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1、 本章学习目标本章学习目标v了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系v熟练掌握建筑钢材的力学性能v熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法v掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。第第7 7章章 建筑钢材建筑钢材本章考试大纲本章考试大纲 建筑钢材建筑钢材钢结构用钢钢结构用钢钢筋混凝土用钢钢筋混凝土用钢 17世纪70年代人类开始大量应用生铁作建筑材料，到19世纪初发展到用熟铁、软钢建造桥梁和房屋。19世纪中叶起，钢材的品种、规格、生产规模大幅度增长，钢材的强度不断提高，相应地其连接工艺技术也大为发展，为建筑结构向大跨重载方向发展奠定了重要基础。与此同时，钢筋混凝土的问世和20世纪30年代预应力混凝
2、土的诞生，使近代建筑结构的型式和规模发生了飞跃性进展,随着钢的冶炼和加工技术的进步以及新型建筑结构对材料提出更高性能的要求，促使高强耐蚀的合金钢产量从60年代初开始大幅度增长。钢材及其与混凝土复合的钢筋混凝土和预应力混凝土，已成为现代建筑结构的主体材料。v土木工程钢材的基本知识v土木工程常用钢材v其他金属材料铝及铝合金铜及铜合金铸铁v钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁。v土木工程钢材是指用于钢结构的各种型钢、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。优点：品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。缺点：
3、易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大.&钢的冶炼 钢主要用三种方法冶炼：氧气转炉钢 用纯氧吹入铁液中是碳和杂质氧化电炉钢 主要用废钢返回熔炼活动各种特殊钢平炉钢 以煤气或重油作燃料，原料为铁液、废钢铁和适量的铁矿石，利用空气或氧气和铁矿石中的氧使碳和杂质氧化&钢的分类分类 一、按化学成按化学成分分碳素钢碳素钢合金钢合金钢低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢低合金钢低合金钢中合金钢中合金钢高合金钢高合金钢二、按质量分按质量分普通钢普通钢优质钢优质钢高级优质钢高级优质钢特级优质钢特级优质钢三、按用途分按用途分结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等特殊性能钢：不锈钢、
4、耐酸钢、耐热钢、磁钢等四、按冶炼方法分按冶炼方法分按炉的种类按炉的种类平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢电炉钢电炉钢按脱氧程度按脱氧程度沸腾钢（沸腾钢（F）镇静钢（镇静钢（z）半镇静钢（半镇静钢（b）u建筑用钢主要用普通碳素结构钢中的低碳钢和低合金钢建筑用钢主要用普通碳素结构钢中的低碳钢和低合金钢u承受动荷载的重要焊接结构，只能使用镇静钢承受动荷载的重要焊接结构，只能使用镇静钢v焊接结构，不得使用沸腾钢焊接结构，不得使用沸腾钢 化学成分对钢性能的影响化学成分对钢性能的影响 除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si
5、、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，其中硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。化学元素化学元素强度强度硬度硬度塑性塑性韧性韧性可焊性可焊性其他其他碳（碳（C C）0.8%1%1%冷脆性冷脆性锰（锰（MnMn）脱氧、硫剂脱氧、硫剂钛（钛（TiTi）强脱氧剂强脱氧剂钒（钒（V)V)时效时效磷（磷（P P）偏析、冷脆偏析、冷脆氮（氮（N N）冷脆性冷脆性硫（硫（S S）热脆性热脆性氧（氧（O O）化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响&钢材的力学性能钢材的力学性能 钢材的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等。抗拉性能抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最
6、重要的技术性质。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显地分为以下四个阶段：钢筋的应力钢筋的应力-应变关系应变关系 Stress-Strain Relation voABCD弹性阶段弹性阶段(OA(OA段段)：弹性模量：弹性模量屈服阶段屈服阶段(AB(AB段段)：屈服强度：屈服强度强化阶段（强化阶段（BCBC段段)：抗拉强度：抗拉强度颈缩阶段（颈缩阶段（CDCD段段)：伸长率：伸长率冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度(a)和弯心直径(d)为指标表示。钢材冷弯试验是通过直径(或厚度)为a
7、的试件，采用标准规定的弯心直径d(d=na)，弯曲到规定的角度(180或90)时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象，若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。&钢材的工艺性能钢材的工艺性能 钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表明钢材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验，它能揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。&焊接性能焊接性能 焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。v焊接是
8、把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定 钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材
9、的强度。钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。&冷加工时效及其应用 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性 和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的。钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。冷拔是将6一8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤
10、压缩小而纵向伸长。v冷加工强化 将经过冷拉的钢筋。于常温下存放1520d，或加热到100200并保持23h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称为人工时效、通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。时效作用：屈服强度提高，抗拉强度提高，塑性、韧性降低，钢材利用率增加 v时效冷加工强化作用：屈服强度提高，塑性、韧性降低，钢材长度增加 建筑工程用钢主要有钢结构用钢和钢筋混凝土用钢两类。&建筑钢材的选用 碳素结构钢碳素结构钢 国家标准国家标准GB 700-88GB 700-88碳素结构钢碳素结构钢中规定，牌中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈
11、服点数值、质量等级符号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”Q”代代表屈服点；屈服点数值共分表屈服点；屈服点数值共分195 195 MPaMPa、215 215 MPaMPa、235 235 MPaMPa、255 255 MPaMPa和和275 275 MPaMPa五种；质量等级以硫、磷等五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为杂质含量由多到少，分别为A A、B B、C C、D D符号表示；符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。
12、随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要求降低。v例如：Q235AF表示屈服点为235 Mpa的A级沸腾钢。随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。钢结构中，主要应用的是碳素钢Q235。还有其它几种碳素结构钢常用于土木工程中。vQ195强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘等。vQ215与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。vQ235强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工
13、性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构，Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构，Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。vQ255强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。vQ275强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，不宜在建筑结构中使用，主
14、要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板等。低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的牌号的表示方法为：屈服强度质量等级，它以屈服强度划分成五个等级：295、Q345、Q390、Q420、Q460，质量也分为五个等级：E、D、C、B、A。国家标准GB 1591-94低合金高强度结构钢 规定了各牌号的低合金高强度结构钢的化学成力学性能和工艺性能。由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。&钢筋混凝
15、土用钢材 热轧钢筋热轧钢筋 钢筋混凝土用热轧钢筋，根据其表面状态特征分为光圆钢筋和带肋钢筋。其力学性能和用途见表8.6和表8.7 I级钢筋由碳素结构钢轧制，其余均由低合金钢轧制。I级钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋。II级和III级钢筋的强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。IV级钢筋强度高，但塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。v力学性能和工艺性能表面形状钢筋级别强度等级代号公称直径(mm)屈服点s(MPa)抗拉强度b(MPa伸长率(%)冷弯d-弯心直径a-钢筋直径不
16、小于光圆HPB23582023541023180d=0.5a光圆钢筋的力学性能和工艺性能（GB/T701-1997）热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能(GB1499-1998)牌号公称直径(mm)屈服点s(MPa)抗拉强度b(MPa伸长率(%)冷弯d-弯心直径a-钢筋直径不小于HRB3356252850335490163a4aHRB4006252850400570144a5aHRB5006252850500630126a7a 预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋 热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中碳低合金钢)经淬火和高温回火调质处理而成的。其特点是塑性降低不大，但强度提高很多，综合性能比较理想。其主要用于预应力混凝土轨枕，代替碳素钢丝。冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝 冷拔低碳钢丝是将直径为6.58mm的Q235热轧盘条钢筋，经冷拔加工而成。根据标准GB50204一92的规定，冷拔低碳钢丝分为甲、乙两级，甲级丝适用于作预应力筋，乙级丝适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。预应力混凝土用钢丝和钢绞线预应力混凝土用钢丝和钢绞线 适用于大荷载、大跨度、曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构。
