第二章建筑钢材

第二章建筑钢材 本章概述了钢材的冶炼、加工及分类方法。重点介绍了钢材的力学性能、工艺性能及现行国家标准或规范对钢材的性能及技术要求。阐述了钢的化学成分及所含合金元素等对钢材性能的影响。介绍了碳素结构钢和低合金结构钢的牌号表示方法、技术要求及各类牌号钢材的性能和用途。论述了钢结构和钢筋混凝土结构采用的主要钢材品种及特点、如何正确地选材、合理地用材及钢材的锈蚀成因及防护方法。

第八章建筑钢材 • 教学要求： • 了解钢材的分类； • 掌握建筑钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性能、冲击韧性和硬度； • 掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影响； • 了解钢材的冷加工、热处理和焊接； • 教学重点、难点： • 建筑钢材的力学性质；

一、钢的冶炼和分类 1、钢的冶炼　　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。 　　生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。　　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。　

（1）概述 （1）钢材的定义： • 钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料；（2）钢材的优点以及缺点： • 优点：（1）抗拉、抗压、抗冲击性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便； • 缺点：易锈蚀；

（2）建筑钢材 • 建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。 • 建筑钢材主要包括： • 钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等）； • 板材（如钢板等）； • 混凝土用各种钢筋、钢丝和钢绞线等；

钢结构用各种型材示意图

1、按冶炼方式分类 分类三大类:（1）转炉钢（2）平炉钢（3）电炉钢；（1）转炉钢： • 以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢； • 转炉钢的缺点： • 吹炼时易混入空气中的氮、氢等杂质，故建筑中常用的是氧气转炉钢； • 熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；

1、按冶炼方式分类 （2）平炉钢： • 以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做平炉钢； • 平炉钢的特点： • 熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较转炉钢高；

（1）、按冶炼方式分类 （3）电炉钢： • 用电热进行高温冶炼而得到的钢；一般用高压电弧作为热源，故熔炼的温度高，且温度可以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最好； • 电炉钢的特点： • 熔炼温度可自由调节，清除杂质彻底，因此质量最好，但成本最高；

（2）、按脱氧的方式分类 （1）沸腾钢；（2）镇静钢；（3）半镇静钢 • （1）沸腾钢的特点：含杂质较多，质量较差，致密性差，但成本低；（2）镇静钢 • 镇静钢的特点：结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量较好的钢种，但是产品率低，且成本较高；（3）半镇静钢： • 半镇静钢的特点：脱氧程度以及钢的质量介于沸腾钢和半镇静钢之间；

(3)、按压力加工方式分类 (1）热加工钢材：是将钢锭加热到一定温度，使得钢锭成呈塑性状态进行的压力加工，如热轧、热锻（2）冷加工钢材：指在常温下进行加工的钢材； • 压力加工的目的：排掉冶炼、铸锭过程中钢材结构的不均匀、气泡等缺点；

(4)、按化学成分分类 分类：（1）碳素钢；（2）合金钢（1）碳素钢：指含碳量小于2%的钢，一般又分为以下三种：碳素钢分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢（2）合金钢：为改善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或几种合金元素；如硅、锰和镍等； • 合金钢分为低合金钢、中合金钢、高合金钢、中碳钢、高碳钢。

（5）、按主要质量等级分类 （1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢；（6）、钢材按用途分为三大类：（1）结构钢：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢；（2）工具钢：用于各种切削工具的钢；（3）特种钢：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等；

（7）、建筑钢材按用途分类 1、钢结构用钢； 2、混凝土结构用钢；总结：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢；

1、钢材的分类

二、钢材的性质 钢材的性质包括强度、弹性、塑性和韧性

（1）、拉伸试验 低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段弹性阶段（I）：测定弹性模量；屈服阶段（II）：测定屈服强度。强化阶段（III）：测定抗拉强度。颈缩阶段（IV）：测定伸长率。

钢筋的拉伸实验

钢筋塑性的表示指标 伸长率：试件拉段后，标距长度的增量与原标距长度之比；断面收缩率：是指断面口处的面积收缩量与原面积之比；冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲的能力。冷弯曲实验一般是把钢材按规定的角度（90或180度）与n(n=弯心直径d/钢材的厚度或直径a)进行弯曲。

例：为什么说屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？例：为什么说屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？ • 屈服点（σs）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过σs值； • 屈服点与抗拉强度的比值（σs／σb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度； • 伸长率（δ）:表示钢材的塑性变形能力。 • 钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过σs时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。

[工程实例分析]钢结构屋架倒塌 概况：某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。分析讨论：首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，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，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。

（2）、冲击韧性 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，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αk表示(J/cm2)。αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图8.3)。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。

图8.3 冲击韧性试验图 (a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机 1—摆锤；2—试件；3—试验台；4—刻度盘；5—指针

(3)、硬度 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。如图8.4。

图8.3 布氏硬度测定示意图

（4）、疲劳强度 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。

（5）、冷弯性能 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，表示对冷弯性能的要求愈高。如图8.5所示　　钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。

图8.5 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

三、钢的化学成分对钢材性能的影响 (1)碳是决定钢材性能的主要元素。　　如图所示，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。 (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。

(3)硫、磷 　　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，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。

(4)氧、氮 　　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　是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。

图含碳量对热轧碳素钢性质的影响 σb—抗拉强度；αk—冲击韧性；HB—硬度； δ—伸长率；φ—面积缩减率

四、钢材的冷加工、时效 冷加工：指的是钢材在常温下进行的加工，常见的有冷拔、冷拉、冷轧，冷扭、刻痕等；时效：钢材随着时间的延长，强度和硬度提高，而塑性、韧性下降的现象；在冷加工状态下，时效性特别明显。分为自然时效和人工时效两种。以钢筋的冷拉为例(图8.5)，图中OBCD为未经冷拉时的应力-应变曲线。一般建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强度。

钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

冷加工在工程中的应用 钢筋冷拉后屈服强度可提高15%~20%，冷拔后屈服强度可提高40%~60%。　　冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔(如图8.6)，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。 

冷拔模孔

例题：何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？例题：何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？ • 解：在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。 • 时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放15～20天，或者加热到100～200ｏＣ，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。 • 冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高20％～25％，抗拉强度也有提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。

补充知识 在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。

例8-5 从一批热轧钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN; 抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12ｍｍ，标距为60ｍｍ，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,评定其牌号？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？ • 解： 1. 钢筋试样屈服点为： • 钢筋试样抗拉强度为： • σb =(548+561)÷2 = 555 N/mm2

例题 • 钢筋试样伸长率为： • δ=(17.7+19.0)÷2 =18.4% • 查表8-6知σs1、σs2均大于335 N/mm2, • σb1、σb2均大于490 N/mm2, • 钢筋试样伸长率均大于16% • 故该钢筋为II级钢（牌号为HRB335）。 • 2. 该钢筋的屈强比为： • σs/σb = 385/555 =0.69 • 该II级钢筋的屈强比在0.65~0.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。

练习题： 1、钢是指含碳量低于【】的铁碳合金。 A.0.25％ B.0.6％ C.2％ D.5％【正确答案是：C】

练习题： 2、低碳钢拉伸处于【】时，其应力与应变成正比。 A.弹性阶段 B.屈服阶段 C.强化阶段 D.颈缩阶段【正确答案是：A】

练习题： 3、低碳钢拉伸处于【】时，其应力的变化滞后于应变。A.弹性阶段 B.屈服阶段 C.强化阶段 D.颈缩阶段【正确答案是：B】

练习题： 4、钢材的伸长率越大，表示其【】越好。 A.抗压强度 B.塑性 C.硬度 D.抗拉强度【正确答案是：B】

第二章 建筑钢材