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1、第8章 建 筑 钢 材,8.1 概 述,一、金属材料,金属材料可分为： 有色金属：铜、铝、铅、锌、镁、锡； 黑色金属：钢 、铁。,二、钢铁材料,(一) 生铁 铁矿石在高炉内通过焦炭还原而得含C量大于2的铁碳合金。并有较多Si、Mn、S、P等杂质。 (二) 钢 将生铁(及废钢)在熔融状态下进行氧化，除去过多的碳及杂质即得钢液，进行脱氧后浇铸成钢锭。 含C量小于2。 (三) 钢材 钢经冷、热加工而得到的各种定型产品。,钢 筋,工字钢,圆钢、角钢,钢丝绳,钢 管,三、钢材的分类,（一）按化学成分分 非合金钢（碳素钢） 低合金钢 合金钢 （二） 按含碳量分 低碳钢（含碳量0.6%) 。,（三）按钢脱氧
2、程度分,碳素钢可分为 合金钢一般为：镇静钢、特殊镇静钢 (四) 按质量分 普通质量钢 、优质钢、高级优质钢、特级优质钢,沸腾钢(F) 镇静钢(Z) 半镇静钢(b) 特殊镇静钢(TZ),（五） 按主要性能及使用特性分,结构钢(包括机械结构用钢及工程结构用钢)：包括碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢及合金结构钢等。碳素结构钢及低合金高强度结构钢是建筑工程用钢的主要钢种，大多数型钢、钢板、钢筋等是用这些钢轧制的。 工具钢：主要用于刀具，模具等各种工具，含碳量一般较高，便于进行热处理。 特殊性能钢及专门用途钢：主要有桥梁钢、压力容器用钢、铁道用钢、船舶用钢等。,四、建筑钢材的应用,钢铁材料
3、是应用最广、产量最大的金属材料，也是建筑工程中主要材料之一。 （1）用型钢制作厂房、桥梁、闸门及高压管道等，安全性强、质量轻，适于大跨度及多、高层结构； （2）用钢筋和混凝土组成的钢筋混凝土结构，强度高、耐久性好，适用范围广。,8.2 建筑钢材的力学性能 和工艺性能,8.2.1 力学性能,建筑钢材的力学性能主要有：抗拉性能、硬度和冲击韧性等,（一）抗拉性能,OA：弹性阶段； AB ：屈服阶段；BC：强化阶段； CD：颈缩阶段。 sp：弹性极限； ss：屈服点； sb：抗拉强度。,抗拉屈服强度(屈服点ss),指钢材在拉力作用下，开始产生塑性变形时的应力。设计中一般以屈服点作为强度取值的依据。,当
4、某些钢材的屈服点不明显时，按规定以产生残余应变为0.2时的应力作为屈服强度，记为0.2 。 2. 抗拉极限强度(sb) 试件在破坏前，应力应变图上的最大应力值。也称抗拉强度。,钢材的屈强比ss/sb:,比值小，结构安全度大；比值过小，不经济。 3. 伸长率（d） 钢材拉断后，试件标距长度的伸长量DL与原始标距L0的比值。,伸长率的大小受试件标距长短的影响，国标规定用d10和d5。,（二）硬度,硬度是指材料抵抗另一更硬物体压入其表面的能力。钢材的硬度常用压痕的深度或压痕单位面积上所受压力作为衡量指标。 建筑钢材常用的硬度指标是布氏硬度。 硬度的大小，既可用以判断钢材的软硬，又可用以近似地估计钢材
5、的抗拉强度。 硬度高，耐磨性较好，但脆性亦大。,(三) 冲击韧性,冲击韧性指材料抵抗冲击荷载作用的能力。 建筑钢材的冲击韧性通过夏比(v形缺口)冲击试验来测定。,冲击韧性的指标及其计算,(1) 冲击吸收功A kv (J) A kv = W（h 1 h 2） A kv值可由试验机刻度盘上直接读出。 (2) 冲击韧性值 a kv (Jcm 2 )。 为单位面积的试样断口所吸收的冲击功： a kv A kvA A kv (或 a kv )值愈大，表示冲断时吸收的功愈多，钢材的冲击韧性愈好。,8.2.2 工艺性能,（一） 可焊性 焊接：是通过加热或加热且加压的方法使分离的金属件连接在一起的方法。 作用
6、：延长尺寸，节约钢材、废物利用、降低成本。 可焊性好的钢材，没有质量显著降低的现象，所得焊接牢固。含碳量C0.3时可焊性变差。 焊接的形式：压力焊、对焊、搭焊。 焊接性能通过拉伸 (拉伸、冷弯) 试验检测。,（二） 冷弯性能,冷弯：是指钢材在常温下承受静力弯曲时所容许的变形能力。 冷弯性能合格是指钢材试件在受到规定的弯曲角度和弯芯直径条件下，弯曲试件的外拱面不发生裂缝、断裂或起层现象。 钢材含C、P较高，或曾经过不正常冷热处理，则其冷弯性能往往不合格。 冷弯性能通过冷弯试验检测。,冷弯试验,第三节 化学元素对钢材性能的影响,一、碳,随着含C量的增加： 钢的伸长率，断面收缩率和冲击韧性逐渐下降；
7、 硬度增大； C=0.8左右抗拉强度最高 冷弯性能、焊接性能和抗腐蚀性能下降。,二、硅,使钢的硬度、强度提高，含量超过1.0时，钢的塑性和冲击韧性显著降低，冷脆性增加，焊接性能变差。塑性、冲击韧性显著降低，冷脆性增加，焊接性变差。,三、锰,炼钢过程中，锰可形成MnO及MnS，成为钢渣而排出，故Mn起着脱氧去硫作用，能消除钢的热脆性改善热加工性； 过剩的Mn固溶于钢内，形成含Mn的合金铁素体和合金渗碳体，能提高钢的屈服强度和抗拉强度； 有害作用是使钢的伸长率略有下降，当锰的含量较高时，还会显著降低可焊性。,四、磷,使钢的屈服点和抗拉强度提高； 塑性降低、韧性显著下降； 增加钢的冷脆性(韧性随温度
8、下降而急剧恶化的现象)，对于承受冲击荷载或低温下使用的钢材是有害的； 使钢的冷弯性能急剧下降，可焊性变坏。 普通碳素钢中磷的含量最多不得超过0.085。,五、硫,在钢材热加工过程中产生晶粒的分离，引起钢的断裂，即所谓热脆现象； 硫的存在也降低了钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗腐蚀性。 硫为钢的有害成分，其含量受严格控制，普通碳素钢中最高含量不得大于0.065。,六、氧,氧也是钢中的有害杂质。 使钢材强度下降； 热脆性增加，冷弯性能变坏； 热加工性能和焊接性能下降,七、氮,可提高钢的屈服点、抗拉强度和硬度； 使钢材的塑性和冲击韧性显著下降； 增大冷脆性、热脆性和时效敏感性，使钢的焊接性能和冷弯
9、性能变坏。,8.5钢的压延加工及热处理,一、压力热加工,压力热加工是将钢锭(或钢材)加热到9001200C，通过碾轧或锻压（压延加工），以获得一定大小或形状的钢材或零件。 压力热加工可消除钢锭中的某些缺陷，从而带来机械性能的提高。,二、冷加工及冷加工强化,冷加工工艺是常温下钢材的冷拉、冷拔、冷轧等工艺的总称。 冷加工强化是在冷加工过程中，钢材产生了塑性变形，并引起其强度和硬度的提高，塑性和韧性降低。 冷加工强化的原因是钢材在塑性变形过程中，晶粒破碎而细化、晶格发生拉长、压扁或歪扭等畸变，晶界处位错密度增大。,三、钢的热处理,钢的热处理是通过对钢进行加热、保温、冷却等手段，来改变钢材组织结构，以
10、达到改善性质的一种工艺。基本的热处理工艺如下。 (1)退火。将钢材加热到一定温度，保温若干时间，而后缓慢冷却，称为退火。 (2)淬火。将钢材加热到一定温度，保温一段时间后，在盐水、冷水或油中急速冷却的处理过程，称为淬火。 淬火的目的是要获得更高强度和硬度的钢材。,(3) 回火。将淬火处理后的钢，再进行加热、冷却处理，称为回火。 回火的目的是消除钢件的内应力，增加其韧性。回火温度一般在1506500C范围内。 (4) 正火。将钢材加热到一定温度，保持足够时间，然后静置于空气中冷却，称为正火。对于断面尺寸较大的钢件，正火相当于退火的效果。 (5) 调质处理。对钢材进行多次淬火、回火等多种处理的综合
11、热处理工艺，称为调质处理。,四、钢的时效硬化,钢的强度和硬度随时间延长而逐渐增大，塑性和韧性逐渐减退的现象称为时效硬化(简称为时效)。 时效分为热时效和冷加工时效两种。 热时效(又称淬火时效)是低碳钢由高温快速冷却后，其塑性和韧性会随静置时间延长而不断降低的现象。 冷加工时效钢材经冷加工后，将发生冷加工强化现象(如前述)，静置一段时间后，即产生冷加工时效。,低碳钢经冷加工、时效后的应力一应变曲线变化图,淬火时效和冷加工时效可同时发生。 建筑工程中，将钢筋进行冷加工(如冷拉)，并在常温下放置1520d后再使用，通过冷加工强化和时效，来提高钢筋的屈服强度，达到节约钢材的目的。,8.6建筑钢材的牌号
12、与应用,建筑钢材分为： 钢结构用钢材 钢筋混凝土用钢筋。,8.6.1 钢结构用钢材,钢结构是用各种型钢、钢板，经焊接、铆接或螺栓连接而成的工程结构。 钢结构的特点： (1)构件尺寸大，形状复杂，不可能对其进行整体热处理，钢材必须在供货状态下直接工作； （2）构件在制作过程中，常需经冷弯焊接等，要求钢材可焊性好，冷加工时效敏感性小； (3)结构暴露于自然环境，尤其是水工钢结构多处于潮湿、腐蚀或低温条件下工作，要求钢材具有在所处环境下的可靠性及耐久性。,（一）常用钢结构用钢的牌号及性能,1、碳素结构钢 按力学性能划分不同 牌号。 牌号表示方法：(四部分组成) 字母 Q、屈服点值、质量等级（A、B、
13、C、D）、脱氧方法。如Q235AF为为屈服点不低于235 MPa、A级质量、沸腾钢的碳素结构钢。 质量等级由A至D，钢中有害杂质S、P含量逐渐减少，低温 冲击韧性改善，质量提高。 脱氧方法中Z和TZ可以省略。,建筑工程中常用钢种Q235,碳素钢的牌号分为五级： Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 钢的含C逐渐增大，强度逐渐提高，塑性降低，冷弯及可焊性下降。 Q235钢既有较高的强度，又有较好的塑性及可焊性，是建筑工程中应用广泛的钢种。（Q195及Q215钢的强度低；Q255及Q275钢虽然强度高，但塑性及可焊性较差。） 化学成分及力学性能分别符合表8一18一3。,2、低合金高强度
14、结构钢,低合金高强度结构钢是在低碳钢基础上，加入适量合金元素冶炼而成的.(力学性能符合表8一4) 优点：低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有更高的屈服强度，同时还有良好的塑性、冷弯性、可焊性、耐腐蚀性和低温冲击韧性，更适用于大跨度钢结构及大型水工建筑物。 牌号表示方法：与碳素钢相似。不同点 牌号分为五级： Q295、Q345、Q390、Q420、Q460,等级(五级) 脱氧程度 (是Z、TZ),3、优质碳素结构钢及合金结构钢,（1）优质碳素结构钢 是生产过程中对质量控制较严（如S0.035、P0.035)，质量较稳定的碳素钢。 按含Mn量的不同分为（二组） l 普通含Mn量（含Mn量0.8) l
15、 较高含Mn量（含Mn量0.71.2) 牌号表示方法：含碳量情况(万分计两位数表示) 含Mn量情况(普通含Mn量时，Mn) 质量等级(优质、A-高级优质、E特级优质) 脱氧程度(F、b、Z、TZ) 例如：08F； 25MnA,（2）合金结构钢 合金结构钢是合金元素含量较高的钢。（在炼钢中，为改善性能而加入超过普通钢允许含量的一种或多种合金元素）。 牌号表示方法：含碳量情况(万分计两位数表示) 主要合金元素组成情况 主要合金元素含量(分别接各自合金元素后) 合金元素平均含量1.5时， 省略“1” 合金元素平均含量1.52.49时，标符号“2” 合金元素平均含量2.53.49时，标符号“3” 余类
16、推 例如： 35Mn2,（3）应用,优质碳素结构钢及合金结构钢是用于机械结构 的主要钢种，在建筑工程及水工钢结构中，常用来 加工制作各种轴、杆、铰、高强螺栓等受力构件， 以及钢铸件。,4、专门用途钢,是在低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢及合金钢的基础上调整合金元素、控制S、P含量，满足特定要求的钢种。 牌号表示方法：在基础钢牌号后面加上专门符号。 如：q-表示桥梁用钢，16Mnq； R-表示压力容器用钢，16MnR 等。 ，,(二)建筑及水工钢结构钢材的选用,l 一般工程结构，选用普通碳素结构钢Q235一A，Q235一B及低合金高强度结构钢Q345一A、Q345一B等。 有特殊要求时(如动荷载、严寒地区工程)，应选用专门用途钢材。 水工钢闸门的闸门用Q235、Q3
