情境4建筑钢材的检测、评定与选择

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1、 建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）和用于钢筋混凝土的钢筋、钢丝、钢绞线以及 用于围护结构和装修用的各种钢板和复合 板等。C型钢H型钢钢管 钢板钢丝钢筋钢绞线建筑钢材的特点优点：抗拉强度高、塑性和韧性好能承受冲击和振动荷载易于加工成板材、型材和线材良好的焊接和铆接性能缺点：易锈蚀、维护费用高耐火性差生产能耗大5建筑钢材的应用大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房6钢结构厂房7钢结构桥梁8国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育 场。 “鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，以巨大 的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场，采用了当 今先进的建筑科技，其中，钢结构

2、是世界上独一 无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度 343米，结构相当复杂，为国内外特有建筑。钢材的冶炼钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是 铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁 的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也 少于生铁。钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化 ，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质 含量也降低到允许范围之内。 钢材的冶炼精炼是指生铁中的碳和其它杂质氧 化为气体或氧化物，被排除从而使生铁 中的碳与杂质的含量降低。 Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe 2P +5FeO = P2O5 + 5Fe脱氧是在精炼后的钢水中加入硅铁 、锰铁等脱氧剂，使在精炼过程中同时 被

3、氧化的铁还原。钢材的分类1. 按化学成分分类（）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁 ，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为 0.022.06。此外尚含有极少量的硅、锰 和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可 分为： 低碳钢（含碳量小于0.25）、 中碳钢（含碳量为0.250.60） 高碳钢（含碳量大于0.60）（）合金钢。是指在炼钢过程中，有意 识地加入一种或多种能改善钢材性能的合 金元素而制得的钢种。常用合金元素有： 硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素 总含量的不同，合金钢可分为： 低合金钢（合金元素总含量小于） 中合金钢（合金元素总含量为10 ） 高合金钢（合金元素总含量大于10）2.

4、 按冶炼设备分类根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方 法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、 电炉炼钢三种。(1) 平炉炼钢它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或 废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利 用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质 氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等 。 (2) 氧气转炉炼钢以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹 入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质， 并且冶炼时间短(2040min)，生产效率高， 所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广 泛。(3) 电炉炼钢以电为能源迅速将废钢、生铁等原料 熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、 感应炉和电渣炉等。 3、根据脱氧程度的不同分类（）沸腾钢。炼

5、钢时仅加入锰铁进行脱氧 ，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时， 会有大量的气体从钢水中外逸，引起 钢水呈沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫 、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但 因其成本低、产量高，故被广泛用于一般 建筑工程。（）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝 锭等作脱氧剂，脱氧完全，同时能起去硫 作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模 冷却凝固，故称镇静钢。镇静钢成本较高，但组织致密，成分 均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应 力混凝土等重要的结构工程。（）半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇 静钢之间，为质量较好的钢。4、按质量分类根据硫、磷有害杂质的含量不同，钢材分为普通

6、钢、优质钢和特殊优质钢等5、按用途分类钢材分为建筑钢、结构钢、工具钢和特殊性能钢。建筑工程常用品种：普通低碳结构钢、普通低合金结构钢、部分优质合金钢。 第二节 钢材的技术性质力学性质：抗拉、冲击韧性、硬度、耐疲劳性工艺性质：冷弯、可焊性第二节 钢材的技术性质抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳钢（软钢）受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标，见图.低碳钢受拉时的应力一应变图。弹性阶段（OA） fp弹性极限 E 弹性模量屈服阶段（AB） fy屈服极限强化阶段（BC） fu受拉强度颈缩阶段（CD） 伸长率ABBCDE0

7、.2%0.2强度指标* 明显流幅的钢筋：下屈服点 对应的强度作为设计强度的依 据，因为，钢筋屈服后会产生 大的塑性变形，钢筋混凝土构 件会产生不可恢复的变形和不 可闭合的裂缝，以至不能使用 * 无明显流幅的钢筋：残余应变为 0.2%时所对应的应力作为条件屈服强 度 （）第一阶段：弹性阶段，为一直线， 说明应力-应变曲线成正比关系，如卸去拉 力，试件能恢复原状，这种性质即为弹性， 该阶段为弹性阶段。 应力-应变的比值为一常数，该常数为 弹性模量E（E=/）,弹性模量反映钢材 抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重 要指标。（2）屈服阶段：应力应变不再成正比关系 ，开始出现塑性变形，该阶段的应力最

8、低点 称为屈服强度或屈服点，用fy表示。 结构设计时一般以屈服强度fy作为强 度取值的依据。而对屈服现象不明显的中碳 和高碳钢（硬钢），则规定以产生残余变形 为原标距长度的0.2%所对应的应力值作为屈 服强度，称为条件屈服强度，用f0.2表示。（3）强化阶段：曲线逐步上升，表示试件 在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又 重新提高，这一阶段称为强化阶段。对应于 最高点C的应力值称为极限抗拉强度，简称 抗拉强度，用fu表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈 强比sb有一定意义。屈强比愈小，反 映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大 ，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小， 则反映钢材不能有效地被

9、利用，造成钢材浪 费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.6- 0.75。（4）颈缩阶段：当曲线到达点后试件薄 弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“ 颈缩现象”，直到断裂。 量出拉断后标距部分的长度Ll，标距 的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率 。即 伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。 通常以5和10分别表示L0=5d0和 L0=10d0（0为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，5应大于10。冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，

10、将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以k表示(J/cm2)。k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好。冲击韧性冲击韧性试验图 (a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机 影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。 试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。冲击韧性发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值 愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以 在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温 度较工作温度为低的钢材。随时间的延长而表现出强度提高，塑性 和冲

11、击韧性下降的现象称为时效。完成时效 变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷 加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的 影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能 改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷 载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。洛氏法测定的原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值，洛氏法压痕很小，常用于判定工

12、件的热处理效果。硬度布氏硬度测定示意图 钢材在交变应力的反复作用下，往往在应 力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象 称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示， 它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于 规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应 力。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引 起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材 的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。 疲劳强度冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表

13、示对冷弯性能的要求愈高。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。 冷弯性能钢材冷弯 (a)试样安装；(b)弯曲90；(c)弯曲180；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心 钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。又如，含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。焊接性能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)碳是决定钢材性能的主要元素。土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含

14、碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。第三节 钢的化学成分对钢材性能的影响(2)硅、锰 加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和 FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排 出，起到脱氧、降硫的作用。 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。(3)硫、磷（有害元素） 硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和 Fe形成低熔点的共晶体。当钢材温度升至 1000以上进行热加工时，共晶体熔化，晶 粒分离，

15、使钢材沿晶界破裂，这种现象叫做 热脆性。磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降 低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲 击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这 种现象叫做冷脆性。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 。(4)氧、氮（有害元素）未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在 ，如FeO、Fe4N等。这些非金属化合物、夹杂物 降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还 使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增 加。(5)钛、钒、铌 钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织 、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。 在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合 金钢

16、的合金元素使用。钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。第四节、钢材的冷加工和热处理1、钢材的冷加工将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d，或加热到100200并保持一段时间，其强度和硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低。 时效按照一定的制度，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