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第七章 建筑钢材,71 概 述,上海宝钢,一、钢及其特性,建筑钢材是建筑工程重要材料,包括型钢、钢板和钢丝、钢筋和建筑五金等钢的定义理论上，凡是把含碳量0.06%-2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.04%，称为工业纯铁。钢的特点具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。,二、建筑钢材的主要品种,1.型钢简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。,二、建筑钢材的主要品种,2.线材如钢筋、钢丝等。,二、建筑钢材的主要品种,3.管材 无缝钢管、焊接钢管等。,二、建筑钢材的主要品种,4.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。,压型彩钢板,7.1、钢的冶炼方法简介与分类,按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为：1.空气转炉炼钢法 一般炼制普通碳素钢。2.氧气转炉炼钢法 炼制优质碳素钢和合金钢。3.平炉炼钢法 用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。(已基本淘汰）4.电弧炉炼钢法,铁矿石,液态生铁,吹入空气或氧气,钢,浇注成钢锭,脱 氧,钢的分类,1.按冶炼方法分,钢,转炉钢,镇静钢,电炉钢,平炉钢,按冶炼方法分,按脱氧程度分,半镇静钢,沸腾钢,特殊镇静钢,按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢,四、钢的分类,2.按化学成分分3.按用途分 分为结构钢、工具钢、轴承钢,钢,中碳钢,低合金钢,高碳钢,低碳钢,碳素钢,合金钢,中合金钢,高合金钢,C0.25%,C=0.25%0.60,C0.60,合金总含量5%,5%10,10,72 建筑钢材的主要性能,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,一、力学性能,1.低碳钢的拉伸性能,0,钢材拉伸过程的-图,Os弹性阶段,Ss屈服阶段,Sb应变强化阶段,bf颈缩破坏阶段,以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,（1）拉伸试验过程,（2）拉伸过程的参数,强度指标屈服强度：极限强度：疲劳强度：2106 疲劳循环塑性指标（概念）伸长率：断面收缩率,2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能,硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。条件屈服点0.2：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。,0,oa总变形。ba弹性变形99.8%。ob塑性变形0.2%。,二、冲击韧性,定义及指标指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值k表示。k 越大，则冲击韧性越好。k是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功。影响因素硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。硬度：布氏硬度（HB）洛氏硬度（HR),三、工艺性能,1.冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90或180）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。,三、工艺性能,2.焊接性能 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。,73 钢的组织与化学成分对钢性能的影响,1.钢的组织对钢性能的影响 钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不同的晶格，如体心立方晶格是原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点而构成的空间格子；面心立方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心而构成的空间格子。铁和碳两种元素可以不同的形态存在，这种形态称为晶体组织。,钢的基本晶体组织 碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中，其Fe和有以下三种结合形式：固溶体铁（Fe）中固溶着微量的碳(C)；化合物铁和碳结合成化合物Fe3；机械混合物固溶体和化合物的混合物。以上三种形式的Fe合金，于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像，故也称显微组织。,钢的基本组织主要有以下几种：（）铁素体 钢材中的铁素体为在一Fe中的固溶体，由于一Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含量很少（小于0.02），由此决定其塑性、韧性很好，但强度、硬度很低。（）奥氏体 奥氏体为在一Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06，低温时下降至0.8。其强度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。,（）渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含量高（达6.67），晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。（）珠光体 珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含量较低（0.8），层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。,2.钢材的化学成分及对性能的影响 钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。,（2）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。（）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。,（）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。（）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。,磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。（）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。（）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。,74 钢的冷加工与热处理,四、钢材的冷加工,1.冷加工强化冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。,四、钢材的冷加工强化和时效,2.时效强化钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。时效分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将其冷加工后，在常温下放置1520d；人工时效是将冷加工后的钢材加热至100200保持2h以上。经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。,2.钢材的热处理 按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。钢材的热处理通常有以下几种基本方法：,（1）退火。退火是指将钢材加热至某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。（2）正火。是退火的一种特例，两者仅冷却速度不同，正火是在空气中冷却，钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小。,(3)淬火。将钢材加热至900（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。(4)回火。将淬火后的钢材重新加热到900以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。,75 建筑用钢,一、碳素结构钢（非合金钢）,1.牌号 由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号等四个部分按顺序组成；如：Q235AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸腾钢。共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。2.技术性能化学成分、力学性能、冷弯性能应符合表7.37.5的规定。,一、碳素结构钢（非合金钢）,3.用途Q195、Q215，含碳量低，强度低，塑性、韧性、加工性能和可焊性好，主要用于轧制薄板和盘条、制造铆钉、地脚螺栓等。Q235，含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。Q255、Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的结构及加工机械零件。,二、优质碳素钢（合金钢）,大部分为镇静钢，分为普通含锰钢和较高含锰钢。表示方法为：以含碳量（0.01%）含锰量标注如：45Mn 多用于预应力锚具6580号钢用于钢绞线,三、低合金高强度结构钢,在碳素结构钢基础上添加小于5%的合金。1.牌号表示方法由代表屈服点的拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。如Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。2.牌号共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。3.技术要求其化学成分、力学性能见表7.6、7.7,4.用途Q295，钢中只含有极少量合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构。Q345、Q390，综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性，是常用的牌号，主要用于承受较高荷载的焊接结构。Q420、Q460，强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及要求强度高、荷载大的轻型结构。,性能与应用 由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。Q345钢的综合性能较好，是钢结构的常用牌号，Q390也是推荐使用的牌号。与碳素结构钢Q235相比，低合金高强度结构钢Q345的强度和承载力更高，并具有良好的承受动荷载和耐疲劳性能，但价格稍高。用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢Q235可节省钢材15%25%，并减轻结构的自重。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载合冲击荷载的结构。,结构钢材多采用氧气转炉钢，具有屈服点、抗拉强度、伸长率三项机械性能和硫、磷两项化学成分合格保证。不同建筑结构对材质要求：P78,四、钢的选用,76 钢结构用钢材,自学提问,77 钢 筋,一、热轧钢筋,1.生产采用钢锭经加热轧制自然冷却而成。2.分类钢筋混凝土用热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。3.牌号热轧直条光圆钢筋：HB235热轧带肋钢筋：HRB335、HRB400、HRB500,H、R、B分别为热轧（Hot rolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词英文首位字母。推荐公称尺寸：光圆：8、10、12、16、20；带肋：6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm,一、热轧钢筋,4.热轧钢筋的力学性能、工艺性能 应符合下表的规定。,低碳热轧圆盘条1.概述低碳热轧圆盘条的公称直径为5.530mm，大多通过卷线机成盘卷供应，因此称为盘条、盘圆或线材。2.分类按用途分为：供拉丝用盘条（代号L）、供建筑和其他一般用途用盘条（代号J）两种。3.牌号低碳热轧圆盘条的牌号表示方法由屈服点符号、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号、用途类别符号等五个内容表示。,4.力学性能和工艺性能 5.应用大量用作建筑工程中钢筋混凝土的配筋外，还适用于供拉丝、包装及其它用途。,低碳热轧圆盘条的力学性能和工艺性能,二、冷轧带肋钢筋,1.生产冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。钢筋冷轧后允许进行低温回火处理。2.牌号按抗拉强度分为CRB550、CRB650、CRB800、3个牌号。3.规格直径范围为412mm，推荐的公称直径为5、6、7、8、9、10mm,二、冷轧带肋钢筋,4.应用冷轧带肋钢筋用于非预应力构件，与热轧圆盘条相比，强度提高17%左右，可节约钢材30%左右；用于预应力构件，与低碳冷拔丝比，伸长率高，钢筋与混凝土之间的粘结力较大，适用于中、小预应力混凝土结构构件，也适用于焊接钢筋网。,四、热处理预应力钢筋,1.概述热处理钢筋是经过淬火和回火调质处理的螺纹钢筋。分有纵肋和无纵肋两种，其外形分别见右图。2.规格公称直径6、8.2、10mm。3.牌号 有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三个。,有纵肋,无纵肋,四、热处理钢筋,4.力学性能5.特点及应用热处理钢筋具有很高的强度外，还具有较好的塑性和韧性，特别适合于预应力构件。但其对应力腐蚀及缺陷敏感性强，应防止产生锈蚀及刻痕等现象。热处理钢筋不适用于焊接和点焊的钢筋。,预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能,一、钢丝,1.生产以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火、酸洗、冷拉制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。2.分类按交货状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种；按外形分为光面钢丝和刻痕钢丝两种。3.力学性能应符合相应标准规定。钢丝主要用作桥梁、吊车梁、电杆、楼板、大口径管道等预应力混凝土构件中的预应力筋。,二、钢绞线,1.生产由多根圆形断面钢丝捻制而成。钢绞线按左捻制成并经回火处理消除内应力。2.规格钢绞线按应力松弛性能分为两级：级松弛（代号）、级松弛（代号）。公称直径有9.0、12.0、15.0mm三种规格。3.特点及应用钢绞线与其他配筋材料相比，具有强度高、柔性好、质量稳定、成盘供应不需接头等优点。适用于作大型建筑、公路或铁路桥梁、吊车梁等大跨度预应力混凝土构件的预应力钢筋，广泛地应用于大跨度、重荷载的结构工程中。,79 钢材防腐,一、腐蚀成因,钢材表面与周围环境接触，在一定条件下，可发生作用而使钢材表面腐蚀。腐蚀不仅造成钢材受力截面减小，表面不平整导致应力集中，降低了钢材的承载能力；还会使疲劳强度大为降低，尤其是显著降低钢材的冲击韧性，使钢材脆断。混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。因此为了确保钢材不产生腐蚀，必须采取防腐措施。,钢筋腐蚀的原因根据钢材表面与周围介质的不同作用，一般把腐蚀分为下列两种。1、化学腐蚀由非电解质溶液或各种干燥介质（如O2、CO2、SO2、Cl2等）所引起的一种纯化学性质的腐蚀，无电流产生。这种腐蚀多数是氧化作用，在钢材的表面形成疏松的氧化物，在干燥的环境下进展很缓慢，但在温度和湿度较高的条件下，这种腐蚀进展很快。,电化学腐蚀钢材与电解质溶液相接触产生电流，形成原电池而发生的腐蚀称电化学腐蚀。钢材中含有铁素体、渗碳体、非金属夹杂物等，这些成分的电极电位不同，即活泼性不同，在电解质存在时，很容易形成原电池的两个极。钢材与潮湿介质空气、水、土壤接触时，表面覆盖一层水膜，水中溶有来至空气的各种离子，便形成了电解质。首先钢中的铁素体失去电子即FeFe2+2e 成为阳极，渗碳体成为阴极。在酸性电解质中H+得到电子变成氢气跑掉；在中性介质中，由于氧的还原作用使水中含有OH，随之生成不溶于水的Fe（OH）2；进一步氧化成Fe（OH）3及其脱水产物Fe2O3，即红褐色铁锈的主要成分。,钢材腐蚀的防止,防止钢材腐蚀的方法有三种：1、保护膜法用保护模使钢材与周围介质隔离，从而避免或减缓外界腐蚀性介质对钢材的破坏作用。例如在钢材的表面喷刷涂料、搪瓷、塑料等或以金属镀层作为保护膜，如锌、锡、铬等。2、电化学保护法无电流保护法是在钢铁结构上接一块较钢铁更为活泼的金属如锌、镁，因为锌、镁比钢铁的电位低，所以锌、镁成为腐蚀电池的阳极遭到破坏（牺牲阳极），而钢铁结构得到保护。这种方法对于那些不容易或不能覆盖保护层的地方，如蒸汽锅炉、轮船外壳、地下管道、港口结构、道桥建筑等。外加电流保护法是在钢铁结构附近，安放一些废钢铁或其他难熔金属，如高硅铁及铅银合金等，将外加直流电源的负极接在被保护的钢铁结构上，正极接在难熔的金属上，通电后者难熔金属成为阳极而被腐蚀，钢铁结构成为阴极得到保护。,3、合金化在碳钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素，如镍、铬、钛、铜等制成不同的合金钢。防止混凝土中钢筋的腐蚀可以采用上述的方法，但最经济有效的方法使提高混凝土的密实度和碱度。并保证钢筋有足够的保护层厚度。,三、钢结构防火,抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露钢梁的耐火极限为0.15h。温度在200摄氏度以内，可以认为钢材的性能基本不变；超过300摄氏度以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；至达600摄氏度时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。,钢结构防火方法,防火涂料法阻燃性板材覆盖法混凝土和砂浆包裹,耐疲劳性,工程实例分析,1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。,分析受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；受冰载及流水随海潮对平台的冲击碰撞；直接原因：撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。,冷弯性能,A、B两种钢材,A钢材5及10均略大于B钢材。但从图所知，A钢材的冷弯性能却不如B钢材，请分析原因。,钢材的冷弯,讨论,伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。,分 析,某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。,钢结构屋架,工程实例分析钢结构屋架坍塌,钢材的选用不当中碳钢的塑性和韧性及可焊性差焊接裂纹中碳钢焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生焊接裂纹。,原因分析,本章小结,钢材是建筑工程中常用的建筑材料之一。建筑钢材主要包括各种型钢、钢筋、钢丝和钢绞线等；建筑钢材的主要性能包括力学性能、工艺性能和耐久性三个方面；建筑钢材所用的钢种包括碳素结构钢（非合金钢）、低合金高强度结构钢。建筑工程中常用的钢筋，其力学性能、工艺性能、化学成分等必须符合相应标准的规定。钢丝和钢绞线具有强度高、变形较小等特点，主要用作普通预应力混凝土结构及大跨度预应力结构的预应力筋。,