【材料课件】6建筑钢材

返回6建筑钢材6.1钢材的分类6.2建筑钢材的技术性质6.3钢材的冷加工及时效6.4建筑中常用的钢种返回»6.1钢材的分类6.1.1按化学成分分类钢的基本元素是铁，普通碳素钢中纯铁约占99%，其它有碳、硅等。为了改善钢的性质，在钢中适当加入锰、硅、铬、钛等金属，这种钢称为合金钢。（1）碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢含碳量＜0.25%；中碳钢含碳量为0.25～0.6%；高碳钢含碳量＞0.6%。（2）合金钢按掺入合金元素量分为：低合金钢合金元素总含量＜5%；中合金钢合金元素总含量为5～10%；高合金钢合金元素总含量＞10%。返回«»6.1钢材的分类6.1.2按钢材的质量等级分类钢材的质量等级，是对硫、磷有害杂质限制不同，可分为：普通碳素钢含硫量≤0.055～0.065%，含磷量≤0.045～0.085%；优质碳素钢含硫量≤0.03～0.045%，含磷量≤0.035～0.04%；高级优质钢含硫量≤0.02～0.03%，含磷量≤0.027～0.035%。6.1.3按用途分类结构钢主要用于建筑工程中的钢结构和钢筋混凝土结构；工具钢一般用于各种切削工具、量具、模具等工具的生产；特殊性能钢具有各种特殊性质的钢。如不锈钢、磁钢、耐热钢；目前,在建筑工程中常用普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。返回«»6.1钢材的分类6.1.4按脱氧程度分类钢材在冶炼过程中，不可避免地产生部分氧化物并残留在钢水中，降低了钢的质量，根据脱去氧化物的程度，可分为：1.沸腾钢含氧量较高，气泡从钢液中冒出呈沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢中碳和有害杂质(硫、磷等)的偏析（即钢锭截面上的化学成分分布不均匀）较严重，因此冲击韧性和可焊性差；2.镇静钢脱氧充分，钢水浇入锭模后平静的冷却和凝固，无沸腾现象。其化学成分均匀，组织致密，质量较好，但成本较高；3.半镇静钢其脱氧程度、质量、性质及成本介于上述两者之间；4.特殊镇静钢质量和性质均优于镇静钢，成本高于镇静钢建筑工程中，常用的钢材主要是沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。返回«»6.1钢材的分类6.1.5按冶炼方法分类钢和铁的主要成分是铁和碳，含碳量≥2%为生铁，含碳量≤2%为钢。根据冶炼方法，钢材可分为：1.转炉钢分空气转炉钢和氧气转炉钢。前者是以熔融的铁水为原料，由转炉底部或侧面吹入高压空气，因空气中含有氮、氢等杂质，一般只用于生产小型角钢或钢筋；后者是由转炉顶部吹入纯氧（99.5%），其冶炼时间短(25～45min)，杂质含量少，用于生产优质碳素钢和合金钢。2.平炉钢是以固体或液体生铁、废钢铁和适量铁矿石为原料，以煤气或重油为燃料，使杂质氧化而被除去。该方法冶炼时间长(4～12h)，清除杂质较彻底，但需燃料能耗高，正逐渐被淘汰。3.电炉钢用电热进行高温冶炼的钢。其质量最好，可用于生产优质碳素钢和特殊合金钢。返回«»6.2建筑钢材的技术性质建筑钢材作为主要的受力结构材料，其技术性质包括两个方面：力学性质和工艺性质，钢材在外力作用下表现出来的性质称为力学性质；钢材在加工过程中表现出来的性质称为工艺性质。返回«»6.2.1力学性质1.抗拉性质以低碳钢拉伸试验为例，如图6.1，从开始受力至拉断可分为以下四个阶段：弹性阶段(Ⅰ)OA段是一条直线，为弹性变形阶段。A点对应的应力值称为弹性极限，用σp表示，应力与应变的比值为一常数，称为弹性模量，用E表示，弹性模量是评定钢材弹性的指标；屈服阶段（Ⅱ）AB段为屈服阶段。此时应变迅速增长，材料暂时失去了抵抗变形的能力，这种现象称为屈服，一般取波动应力的最低值B下作为材料的屈服强度(又称屈服点)，用σs表示。对于在屈服现象不明显的钢材(图6.2所示)，如高碳钢，规定卸载后0.2%塑性应变对应的应力值作为屈服强度，用σ0.2表示。屈服强度是建筑设计中强度取值依据。返回«»6.2.1力学性质1.抗拉性质强化阶段(Ⅲ)BC为强化阶段。该阶段钢料恢复了变形抵抗力，强度提高,最高点C对应的应力称为强度极限，又称抗拉强度，用σb表示。屈服强度与抗拉强度的比值称屈强比，是评价钢材安全可靠性和强度利用率的参数，合理的屈强比为0.6～0.75。颈缩阶段(Ⅳ)CD为颈缩阶段。试件薄弱处的断面迅速缩小，塑性变形急剧增加，产生颈缩现象并很快断裂，如图6.3所示。伸长率是试件变形长度与原长的比率,是评定钢材塑性的指标。返回«»6.2.1力学性质2.冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用而不破坏的能力。冲击韧性指标是通过冲击试验确定的，如图6.4所示，缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2），即为冲击韧性指标，以αk表示。3.疲劳强度钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。一般把承受交变荷载106～107次不发生破坏所能承受的最大应力作为疲劳强度。4.硬度硬度是指钢材表面抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。常用布氏法测定，其指标称布氏硬度值HB,其测定原理见图6.5,钢球以P(N)的荷载压入试件表面，经规定持续时间后,即得直径为d(mm)得压痕，以压痕表面积F除以荷载P，所得值为布氏硬度值HB。返回«»6.2.2工艺性质1.冷弯性质冷弯性质是指钢材在常温下抵抗弯曲变形的能力。通过按规定的弯曲角和弯心直径弯曲后，弯曲处的外面和侧面有无裂纹、起层、磷落等进行评定。如图6.6所示,若弯曲角度(α)越大，弯心直径与试件直径(或厚度)的比值(d/do)越小,则表明冷弯性质越好。冷弯性和伸长率都是评定钢材塑性的指标，而冷弯试验对钢材的塑性评定比拉伸试验更严格，更有助于揭示钢材内部缺陷。2.焊接性质焊接性质是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及附近过热区不产生裂缝及脆性倾向，焊接后的力学能不低于原钢材的性质。钢的化学成分、冶炼质量及冷加工都影响焊接性质。此外，正确的焊接工艺也是保证焊接质量的重要措施。返回«»6.2.3钢的化学成分对钢材性质的影响1.碳碳是决定钢材性质的主要元素。随含碳量增加，钢材抗拉强度和硬度也相应提高，而塑性和韧性相应降低。但含碳量≥1.0%时，因钢材变脆，强度反而下降，同时冷弯、焊接及耐锈蚀性质下降，并增加钢材的冷脆性和时效敏感性。2.硅、锰硅是钢的主要合金元素，含量≤1%，能提高钢材的强度，对塑性和韧性没有明显影响。锰是低合金结构钢的主要合金元素，能改善热加工性质。返回«»6.2.3钢的化学成分对钢材性质的影响3.硫、磷硫、磷都是钢材的有害元素。硫在钢材热加工时容易引起钢的脆裂，降低钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性及耐锈蚀性。磷可显著降低钢材的脆性和韧性，但可提高钢材的强度。4.氧、氮氧、氮是在炼钢过程中进入钢液的，也是有害元素，可显著降低钢材的塑性、韧性、冷弯性及可焊性等。5.钛、钒、铌钛、钒、铌均是钢的脱氧剂，也是合金钢常用的合金元素。可改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性和显著提高钢材的强度。返回«»钢材的冷加工、时效是钢材加工过程具有的特性6.3.1冷加工冷加工指钢材在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧(称“三冷操作”)的加工过程,从而提高屈服强度，塑性和韧性相应降低。冷拉是将钢筋加力进行张拉。冷拔是强行使钢筋通过截面小于钢筋直径的拔丝模，钢筋不仅受拉，同时还受挤压作用。冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成刻痕，可增大钢筋与混凝土间的粘结力。6.3.2时效时效指钢材经冷加工后，放置一定时间，钢材屈服强度和强度极限进一步提高提高,而塑性和韧性逐渐降低的现象。经过冷拉的钢筋在常温下存放15d～20d，或加热到100～200℃并保持一定时间，前者为自然时效，后者为人工时效。以钢筋的冷拉及时效为例,见图6.7。6.3钢材的冷加工及时效返回«»6.4建筑中常用的钢种6.4.1碳素结构钢6.4.2低合金高强度结构钢6.4.3钢筋6.4.4预应力混凝土用钢丝6.4.5预应力混凝土用钢绞线返回«»6.4.1碳素结构钢1.牌号及表示方法碳素结构钢牌号的表示方法由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值(Mpa)、质量等级符号、脱氧程度符号等四部分按顺序组成。其中，屈服点的数值共分195、215、235、255、275五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分为A、B、C、D四个级别；脱氧程度以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z表示镇静钢、TZ表示特殊镇静钢，Z和TZ在牌号表示法中予以省略。例如：Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。Q255-B表示屈服点为255MPa的B级镇静钢。返回«»6.4.1碳素结构钢2.技术要求各牌号钢的化学成分、力学性质、工艺性质应符合表6.1、6.2、6.3。3.碳素结构钢的选用Q235钢的机械强度、韧性、可焊性、可加工性等综合性质好，且成本较低,是建筑工程中主要应用的钢。Q195、Q215钢强度较低，但有较好的塑性和韧性，易于冷加工，建筑上常用作铆钉、钢筋和钢丝等。Q255、Q275钢强度较高，但塑性和韧性、可焊性差，不易冷加工，可用于钢筋混凝土配筋和钢结构中及螺栓等。选用时如在动荷载、焊接结构及低温工作时,不能选用A、B级和F钢。返回«»6.4.2低合金高强度结构钢1.牌号及表示方法低合金高强度结构钢共有5个牌号，由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值和质量等级（A、B、C、D、E）符号三部分组成。例如：Q295A表示屈服点为295MPa质量为A级的钢。2.技术要求低合金高强度结构钢的化学成分、力学性质符合表6.4、6.5。3.低合金高强度结构钢的应用在钢结构中常采用低合金高强度结构钢轧制型钢、钢板，用来建造大跨度桥梁、高层建筑及大柱网结构，在预应力钢筋混凝土结构中，常用于轧制型钢、钢板、钢管、钢筋等。返回«»6.4.3钢筋1.热轧钢筋热轧钢筋是用加热钢坯轧成的条型成品钢筋。按轧制外型分热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋。带肋钢筋的横截面也为圆形，但表面带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。带肋钢筋与混凝土的粘结力大，共同工作性更好。热轧钢筋主要用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土中的配筋。热轧光圆钢筋有HPB235一个牌号，H、P、B分别为热轧、光圆、钢筋三个词的英文首位字母，235表示最小屈服强度为235MPa。热轧带肋钢筋有HRB335、HRB400、HRB500三个牌号，R表示带肋。各牌号热轧钢筋的力学性质及工艺性质应符合表6.6的要求。低碳钢热轧圆盘条，直径8～20mm，盘条分建筑用盘条和拉丝用盘条两类，其力学性质及工艺性质应符合表6.7要求。返回«»6.4.3钢筋2.冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面冷轧成沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋。按抗拉强度分为五个牌号，分别为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，C、R、B为冷轧、带肋、钢筋三个词的英文首位字母，550表示最小抗拉强度为550MPa。各牌号的力学性质及工艺性质应符合表6.8的要求。冷轧带肋钢筋与冷拔低碳钢丝相比，具有强度高、塑性好，与混凝土粘结牢固，节约钢材，质量稳定等优点。因此在普通混凝土结构,中、小型预应力构件中的应用越来越广泛。返回«»6.4.3钢筋3.热处理钢筋热处理钢筋是用热轧带肋钢筋经淬火和回火调质处理后的钢筋，代号为RB150。热处理钢筋按外形分有纵肋和无纵肋两种，但都有横肋。有40Si2Mn、48Si2Mn及45Si2Cr三个牌号，40Si2Mn表示钢的含碳量为0.4%、含有Si、Mn合金元素，当合金元素平均含量＜1.5%时，仅标明元素符号，不标含量；当平均含量为1.5～2.49%、2.5～3.49%时，元素符号后面相应标出2、3，依次类推。各牌号热处理钢筋的力学性质应符合表6.9的要求。热处理钢筋按成盘供应，使用时开盘钢筋自行伸直，不允许焊接和电弧切断，以免强度下降或切断。主要用于预应力混凝土轨枕、板、梁等，具有强度高、制作方便、节省钢材等优点返回«»6.4.4预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是由优质碳素结构钢制成，根据《预应力混凝土用钢丝》(GB/T223—1995），预应力混凝土用钢丝，按交货状态分冷拉钢丝及消除应力钢丝两种；按外形分光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝三种；按应力松弛分Ⅰ级松弛和Ⅱ级松弛两