a）的比值測定：冷彎性能指標(biāo)通過冷彎試驗(yàn)而確定，冷彎也是檢驗(yàn)鋼材塑性的一種方法，但對鋼材塑性的評定更加嚴(yán)格，也更敏感。評價：用于揭示鋼材內(nèi)部是否存在組織的不均勻、內(nèi)應(yīng)力、夾雜物、未溶物和微裂縫等缺陷。因此，冷彎性能可反映鋼材的冶金質(zhì)量和焊接質(zhì)量。（2）焊接性能（可焊性）

1、可焊性定義鋼材在一定焊接工藝條件下，在焊接及其附近過熱區(qū)是否產(chǎn)生裂縫及脆硬傾向，焊接后焊縫處性質(zhì)應(yīng)盡可能與母材相同。影響因素：碳、合金元素（錳、釩）、雜質(zhì)元素越多，可焊性越??；

硫含量高會使焊接處產(chǎn)生熱裂紋，出現(xiàn)熱脆性。

2、焊接方式鋼結(jié)構(gòu)：電弧焊鋼筋：電渣壓力焊

焊條電弧焊是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的焊接方法，它的原理是利用電弧放電（俗稱電弧燃燒）所產(chǎn)生的熱量將焊條與工件互相熔化并在冷凝后形成焊縫，從而獲得牢固接頭的焊接過程。

電渣壓力焊是將兩鋼筋安放成豎向?qū)有问剑煤附与娏魍ㄟ^兩鋼筋間隙，在焊劑層下形成電弧過程和電渣過程，產(chǎn)生電弧熱和電阻熱，熔化鋼筋，加壓完成的一種壓焊方法。

3、焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)方法——取樣試件試驗(yàn)、原位非破損檢驗(yàn)兩類即將鋼材在常溫下進(jìn)行冷拉，冷軋或冷拔，使產(chǎn)生塑形變形，從而提高屈服強(qiáng)度，塑形和韌性會下降。由于產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，彈性模量也下降。冷拉和冷拔是金屬冷加工的兩種不同的方法，兩者并非一個概念。

冷拉指在金屬材料的兩端施加拉力，使材料產(chǎn)生拉伸變形的方法；冷拔是指在材料的一端施加拔力，使材料通過一個模具孔而拔出的方法，模具的孔徑要較材料的直徑小些。

冷拔加工使材料除了有拉伸變形外還有擠壓變形，冷拔加工一般要在專門的冷拔機(jī)上進(jìn)行。

經(jīng)冷拔加工的材料要比經(jīng)冷拉加工的材料性能更好些。抗拉和抗壓強(qiáng)度都會提高。目的：提高屈服強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。冷加工時效處理：自然時效和人工時效?？墒骨c(diǎn)進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度稍見增長，塑形和韌性繼續(xù)降低，但彈?？苫净謴?fù)。（3）冷加工（4）熱處理：將鋼材按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的一種工藝。方法有：退火、正火、淬火和回火。鋼的退火是把鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火的目的在于均勻化學(xué)成分、改善機(jī)械性能及工藝性能、消除或減少內(nèi)應(yīng)力并為零件最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。

正火與退火的不同點(diǎn)是正火冷卻速度比冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細(xì)一些，其機(jī)械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來代替退火。

淬火與回火是熱處理工藝中很重要的、應(yīng)用非常廣泛的工序。淬火能顯著提高鋼的強(qiáng)度和硬度。如果再配以不同溫度的回火，即可消除（或減輕）淬火內(nèi)應(yīng)力，又能得到強(qiáng)度、硬度和韌性的配合，滿足不同的要求。所以，淬火和回火是密不可分的兩道熱處理工藝。淬火

將鋼材加熱至基本組織改變溫度以上（723～910℃，依碳含量定），保溫使基本組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后投入水或礦物油中急冷，使其轉(zhuǎn)變成不穩(wěn)定組織，淬火即完成。淬火使晶粒細(xì)化，碳的固溶量增加，強(qiáng)度和硬度大大增加，塑性和韌性明顯下降?；鼗?/p>

將比較硬脆、存在內(nèi)應(yīng)力的鋼，加熱至基本組織改變溫度以下（150～650℃內(nèi)選定），保溫后按一定制度冷卻至室溫。其目的是促進(jìn)不穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰慕M織，并消除淬火后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，恢復(fù)塑性和韌性?；鼗鸷蟮匿摬?，淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力消除，硬度降低，塑性和韌性得到改善。3.1鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響1、碳在鋼材中碳原子與鐵原子之間的結(jié)合有三種基本方式；即固溶體、化合物和機(jī)械混合物。由于鐵與碳結(jié)合方式的不同，碳素鋼在常溫下形成的基本組織有:(1)鐵素體—碳溶于α—Fe晶格中的固溶體，強(qiáng)度低，塑性較好(2)滲碳體—鐵與碳的化合物（Fe3C），硬脆，鋼的主要強(qiáng)化組分(3)珠光體—鐵素體與滲碳體的機(jī)械混合物，性能介于鐵素體與滲碳體之間第3節(jié)建筑鋼材的化學(xué)成分當(dāng)C<0.8%時，基本組織為鐵素體與珠光體，C提高，珠光體↑，鐵素體↓，∴強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性降低；當(dāng)C>1%時，單獨(dú)存在滲碳體系，C提高，強(qiáng)度、塑性、韌性降低。2、雜質(zhì)磷—冷脆性硫—低熔點(diǎn)，降低各種力學(xué)性能3、有益元素硅—提高強(qiáng)度、硬度，對塑性、韌性影響不大錳—顯著提高強(qiáng)度、硬度，略微降低塑性、韌性第4節(jié)

建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)與選用4.1建筑鋼材的主要鋼種一、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（1）牌號表示方法：鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級和脫氧程度四個部分按順序組成。

Q屈服點(diǎn)數(shù)值——質(zhì)量等級——脫氧程度

Q195AF（沸騰鋼）

Q215Bb（半鎮(zhèn)靜鋼）

Q235CZ（鎮(zhèn)靜鋼）

Q255DTZ（特殊鎮(zhèn)靜鋼）

Z,TZ經(jīng)常忽略如Q235-A.F表示屈服點(diǎn)為235MPa的A級沸騰鋼；

Q235—C表示屈服點(diǎn)為235MPa的C級鎮(zhèn)靜鋼。（2）技術(shù)要求碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能見書表2-2。隨鋼號的增大,含碳量增加,強(qiáng)度和硬度相應(yīng)提高,而塑性和韌性則降低.（3）常用牌號建筑工程中應(yīng)用最廣泛的是Q235號鋼,具有較高的強(qiáng)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。（二）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼1、牌號：共31個牌號2、特性：對S、P等有害雜質(zhì)含量控制更嚴(yán)格，且大部分為鎮(zhèn)靜鋼，質(zhì)量穩(wěn)定，性能優(yōu)于碳素結(jié)構(gòu)鋼，但成本較高。三、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（1）特點(diǎn)在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入總量小于5%的合金元素即低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。與碳素鋼相比，具有高的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性、耐低溫性能等。因此，它是綜合性較為理想的建筑鋼材，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。另外成本并不很高。（2）牌號的表示方法由屈服點(diǎn)字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級三個部分組成。Q屈服點(diǎn)數(shù)值質(zhì)量等級（按沖擊韌性即S,P含量）Q295AQ345BQ390CQ420DQ460E（3）常用牌號Q345及Q390（4）應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)中常采用低合金高強(qiáng)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。建筑鋼材是主要的建筑材料之一，它包括鋼結(jié)構(gòu)用鋼材（如鋼板、型鋼、鋼管等）和鋼筋混凝土用鋼材（如鋼筋、鋼絲等）。4.2常用建筑鋼材一、鋼筋常用的有熱軋鋼筋、冷加工鋼筋以及鋼絲、鋼絞線等。1、熱軋鋼筋熱軋鋼筋按其表面特征分為熱軋光圓鋼筋和熱軋帶肋鋼筋。（1）熱軋光圓鋼筋1個牌號（HPB235），性能應(yīng)符合書表7-6

的規(guī)定。（2）熱軋帶肋鋼筋有3個牌號，各牌號鋼筋的力學(xué)性能應(yīng)符合下表的規(guī)定。熱軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能（GB1499-1998）

解：①由題知，A＝82

s＝F/A=72.2×103/82

＝359.1Mpab＝F/A=104.5×103/82

＝519.74Mpa

=(l1－l0)/l0×100%＝(94.4－80)/80×100%＝18%查表知該鋼筋屬熱軋Ⅱ級鋼筋（即HRB335）②屈強(qiáng)比s/b＝359.1/519.74＝0.69例題：直徑為16mm的熱軋鋼筋，取樣作拉伸實(shí)驗(yàn)，達(dá)到屈服點(diǎn)的荷載為72.2KN，極限時的荷載為104.5KN，試件標(biāo)距長度為80mm，拉斷后的長度為94.4mm。問：①該鋼筋屬哪級？②該鋼筋的屈強(qiáng)比是多少？2、冷軋帶肋鋼筋（GB13788-2000）冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤鋼筋的深加工產(chǎn)品，是一種新型高效建筑鋼材。（1）牌號按抗拉強(qiáng)度分為

CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170（2）優(yōu)點(diǎn)強(qiáng)度高、塑性好、握裹力強(qiáng)等，而且節(jié)約鋼材、降低成本，其綜合性能優(yōu)良。（3）應(yīng)用CRB550宜用作普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其它牌號宜用作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中。3、預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋熱處理鋼筋是將熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和回火調(diào)質(zhì)處理制成。

特點(diǎn)：高強(qiáng)度、高韌性和錨固力強(qiáng)

應(yīng)用：適用于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的配筋。

按其外形分為帶縱肋和無縱肋兩種，成盤供應(yīng)，每盤鋼筋應(yīng)由一整根100-200m鋼筋盤成，開盤后能自行伸直，不需調(diào)直及焊接，故施工簡便。4、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲及鋼絞線

（1）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲：采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條經(jīng)冷拉等工藝而制成的。品種：冷拉鋼絲（代號RCD）消除應(yīng)力光圓鋼絲（代號S）消除應(yīng)力刻痕鋼絲（代號SI）消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲（代號SH）應(yīng)用：預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲的強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)高σb為1500MPa以上，屈服強(qiáng)度σ0.2為1100MPa以上，質(zhì)量穩(wěn)定，安全可靠，且柔性好，無接頭。主要用于大跨度屋架、大跨度吊車梁、橋梁、電桿、軌枕等的預(yù)應(yīng)力鋼筋。（2）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線結(jié)構(gòu)類型：1x21x3

1x7(7根高強(qiáng)度鋼絲經(jīng)絞捻，熱處理消除內(nèi)應(yīng)力而制成)