第七章：建筑钢材 第一节：建筑钢材的冶炼和分类 钢材在建筑工程中与其它结构材料相钢材在建筑工程中与其它结构材料相 比所具有的特性：比所具有的特性： 1 1轻质高强轻质高强 2 2韧性好、抗冲击能力强、抗拉强韧性好、抗冲击能力强、抗拉强 度高度高 3 3可焊接、铆接、易于装配可焊接、铆接、易于装配 4 4外表轻巧、华美、具有光泽外表轻巧、华美、具有光泽 5 5易腐易腐 6 6耐火性差耐火性差屈服强度及抗拉强度屈服强度及抗拉强度 强度强度 疲劳强度疲劳强度 力学性能力学性能冲击韧性冲击韧性 硬度硬度塑性变形塑性变形变形性变形性弹性变形弹性变形使用性能使用性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能冷弯性冷弯性热处理热处理可焊性可焊性工艺性能工艺性能钢筋的主要技术性能 建筑钢材内容一、 钢材的冶炼与分类 二、 建筑钢材的主要技术性质 三、 影响钢材性能的主要因素 四、 建筑钢材的标准与选用 五、 建筑钢材的锈蚀及防止第一节：建筑钢材的冶炼和分类 一、钢的冶炼钢由生铁冶炼而成。生铁（形成过程和特点？）生铁有分为 炼钢生铁和铸造生铁。钢材在冶炼过程中，会产生氧化铁残留 在钢水中，降低钢的质量，所以要进行脱氧处理 ，目前采用的脱氧剂主要是，锰、硅、铝、钛等其脱氧能力 锰:硅:铝=1:5:90.二、钢的分类二、钢的分类 （一）按（一）按冶炼方法冶炼方法分分平炉钢（平炉钢（冶炼过程和原理？）冶炼过程和原理？） 氧气转炉钢氧气转炉钢 电弧炉钢电弧炉钢按炼钢炉类型分按炼钢炉类型分按脱氧程度分按脱氧程度分半镇静钢半镇静钢b b 沸腾钢沸腾钢 F F 镇静钢镇静钢 Z Z特殊镇静钢特殊镇静钢 Z Z 平炉炼钢的原理 平炉的炉膛是一个耐火砖砌成的槽，上面有耐火砖制成的炉顶盖 住。平炉的前墙上有装料口，装料机就从这里把炉料装进去。熔炼时关上耐 火砖造成的门。炉膛的两端都筑有炉头，炉头各有两个孔道，供导入燃料与 热空气，或从炉里导炉气之用。 平炉炼钢所用的原料有废钢、废铁、铁矿石和溶剂（石灰石和生 石灰）。开始冶炼时，燃料遇到导入的热空气就在燃料面上燃烧，温度高达 1800。热量直接由火焰传给炉料，使炉料迅速熔化 （铁的熔点是1535， 钢略低）。同时有一部分熔化的生铁生成氧化亚铁，生铁里的杂质硅、锰被 氧化亚铁氧化，声成炉渣。由于炉里放有过量的石灰石，磷与硫等杂质就生 成磷酸钙和硫化钙成为炉渣。其次碳也进行氧化，生成一氧化碳从熔化的金 属里冒出，好象金属在沸腾一样。 反应快要进行完毕的时候，加入脱氧剂并定时把炉渣扒出。在冶 炼将完成时要根据炉前分析 （用快速分析法，几分钟可完成）来检验钢的成 分是否合乎要求。炼锝的钢从出钢口流入钢水包里，再从钢水包注入模子里 铸成制品或钢锭。 为了提高炉温，气体燃料要在蓄热室里进行预热。 在平炉里不但可加入液态生铁，而且可以加入固态的生铁以及加 工以后的废铁和铁矿石等。另外，在平炉里如果用30%的富氧空气鼓风，同时 在熔化的金属里吹入氧气，可使生产率提高80%，冶炼的时间缩短24小时， 并可节约燃料，富氧空气也不需要预热。 沸腾钢：是脱氧不完全的钢。沸腾钢中碳和有害杂 质磷、硫等的偏析严重，再加上钢的致密程度较差 ，使它的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击 韧性的降低更为显著。但成本较低。 镇静钢：是脱氧完全的钢。是质量较好的钢种，但 成本较高。 半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间 。 特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢 ，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代 号为“TZ”。（二）化学成分：低碳钢 含碳量 0.6%低合金钢 合金含量 10%普通钢普通钢 P0.0450.085%,S0.0550.065%P0.0450.085%,S0.0550.065% 优质钢优质钢 P0.0350.040%, S0.030.04%P0.0350.040%, S0.030.04% 高级优质钢高级优质钢P0.0270.035%, S0.020.03%P0.0270.035%, S0.020.03% 特级优质钢特级优质钢 P0.025%, S 0.015%P0.025%, S 0.015%（三）按（三）按钢的品质钢的品质（质量）分（质量）分（四）按用途分（四）按用途分结构钢结构钢碳素结构钢碳素结构钢合金结构钢合金结构钢工具钢工具钢碳素工具钢碳素工具钢 合金工具钢合金工具钢 高速工具钢高速工具钢特殊性能钢特殊性能钢角角 钢钢 槽槽 钢钢 工工 字钢字钢 圆圆 钢钢 方方 钢钢 六六 角钢角钢（五）按钢材形状分（五）按钢材形状分盘圆盘圆 光圆光圆 带肋带肋 螺纹螺纹 钢绞线钢绞线 厚板厚板 中板中板 薄板薄板普通钢管普通钢管 无缝钢管无缝钢管1 1型钢型钢2 2钢筋钢筋3 3钢板钢板4 4钢管钢管盘圆是建筑工程施工中常用的名称，表示直径是 10毫米以下的钢筋，因为10毫米以下的钢筋容易弯曲， 在运输前为减小长度，就在厂家把很长的钢筋卷成一圈 一圈的圆环状，在建筑工地上把这样的钢筋简称为盘圆 。光圆钢筋：圆钢筋是经热轧成型并自然冷却的成 品钢筋，由低碳钢和普通合金钢在高温状态下压制而成 ，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋，是 土木建筑工程中使用量最大的钢材品种之一。直径6.5 9.0毫米的钢筋，大多数卷成盘条；直径1040毫米的一 般是 612米长的直条。I级钢筋（Q235钢钢筋）均轧制 为光面圆形截面，供应形式有盘圆，直径不大于10mm， 长度为6m12m。 衡量钢材的主要指标是什么？ 一、建筑钢材的力学性质 （一）抗拉强度 1、弹性阶段:p 2、屈服阶段:s 3、强化阶段:b s b 4、颈缩阶段: （l1l。）l。 塑性变形值伸 长 率第二节 建筑钢材的主要技术性质低碳钢拉伸的应力应变曲线 拉伸性能是表示钢材性 能和选用钢材的主要指标。 钢筋的拉伸试验？结果 见右图。 1、弹性变形（特点） 弹性极限 弹性模量E反映钢材抵 抗弹性变形的能力。 2、屈服阶段：出现塑性 变形表示钢材在外力作用下表示钢材在外力作用下 产生塑性变形而不破坏的能力。产生塑性变形而不破坏的能力。 屈服现象： 关键是在于这种材料当所受到的应力达到一定 值的时候，虽然应力不再增加而形变却依然在继续，而 且是不可恢复的塑性变形。也就是说此时外力不再增加 但材料的破坏却还在继续，材料已经失去了对变形的抵 抗能力。 因此，从安全的角度考虑，将此时的材料所受 到的应力作为作为该种材料的屈服极限，或叫做屈服强 度。在使用材料的时候，一般要保证材料受到的应力要 小于该材料的屈服极限，这样才能安全。 钢材受力大于屈服点后，钢材已不能满足要求 ，因此，屈服强度是工程结构设计中的一个重要参数。3、强化阶段：（BC 曲线的特点？） 钢材内部组织中的晶 格发生畸变，阻止了晶格进 一步滑移，钢材得到强化。 极限抗拉强度。 是钢材受拉时所能承受的最 大应力抗拉强度。屈服强度和抗拉强 度之比。屈服比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程 度。屈服比越小，其结构的安全可靠程度越高 ，不易因局部超载而造成脆性断裂而破坏；但屈服比过小，又说明钢材强度的利用 率偏低，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈服比一般为0.600.75。 4、颈缩阶段：将拉断后的试件拼合起来，测出标距范 围内的长度与试件原标距只差与试件原标距之比伸长率。表示方法表示方法伸长率伸长率 、断面收缩率断面收缩率 1 1）伸长率伸长率 越大，说明钢材的塑性越 好，一定的塑性变形能力， 可保证应力重新分布，避免 应力集中，从而钢材用于结 构的安全性越大。中碳钢与高碳钢的屈服强 度？。见图7-3.2.冲击韧性 冲击韧度：就是指钢材抵抗冲击荷载而不 被破坏的能力。冲击韧性是通过（V型缺口）冲击试 验来测定的。将标准弯曲试样置于冲击机的支架上， 并使切槽位于受拉的一侧。用摆锤打断试件，测得试 件单位截面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用 冲击值 表示，单位为J/cm2。 F试件断口处的截面积； Ak冲断试件所消耗的功。影响因素影响因素 化学成分化学成分 冶炼质量冶炼质量 试件表面质试件表面质 量量 冷加工及时冷加工及时 效效 对于承受对于承受动动 荷载荷载的重要结构的重要结构 ，应选用时效敏，应选用时效敏 感性小的钢材。感性小的钢材。l l温度温度 冷脆性冷脆性 脆性转变温度脆性转变温度3疲劳强度 定义：疲劳破坏：钢材在交 变荷载的反复作用下，往往在应 力远小于其屈服强度时就发生脆 性断裂而破坏，这种现象称为钢 材的疲劳破坏。疲劳强度：钢材在交 变应力作用下，于规定的循环次 数（周期基数）内不发生断裂所 能承受的最大应力。疲劳极限强度：钢材 在无穷次交变荷载作用下而不至 引起断裂的最大循环应力值。钢材的疲劳破坏是由拉 应力引起的。疲劳破坏是突然发 生的，因此危险性很大。4.硬度 测定钢材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法 和维氏法。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬 度。 布氏硬度是用一定直径D(毫米)的硬质钢球， 在规定荷裁P(牛顿)作用下压入试件表面，并持续一定时间 后卸载，量出压痕直径d(毫米)，然后计算每单位压痕球面 积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HB)。计算公式为： HB是以数字表示，如HB150。HB175时，HB与强度之间是什么关系？定义定义: : 钢材表面抵抗硬物压入产生局部变形钢材表面抵抗硬物压入产生局部变形 的能力，即对局部塑性变形的能力。的能力，即对局部塑性变形的能力。二、 建筑钢材的工艺性能1.冷弯性能 钢材的冷弯性能，是指它在常温下承受弯曲变形的能 力。冷弯性能是将钢材试件（圆形或板形）置于冷弯冷弯性能是将钢材试件（圆形或板形）置于冷弯 机上弯曲至规定角度（机上弯曲至规定角度（9090或或180180）观察其弯曲部位是否有）观察其弯曲部位是否有 裂纹、起层或断裂现象，如无，则为合格。裂纹、起层或断裂现象，如无，则为合格。弯曲角度弯曲角度越大，越大，弯弯 心直径心直径对对试件厚度试件厚度（直径）（直径）比值比值（ ）越小，则表示钢材的冷弯性能越好。越小，则表示钢材的冷弯性能越好。 钢材的冷弯示意图：钢材的冷弯示意图：2、冷加工性能及时效处理： 1）冷加工处理：常温下冷加工使之产生塑性变形，从而提高 屈服强度。 2）时效： 钢材冷加工后，在常温下存放1520d或 加热至100200C，保持2小时左右，其屈服强度 、抗拉强度及硬度进一步提高，塑性和韧性进一 步降低时效。2. 焊接性能 钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下 ，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材 的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。 随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提 高，钢材的可焊性降低；钢材的含碳量超过0.25时，可焊性 明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低 焊接质量。钢筋焊接应注意的问题：冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行；焊接部位应清除铁锈、熔渣油污等；避免不同钢材之间焊接。是各种型钢、板钢、钢筋的 连接方式。90%是焊接结构。3、钢材的冷加工及时效强化（1）冷加工方法及作用1、冷加工：在常温下进行加工，使其产生一定的塑性 变形，钢材的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显 下降。（亦称加工硬化，或冷作强化）2、作用： （1）屈服强度提高，抗拉强度不变。 （2）节约钢材。 （3）除锈、调直。三冷作业：冷拉、冷拔、冷轧。（2）时效强化1、时效：钢材在长时间的搁置