第6章土木工程材料_建筑钢材

第6章建筑钢材本章导学学习目的：钢材是现代土木工程中重要的结构材料，通过本章的学习重点掌握钢材的分类和重要性能，为钢结构和钢筋混凝土结构设计打下基础。教学要求：结合钢材实际性能，讲解钢材的化学组成、晶体结构对其性能的影响；结合工程实际重点讲解钢材的主要性能指标和钢材的分类及适用场合。金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属与某些非金属元素组成的合金的总称。其特征是不透明、有光泽、比重大、具有较大的延展性、易于加工、导热和导电性能良好，常温下为固态结晶体。金属材料还具有强度高，弹性模量大，组织均匀密实，可制成各种铸件和型材，能焊接或铆接，便于装配和机械化施工等优点。因此金属材料不仅是经济建设各部门广泛使用的材料，也是重要的建筑材料之一。尤其近年来，高层、大跨度结构迅速发展，金属材料在建筑工程中的应用将会越来越多。金属材科一般分为黑色金属和有色金屑两大类。黑色金属是以铁元素为主要成分的铁金属及其合金，钢和铁是铁碳合金，钢的含碳量在2％以下，在建筑中应用最多。有色金素是除黑色金属以外的其它金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金，其中铝合金是一种重要的轻质结构材料。本章将介绍钢材的冶炼、分类、化学组成、晶体结构、型钢的分类等知识内容，着重讲解建筑钢材的物理力学性能和建筑钢材的冷、热加工方法。6.1钢材的冶炼与分类6.1.1钢材的冶炼铁元素在地壳中占4.7％，通常以化合物的形式存在于铁矿石中，主要的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、菱铁矿(FeCO3)、褐铁矿（Fe2O3•2Fe(OH)3）和黄铁矿(FeS2)。（一）把铁矿石、焦炭、石灰石(助熔剂)按一定比例装入高炉中，在炉内高温条件下，焦炭中的碳与矿石中的氧化铁发生化学反应，将矿石中的铁还原出来，生成的一氧化碳和二氧化碳由炉顶排出，使矿石中的铁和氧分离。其化学反应式如下：通过这种冶炼得到的铁中，仍含有较多的碳和其它杂质，故性能既硬又脆，影响使用，此过程称为炼铁。（二）将铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其它杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可得到含碳量合乎要求的产品，即为钢，此过程称为炼钢。钢在强度、韧性等性质方面都较铁有了较大幅度提高，在土木工程中，大量使用的都是钢材。6.1.2钢材的分类钢材的种类很多，性质各异，分类方法也有很多：1．按冶炼设备分类按冶炼设备不同，钢分为转炉钢、平炉钢和电炉钢三大类。(1)转炉钢——根据风口位置分底吹、顶吹、侧吹三种；根据所鼓风的不同分空气转炉和氧气转炉；转炉又因它们炉衬材料的不同分为酸性转炉和碱性转炉，凡以硅砂作炉衬耐火材料的为酸性，凡以镁砂和白云石作炉衬耐火材料并加石灰石熔炼的为碱性。在质量上酸性转炉钢较好，但对生铁的含硫、磷杂质要求严格，成本较高。(2)平炉钢——利用火馅的氧化作用除去杂质。平炉也分酸性和碱性两种。平炉钢质量较好。(3)电炉钢——分电弧炉、感应炉、电渣炉三种。系利用电热冶炼，温度高，易控制，钢的质量最好，但成本高，多炼制合金钢。电炉也分酸性和碱性两种。建筑用钢主要采用空气转炉法、氧气转炉法、平炉法三种方法炼制。2.按脱氧程度分类在炼钢过程中，为了除去碳和杂质必须供给足够的氧气，这也使钢液中一部分金属铁被氧化，使钢的质量降低。为使氧化铁重新还原成金属铁，通常在冶炼后期，需加入硅铁、锰铁或铝锭等脱氧剂，进行精炼。按脱氧程度不同，可将钢分为：沸腾钢：是脱氧不完全的钢。浇铸后，在冷却凝固过程中，钢液中残留的氧化亚铁与碳化合后，生成的一氧化碳气体大量外逸，造成钢液激烈“沸腾”，故称沸腾钢。这种钢的成分分布不均，密实度较差，因而影响钢的质量，但其成本较低，可广泛用于一般建筑结构中。镇静钢：是脱氧完全的钢。注入锭模冷却凝固时，钢液比较纯净，液面平静。镇静钢的质量优于沸腾钢，但成本较高，故只用于承受冲击荷载或其它重要的结构中。半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。3.按化学成分分类(1)碳素钢——合碳量不大于1.35％，含锰量不大于1.2％，含硅量不大于0.4％，有少量硫、磷杂质的铁碳合金，在钢的化学成分中，碳元素对钢的性能起主要作用，而其它元素如硅、锰、硫、磷等因含量不多，不起决定性作用。根据含碳量多少，碳素钢可分为：低碳钢——含碳量0.25％以下，性质软韧，易加工，但不能淬火和退火，是建筑工程的主要用钢。中碳钢——含碳量0.25％～0.6％．性质较硬，可淬火、退火，多用于机械部件。高碳钢——含碳量大于0.6％．性质很硬，可淬火、迟火．是一般工具的主要用钢。根据钢中磷、硫等杂质元素的含量不同，碳素钢可分为：普通碳素钢——其中磷的含量不大于0.045—0.085％，硫的含量不大于0.055—0.065％；优质碳素钢——其中磷、硫的含量均不大于：0.040％；高级优质碳素铜——其中硫和磷含量分则不大于0.030％和0.035％。(2)合金钢——在碳钢的基础上加入一种或多种合金元素，以使钢材获得某些特殊性能。根据合金元素的含量分：低合金钢——合金元素总含量一般小于3.5％；中合金钢——合金元素总含量一般在3.5％～10％之间高合金钢——合金元素总含量大于10％。4.按用途分(1)结构钢——根据化学成分不同分为碳素结构钢和合金结构钢。a．碳素结构钢——分碳素结构钢(又叫普通碳素结构钢)和优质碳素结构钢两类。(a)普通碳素结构钢——最高含碳量不超过0.38％。这是建筑工程中的基本钢种，产品有圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、钢板、钢筋等。主要用于建筑工程结构。(b)优质碳素结构钢——比普通碳素结构钢杂质含量少，具有较好的综合性能。广泛用作机械制造、工具、弹簧等。优质碳素结构钢按使用加工方法不同分为：压力加工用钢(热压力加工、顶锻、冷拔)和切削加工用钢。b．合金结构钢——分普通低合金结构钢和合金结构钢两类。(a)普通低合金结构钢——也称低合金结构钢，是在普通碳素钢基础上加入少量合金元素而成，具有高强度，高韧性和可焊性。这也是工程中大量使用的结构钢种，主要是钢筋、钢板等。(b)合金结构钢——此类钢品种繁多，包括合金弹簧钢、滚珠轴承钢、各种锰钢、铬钢、镍钢、硼钢等，主要用于机械和设备的制造等。工程上有时少量的用作机械维修和结构件。（2）工具钢——根据化学成分不同分碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，广泛用于各种刃具、模具、量具等。a．碳素工具钢——通常含碳量0.65％～1.35％，并根据硫、磷含量分优质和高级优质两种，每种分8个钢号。工程中凿岩用钢钎和部分中空钢钎杆，是碳素工具钢制品。b．合金工具钢——通常因要求硬度大，耐磨、热处理变形小和可以在较高温度下工作的热硬性而含碳量较高。合金工具钢分量具、刃具用钢，耐冲击工具用钢，冷作模具钢，热作模具钢等。c．高速工具钢(锋钢)——系高合金钢，质量优于一般，但价格较贵，主要用于钻头、刃具等。（3）特殊性能钢——多为高合金钢，主要有不锈钢、耐热钢、抗磨钢、电工硅钢等。（4）专门用途钢——分有碳素钢和合金钢两种。主要有钢筋钢、桥梁钢、钢轨钢、锅炉钢、矿用钢、船用钢等。a．钢筋钢——主要为低合金钢，轧制钢筋混凝土用带肋钢筋。b．桥梁钢——因要承受一定强度和较高冲击韧性，一般必须用镇静钢轧成。桥梁钢有碳素钢和普通低合金钢钢种。c．钢轨钢——钢轨钢分重轨钢和轻轨钢，由于钢轨的受力情况十分复杂，故重轨全以镇静钢轧制，轻轨以镇静钢和半镇静钢轧制。钢材的分类见表6.1.3钢材品牌标号表示方法钢材品牌号的命名，采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相接合的方法表示。汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表该产品名称的汉字的汉语拼音中选取，原则上取第一个字母，当与另一产品所取字母重复时，改取第二个字母或第三个字母，或同时选取两个汉字的汉语拼音的第一个字母。采用的汉语拼音字母原则上只取一个，一般不超过两个。钢材种类代表汉字及符号牌号举例说明汉字符号碳素结构钢屈QQ195-F、Q215-A.FQ-235A.b、Q235-BQ-235A.F、Q-255A、Q-275碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母（Q）、屈服点强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号，四个部分按顺序组成。其中：质量等级符号为：A、B、C、D脱氧方法符号为：F一一沸腾钢．b——半镇静钢．Z——镇静钢(不表示)，TZ——特殊镇静钢(不表示)。优质碳素结构钢普通含锰量优质碳素结构钢80F、30、45、20A、10b优质碳素结构钢，采用阿拉伯数字或阿拉伯数字与化学元素符号表示。阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)。牌号尾部符号与上表相同较高含锰量的优质碳素结构钢．在阿拉伯数字后标出锰元素符号，例如：平均含碳量为0.50％、含锰量为0.70%－1.0％的镇静钢，其牌号表示为“50Mn。。高级优质碳意结构钢，在牌号尾部加符号“A”。较高含锰量优质碳素结构钢40Mn、50Mn、70Mn碳素工具钢普通含锰量碳素工具钢碳TT7、T12A、T9碳素工具钢，采用符号和阿拉伯数字或阿拉伯数字加化学元素符号表示。阿拉伯数字表示平均含碳量(以千分之几计)。普通含锰量碳素工具钢，在符号“T”后为阿拉伯数字。较高含锰量碳素工具钢，在符号‘T’和阿拉伯数字后标出锰元素符号。高级优质碳素工具钢，在牌号尾部加符号“A”。较高含锰量碳素工具钢T8Mn焊接用钢焊接用碳素结构钢焊HH08、H08MnA焊接用钢及合金结构钢，在钢及合金牌号头部加H，其余与上相同焊接用钢及合金结构钢H08MnA2Si6.1.4土木工程常用钢材1．碳素结构钢适用范围：碳素结构钢是碳素钢中的一大类。它为一般结构和工程用钢，适合生产各种型钢、钢筋和钢丝等，产品可供焊接、铆接、栓接构件用。2．优质碳素结构钢适用范围：含碳量小于0.8％，含有较少量的有害杂质，并较碳素结构钢具有更优性能的钢种，一般可经过热处理来提高其机械性能。钢材按加工方法可分压力加工用钢和切削加工用钢两类。建筑工程上常用优质碳素钢，制作钢丝、钢绞线、圆钢、高强螺栓及预应力钢具等。3．低合金结构钢适用范围：低合金钢是在普通钢种内加入微量合金元素，但硫、磷杂质的含量保持普通钢的水平，而具有较好的综合力学性能。与相同规格普通碳素钢相比，如果强度相同，采用低合金钢可节约钢材20－25％。主要用于桥梁、建筑钢筋、重轨和轻轨等方面。4．桥梁建筑用热轧碳素钢适用范围：桥梁建筑用热轧碳素钢是适用于桥梁建筑的专用钢种，适合于生产钢板和型钢，产品可供焊接和铆接的桥梁结构用。5．耐侯钢耐侯钢也称耐大气腐蚀钢，是在钢中加入少量合金元素，如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，使其在金属基体表面形成保护层，提高钢材的耐候性能。适合于生产热轧、冷轧的钢板和型钢，产品适用于车辆、建筑、塔架和其他结构的用材，可制做螺栓连接、铆接和焊接的结构件。常用有高耐候性结构钢和焊接结构用耐侯钢等。6.2钢材的化学组成与金相结构6.2.1钢材的化学组成（一）碳对碳钢性能的影响钢材的性能主要决定于其中的化学成分。钢的化学成分主要是铁和碳，此外还有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等杂质元素，这些元素的存在对钢材性能有不同的影响，其中碳的影响最大。碳是钢中除铁之外含量最多的元素，对钢材的性能有非常明显的影响，从图6-2中可以看出，在一定范围内，钢材的硬度和强度随含碳的增加而提高。钢材的塑性、韧性和冷弯性能随含碳量的增加而下降。当含碳量增至0.8％时，强度最大，但当含碳量超过0.8％以后，强度反而下降。钢里的碳一部分溶入铁中成为固溶体，另一部分则与铁化合成渗碳体。从铁碳合金状态图中，可以看出碳的含量变化时，碳钢中组织变化的情况。总的看来，碳钢是由硬度低、理性好的铁素体和硬而脆的渗碳体组成的混合物。因此碳铜的抗拉强度及硬度，随含碳量增加而直线增加，塑性则下降。碳之所以影响钢的机械性能，不仅与渗联体本身的硬脆性有关，还与渗联体和铁素体之间晶体界面上晶格受到严重歪扭有关。渗碳体与铁素体的晶界面既能阻碍塑性好的铁素体滑移，又能造成碳钢的微小裂纹，如图6－3。所以随着渗碳体总量的增加也增加了它与