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1、第七章 建 筑 钢 材,课题引入：通过新型建筑（如图7-1所示）对钢材的应用，引出本章的主要内容钢材的冶炼、分类、技术性能、技术标准与应用以及钢材的腐蚀与防锈等内容。,图7-1 国家体育馆,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,本章主要内容,一、钢材的冶炼与分类 钢、铁的冶炼与区别 钢材的分类 二、钢材的技术性能 力学性能 工艺性能 化学成分对钢材性能的影响,热处理对钢材性能的影响 钢材冷加工技术及应用 三、钢材的技术标准及应用 碳素结构钢 优质碳素结构钢 低合金高强度结构钢 钢筋和钢丝,第七章 建筑钢材,本章主要内容,四、桥梁用钢与钢轨用钢 桥梁结构钢 钢轨钢 五、钢材的腐蚀与防腐措施 钢材的
2、腐蚀类型 钢材的防护,第七章 建筑钢材,一、钢和铁的冶炼,（一）铁的冶炼 定义：铁通称生铁，是由铁矿石、焦炭和助熔剂（石灰石）在高炉中经高温冶炼，从铁矿石中还原出来的； 冶炼步骤：,第一节 钢材的冶炼与分类,（二）钢的冶炼,定义：炼钢就是将生铁通过平炉、转炉进行精炼，使熔融的铁水氧化，将碳的含量降低到规定范围（小于2.11%），并清除有害杂质，添加必要的合金元素。 冶炼步骤： 冶炼方法:氧气转炉法、电炉法和平炉法,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,二、钢与铁的区别 钢和铁的主要区别在于含碳量不同 铁：生铁的含碳量为2.116.69，并含杂质较多的铁碳合金。 钢：钢是以铁为主要元素，含碳量为0
3、.022.11，并含少量其他元素的铁碳合金。,三、钢材的分类（一）按化学成分分类,1碳素钢：主要化学成分是铁，其次是碳，故也称碳钢或铁碳合金，其含碳量为0.02%2.06%。分为低碳钢、中碳钢、高碳钢 2合金钢：合金钢是在炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得的一种钢。分为低合金钢、中合金钢、高合金钢,第七章 建筑钢材,（二）按有害杂质含量分类,1普通钢：磷含量0.045%，硫含量0.050%； 2优质钢：磷含量0.035%，硫含量0.035%； 3高级优质钢：磷含量0.025%，硫含量0.025%； 4特级优质钢：磷含量0.025%，硫含量0.015%。,第七章 建筑钢材,
4、第七章 建筑钢材,（三）按用途分类 1结构钢：主要用于建筑结构，如钢结构用钢、钢筋混凝土结构用钢等。 2工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。 3特殊钢：具有特殊的物理、化学及机械性能的钢。 4专用钢：具有专门用途的钢，如铁道用钢、压力容器用钢、建筑装饰用钢等。,第二节 钢材的技术性能,钢材的性能主要包括力学性能(抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等)和工艺性能(冷弯性能、焊接性能和热处理性能等)两个方面。,一、力学性能 （一）拉伸性能 实验方法：使用万能试验机在试件两端施加一对缓慢增加的拉伸荷载，观察试件的受力与变形过程，直至被拉断，如图7-2所示 。,第七章 建筑钢材,第
5、七章 建筑钢材,低碳钢受拉时，其应力应变关系曲线可分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，见图7-3。,图7-2钢材的拉伸试件,1.钢材应力应变关系曲线,图7-3 低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图,第七章 建筑钢材,1）弹性阶段OB段 如卸去荷载，试件将恢复原状，不产生残留塑性变形。与A点相对应的应力为比例极限；与B点相对应的最大应力称为弹性极限 。,2）屈服阶段BC段 定义：在BC曲线范围内，应力与应变不成比例，不再是弹性变形，而是产生了塑性变形，应变增加的速度大于应力增长速度，这一阶段称为屈服阶段。 表现：该阶段在材料万能试验机上表现为指针不动(即使加大送油)或来回窄幅摇动。,
6、3）强化阶段CD段 当荷载超过屈服点以后，由于试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点D点的应力为抗拉强度，又称强度极限， 用 表示 。,4）颈缩破坏阶段DE段 过 D点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象”，直至断裂，如图7-4所示。,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,图7-4 钢材颈缩拉断示意图,2.主要指标,1）弹性模量(E) 定义：在弹性阶段的OA段内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E 表示 。 公式：,2）屈服强度 定义：以屈服阶段的最低应力点作为材料抗力的指标，称为屈服强度或屈服
7、点，用 表示。 公式：,应用：钢材在结构中的受力不得进入屈服阶段，在结构设计中以屈服强度作为钢材设计强度取值的依据，施工选材验收也以屈服强度作为重要的技术指标。 硬钢性质：中碳钢与高碳钢(硬钢)，拉伸时的应力应变曲线无明显屈服现象，伸长率小，断裂时呈脆性破坏，其应力应变曲线如图7-5所示。规范规定以试件在拉伸过程中产生0.2%塑性变形时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,图7-5 硬钢的应力-应变曲线,3）抗拉强度 定义：称强度极限D点对应的应力为抗拉强度 公式：,4）屈强比 定义：钢材的屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比 公式：,5）伸长率 定义：
8、试件拉断后有效长度的伸长量与原有效长度的比率。 公式：,6）断面收缩率 定义：试件断口处断面面积的收索量与原断面面积的比率。 公式：,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,（二）冲击韧性 表示方法：以摆锤冲断V形缺口试件时，单位面积所消耗的功来表示，如图7-6所示。 公式：,图7-6 钢材冲击韧性试验示意图及试验机样图,第七章 建筑钢材,影响钢材冲击韧性的主要因素：化学成分、冶炼质量、冷作硬化及时效、环境温度等。温度对冲击韧性有重大影响，如图7-7。当温度降低到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称为冷脆性，这一温度范围称为脆性转变温度。,图7-7 温度对低合金钢 冲击韧性的影
9、响,（三）硬度 钢材的硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力。 1.布氏硬度（HB） 试验方法：布氏法是用一定的压力把淬火钢球压入钢材表面（如图7-8），将压力除以压痕面积即得到布氏硬度值，用符号HB表示。HB越大表示钢材越硬。,图7-8 布氏硬度试验示意图,第七章 建筑钢材,2.洛氏硬度（HR） 试验方法：在洛氏硬度试验机上，用1200的金刚石圆锥压头或淬火钢球对钢材进行压陷，通过测量压痕深度来计算硬度值，用HR表示。,3.维氏硬度（HV） 试验方法：在维氏硬度试验机上，用1360的金刚石棱锥压头对钢材进行压陷，如图7-9所示，以单位凹陷面积上所承受的压力表示的硬度作为维氏硬度，用HV表示。,图
10、7-9 维氏硬度试验示意图,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,（四）疲劳强度 钢材在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度甚至小于屈服强度的情况下就突然发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低，如图7-10所示。,图7-10 钢材疲劳强度 示意图,第七章 建筑钢材,二、工艺性能,（一）冷弯性能 定义：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形而不断裂的能力。 试验要求：钢材试件绕着指定弯心弯曲至指定角度后，如试件弯曲处的外拱面和两侧面不出现断裂、起层现象，即认为冷弯合格。如图7-11和图7-12所示：,a）弯曲准备 b）弯曲至a角
11、度 c）弯心d，弯曲1800 d）弯心0，弯曲1800 图7-11 钢材的冷弯试验示意图,图7-12 钢材按规定弯心直径冷弯大样图,（二）焊接性能 可焊性定义：指钢材在焊接后，所焊部位连接的牢固程度和硬脆倾向大小的性能。 影响因素：化学成分、冶炼质量、冷加工、焊接工艺及焊条材料等。 注意事项：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；应尽量避免不同国家的进口钢筋之间的焊接或进口钢筋与国产钢筋之间的焊接。,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,二、化学成分对钢材性能的影响 钢中除含有主体元素铁和碳之外，还含有锰、硅、钒、钛等有益元素及硫、磷、氮、氧、氢等有害元素，这些元素对
12、钢材的性能都有不同程度的影响。,（一）碳（C） 随着含碳量的增加，钢材的强度增加（含碳量大于1%则相反），硬度提高，塑性、韧性下降，冷脆性增大，可焊性变差，抵抗大气腐蚀的性能也下降，如图7-13, 图7-14所示。,图7-13 不同含碳量时钢材拉伸,第七章 建筑钢材,1.硅（Si） 当含硅1%以内时，能显著提高钢材的强度，而对塑性、韧性没有显著影响。,A） B） 图7-14含碳量对碳素钢力学性能的影响,2.锰（Mn） 当锰的含量在0.8%1%时，可显著提高钢材的强度和硬度，而对塑性、韧性没有显著影响。 3.钒（V）、钛(Ti)、铌(Nb) 加入适量的钒、钛或铌，能够改善钢的组织结构，细化晶粒，
13、提高钢材的强度和硬度，改善塑性和韧性。,1.硫(S) 硫与铁化合形成低熔点的夹杂物硫化亚铁（FeS），钢材在进行热轧加工或焊接加工时硫化亚铁熔化，致使钢内晶粒脱开，形成细微裂缝，钢材受力后发生脆性断裂，这种现象称为热脆性。,（三）有害杂质,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,2.磷(P) 磷显著地提高了钢材的脆性转变温度，增加钢材的冷脆性，降低钢材的塑性、韧性、冷弯性和可焊性。,3.氮(N) 氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。,4.氧(O) 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性变差。,第七章 建筑钢材,四、热处理对钢材性能的影响 定义：热处理是将钢材在固态范围内
14、进行加热、保温和冷却，从而改变其金相组织和显微结构组织，获得需要性能的一种综合工艺。 处理方式：退火、正火、淬火、回火、调质处理。如图7-15。,（一）退火 定义：将钢材加热到一定的温度，并保持一定的时间后，随炉缓慢冷却的热处理工艺。 作用：降低钢材的硬度，提高钢材的塑性和韧性，并能消除冷加工、热加工或热处理所形成的内应力。,图7-15 钢材热处理工艺示意图,（二）正火 定义：正火是退火的一种特例，正火在空气中冷却。 作用：提高钢材的塑性和韧性，消除钢材在热轧过程中造成的组织不均匀和内应力。,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,（三）淬火 定义：将钢材加热到相变临界点以上，保温后放入水、油或其
15、他介质中快速冷却。 作用：显著提高钢材的硬度和耐磨性。,（四）回火 定义：将钢材加热到相变温度以下，保温后在空气中冷却的处理工艺。 作用：消除钢材的内应力，降低其硬度和脆性。,（五）调质处理 定义：淬火高温回火 作用：使钢材具有很高的强度，又具有一定的塑性和韧性。,第七章 建筑钢材,（一）概念 定义：将钢材在常温下进行强力的拉或压，使之超过屈服，产生一定的塑性变形，以达到提高其机械强度和钢材利用率（同时降低塑性和韧性）的加工方法，称为钢材的冷加工；包括冷加工强化和冷加工时效。,五、钢材冷加工技术及应用,1冷加工强化 定义：钢材经冷加工（冷拉）后，若立即再拉伸，会发现屈服点明显提高，而塑性、韧性和弹性模量明显降低，这种现象称为冷加工强化； 如图7-16曲线 对应的应力应变关系曲线所示。,图7-16 钢材冷拉时效强化示意图,2冷加工时效 定义：钢材经冷加工（冷拉）后，若放置一段时间，会发现屈服强度进一步提高、极限抗拉强度也提高，塑性和韧性进一步降低、弹性模量得到一定恢复的现象称为冷加工时效； 如图7-16 曲线对应的应力应变关系曲线所示。,第七章 建筑钢材,第七章 建筑钢材,（二）应用 常利用冷加工、时效作用来提高其强度，增加钢材的品种规格，节约钢材。常见的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷轧等。 1.冷拉 定义：将钢筋用拉伸设备在常温下拉长至超过屈服点某处，使之产生一定的塑性
