1、第6章 建筑鋼材,石家莊鐵道大學,建 筑 材 料,基本要求 概述 鋼材的生產與分類 鋼材的化學成分與晶體組織 鋼材的主要技術性能 鋼材的冷強化及時效、熱處理和焊接 鋼材的防火和防腐蝕 建筑鋼材的品種與及選用,主要內容,基本要求,教學目標 掌握建筑鋼材的主要技術性質和技術標準； 掌握建筑鋼材的品種和選用方法； 了解鋼材化學組成、鋼材的腐蝕與防止。 重點 建筑鋼材的主要技術性能 常用建筑鋼材的標準及選用,定義 特點 應用 意義,一、概 述,指用于工程建設的各種鋼材。包括 鋼筋 鋼絲 型鋼 鋼板 鋼管,（一）定義,優(yōu)點 比強度高 塑性好、韌性好 能承受沖擊和振動荷載,缺點 易生銹 耐火性能差 維護費

2、用大,（二）特點,建筑鋼材可用于： 大跨度結構 多層及高層結構 受動荷載作用的工業(yè)廠房,馬里塔羅水壩鋼橋,（三）應用,建筑鋼材是建筑工程中常用的材料 鋼材的品種多，性質差別大，為了掌握鋼材的合理使用，應對鋼材的生產、組成、性質和用途等知識有一定的理解。,（四）意義,二、鋼材的生產與分類,鋼材的生產 鋼材的分類,生鐵：鐵碳合金，C含量高，約為2.066.67，并含較多雜質。 鋼：鐵碳合金，鐵Fe為主要元素： 碳C含量2.06， 雜質元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。,生鐵中的碳氧化，降低含C量，除去雜質元素，降低其含量,（一）鋼材的生產,鋼錠,鋼材的生產過程,冶 煉,目的：除去生鐵

3、中的碳 原理： 通過將熔融的生鐵進行氧化，使碳的和雜質含量降低到預定范圍內 所以，在理論上含碳量在2%以下，并/或含有其他合金元素及少量雜質的鐵碳合金。 冶煉方法： 轉爐法 平爐法 電爐法,（一）鋼材的生產,鑄 錠,概念：將冶煉好的鋼液注入鋼模，冷凝后便形成柱狀的鋼錠（鋼坯）的過程。 脫氧： 鋼材鑄錠前要進行脫氧處理 原因是由于鋼在冶煉過程中，部分鐵被氧化 多余氧化鐵的存在，使鋼的質量變差。 鋼種：沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)靜及特殊鎮(zhèn)靜鋼 化學偏析：鋼液在鑄錠過程中，由于內部某些素在鐵的液相中的溶解度高于固相，使這些元素向凝固較遲的中心富集，導致化學成分在鋼錠截面上分布不均勻的現(xiàn)象。,（一）鋼材的生產

4、,壓 力 加 工,原因：鋼在鑄錠中存在化學偏析、縮孔、氣泡、晶粒粗大、組織不致密等缺陷。 熱加工 定義：將鋼錠重新加熱直一定溫度，使其呈塑性狀態(tài)，再施加壓力改變其形狀。 性能：使鋼內部分氣泡焊合，疏松組織致密，提高強度和質量 冷加工 定義鋼材在常溫下進行的壓力加工。 方式：冷拉、冷拔、冷軋 性能：提高鋼材的強度和硬度,（一）鋼材的生產,低碳鋼： 0.6%,合金鋼,低合金鋼： 10%,碳素鋼,（二）鋼材的分類,化 學 成 分,普通鋼： 0.050%，0.045% 優(yōu)質鋼： 0.035%，0.035% 高級優(yōu)質鋼：0.025%，0.025%， 牌號后加“高”或“A” 特級優(yōu)質鋼：0.015%，0.

5、015%， 牌號后加“E”,含硫量 含磷量,鋼 材 質 量,（二）鋼材的分類,沸騰鋼：脫氧不充分，代號“F” 半鎮(zhèn)靜鋼：介于F與Z之間，代號“b” 鎮(zhèn)靜鋼：脫氧充分，代號“Z” 特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧徹底，代號“TZ”,結構鋼：建筑結構、機械制造（低、中碳鋼） 工具鋼：各種工具（高碳鋼） 特殊鋼：具有特殊物理、化學或機械性質 （不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、）,脫 氧 程 度,結 構 用 途,（二）鋼材的分類,以下為沸騰鋼（A）與鎮(zhèn)靜鋼（B）兩鋼錠的縱剖面，請觀察其結構差別，討論其性能差異。,觀察與討論,解答：,從圖中可見，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時有大量一氧化

6、碳氣體外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內部雜質和夾雜物多，化學成分和力學性能不夠均勻、強度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產成本低，可用于一般地建筑結構。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄時，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無一氧化碳氣泡產生,是脫氧較完全的鋼。鋼質均勻密實，品質好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載地重要結構。此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結構工程。脫氧程度與質量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其質量較好。,觀察與討論,工程概況：某廠的鋼結構屋架用中碳鋼焊接而成，使用一段時間后，屋架坍塌，請分析事故原因。,案例分析,鋼結構屋架坍塌,鋼結構

7、屋架,首先是因為鋼材的選用不當，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差； 且其焊接性能較差，焊接時鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產生裂紋。 建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強度結構鋼。,解答：,案例分析,三、化學成分與晶體組織,鋼材的晶體組織 鋼材的化學成分,鋼是以鐵為主的FeC合金。,晶體組織：FeC合金在一定條件下形成具有一定 形態(tài)的聚合體，稱為的組織。在顯微鏡 下可以觀察到它們的微觀形貌，有四種： 鐵素體 珠光體 滲碳體 奧氏體,（一）鋼材的晶體組織,鋼的基本晶體組織,晶體結構,碳：煉鋼氧化過程中生成，主要以滲碳體Fe3C存在。,硅：脫氧劑

8、，,錳：脫氧、去硫，具有很強的脫氧、硫能力。,（二）鋼材的化學成分,有 害 元 素,硫：來自煉鐵原料,氧：常以FeO的形式存在。,（二）鋼材的化學成分,氮：來自空氣，影響與碳、磷相似。,鈦：強脫氧劑，常用合金元素。,釩：弱脫氧劑，常用合金元素。,優(yōu)點：可減弱碳、氮的不利影響 。,鋼中加入少量合金元素Al、Ti、Nb等,改善性能,（二）鋼材的化學成分,四、建筑鋼材的主要技術性質,拉伸強度 冷彎性能 沖擊韌性 硬度 耐疲勞性,標準試件,按照一定的要求，對表面進行車削加工后的試件。,非標準試件,不經過加工，直接在線材上切取的試件。,（一）拉伸性能,（1）拉伸過程分四個階段：,OA：彈性階段 AB：屈

9、服階段 BC：強化階段 CD：頸縮階段,1.低碳鋼的拉伸過程,Fs 屈服階段最小的力(首次回針所對應的力),N； Ao 鋼材的原始截面積，mm2。,屈服強度（屈服點）,上屈服點（B上）：試樣首次屈服前的最大應力； 下屈服點（B下）：不計初始瞬時效應的最小應力， 即屈服點。,(2）拉伸性能指標（4個）,1.低碳鋼的拉伸過程,強屈比一般不低于1.2，抗震結構一般不低于1.25。,值得注意：強屈比的概念,值越大,可靠性越高,安全性越高, 但利用率降低，浪費增大。,抗拉強度 定義：鋼材所能承受的最大拉應力。 計算式： 試驗時，一般以鋼材出現(xiàn)頸縮為準。,最大拉力，N,1.低碳鋼的拉伸過程,伸長率（塑性指

10、標） 計算式： 意義： 值越大，塑性增強可避免結構過早破壞； 加工性增強，安全性增強。,1.低碳鋼的拉伸過程,A1試樣拉斷后頸縮處的截面積，mm2； A0表示鋼材的原始截面積，mm2。 伸長率和斷面收縮率均表示鋼材斷裂前經受塑性變形的能力。,斷面收縮率（塑性指標）,1.低碳鋼的拉伸過程,硬鋼強度高，塑性差，拉伸過程無明顯屈服階段，無法直接測定屈服強度。用條件屈服強度0.2來代替屈服強度。 條件屈服點0.2 ：使硬鋼產生0.2%塑性變形時的應力。,2.高碳鋼的拉伸過程,0.2%,O,定義：冷彎性能指剛才在常溫下承受彎曲變形的能力。 指標：彎心直徑d與試件厚度（直徑）a的比d/a 彎曲的角度（90

11、、180）,裝好的試件 彎曲180 彎曲90,（二）冷彎性能,以規(guī)定的和d/a進行彎曲 檢查受彎部位 如不裂紋、不起層或斷裂，則為合格 彎曲角度越大， d/a越小，冷彎性能越好,判斷標準：,意義：,能反映試件彎曲處的塑性變形，能揭示鋼材是否存在內部組織不均勻、內應力和夾雜物等缺陷 也能對鋼材的焊接質量進行嚴格的檢驗，能揭示焊件受彎表面是否存在未熔合，裂縫及夾雜物等缺陷。,（二）冷彎性能,定義：指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。 試驗方法：標準試件的彎曲沖擊韌性試驗。,指標：試件缺口處單位截面積上所消耗的功,計作k,J/cm2。 k值愈大，鋼材的沖擊韌性愈好。,（三）沖擊韌性,問題： 鋼材的沖擊韌性的影

12、響因素？,答：鋼材的沖擊韌性對鋼材內部的各種缺陷和環(huán)境溫度非常敏感，因此，沖擊韌性主要受下列因素影響： 鋼中的S、P等有害雜質含量； 成分偏析程度； 軋制與焊接質量； 鋼的加工硬化與時效； 環(huán)境溫度等。,（三）沖擊韌性,定義：比其更堅硬的其他種材料壓入鋼材表面的能力。 試驗方法：布氏硬度、洛氏硬度,布氏硬度試驗原理圖,D球體直徑，mm P規(guī)定荷載，N d壓痕直徑，mm F被試金屬表面 壓痕面積，mm2,布氏硬度：壓痕單位球體面積上所承受的荷載大小,MPa 。,（四）硬度,定義：在交變應力作用下的結構構件,鋼材往往在應力遠低于 抗拉強度時發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。 指標：疲勞極限試件在交變應力作用下，于規(guī)

13、定的周期基 數內不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。 測定： 等幅應力循環(huán) 變幅應力循環(huán),（五）耐疲勞性,五、鋼材的冷加工及時效、熱處理和焊接,鋼材的冷加工 鋼材的時效 鋼材的熱處理 鋼材的焊接,冷 加 工,定義：指鋼材在常溫下進行的加工。 方式： 冷拉 冷拔 冷軋： 特點：鋼材經冷加工產生塑性變形，從而提高 其屈服強度，這一過程稱為冷加工強化,（一）鋼材的冷加工,冷拉,定義：指鋼材在常溫下拉伸。 過程：將鋼筋拉至應力-應變曲線的強 化階段內任一點K處，然后緩慢 卸去荷載。 意義： 當再度加載時，其屈服點將有所提高 塑性變形能力將有所降低； 鋼筋經冷拉后，一般屈服點可提高 20%25%,應力-應變曲

14、線,（一）鋼材的冷加工,冷拔,定義：是指將光圓鋼筋通過硬質合金 拔絲?？讖娦欣巍?特點： 冷拔比純拉伸作用強烈 鋼筋受拉、擠壓作用 如：經過一次或多次的冷拔后得 到的冷拔低碳鋼絲，屈服點可提 高40%60%，但失去軟鋼的塑性 和韌性而具有硬鋼的特點。,拉拔?？?（一）鋼材的冷加工,冷軋,定義：將圓鋼在冷軋機上軋成斷面形狀規(guī)則的 鋼筋。,鋼筋冷軋,特點： 提高強度、與混凝土的粘結力。 鋼筋在冷軋時，縱向與橫向同時產生變形 因而能較好地保持其塑性和內部結構均勻性。,（一）鋼材的冷加工,冷加工的特點 ： 提高屈服強度，但塑性變形降低 冷加工的目的： 經過冷加工的鋼材，可適當減小鋼筋混凝土 結構設計

15、截面，或減小混凝土中配筋數量 從而達到節(jié)約鋼材的目的。具有明顯的經 濟效益。 注意： 冷拔鋼絲屈強比較大，相應的安全儲備較小。,冷 加 工,（一）鋼材的冷加工,時 效,定義：經冷拉鋼材隨時間延長強度提高，塑性、韌性 降低的現(xiàn)象。 分類： 自然時效 人工時效 特點： 鋼筋冷拉以后再經過時效處理，其屈服點進一步提高，抗拉強度也有提高，塑性、韌性有所降低。 時效過程中應力的消減，彈性模量可基本恢復。,（二）鋼材的時效,自然時效： 將經過冷拉的鋼材于常溫下存放1520d 其強度、硬度提高，塑性、韌性降低,人工時效： 將經過冷拉的鋼材加熱到100200，并保持一段時間 這使時效加速,（二）鋼材的時效,定

16、義：是指將鋼材按一定規(guī)則加保溫、和冷卻、以改變其組織，從而獲得所需要性能的一種工藝措施。 熱處理方法： 退火 正火 淬火 回火 離子注入,（三）熱處理,定義：鋼結構中90%以上為焊接結構,焊接性非常重要 焊接方式：搭接、對接 焊接要求： 焊接處（焊縫及其附近過熱區(qū)），不產生裂縫及硬 脆傾向。 焊接處性能與母材一致,即力學性能、工藝性能應合 格，特別是強度不低于原鋼材強度。(拉伸試驗、冷 彎試驗) 影響因素：碳、合金元素及雜質元素越多，可焊性越小。,（四）焊接性能,六、鋼材的防火與防銹蝕,鋼材的防火 鋼材的防銹蝕,鋼 材 的 防 火,高溫影響 蠕變增大 導致應力松弛 強度顯著下降 防火措施 設置

17、防火板 涂防火涂料,（一）鋼材的防火,鋼 材 的 銹 蝕,定義：鋼材表面與其周圍介質發(fā)生化學反應而遭到 的破壞。 分類 化學銹蝕 鋼材直接與周圍介質發(fā)生化學反應產生銹蝕, 多數是由氧化作用在鋼材表面形成疏松氧化物。 干燥環(huán)境緩慢，溫濕度高，發(fā)展迅速。 電化學銹蝕 鋼材本身組成和雜質的存在,在表面介質的作用 下,各成分電極電位不同,形成微電池，鐵元素失 去了電子成為Fe2+進入介質溶液，與溶液中的OH- 離子結合生成Fe(OH)2。,（二）鋼材的防銹蝕,鋼 材 的 銹 蝕,結果： 在鋼材表面形成疏松的氧化物，使鋼結構斷面減小， 降低鋼材的性能， 因而承載力降低。,（二）鋼材的防銹蝕,鋼 材 的

18、防 護,三個方面：從改變鋼材本身的易腐蝕性、隔離環(huán)境 中的侵蝕性介質或改變鋼材表面的電化學過程。 具體措施 采用耐候鋼（耐大氣腐蝕鋼） 金屬覆蓋：電鍍或噴鍍的方法覆蓋在鋼材表面。 非金屬覆蓋：在鋼材表面用非金屬材料做為保護膜, 如噴涂涂料、搪瓷和塑料等。 混凝土用鋼筋的防銹： 提高砼密實度； 鋼筋砼保護層厚度；,限制使用含Cl-的外加劑； 鋼筋涂覆環(huán)氧樹脂或鍍鋅。,（二）鋼材的防銹蝕,七、建筑鋼材的品種及選用,鋼結構用鋼 碳素鋼 低合金高強度結構鋼 鋼筋混凝土結構用鋼筋 熱軋鋼筋 冷軋鋼筋 冷拉碳素鋼,碳 素 結 構 鋼,定義：指各種鋼結構中采用的結構鋼和工程用熱軋 鋼板、型鋼等。 牌號及其表

19、示方法： 舉例：Q235AF 表示屈服點為235MPa，A級沸騰鋼。 Q235B 表示屈服點為235MPa，B級鎮(zhèn)靜鋼。,（一）鋼結構用鋼,碳 素 結 構 鋼,選擇： 碳素結構鋼依牌號增大，含碳量增加，強度增大，但塑性和韌性降低 建筑工程中主要應用Q235號鋼 特點：具有較高的強度，良好的塑性、韌性，可焊性及可加工等綜合性能好,且冶煉方便,成本較低， 因此，廣泛用于一般鋼結構。 Q195、Q215號鋼材 特點：強度較低，但塑性、韌性較好，易于冷加 工，可制作鉚釘、鋼筋等。 4,（一）鋼結構用鋼,碳 素 結 構 鋼,選擇： Q255、Q275號鋼材 特點：強度高，但塑性、韌性、可焊性差，可用 于

20、鋼筋混凝土配筋及鋼結構中的構件及螺栓等。 受動荷載作用結構、焊接結構及低溫下工作的 結構，不能選用A、B質量等級鋼及沸騰鋼。,（一）鋼結構用鋼,低 合 金 高 強 度 鋼,定義 在碳素結構鋼的基礎上，添加少量的一種或幾 種合金元素，在合金元素的總含量小于5%的 結構鋼。 常用的合金元素：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。 牌號及其表示方法： 三部分表示：Q+屈服點數值+質量等級 五個牌號： Q295、 Q345、 Q390、 Q420和 Q460。,（一）鋼結構用鋼,低 合 金 高 強 度 鋼,低合金鋼的牌號表示：含碳量+合金元素種類、含量 前兩位數字表示平均含碳量的萬分數； 其后的元素符號表

21、示按主次加入的合金元素； 合金元素后面如未附數字，表示其平均含量在1.5%以下； 如附有數字“2”,表示其平均含量在1.5%2.5%之間； 最后如附有“b”,表示為半鎮(zhèn)靜鋼，否則為鎮(zhèn)靜鋼。 如：16Mn 表示平均含碳量為0.16%，合金元素平均 含量低于1.5%的鎮(zhèn)靜鋼。,（一）鋼結構用鋼,低 合 金 高 強 度 鋼,選用： 特點：輕質高強，耐蝕性、耐低溫性好，抗沖 擊性強，使用壽命長等良好的綜合性能；具 有良好的可焊性及冷加工性，易于加工與施工。 尤其適用于高層及大跨度建筑(如大跨度橋梁、 大型廳館、電視塔等)的主體結構材料。 與普通碳素鋼相比可節(jié)約鋼材，而且可以減輕 自重，延長使用壽命，經

22、濟效益顯著。,（一）鋼結構用鋼,熱 軋 鋼 筋,含義：包括熱軋光圓鋼筋和熱軋變形鋼筋。 牌號及其表示方法： 四個牌號：HPB235、HRB335、HRB400、 HRB500 牌號意義： R代表熱軋光圓鋼筋、HRB代表熱軋帶肋鋼筋。 熱軋光圓鋼筋由碳素結構鋼軋制而成，表面光圓； 熱軋帶肋鋼筋由低合金鋼軋制而成，外表帶肋。 牌號中的數字： 表示熱軋鋼筋的屈服強度。,（二）鋼筋混凝土結構用鋼,熱 軋 鋼 筋,選用： 光圓鋼筋的強度較低,但塑性及焊接性好,便于 冷加工,廣泛用做普通鋼筋混凝土。 HRB325，HRB400帶肋鋼筋的強度較高，塑性及 焊接性也較好,廣泛用做大、中型鋼筋混凝土結 構的受力

23、鋼筋。 HRB500帶肋鋼筋強度高，但塑性與焊接性較差 ，適宜作預應力鋼筋。,（二）鋼筋混凝土結構用鋼,冷 拉 熱 軋 鋼 筋,目的：為了提高強度以節(jié)約鋼筋，工程中常按施工 規(guī)程對熱軋鋼筋進行冷拉。 分級： 冷拉級、冷拉級 冷拉級、冷拉級 選用 冷拉I級鋼筋適用作非預應力受拉鋼筋。 冷拉、級鋼筋強度較高，可用作預應力混凝土 結構的預應力筋。 由于冷拉鋼筋的塑性、韌性較差，易發(fā)生脆斷， 因此，冷拉鋼筋不宜用于負溫度、受沖擊或重復荷載作用的結構。,（二）鋼筋混凝土結構用鋼,冷 軋 帶 肋 鋼 筋,冷軋帶肋鋼筋是用低碳鋼熱軋圓盤條經冷軋或冷 拔減徑后，在其表面冷軋成三面有肋的鋼筋。 冷軋帶肋鋼筋代號

24、為CR，按抗拉強度分為三級： CRB550、 CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170， 數值表示鋼筋應達到的最小抗拉強度值。 冷軋帶肋鋼筋提高了鋼筋的握裹力，可廣泛用于 中、小 預應力混凝土結構構件和普通鋼筋混凝土 結構構件，也可用于焊接鋼筋網。,（二）鋼筋混凝土結構用鋼,預 應 力 鋼 絲,分類：按交貨狀態(tài)分為冷拉鋼絲、消除應力鋼絲； 按外形分為光面鋼絲、刻痕鋼絲、螺旋鋼絲； 按松馳能力分為I級松馳和級松馳兩級。 代號：RCD(冷拉鋼絲)、S(消除應力鋼絲)、 SI(消除應力刻痕鋼絲)、SH(消除應力螺旋 肋鋼絲)。 作用：節(jié)約鋼材、減小構件截面、節(jié)省混凝土。 應用：橋梁、吊車梁、大跨度屋架、管樁等預應 力鋼筋混凝土構件中。,（二）鋼筋混凝土結構用鋼,預 應 力 鋼 絞 線,分類： 按捻制結構分為三類： 用兩根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為12）； 用三根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為13）； 用七根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為17）。 按應力松馳能力分為 I級松馳和級松馳兩種。 應用：主要用于大跨度、大負荷的橋梁、電桿、枕軌 屋架、大跨度吊車梁等。 特點：安全可靠，節(jié)約鋼材，且不需冷拉，焊接接頭 等加工，在土木工程中得到廣泛應用。,（二）鋼筋混凝土結構用鋼,華北某廠需焊接一座露天需承受動荷載的鋼支架，該廠已有三種碳素結