4建筑钢材

•建筑钢材——是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）和用于钢筋混凝土的钢筋、钢丝、钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等。C型钢H型钢钢管钢板钢丝钢筋钢绞线•建筑钢材的特点优点：抗拉强度高、塑性和韧性好能承受冲击和振动荷载易于加工成板材、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5•建筑钢材的应用大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房6钢结构厂房7钢结构桥梁8国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。“鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，以巨大的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场，采用了当今先进的建筑科技，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，结构相当复杂，为国内外特有建筑。1.钢材的冶炼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%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。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。钢材的冶炼精炼是指生铁中的碳和其它杂质氧化为气体或氧化物，被排除从而使生铁中的碳与杂质的含量降低。Si+2FeO=SiO2+2Fe2P+5FeO=P2O5+5Fe脱氧是在精炼后的钢水中加入硅铁、锰铁等脱氧剂，使在精炼过程中同时被氧化的铁还原。2.钢材的分类(1)按化学成分分类１）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.02％～2.06％。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0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量大于0.60％）２）合金钢。是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量小于５％）中合金钢（合金元素总含量为５％～10％）高合金钢（合金元素总含量大于10％）(2)按冶炼设备分类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，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。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。(3)根据脱氧程度的不同分类1）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。2）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模冷却凝固，故称镇静钢。镇静钢成本较高，但组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。3）半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢。(4)按质量分类根据硫、磷有害杂质的含量不同，钢材分为普通钢、优质钢和特殊优质钢等(5)按用途分类钢材分为建筑钢、结构钢、工具钢和特殊性能钢。建筑工程常用品种：普通低碳结构钢、普通低合金结构钢、部分优质合金钢。•4.1.2钢材的技术性质•力学性质：抗拉、冲击韧性、硬度、耐疲劳性•工艺性质：冷弯、可焊性•4.1.2钢材的技术性质•1.力学性能•（1）抗拉性能•抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳钢（软钢）受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标，见图1，低碳钢受拉时的应力一应变图。•弹性阶段（OA）fp弹性极限E弹性模量•屈服阶段（AB）fy屈服极限•强化阶段（BC）fu受拉强度•颈缩阶段（CD）伸长率δAB’BCDE0.2%0.2强度指标*明显流幅的钢筋：下屈服点对应的强度作为设计强度的依据，因为，钢筋屈服后会产生大的塑性变形，钢筋混凝土构件会产生不可恢复的变形和不可闭合的裂缝，以至不能使用。*无明显流幅的钢筋：残余应变为0.2%时所对应的应力作为条件屈服强度•（1）第一阶段：弹性阶段，为一直线，说明应力-应变曲线成正比关系，如卸去拉力，试件能恢复原状，这种性质即为弹性，该阶段为弹性阶段。•应力-应变的比值为一常数，该常数为弹性模量E（E=σ/ε）,弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。•（2）屈服阶段：应力应变不再成正比关系，开始出现塑性变形，该阶段的应力最低点称为屈服强度或屈服点，用fy表示。•结构设计时一般以屈服强度fy作为强度取值的依据。而对屈服现象不明显的中碳和高碳钢（硬钢），则规定以产生残余变形为原标距长度的0.2%所对应的应力值作为屈服强度，称为条件屈服强度，用f0.2表示。•（3）强化阶段：曲线逐步上升，表示试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，这一阶段称为强化阶段。对应于最高点C的应力值称为极限抗拉强度，简称抗拉强度，用fu表示。•设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比σs／σb有一定意义。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.6-0.75。•（4）颈缩阶段：当曲线到达Ｄ点后试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”，直到断裂。•量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即•伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。•通常以δ5和δ10分别表示L0=5d0和L0=10d0（ｄ0为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，δ5应大于δ10。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。（2）冲击韧性冲击韧性试验图(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机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。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。（2）冲击韧性发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。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称为时效。完成时效变化的过程可达数十年，但是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。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。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。洛氏法测定的原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值，洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。（3）硬度布氏硬度测定示意图疲劳破坏——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。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。（4）疲劳强度冷弯性能试验—试件被弯曲的角度（90度、180度）性能指标—弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值判断标准—若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，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。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合、裂缝及夹杂物等缺陷。2.工艺性能（1）冷弯性能钢材冷弯(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（2）焊接性能焊接方式：搭接、对接焊接要求：焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生裂缝及硬脆倾向；焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度不低于原钢材强度。影响因素：碳、合金元素等杂质元素越多，可焊性越小。1.钢材的化学成分钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。2.钢材的化学成分对其性质的影响(1)碳是决定钢材性能的主要元素土木工程用钢材含碳量不大于0.8％。在此范围内，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%时，由于钢材变脆，强度反而下降。4.1.3钢的化学成分对钢材性能的影响（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。当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%～２％范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。(3)硫、磷（有害元素）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。磷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。(4)氧、氮（有害元素）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。(5)钛、钒、铌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。在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。(1)冷加工强化处理—指钢材在常温下进行的加工。常见的冷加工方式—冷拉、冷拔和冷轧。特点—钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。4.1.4钢材的冷加工和热处理1.冷加工性能及热处理将经过冷拉的钢筋于常温下存放15~20d，或加热到100~200℃并保持一段时间，其强度和硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低，这个过程称为时效处理。钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低。（2）时效自然时效人工时效•按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。•钢材的热处理通常有以下几种基本方法：•(１)淬火。将钢材加热至723℃（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。•(２)回火。将淬火后的钢材重新加热到723℃以下某一温度范围，