1、2 建筑钢材2G 微观结构及化学组成G 建筑钢材的主要力学性质G 钢材冷加工和热处理G 钢材的防火与防腐蚀G 建筑钢材的品种与选用2 建筑钢材 学习要求：了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系；熟练掌握建筑钢材的力学性能的意义，测定方法及影响因素；掌握常用的建筑钢材的分类及其选用原则。概 述金金 属属 材材 料料黑色金属黑色金属有色金属有色金属钢钢铸铁铸铁 碳素钢碳素钢 合金钢合金钢 铝和铝合金铝和铝合金铜和铜合金铜和铜合金轴承合金轴承合金粉末冶金粉末冶金概 述l 分类按化学成分分类低碳钢：含碳量0.6% 碳素钢 (碳钢） 合金钢低合金钢：合金元素总含量10% 概 述l 分类按杂质含量（品质）
2、分类普通钢：含硫量 0.050%，含磷量0.045%优质钢：含硫量 0.035%，含磷量0.035%高级优质钢：含硫量 0.025%，含磷量0.025%，牌号后加“高”或“A”特级优质钢：含硫量 0.015%，含磷量0.015%， 后加“E” 概 述l 分类按用途分类结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）特殊钢：具有各种特殊的物理化学性质（不锈钢） 按冶炼时脱氧程度分类沸腾钢：脱氧不充分，代号“F”镇静钢：脱氧充分，代号“Z”半镇静钢：脱氧程度介于“F”与“Z”之间，代号“b”特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ” 概 述优点-比强度高；塑性好、韧性好；能承受冲击和振动
3、荷载；加工性好。缺点-易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大。l 建筑结构工程中常用建筑钢材： 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l 建筑结构工程中常用的钢种: 碳素结构钢低合金高强度结构钢（一）金属的微观结构概述微观结构及化学组成l 金属的晶体结构 金属键强度、延展性 晶 格面心立方晶格、体心立方晶格、密集六方晶格 l 金属晶体结构中的缺陷 点缺陷、线缺陷、面缺陷l 金属强化的微观机理 细晶强化、固溶强化、弥散强化、变形强化如何理解：微观有序,各向异性 宏观无序,各向同性金属的微观结构概述（二）钢材的化学组成微观结构及
4、化学组成1. 碳 决定钢材性能的主要元素：l 铁素体: 碳在-Fe中的固溶体，由于-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少（小于0.005），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。l 渗碳体: 为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，是钢材中的主要强化组分。l 珠光体: 为铁素体和渗碳体的机械混合物，层状结构，性能介于铁素体和渗碳体之间.钢材的化学组成l 当C1%时，单独存在渗碳体系，C提高，强度、塑 性、韧性降低。注：含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和 可焊性。2. 硅：含量较低（小于1%）时，可提高
5、钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。3. 锰 ：低合金钢的主加合金元素。含量一般1%2 %，作用是提高强度，消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。钢材的化学组成4. 钛：强脱氧剂。能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。5. 钒：是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。钢材的化学组成6. 硫：很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。7. 磷：有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，温度愈低影
6、响愈大，偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。 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。钢材的化学组成8. 氧：有害元素。存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊性变差。9. 氮：有害元素。与碳、磷相似，使强度提高，塑性特别是韧性显著下降。可加剧时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、铌、钒等的配合下，可作为低合金钢的合金元素使用。钢材的化学组成（一）抗拉性能建筑钢材的主要力学性质0ABCEDFEC上上上屈服点C下下下屈服点OB弹性阶段BC屈服阶段CD强化阶段DE颈缩阶段钢材拉伸
7、过程的钢材拉伸过程的-图图抗拉性能0ABpE =/e弹性阶段（OB）：测定弹性模量e弹性极限 MPa p比例极限 MPa注：A、B两点相距较近， 一般认为p=e 。钢材拉伸弹性阶段示意图钢材拉伸弹性阶段示意图抗拉性能屈服阶段（BC）：测定屈服强度BC下C上CAB0C下C上C放大后放大后 钢材拉伸屈服阶段示意图钢材拉伸屈服阶段示意图抗拉性能 拉伸性能指标：（1）屈服强度（屈服点） 0sAFSFs 屈服阶段最小应力,N；Ao 钢材的截面积，mm2。 BC下C上C0.2%O注意：有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等硬钢）， 应采用产生残余变形为0.2%原标距长度时的应力 作为屈服点（称条件屈服点）
8、,记为0.2 。 抗拉性能 钢材拉伸强化阶段示意图b 抗拉强度或强度极限AB0C下下C上上CDb强化阶段（CD）：测定抗拉强度抗拉性能Fb为最大应力，N。碳素钢一般0.58-0.63，合金钢0.65-0.75抗震结构一般不超过0.800bAFb可靠性参数 bs屈强比值越小可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。抗拉性能（2）抗拉强度：钢材所能承受的最大强度。 拉伸性能指标：0E钢材拉伸颈缩阶段示意图AB0C下C上CD颈缩阶段（DE）：测定伸长率抗拉性能意义： 值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性增强， 安全性增强。 值有两种：5表示l0=5d0，d0钢材直径； 10表示l0=1
9、0d0，d0钢材直径。%100lll001lo试件原始标距长度，mm ；l1试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。 伸长率伸长率塑性指标 断面收缩率断面收缩率%100010AAA 断面收缩率A0 原断面面积 A1 拉断后断面面积塑性指标冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90或180）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。钢材在常温下承受弯曲变形的能力。建筑钢材的主要力学性质（二）冷弯性能钢材抵抗冲击荷载破坏的能力，称为冲击韧性。表示：冲击韧性值k(J/cm2 )测定：冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。对经常承受较大冲击荷载的结构，
10、应选择k 值较高的钢材。影响因素：钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量。建筑钢材的主要力学性质（三）冲击韧性冲击韧性试验图 (a)试件尺寸；试件尺寸；(b)试验装置；试验装置；(c)试验机试验机 1摆锤；摆锤；2试件；试件；3试验台；试验台；4刻度盘；刻度盘；5指针指针 冲击韧性冷脆性随着时间的进展，钢材机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。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。对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。时效及时效敏感性 表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用测定硬度的方
11、法-布氏法。建筑钢材的主要力学性质（四）硬度钢材的疲劳极限：取交变应力循环次数N=107时试件不发生破坏时的最大应力。建筑钢材的主要力学性质（五）耐疲劳性钢材冷加工和热处理（一）冷加工强化及时效强化概念：指钢材在常温下进行的加工。方式：冷拔、冷拉、冷轧，冷扭、刻痕等。特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度（冷加工强化 处理），但塑性、韧性及弹性模量降低。目的：提高强度，节约钢材。时效处理：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, 这个过程称为时效处理。自然时效人工时效冷拔，是指在材料的一端施加拔力，使材料通过一个模具孔而拔出的方法，模具的孔径要
12、较材料的直径小些。冷拔后屈服强度可提高40%60%。冷拔O 未经冷拉时 冷拉过程 冷拉后未经时效 冷拉后经时效处理ABCD钢筋的应力应变图O结论1：钢筋经过冷拉后未经时效处理，也就是立即拉伸，则其屈服强度、硬度得到了提高，但是塑性、韧性降低了。结论2：冷拉后的钢材再经时效后，屈服强度、硬度进一步提高，抗拉强度也得到提高，而塑性和韧性进一步降低。一般屈服点可提高20%25%KK1C1D1冷拉 按照一定的规制，对钢材进行加热、保温和冷却，使得钢材的性能按要求而改变的过程。 退火保温加热淬火正火回火温度时间钢材冷加工和热处理（二）钢材的热处理淬火：将钢加热到723910（依含碳量而定）以上的某一温度
13、，保温使其晶体组织完全转变后，立即在水或油中淬冷的工艺过程，称为淬火。-强度和硬度大为提高。塑性和韧性明显下降。回火：将淬火后的钢材在723以下的温度范围内重新加热，保温后按一定速度冷却至室温的过程，成为回火。-消除淬火产生的内应力，恢复塑性和韧性，但硬度下降。 加热温度愈高，硬度降低愈多，塑性和韧性恢复愈好。钢材的热处理退火： 将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却(随炉冷却)。有低温退火和完全退火之分。低温退火的加热温度在基本组织转变温度以下；完全退火的加热温度在800850。-细化晶粒，改善组织，减少加工中产生的缺陷、减轻晶格畸变，降低硬度，提高塑性，消除内应力，防止变形、开裂。正火： 也
14、称正常化处理，是将钢材加热到723910或更高温度，然后在空气中冷却的工艺过程。-能获得均匀细致的显微结构，与退火处理相比较，钢材的强度和硬度提高，但塑性较退火为小。钢材的热处理定义：焊接是将两金属的接缝处加热熔化或加压，或两者并用，以造成金属原子间和分子间的结合，从而使之牢固地连接起来。方式：电弧焊和电渣压力焊。焊接的质量取决于钢材的焊接性、焊接工艺和焊接材料。限制钢材中的含碳量和碳当量。质量等级：一、二、三级，其中三级焊缝通过目测检测，二级焊缝检测方法为：超声波检测；一级焊缝检测方法为：超声波检测和X光探伤检测。钢材冷加工和热处理（三）钢材的焊接钢材的防火和防腐蚀（一）防火防火基本原理：采
15、用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法：以包覆法为主-防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。 钢材的防火和防腐蚀（二）防锈化学腐蚀直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀，多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。电化学腐蚀钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池。应力腐蚀在应力状态下锈蚀速度加快的现象。钢筋冷弯处、预应力钢筋都会因为应力的存在而加速锈蚀。锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，降低钢材的性能，因而承载力降低。钢材的防锈钢结构：通常是采用表面涂覆的方法。混凝土配筋：根据结构的性质和
16、所处环境条件等，主要是保证混凝土的密实、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度等，还可掺用阻锈剂。钢材的组织及化学成分：通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效地提高钢材的抗腐蚀能力。例如，炼钢时在钢中加入铬、镍等合金元素，可制得不锈钢。建筑钢材的品种与选用（一）建筑钢材的主要钢种 1. 碳素结构钢 化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.060.24。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） 牌号表示方法 牌号由代
17、表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级和脱氧程度四个部分按顺序组成。 Q屈服点数值质量等级脱氧程度 Q195 A F（沸腾钢） Q215 B Z（镇静钢） Q235 C TZ（特殊镇静钢） Q275 D Z,TZ经常忽略 如：Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢； Q235C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。.碳素结构钢力学性能 冷弯性能冶炼方法交货状态表面质量 技术要求现行国家标准：碳素结构钢（GB700/T2006）具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。碳素结构钢 应用Q195、Q215：含碳量低，强度低，塑性、韧性、加工性能和可焊性好，主要用于轧制
18、薄板和盘条、制造铆钉、地脚螺栓。Q235：含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。Q275：强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的结构及加工机械零件。碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。碳素结构钢 特点 在碳素结构钢的基础上加入总量小于5%的合金元素即低合金高强度结构钢。-加入的元素有：锰、硅、钒、钛等。 与碳素钢相比，具有高的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性、耐低温性能等。因此，它
19、是综合性较为理想的建筑钢材，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用。另外成本并不很高。建筑钢材的品种与选用（一）建筑钢材的主要钢种 2. 低合金高强结构钢 牌号的表示方法 由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成。 Q 屈服点数值 质量等级（按冲击韧性即S,P含量） Q345 A Q390 B Q420 C Q460 D Q500 E Q550、 Q620、 Q690现行国家标准低合金高强度结构钢（GB/T15912008）低合金高强结构钢应用Q345、Q390：综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于承受较高荷载的焊接
20、结构。Q420、Q460：强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及要求强度高、荷载大的轻型结构。 低合金高强结构钢1. 钢筋 钢筋混凝土结构用钢筋及钢丝是用碳素钢或低合金钢经加工而成的。 按加工工艺分：热轧钢筋、冷拉钢筋、冷扎带肋钢筋等，还有冷拔低碳钢丝等。D=6-40mmD=5-2.5mm建筑钢材的品种与选用（二）常用建筑钢材 热轧钢筋 一种条形钢材，由碳素钢或低合金钢的钢坯加热轧制而成。 表面形状牌号横截面通常为圆形月牙肋等高肋（螺旋纹）光圆钢筋带肋钢筋H（热轧）、B（钢筋）P（光圆）、R（带肋）热轧光圆钢筋：HPB235 -碳素结构钢热轧带肋钢筋：HRB335
21、 -低合金钢规定屈服强度最小值常用建筑钢材1. 钢筋热轧钢筋的选用HPB235和HPB300（热轧光圆钢筋） 强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工。 广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及构造筋。HRB335和HRB400 强度较高，塑性和焊接性能也较好。 广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。HRB500 强度高，但塑性和焊接性能较差。 可用作预应力钢筋。牌号，屈服强度、抗拉强度，塑性、冷弯性能、冲击韧性 常用建筑钢材1. 钢筋-热轧钢筋 冷轧带肋钢筋 采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋。 按抗拉强度分为4级，其代号为CR
22、B550、CRB650 、CRB800 、CRB970。 CRB：Cold rolling ribbed steel bar，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。强度高，但塑性差，强屈比变小。适用于中、小预应力混凝土结构和普通钢筋混凝土结构。常用建筑钢材1. 钢筋 热轧型钢 主要采用碳素结构钢Q235-A，其强度适中、塑性及可焊性较好，成本低，适合建筑工程使用。 在低合金钢中推荐使用Q345及Q390。用于大跨度、承受动载的钢结构中。 热轧型钢有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等。常用建筑钢材2. 型钢常用建筑钢材2. 型钢 冷弯薄壁型钢 有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等 空心薄壁型钢。 主要用于轻型钢结构。 钢板按供货：平板状态供货的钢板 卷状供货钢带按轧制温度：热轧、冷轧按厚度：厚、薄应用于：重型结构主要是碳素结构钢 大跨度桥梁等也采用低合金钢 压型钢板 波纹、保护层、屋面板、楼板、墙板等。常用建筑钢材2. 型钢建筑钢材的品种与选用（三）建筑钢材选用荷载性质 使用温度 连接方式 钢材厚度 结构重要性 课后思考1. 为什么不用钢材的抗拉强度作为结构设计时取值的依据？2. 屈强比在工程中有何意义？
