第七章建筑钢材

第七章建筑钢材 1.按化学成分分类 当钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为碳时，则称为碳素钢；当钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为其他合金元素时，则称为合金钢。(1)碳素钢根据含碳量多少，碳素钢可分为：低碳钢：含碳量0.25以下。中碳钢：含碳量0.250.6。高碳钢：含碳量大于0.6。(2)合金钢根据合金元素的含量分：低合金钢：合金元素总含量小于5；中合金钢：合金元素总含量在510之间；高合金钢：合金元素总含量大于10。7.1钢材的冶炼与分类 根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为沸腾 钢、镇静钢和半镇静钢三种：沸腾钢：是脱氧不完全的钢。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析严重，再加上钢的致密程度较差，使它的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更为显著。但成本较低。镇静钢：是脱氧完全的钢。是质量较好的钢种，但成本较高。半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。2.脱氧程度分类 3.按质量（杂质含量）分类根据钢材中所含有害杂质的多少工业用钢可分为：(1)普通钢：含硫量0.050；含磷量0.045。(2)优质钢：含硫量0.035；含磷量0.035。(3)高级优质钢：含硫量0.025；含磷量0.025。(4)特级优质钢：含硫量0.015；含磷量0.025。在土木工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。7.2 建筑钢材的主要技术性能 钢材的技术性质主要包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等）和工艺性能（冷弯和焊接）两个方面。7.2.1力学性能 反映钢材力学性能的主要技术指标有：抗拉屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、韧性和硬度等。1.强度低碳钢拉伸的应力应变曲线六个阶段：（1）、比例弹性阶段（2）、非比例弹性阶段（3）、弹塑性阶段（4）、塑性阶段或屈服阶段（5）、应变强化阶段（6）、颈缩破坏阶段屈服强度屈服强度 中碳钢与高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，难以测定屈服点，则规定产生残余变形为原标距长度的0.2时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用 表示。屈强比 屈服强度和抗拉强度之比。屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，不易因局部超载而造成脆性断裂而破坏；但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.600.75。Q225钢材的屈服比为0.580.63 普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。2.塑性 建筑钢材应具有很好的塑性。钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。（1）伸长率 通常以5和10分另表示L05d0和L010 d0时的伸长率。对于同一种钢材，其5 10。（2）断面收缩率()式中0试件原始截面积；1试件拉断后颈缩处的截面积。伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越高，说明钢材塑性越大。3.冲击韧性 冲击韧性就是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性是通过夏比（V型缺口）冲击试验来测定的。将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。用摆锤打断试件，测得试件单位截面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值 表示，单位为J/cm2。F试件断口处的截面积；Ak冲断试件所消耗的功。4.硬度 测定钢材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法和维氏法。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(毫米)的硬质钢球，在规定荷裁P(牛顿)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸载，量出压痕直径d(毫米)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HB)。计算公式为：HB是以数字表示，如HB150。硬度值往往与其他性能有一定的相关性。例如，钢材的HB值与抗拉强度之间就有较好的相关关系。对于碳素钢：当HB175时，0.36HB；当HB175时，0.35HB。根据这些关系，我们可以在钢结构的原位上测出钢材的HB值，并估算出该钢材的，而不破坏钢结构本身。7.2.2 工艺性能 1.冷弯性能 钢材的冷弯性能，是指它在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。冷弯性能是将钢材试件（圆形冷弯性能是将钢材试件（圆形或板形）置于冷弯机上弯曲至规定角度（或板形）置于冷弯机上弯曲至规定角度（9090或或180180）观察其弯曲部位是否有裂纹、起层或断裂现）观察其弯曲部位是否有裂纹、起层或断裂现象，如无，则为合格。弯曲角度越大，弯心直径对象，如无，则为合格。弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（直径）比值越小，则表示钢材的冷弯性试件厚度（直径）比值越小，则表示钢材的冷弯性能越好。能越好。钢材的冷弯示意图：钢材的冷弯示意图：2.焊接性能 钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。7.3 建筑钢材的的晶体组织和化学成分7.3.1 钢的组织及其对钢性能的影响 钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不同的晶格，如体心立方晶格是原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点而构成的空间格子；面心立方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心而构成的空间格子。铁和碳两种元素可以不同的形态存在，这种形态称为晶体组织。体心立方体体心立方体面心立方体面心立方体纯铁的晶格（即原子的有序排列）以下二种类型：体心立方体、面心立方体。纯铁的同素异构晶体转变 某些金属结晶之后，当温度改变时，它的晶格类型还会随之变化。这种变化称为同素异晶转变。晶格发生转变的温度称为临界温度。转变的产物称为同素异构体。纯铁在冷却或加热过程中会依次形成如下三种不同的同素异构晶体。铁：温度下降到1535直接由液态铁凝固而成，为体心立方晶格；铁：温度下降到1394时，由体心立方晶格转变为面心立方晶格；铁：温度下降到912时，由面心立方晶格转变为体心立方晶格。纯铁的同素异晶转变7.3.1.1 钢的基本晶体组织 碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中，其Fe和有以下三种结合形式：固溶体铁（Fe）中固溶着微量的碳(C)；化合物铁和碳结合成化合物Fe3；机械混合物固溶体和化合物的混合物。以上三种形式的Fe合金，于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像，故也称显微组织。7.3.1.1钢的基本组织的种类及对钢性能的影响：（）铁素体 钢材中的铁素体为在一Fe中的固溶体，由于一Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含量很少（小于0.02），由此决定其塑性、韧性很好，但强度、硬度很低。（）奥氏体 奥氏体为在一Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06，低温时下降至0.8。其强度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。（）渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含量高（达6.67），晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。（）珠光体 珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含量较低（0.8），层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。7.3.2 钢的化学成分对钢材性能的影响（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。（2）硅：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：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%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。（）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。（）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。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。（）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。（）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。7.4 钢材的冷加工强化与热处理7.4.1 冷加工 钢材的冷加工是在常温下通过冷拉、冷拔或冷轧，使钢材产生塑性变形，得到所需形状的工艺过程。通过冷加工的钢材，可使强度提高，称为冷加工强化（冷作硬化）。(1)、对钢材进行冷加工，是充分发挥材料效用，节约钢材的一种有效方法。钢材经过冷加工后，其屈服强度提高，塑性、韧性和弹性模量则降低。（2）、时效处理 将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520 d，或加热至100200 后保持一定时间（23 h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，用加热的方法则称为人工时效。7.4.2 热处理 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：()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。()回火。将淬火后的钢材重新加热到723以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。（）退火。退火是指将钢材加热至723以上某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。（）正火。是将钢材加热到723以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小7.5 建筑用钢7.5.1 碳素结构钢 国家标准GB700-88碳素结构钢规定，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、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa和275MPa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要求降低。例如：Q235AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。7.5.2 优质碳素结构钢 按国家标准GB/T 6991999优质碳素结构钢的规定，优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为：普通锰含量（锰含量0.8）钢和较高锰含量（锰含量0.71.2）钢两组。共优质碳素结构钢有31个牌号，其牌号由数字和字母两部分组成。两位数字表示平均碳含量的万分数；字母分别表示锰含量、脱氧程度。锰含量为0.350.80时，不注“Mn”；锰含量为0.701.2时，数字后加注“Mn”。如35Mn表示平均含碳量0.35较高含锰量的钢。“30”表示平均含碳量为0.30%普通含锰量的钢。7.5.3.低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5合金元素的钢材。根据国家标准低合金高强度结构钢（GB1591-94）规定，共有5个牌号，即295、Q345、Q390、Q420、Q460。所加入元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其牌号的表示是由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）3个部分组成。例如:Q390A，其中:Q钢材屈服点的“屈”字汉语拼音的首位字母；390屈服点数值,单位MPa；A一一为质量等级符号。7.6钢结构用钢材7.7钢筋混凝土用钢材参照钢材相应的标准（共涉及二十二个钢材的国家标准）7.8 钢材的腐蚀与防护7.8.1 钢材的腐蚀1.化学腐蚀 化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。2.电化学腐蚀整个电化学腐蚀过程如下：阳极区：Fe=Fe2+2e 阴极区：2H2O+2e+1/2O2=2OH+H2 溶液区：Fe2+2OH=Fe(OH)2 Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)37.8.2 钢材的防腐（1）采用耐候钢 耐候钢即耐大气腐蚀钢。耐候钢是在碳素钢和低合金钢中加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。（2）金属覆盖 用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁）、镀铜和镀铬等。（3）非金属覆盖 在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料等。7.8.3 钢材的防火 以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25 h，而裸露钢梁的耐火极限为0.15 h。温度在200 以内，可以认为钢材的性能基本不变；超过300 以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；至达600 时已经失去承载能力。钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。防火涂料按受热时的变化分为膨胀型（薄型）和非膨胀型（厚型）两种。常用的不燃性板材有石膏板、硅酸钙板、蛭石板、珍珠岩板、矿棉板、岩棉板等。