1、第五章 建 筑 钢 材建筑钢材 可用作主要的结构材料、也可以用作连接材料、围护材料和饰面材料等。优点：高的抗拉强度 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 生产能耗大本 章 内 容 1、钢材的基本知识：、钢材的基本知识：铁和钢的概念；钢的分类；钢的冶炼和脱氧及其对钢质量的影响；钢铁和钢的概念；钢的分类；钢的冶炼和脱氧及其对钢质量的影响；钢材的化学成分及其对钢性能的影响。材的化学成分及其对钢性能的影响。2、钢材的主要技术性质：、钢材的主要技术性质：力学性质力学性质工艺性能。工艺性能。3、钢材的冷加工和热处理：、钢材的冷加工和热处理：钢材的加工强化和时效
2、处理钢材的加工强化和时效处理钢材的热处理。钢材的热处理。4、建筑钢材的技术标准及选用：、建筑钢材的技术标准及选用：碳素结构钢碳素结构钢低合金结构钢低合金结构钢钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。5、建筑钢材的防锈：钢的锈蚀、钢材防锈的要点、建筑钢材的防锈：钢的锈蚀、钢材防锈的要点 第一节 钢材的基本知识 铁和钢的概念;钢的分类;钢材的化学成分及其对钢性能的影响.next一、钢的生产 钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素：碳C含量2.11，杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.116.69，并含较多杂质的。冶 炼生 铁钢 生铁中的碳氧
3、化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量（一）冶炼 根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种 原料 特 点 生产钢种氧气转炉 铁水，废钢 可有效除去磷、硫杂质少，碳素钢 效率高 质量好。低合金钢 电炉 生铁、废钢 产量低、耗电大，杂质少 合金钢 质量最好，成本高 优质碳素钢平炉 生铁、废钢 时间长，成分稳定 碳素钢 质量较好、成本较高 低合金钢（二）脱氧 沸腾钢：碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F)半镇静钢：脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B)镇静钢：脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效
4、敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z)特殊镇静钢：脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ)问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和时效敏感性增大等。脱氧程度排序：特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢 钢材性能与质量排序：特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢back二、钢的分类钢按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢；按化学成分分：碳素钢（再按含碳量）、合金钢（再按合金含量）按质量分（根据S、P含量分）
5、：普通碳素钢、优质碳素钢、高级碳素钢；按用途分：结构钢、工具钢、特殊钢back三、化学成分对钢材性质的影响化学化学元素元素强度强度韧性韧性塑性塑性其其 他他 性性 能能C C增加增加降降 低低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向SiSi增加增加影响不大影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性MnMn增加增加影响不大影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P P稍有稍有增加增加显著降低显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨
6、和耐蚀性性S S降低降低降降 低低增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O O降低降低降降 低低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性脆性N N提高提高降降 低低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性效敏感性TiTi提高提高改善改善 降低降低提高焊接性和抗蚀性提高焊接性和抗蚀性V V提高提高改善改善减少冷脆性、降低焊接性减少冷脆性、降低焊接性back 第二节第二节 建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的主要技术性能 钢材的力学性质 钢材的工艺性能nex
7、t一、钢材的力学性质 钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：塑性、强度、韧性、硬度和疲劳强度等。拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式（一）塑 性 钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性,用伸长率和断面收缩率来表示。伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大L1 L0 伸长L0L1F0F1F1 F0 颈缩伸长率（）n=(L1-L0)/L0100%断面收缩率（）=(F0-F1)/F0100%back（二）强 度 钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度，用拉伸试验测定。强度指标根据其变形特点分下列几个：弹性极限（p）表示钢材保持弹性变形,不产生塑性变形的最大应力
8、,是弹性零件的设计依据。屈服强度（s）表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。强度极限(抗拉强度b)表示金属受拉时所能承受的最大应力。0钢材拉伸过程的-图OB弹性阶段BC屈服阶段CD强化阶段DE颈缩阶段A0BCB0DCEDFEC上上屈服点C下下屈服点以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。低碳钢的拉伸试验曲线0钢材拉伸弹性阶段示意图AB0弹性阶段p比例极限，MPa。pBB弹性极限，MPa。注：由于A、B两点相距较近，一般认为p=B。0 钢材拉伸屈服阶段示意图AB0C下C上CBC下C上C屈服阶段放大
9、后0 钢材拉伸强化阶段示意图AB0C下C上CD D D D D强化阶段bb 抗拉强度或强度极限。DC0E钢材拉伸颈缩阶段示意图AB0C下C上CDDE颈缩阶段2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。条件屈服点0.2：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。0A0.2%aboa总变形。ba弹性变形99.8%。ob塑性变形0.2%。问题：什么是屈强比，对选用钢材有何意义？答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s/b。在应用中，s/b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈
10、高,不易发生脆性断裂和局部超载引起的破坏。但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济；若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。back（三）、冲击韧性定义及指标指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值k表示。k 越大，则冲击韧性越好。k是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。影响因素硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。（三）冲击韧性 钢材冲击韧性的高低不仅取决于其化学
11、成分、组织状态、冶炼的质量，还与环境温度有关。冷脆性：随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。时效：随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象。冲击试验：测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。再测量试件断裂面积。摆锤试件H0H1back（四）硬度 钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。洛氏硬度测量原理图 布氏硬度测量原理图 back（五）疲劳强度 在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲
12、劳破坏。钢材承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受规定的周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用t 表示。back二、钢材的工艺性能 冷弯性能 可焊性 切削切工性能 锻造性能 热处理工艺性能 back（三）、工艺性能1.冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。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。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。P钢材的冷弯试验ad外拱面back（三）
13、、工艺性能2.可焊性 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点back第第 三三 节节热处理、冷加工强化与时效对热处理、冷加工强化与时效对钢性质的影响钢性质的影响 next一、加工硬化与时效对钢材性质的影响 1
14、、冷加工处理 2、时效处理 钢材的冷加工强化和时效1.冷加工强化 冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。1、冷加工处理将钢筋拉伸超过弹性强度至某一点K，卸去荷载，此时由于试件已产生塑性变形，则曲线沿KO下降，KO大致与BO平行。如立即再拉伸，则应力-应变曲线成为OKCD，屈服点由B点提高到K点。但如果在K点卸载后进行时效处理，然后再拉伸，则应力-应变曲线成为OK1C1，屈服点提高至K1点，抗拉强度提高至C1点。表明
15、：经冷处理和时效对钢筋产生了强化作用。问题：直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？答：不能。因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。钢材的冷加工强化和时效2.时效钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。时效分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将其冷加工后，在常温下放置1520d；人工时效是将冷加工后的钢材加热至100200保持2h以上。经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。二、热处理对钢材性质的影响 热处理是将钢材
16、在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。热处理形式：退火、正火、淬火、回火等。温度727C等温处理回火淬火正火退火时间钢材的热处理工艺热处理对钢材性质的影响 退火可降低钢的硬度，提高塑性和韧性，消除冷加工处理中形成的缺陷和内应力；正火提高塑性和韧性，强度降低较小，使三者之间良好配合；淬火提高钢材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韧性；回火消除淬火后钢材的内应力和脆性；淬火和高温回火的联合处理称为调值，可使钢材既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。back第四节建筑钢材的标准与选
17、用 next建筑钢材主要有三大类：钢结构用钢；钢筋混凝土结构用钢；其它用途用钢。一、钢结构用钢 钢结构用钢有：碳素结构钢 优质结构钢 低合金结构钢（一）碳素结构钢 1、钢的牌号：根据国标GB700-1988，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。2、钢牌号与性能的关系 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，
18、塑性和韧性降低，可焊性变差。碳素结构钢3、选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如：Q195和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓等。Q235A使用于承受静载作用的钢结构；Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构。Q255和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等back（二）优质碳素结构钢 1、钢的牌号 用两位数字表示，代表平均含碳量的万分数，如含锰量较高时，在牌号后加注（Mn）。如：45号钢，表示其含碳量为0
19、.45%。2、选用：3045号钢，用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓；6580号钢，常用于制作碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。back（三）低合金结构钢 1、组成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量0.2%。2、合金元素的作用：细化结晶，起到细晶强化作用，不仅可提高强度和硬度，还可一定程度上增加塑性和韧性。弥散强化作用，较硬微粒均匀分散在晶粒内部，阻碍晶粒滑移变形，大大提高钢的强度和硬度。3、牌号：与碳素结构钢一样，用Q+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D、E）表示。4、特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可焊性。5、应用
20、：适合于大跨度结构、高层建筑和桥梁。低合金结构钢的性能要求(1)高强度：一般其屈服强度在300MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。低合金结构钢的组成特点(1)低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。(2)加入以锰为主的合金元素。(3)加入铌、钛或钒等辅加元素，可提高钢的强度和韧性。(4)加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。(5)加入少量稀土元素，可以脱硫
21、、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。问题：与碳素钢相比，低合金结构钢有何特点？答：由于低合金结构钢中的合金元素的细晶强化和弥散强化作用，以及含碳量低，有害杂质少，质量较高且稳定，使得低合金结构钢有以下特点：不但具有较高的屈服强度和抗拉强度，而且具有较好的塑性、韧性和适当的焊接性，耐低温性较好，时效敏感性也较小。back二、钢筋混凝土结构用钢 主要品种有：热轧钢筋；冷拉钢筋；热处理钢筋；冷轧带肋钢筋；冷拔地毯钢丝；预应力钢丝与钢绞线等。back（一）热轧钢筋 1、牌号：有、四个级别，其中、为带肋钢筋，牌号为：HRB+屈服强度的最小值构成，级为光圆钢筋，牌号为Q235；、级为热轧带肋钢筋有HR
22、B335、HRB400、HRB500 三个牌号。2、性能与用途：级钢筋的强度不高，弹塑性和可焊性好，用作预应力混凝土的受力筋或构造筋；、级强度高，塑性和可焊性也好，用于大中型钢筋混凝土结构的受力筋。级钢筋强度高，弹塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。back（二）冷拉钢筋 有、四个级别，他们由热轧钢筋经现场冷拉和人工时效处理得到。经冷拉后钢筋的力学性能应符合GB50204-92的规定。其中：级适用于普通混凝土结构中的受力筋；可用作预应力钢筋。back（三）预应力钢筋混凝土用热处理钢筋 有热轧带肋钢筋经淬火和高温回火调质处理得到，代号RB150。牌号：有40Si2Mn、48Si2Mn和45SI2
23、Cr三种。不能冷拉和焊接。性能：屈服强度不小于1325MPa，极限强度不小于1470MPa，伸长率不小于6。应符合GB4463-84的规定。用途：主要用于预应力混凝土梁、预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土结构。back（四）冷轧带肋钢筋 1、以普通低碳钢或低合金钢热轧圆条为母材，经多到冷轧（拔）减径和一道压痕而成的三面带肋钢筋。2、牌号：用LL+钢筋的抗拉强度等数值表示。有LL550、LL650、LL800三个级别。3、特性：具有较高的强度和较大的伸长率，且锚固性好。4、用途：可用于没有振动荷载和重复荷载的工业与民用建筑物的钢筋混凝土结构。LL550宜作受力主筋、架立筋、箍筋和构造钢筋；LL6
24、50和LL800宜作预应力混凝土结构构件的受力主筋。这些钢筋不宜在30C以下的环境使用。back（五）预应力混凝土用钢丝与钢绞线 1、预应力混凝土钢丝使用牌号为6080的优质碳素钢盘条，经酸洗、冷拉或冷拉再回火等工艺制成，分冷拉钢丝（L）和矫直回火钢丝（J）两种。为了增加握裹力，进行表面压痕，形成刻痕钢丝（JK）。2、特性：强度高、柔性好、无接头，质量稳定，不需焊接。3、用途：大跨度桥梁、屋架、吊车梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。back三、桥梁结构钢 1、性能要求：较高的强度、良好的素性、韧性、可焊性和较高的疲劳强度；较小的冷脆性和时效敏感性；良好的耐大气腐蚀性等。2、组成要求：气体杂质少，S、
25、P的含量应小于0.0450.040%，晶粒细化，脱氧完全。3、品种：主要有：16q、16Mnq、15MnVq、等。后一种根据硫、磷杂质含量不同，又分为A、B、C三个级别。桥梁结构钢4、用途：16q是专用焊接桥梁钢，具有优良的可焊性；6Mnq和15MnVq具有良好的综合机械性能，强度较高，塑性和韧性、可焊性度较好，是建造桥梁的主体结构的基本钢材。15MnVNq-A用于非焊接件；u15MnVNq-B用于受压和次要焊接件；u15MnVNq-C用于受拉、受弯和受疲劳控制的焊接杆件。四、钢轨钢 1、性能要求：具有较高的强度，较高的耐磨性、冲击强度和疲劳强度，良好的可焊性和耐腐蚀性。2、组成要求：C含量小
26、于0.82%，质地均匀纯净，内部不含白点、残余缩孔、非金属杂质等。3、品种：由碳素钢钢轨（U71、U74），合金钢钢轨（U71Cu、U71Mn、U70MnSi、U71MnSiCu）。五、其他用途钢及制品（一）不锈钢装饰制品 用作建筑物的柱、屋面、内外墙面、门窗、栏杆等的表面装饰。（二）彩色涂层钢板 用作建筑外墙板，屋面板，护壁板等。（三）轻钢龙骨 主要用作墙体和天花吊顶的龙骨支架。彩钢板的表面涂层轻钢龙骨及其应用第五节 钢的腐蚀与防锈 一、钢材的腐蚀 钢材受到周围介质的化学或电化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀。腐蚀的影响因素：钢材的成分、环境条件、周围介质的性质等。1、化学腐蚀 由非电解质溶液
27、或各种干燥气体（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的纯化学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材表面产生疏松的氧化物膜层。2、电化学腐蚀 钢材与电解质溶液接触后，由于发生电化学作用而引起的腐蚀。钢材锈蚀的危害 减小钢材的受力面积，降低承载力；产生体积膨胀，毁坏钢筋混凝土结构；二、钢材的防锈 1、制成合金钢 加入合金元素铬、镍制成不锈钢、或加入铜制成合金钢，可显著提高抗锈蚀能力。2、表面覆盖 在钢材表面电镀或喷镀一层覆盖物，如：镀锌、镀锡、镀铬、镀银等；或在钢材表面涂防锈涂料或油漆，使之与腐蚀性介质隔离，可起到防锈作用。3、设置阳极或阴极 1）阳极保护：在钢结构附近埋设废钢铁作为阳极，保护钢结构作为阴极，通上直流电源，则钢结构阴极受保护；2）阴极保护：在被保护钢结构上，连接一块比铁更活泼的金属，如锌、镁等，使活泼金属作为阳极被腐蚀，钢结构作为阴极受保护。3）混凝土中钢筋的防锈，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢筋表面形成钝化膜保护。本章小结本章小结建筑钢材的主要性能包括力学性能、工 艺性能 和耐久性三个方面；建筑钢材所用的钢种包括碳素结构钢 （非合金钢）、低合金高强度结构钢。建筑工程中常用的钢筋，其力学性能、工艺性能、化学成分等必须符合相应标 准的规定。
