《建筑材料》第六章建筑钢材

6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。论述了钢筋混凝土结构采用的主要钢材品种及特点。本章提要钢筋型钢钢板钢丝钢桥本章内容6.1钢的冶炼和分类6.2钢材的主要性能6.3建筑钢材的技术标准及选用6.1钢的冶炼和分类★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%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钢的冶炼过程高炉熔融生铁精炼钢铸锭钢锭建筑钢材钢材的冶炼过程根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。(1)平炉炼钢它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。(2)氧气转炉炼钢以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20~40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质(3)电炉炼钢以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。冶炼后的钢水中含有以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。★根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。(1)沸腾钢F是脱氧不完全的钢，钢材质量差。(2)镇静钢Z是脱氧充分的钢，钢材质量好。(3)半镇静钢ｂ建筑钢材是将钢坯加热后经轧制而成的。2钢的分类★★★6.2钢材的主要性能由低碳钢在拉伸过程中形成的应力(σ)-应变(ε)关系图(图6.1)可知，★低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段(1)弹性阶段(O—A)(2)屈服阶段(A—B)(3)强化阶段(B—C)(4)颈缩阶段(C—D)1抗拉性能图6.1低碳钢受拉的应力-应变图(1)弹性阶段(O—A)在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=σ/ε。(2)屈服阶段(A—B)当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限σs。(3)强化阶段(B—C)当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示，它是钢材所能承受的最大应力。(4)颈缩阶段(C—D)当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：100100%LLLd0L0L1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6.2)。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。2冲击韧性图6.2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。3疲劳强度硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形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6.34硬度图6.3布氏硬度测定示意图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6.4所示钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。5冷弯性能图6.4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)规定弯心钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。以钢筋的冷拉为例(图6.5)，图中OBCD为未经冷拉时的应力-应变曲线。★6钢材的冷加工强化及时效时效经冷拉的钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效。可分为两类：分为自然时效（经冷拉的钢材在常温下存放15-20天）和人工时效（经冷拉的钢材在加热至100-200℃，并保持一段时间）。图6.5钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化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6.6)，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。图6.6冷拔模孔1）可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。2）可节约钢材20-30%。3）对于受动荷载或经常处于高温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感小的钢材。★(1)碳是决定钢材性能的主要元素。如图6.7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%(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。7钢的化学成分对钢材性能的影响图6.7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(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。（硫、磷、氧、氮是钢材中的有害杂质）(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。6.3建筑钢材的技术标准及选用建筑工程中需要消耗大量的钢材，按用于不同的工程结构类型可分为：钢结构用钢，如各种型钢、钢板、钢管等；钢筋混凝土工程用钢，如各种钢筋和钢丝。从材质上分主要有碳素结构钢和低合金结构钢，也用到优质碳素结构钢。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0.02%~2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。现行国家标准《碳素结构钢》(GB700—2006)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。1碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。碳素结构钢可分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号。其他各符号含义见表6.1。★如Q235—A·F，表示屈服强度为235MPa，质量等级为A级的沸腾钢。Q255—B，表示屈服强度为255MPa，质量等级为B1）碳素结构钢的牌号表示方法表6.1名称符号名称符号屈服强度质量等级沸腾钢QA、B、C、DF半镇静钢镇静钢特殊镇静钢BZTZ碳素结构钢的化学成分、拉伸和冲击韧性、弯曲性能分别符合表6.2、表6.3、表6.4的要求。2）技术要求表6.2碳素结构钢的化学成分(GB700—2006)表6.3碳素结构钢的拉伸、冲击性能(GB700—2006)表6.4碳素结构钢的冷弯试验(GB700—2006)牌号试样方向B=2a，160°钢材厚度(直径)(mm)60＞60~100＞100~120弯心直径dQ195纵横00.5a——Q215纵横0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235纵横a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255Q275——2a3a3a4a3.5a4.5a★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Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。3）碳素结构钢的选用Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。Q255、Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其目的是为了提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%~30%，但成本并不很高。2低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢共有5个牌号。其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，屈服点数值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多到少分为A、B、C、D、E五级，均为镇静钢。★如Q345A表示屈服点为345MPa的A级钢。1）低合金高强度结构钢的牌号表示方法执行GB1591－1994《低合金高强度结构钢》的规定，其化学成分应符合表6.5的要求，力学性能和冷弯性能应符合表6.6的要求。2）低合金高强度结构钢的技术要求表6.5低合金高强度结构钢的化学成分表6.6低合金高强度结构钢的力学性能和冷弯性能Q295号钢中含有少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯性能、焊接性能及耐蚀性能。主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结Q345、Q390号钢综合力学性能好，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。主要用于工程中承受较高荷载的Q420、Q460号钢强度高，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荷3）低合金高强度结构钢的性能和应用钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋。光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑。带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋；横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋。如图6.6。3钢筋混凝土用钢筋、钢丝1）钢筋混凝土用热轧钢筋图6.6(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋(1)热轧钢筋的牌号表示方法与技术要求根据《钢筋混凝土用热轧光圆