第2章建筑钢材

第2 章 建筑钢材河南理工大学土木工程学院道路与桥梁工程系河南理工大学土木工程学院道路与桥梁工程系主讲：主讲： 徐徐 平平12345钢材的化学组成钢材的化学组成 建筑钢材的主要力学性能建筑钢材的主要力学性能 钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接钢材的防火和防腐蚀钢材的防火和防腐蚀建筑钢材的品种与选用建筑钢材的品种与选用目目 录（录（contents）一.钢材的优点1.质量均匀，性能可靠。 适合于铸造、锻造、切割、压力加工、冷加工或热处理；也可用铆接和焊接等多种连接方式进行装配式施工。钢材的特点钢材的特点2.强度、硬度高。 适合于制作各种承载较大的构件和结构，以及钢轨和机械加工用的切割工具。一.钢材的优点钢材的特点钢材的特点3.塑性、韧性好。 常温下能承受较大的塑性变形，便于冷拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；良好的韧性，使得钢材在常温下可以承受较大的冲击作用，适合于制作吊车梁等承受动荷载的结构和构件。钢材的特点钢材的特点一.钢材的优点二.钢材的缺点1.易锈蚀。 2.维修费用高。 3.耐火性差。 钢材的特点钢材的特点建筑钢材的常见种类建筑钢材的常见种类n钢结构工程用型钢（角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和钢管等。 n钢筋混凝土结构工程用钢筋及钢丝。钢结构网架槽钢工字钢建筑钢材的常见种类建筑钢材的常见种类角钢H型钢钢管建筑钢材的常见种类建筑钢材的常见种类带肋钢筋冷轧带肋钢筋钢绞线建筑钢材的常见种类建筑钢材的常见种类第一节钢材的化学成分 钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁生铁。1.钢材的分类钢材的分类： 按化学成分分 低碳钢（含碳量小于0.25） 碳素钢 中碳钢（含碳量0.250.6） 高碳钢（含碳量大于0.6） 低合金钢（合金元素小于5） 合金钢 中合金钢（合金元素510） 高合金钢（合金元素大于10）按钢的化学成分分类按钢的化学成分分类n建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。按钢的化学成分分类按钢的化学成分分类n按品质（杂质含量）分类 (1)普通钢：含硫量0.0450.050；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，高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”；含磷量0.025。 (4)特级优质钢：含硫量0.015，特级优质钢后加“E”；含磷量0.025。按钢的化学成分分类按钢的化学成分分类钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响n除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。n 其中硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1时，可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在12之间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。 钛是强脱氧剂，钒、铌是碳化物和氮化物的形成元素，三者皆能细化晶粒，增加强度，在建筑常用的低合金钢中，三者为常用合金元素。 化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响n 磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响更大，磷的偏析倾向强烈。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与C、P相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低熔点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。 化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳（碳（C）1% 冷脆性冷脆性 锰（锰（Mn） 脱氧、硫剂脱氧、硫剂 钛（钛（Ti） 强脱氧剂强脱氧剂 钒（钒（V) 时效时效 磷（磷（P） 偏析、冷脆偏析、冷脆 氮（氮（N） 冷脆性冷脆性 硫（硫（S） 热脆性热脆性氧（氧（O） 第二节钢材的力学性质n抗拉性能 n冷弯性能 n冲击性能 n耐疲劳性能 n硬度第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能一. 抗拉性能 1.主要测试指标主要测试指标： n屈服强度 n抗拉强度 n伸长率（断面收缩率）等 2.2.钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括： n弹性阶段 n屈服阶段 n强化阶段 n颈缩阶段第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能3.相关知识点回顾 （1）应力 （2）应变 （3）弹性与弹性变形 （4）塑性与塑性变形AFAN0001LLLLL第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能低碳钢的受拉过程分为四个阶段低碳钢的受拉过程分为四个阶段 0LLOAF弹性阶段弹性阶段OAOA屈服阶段屈服阶段ABAB强化阶段强化阶段BCBC颈缩阶段颈缩阶段CDCDABCD低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能tgE:p0LLOAFA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图p E1 E2l图形的特点：l 试件的特点：l计算的指标：ABCD弹性极限第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能屈服阶段屈服阶段AB : 一条波动的曲 线，应力增加很小，而应变增加 很大。 所能承受的拉 力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力 屈服。屈服。 屈服强度（也叫屈服点） 点对应的应力。 0LLOAFA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图pACDBB上上B下下sAFss第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能强化阶段强化阶段BC 一段上升的曲线。 抵抗塑性变形的能力又重新 提高 抗拉强度 l图形的特点：l试件的特点：l计算的指标：0LLOAFA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图pACDBB上上B下下sAFbbbC点对应的应力。强化。颈缩阶段颈缩阶段CD 一段下降的曲线。 变形迅速发展，在有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。 伸长率： l图形的特点：l试件的特点：l计算的指标：AF0LLOApACDBB上上B下下sb%100001LLLL1L0颈缩第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能三个重要的指标 n屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据 n抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率 ，安全可靠程度 强屈比一般不低于强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于，抗震结构一般不低于1.25。n伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好 bsbsAF0LLOApACDBB上上B下下sbsbbs%100001LLL4断面收缩率 L100AAAnd0L0L0=5d0或10d0A0、 An前后的截面积 5与10谁大第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能2 . 0中碳钢、高碳钢的应力应变图l规定：产生残余变 形为原始标距的0.2% 时所对应的应力值， 作为硬钢的屈服强度， 称为条件屈服强度， 用0.2表示。1第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能二.冷弯性能 1.定义：冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。 2.弯曲测试弯曲测试：弯心直径d与试件直径（或厚度）a的比值d/a越小，弯曲角度越大，说明试件受弯程度越高，对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能3.冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能三三. .冲击韧性冲击韧性1.1.定义定义：是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 2.2.冲击韧性指标冲击韧性指标：是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能冲击试验冲击实验 第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能3.3.冷脆性冷脆性：钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。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。 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。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能四.耐疲劳性1.定义：钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。若max越大，则次数N越小。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能2.疲劳破坏的原因：钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲劳断裂。钢材内部的晶体结构、成分偏析以及最大应力处的表面光洁程度等因素均会明显影响疲劳强度。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能五.硬度1.1.定义定义：是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。 第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能l材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。 HBb6 . 3175HB，当HBb5 . 3175HB，当 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。第二节第二节 钢材的力学性能钢材的力学性能第三节钢材的强化、热处理及焊接一一.钢材的冷加工钢材的冷加工 1钢材的冷加工、时效钢材的冷加工、时效 冷加工的主要目的冷加工的主要目的：提高屈服强度，节提高屈服强度，节约钢材，但往往会导致塑性、韧性及弹性模约钢材，但往往会导致塑性、韧性及弹性模量的降低。量的降低。 形式形式：冷拉、冷拔、冷轧。冷拉、冷拔、冷轧。 第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接n冷拉冷拉是降低碳钢丝从孔略小于钢丝直径的拔丝模中强力拔出，使断面减小，长度伸长的工艺过程。 n冷轧冷轧是使低碳钢丝通过硬质杂辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。冷拔、冷轧后的钢丝，强度和硬度明显提高，塑性和韧性则显著下降。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接n冷加工强化的原理冷加工强化的原理：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接2冷加工在工程中的应用冷加工在工程中的应用 （1 1）冷加工具有明显的经济效益冷加工具有明显的经济效益 （2 2）简化施工工艺简化施工工艺，使盘条钢筋的开盘、，使盘条钢筋的开盘、矫直、冷拉三道工序合为一道，直条钢筋矫直、冷拉三道工序合为一道，直条钢筋则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。 （3 3）冷加工和时效一般同时采用冷加工和时效一般同时采用，通过试，通过试验确定冷拉控制参数和时效。验确定冷拉控制参数和时效。第四节第四节 钢材的强化与连接钢材的强化与连接3 3时效处理时效处理：将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520，或加热到100200度并保持一段时间，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。第四节第四节 钢材的强化与连接钢材的强化与连接钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化 第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接n冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接n钢材产生时效的主要原因钢材产生时效的主要原因：溶于一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接二钢筋的热处理 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。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接图图 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 图图 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 热处理的几种基本方法： ( () ) 淬火淬火。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。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接 ( () ) 回火回火。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。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接（）（）退火退火。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。第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接三. 钢材的焊接n焊接是钢结构的主要连结方式。n类型： 电弧焊；电渣压力焊n检验方法： 取原样试件和原位非破损检测第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接手工电弧焊手工电弧焊第三节钢材的强化、热处理及焊接第三节钢材的强化、热处理及焊接第四节钢材的防火和防腐蚀第四节第四节 钢材的防火和防腐蚀钢材的防火和防腐蚀n2.4.1钢材的防火n2.4.2钢材的锈蚀与防止1.钢材被腐蚀的原因化学腐蚀电化学腐蚀2. 钢材防腐蚀的措施n2.4.1钢材的防火钢材是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：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。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。第四节第四节 钢材的防火和防腐蚀钢材的防火和防腐蚀n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。第四节第四节 钢材的防火和防腐蚀钢材的防火和防腐蚀n美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖主义者袭击、倒塌，给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。2.4.2钢材的锈蚀与防止n钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀腐蚀（锈蚀）。n钢材腐蚀的现象普遍存在，如在大气中生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大时，情况就更为严重。腐蚀不仅使钢材有效截面积均匀减小，还会产生局部锈坑，引起应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。1.钢材被腐蚀的原因n 化学腐蚀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n钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水)存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。整个电化电化学腐蚀学腐蚀过程如下：阳极区：Fe = Fe2+ + 2e阴极区：2H2O + 2e + 1/2O2 = 2OH- + H2O溶液区：Fe2+ 2OH-= Fe(OH)2Fe(OH)2 + O2 + 2H2O= 4 Fe(OH)3水是弱电解质溶液，而溶有CO2的水则成为有效的电解质溶液，从而加速电化学腐蚀的过程。n钢材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用所致，但以电化学腐蚀为主。 2. 防腐措施n钢材的防腐钢材的腐蚀既有内因（材质），又有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋的防锈。n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、搪瓷和塑料等。涂料通常分为底漆、中间漆和面漆。底漆要求有比较好的附着力和防锈能力，中间漆为防锈漆，面漆要求有较好的牢度和耐候性以保护底漆不受损伤或风化。一般应用为两道底漆（或一道底漆和一道中间漆）与两道面漆，要求高时可增加一道中间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈以及低漆、中间漆和面漆的匹配。常用底漆有：红丹底漆、环氧富锌漆、云母氧化底漆、铁红环氧低漆等。中间漆有：红丹防锈漆、铁红防锈漆等。面漆有：灰铅漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。第五节建筑钢材的选用与品种2.5建筑钢材的选用与品种n2.5.1建筑钢材的主要钢种1.碳素结构钢2.低合金高强结构钢2.5.2常用建筑钢材1.钢筋2.型钢2.5.1建筑钢材的主要钢种1.碳素结构钢：国家标准GB 700-88碳素结构钢中规定，牌号由四部分按顺序组成：屈服点的字母：Q屈服点数值：195，215，235，255，275MPa质量等级符号A、B、C、D脱氧方法F、BZ、Z、TZ n“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 Mpa五种n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n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。n例如：Q235AF表示屈服点为235 Mpa的A级沸腾钢。随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。2.低合金高强度结构钢的牌号的表示方法为：屈服强度质量等级，它以屈服强度划分成五个等级：295、Q345、Q390、Q420、Q460，质量也分为五个等级： A 、 B 、 C、 D、 E 。由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。 鸟巢用钢为Q460高强钢板是中国造n国内建筑结构首次使用国内建筑结构首次使用 Q460托起托起“鸟巢鸟巢”钢铁脊钢铁脊梁梁n舞阳钢铁公司 “鸟巢”的跨度很大，如果使用低强度的钢材，将使钢材的断面增大，在受力比较复杂的情况下，会带来一系列的问题。比如，110毫米厚的高强度钢材，如果换成低强度钢材，厚度至少要达到220毫米，而钢板越厚，焊接越难。而且，钢材在焊接的部位很容易出现问题，尤其是断面增大之后，在焊接过程中容易产生缺陷。除了焊接不便，低强度钢材体积和负重大是另外一个不足之处。韦明介绍说，钢材出厂后并不是直接使用到建筑上，而是要焊成方形柱或矩形柱来使用，如果用低强度的钢，需要把柱子焊的很大，大尺寸的钢结构不利于加工制作，如果用高强度钢，柱子就可以焊得很小，重量和占地面积都要小，更加方便加工制作。2.5.2常用建筑钢材n1.钢筋n低碳钢热轧圆盘条n钢筋混凝土用热轧带肋钢筋n冷轧带肋钢筋n预应力混凝土用热处理钢筋n预应力混凝土用钢丝与钢绞线n2.型钢（1）低碳钢热轧圆盘条n 普通低碳钢热轧圆盘低碳钢热轧圆盘条条由低碳普通碳素结构钢或屈服点较低的碳素结构钢轧制而成，是线材品种中用量最大、使用最广泛的盘条，故又称普通线材，简称普线。主要用途用途：普线主要用于建筑钢筋混凝土结构作配筋用，也可冷拔拉制成钢丝，作捆扎等用。 （2）热轧带肋钢筋n热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋两类。混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度，具有一定的塑性、韧性、冷弯和可焊性。n 螺纹钢是热轧带肋钢筋的俗称。其牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成。H、R、B分别为热轧（Hot rolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词的英文首位字母。热轧带肋钢筋分为HRB335（老牌号为20MnSi）、HRB400（老牌号为20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi）、HRB500三个牌号。 第五节第五节 钢材的技术标准与选用钢材的技术标准与选用混凝土用热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能钢筋混凝土用热轧带肋钢筋钢筋混凝土用热轧带肋钢筋n 混凝土用热轧带肋钢筋是中国钢材产品中用量最大的品种之一，建国以来，从仿制原苏联钢筋到自行研制国产钢筋，从低强度级钢筋、级钢筋到强度较高的级钢筋、级钢筋，高低并存，品牌杂多，其发展经历了漫长的过程。虽在使用数量上能够满足工程建设的需要，但低强度的级钢筋应用比例仍在90左右，高强度级钢筋、 级钢筋的比例仅占10左右，这与欧美发达国家相比存在较大差距。发达国家目前基本淘汰了级钢筋，混凝土结构建筑主要采用的是高强度、综合性能好的级钢筋、级钢筋。为了加快国民经济发展，追赶世界建筑领域的先进水平，为中国可持续发展做出贡献，混凝土用热轧钢筋的升级换代已势在必行。n 据统计， 目前中国每年新建房屋建筑面积约20亿m2 ，因大部分采用的是钢筋混凝土结构，所以需要钢筋在6000万t左右，但建筑工程中使用的钢筋等级较低， 基本上是以HRB335MPa为主，HRB400MPa为辅。资料表明，2000年中国钢筋总产量2844万t，其中级钢筋265万t， 占总量09 ；2001年钢筋总产量3735万t，其中级钢筋为1066万t， 占总量28 ；2002年钢筋总产量4516万t，其中级钢筋1943万t， 占总量43 ；2003年钢筋总产量6016万t，其中级钢筋5885万t， 占总量98 ；到2004年钢筋总产量已达到7000万t，其中 级钢筋为850万t， 占总量121。不难看出，从2000年以来， 级钢筋产量年年都上新台阶，并在热轧钢筋领域中占有一席之地，且中国热轧带肋钢筋质量也逐年提高，各主要钢筋生产企业的实物质量均已达到国际同类产品的先进水平。n发展高强度钢筋的优势n实践表明，采用400MPa的 级钢筋替代335MPa的级钢筋可以节约14 的钢筋。以2004年生产7000万t钢筋计算，假设所生产的钢筋全部是400MPa 级钢筋，则仅钢材一项就可节约近1000万t，如果生产更高级的500MPa钢筋，则可节约近2000万t钢筋，相当于十几个中型钢铁企业钢筋年产量的总和。从而在增加建筑物安全储备的同时。减少了铁矿石、合金料、焦炭、水电等原材料的消耗，对合理支配物产资源有较重大的意义，其社会效益显著。GB14991998钢筋混凝土用热轧带肋钢筋钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 n保留原标准RL335（原级）、RL400（原级）、取消RL540（原级） 钢筋，增加RL500级钢筋。在表达方式上取消没有明显物理概念的、 级，代之以规定屈服强度表示钢筋强度级别，使本标准形成335、400、 500MPa强度级别系列。nRL540级钢筋即原级钢筋，在使用中经冷拉提高强度后作预应力钢筋 使用，不属于钢筋混凝土用钢筋范畴，故从本标准中取消。nHRB500级钢筋在我国尚没有使用实践，但世界各地在已实现普遍采用400MPa级钢筋的基础上，目前趋势是发展500MPa级钢筋，国际标准已纳入500MPa级钢筋 。500MPa级钢筋是本次修订增加的，国内尚无成熟的生产经验。它不是原540MPa级（级）钢筋的简单调整，而是一种新级别的钢筋。 （3） 冷轧带肋钢筋n冷轧带肋钢筋使用低碳热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。它克服了冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，因此在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中得到了越来越广泛的应用。n 冷轧带肋钢筋是国家冶金部，建设部，科委联合推广的一种实用新型建筑钢材。执行国家标准（冷轧带肋钢筋）GB13788-2000冷轧带肋钢筋国外发展情况 n1968年由德国、荷兰、比利时研制成功，1973年起在欧州（德国、奥地利、意大利、美国、英国等）就得到了大量发展应用。并有国家标准。国际标准化组织（ISO）也制定了国际标准。作为一种建筑钢材，纳入了各国的混凝土结构规范，在这些国家，冷轧带肋钢筋已广泛用于建筑工程、高速公路、机场、市政、水电管线中。1994年，欧共体年产量450万吨。在中国周边国家，新加坡和马来西亚也早已在建筑工程和市政工程中广泛应用，仅新加坡冷轧带肋钢筋的年使用量就在15万吨以上。n冷轧带肋钢筋各国大都以焊网的形式用于工程中，少量用直条钢筋在现场绑扎，其中德国有19家焊网厂，分属6个集团。不论是直条钢筋还是焊网，都实行工厂化生产，按施工进度要求分批送到施工现场，钢筋工只需按图铺放，不需再作任何加工。国内发展概况 n 我国自八十年代后期起，开始引进冷轧带肋钢筋生产设备。先后有南京、苏州、上海、青岛、沧州、昆明等地分别从德国、意大利等国引进11套设备。九十年代中期又有安徽、广东、江苏等省的合资或外商独资企业，从国外引进几条生产线。与此同时。国内有些科研单位和企业着手研制或仿制冷轧设备。迄今已有十多个单位在生产和销售冷轧带肋钢筋全套设备，分布于北京、辽宁、江苏、河北、天津等地。还有一些设备生产企业，在几年来激烈的市场竞争中，由于产品性能不良或质量低劣被淘汰。 n 冷轧带肋钢筋有如下优点：1、钢材强度高，可节约建筑钢材和降低工程造价。CRB550级冷轧带肋钢筋与热轧光圆钢筋相比，用于现浇结构（特别是楼屋盖中）可节约35%40%的钢材。如考虑不用弯钩，钢材节约量还要多一些。根据目前钢材市场价格，每使用一吨冷轧带肋钢筋，可节约钢材费用800元左右。2、冷轧带肋钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能良好。因此用于构件中，从根本上杜绝了构件锚固区开裂、钢丝滑移而破坏的现象，且提高了构件端部的承载能力和抗裂能力；在钢筋混凝土结构中，裂缝宽度也比光圆钢筋，甚至比热轧螺纹钢筋还小。3、冷轧带肋钢筋伸长率较同类的冷加工钢材大。（4） 预应力混凝土用热处理钢筋热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中碳低合金钢)经淬火和高温回火调质处理而成的。其特点是塑性降低不大，但强度提高很多，综合性能比较理想。其主要用于预应力混凝土轨枕，代替碳素钢丝。还用于预应力梁、板结构及吊车梁等。 预应力混凝土用热处理钢筋成盘供应，开盘后能自行伸直，不需调直和焊接，施工方便，且节约钢材。a.使用荷载下混凝土受拉区开裂b.难以采用高强度钢筋n 从型缝宽度的验算中可知，在钢筋混凝土受弯构件中，当裂缝宽度达到其允许限值0.20.3mm时，受拉钢筋的应力值不过200Nmm2左右，配筋量也往往由裂缝宽度控制。现代冶炼技术已可生产强度高达1600Nmm2以上的钢筋，但是将它们用于钢筋混凝土结构，则在其强度远未充分利用之前，裂缝的开展宽度和变形早已超过允许限值，不能满足正常使用要求。n 因此，在钢筋混凝土结构中，高强度钢筋不能发挥作用，只能采用强度较低的级、级和级钢筋。复习提纲复习提纲n （1）初步懂得钢材的几种基本组织；掌握钢材含碳量对钢材组织和性能的影响。n（2）理解钢材的分类、钢材脱氧程度对性能的影响。n（3）熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影响因素；着重理解低碳钢在受拉过程中各阶段的应力-应变特征；p、s及b的位置；s、b及0.2的实用意义；理解伸长率与塑性的关系；冲击韧性的定义、表示方法及低温冷脆性；理解钢材的耐疲劳性。（4）理解钢材的冷弯性能，并懂得其与伸长率的关系；了解钢材焊接性能的影响因素。n（5）熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法；理解冷加工强化及时效处理的概念；一般性了解热处理工艺。（6）掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。理解碳素结构钢牌号的表示方法，结合实例掌握其在工程中选用的条件。 （7）一般性了解钢材锈蚀的种类及钢材的防腐、防火。本节基本概念n钢生铁 镇静钢沸腾钢普通钢 强度弹性模量弹性极限屈服强度极限强度硬度塑性韧性耐疲劳性n冷弯性能焊接性能n铁素体珠光体渗碳体n冷加工强化热处理时效处理 n碳素结构钢牌号低合金结构钢 热轧钢筋冷拔钢丝n腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀 本章的难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。建议在学习中需联系钢材的组成结构分析其性能，来理解其应用。填空题 1.建筑钢材按化学成分分： 、 。2.建筑钢材按用途不同分： 、 、 。3.钢按脱氧程度分： 、 、 、 。4. 是指钢材表面局部体积内抵抗变形或破坏的能力。5.钢的基本组织要有 、 、 、 。6.国家标准碳素结构钢（GB700-1988）中规定，钢的牌号由代表屈服点的符号（Q）、 、 和 四部分构成。多项选择题1、钢材在选用是必须熟悉钢材的（ ），注意结构的（ ）对钢材性能的不同要求。A、荷载类型 B、质量 C、连接方式 D、环境温度2、在钢结构中常用（ ）钢，轧制成钢板、钢管、型钢来建造桥梁、高层建筑及大跨度钢结构建筑。A、碳素钢 B、低合金钢 C、热处理钢筋 D、冷拔低碳钢丝3、碳素结构钢的质量等级包括（ ）。 A、A B、B C、C D、D E、E F、F4、钢材热处理的方法有（ ）。 A、淬火 B、回火 C、退火 D、正火 E、明火5、经冷拉时效处理的钢材其特点是（ ）进一步提高，（ ）进一步降低。 A、塑性 B、韧性 C、屈服点 D、抗拉强度 E、弹性模量6、钢材中（ ）的含量过高，将导致其热脆现象发生。 A、碳 B、磷 C、硫 D、硅判断题 n1、钢材最大的缺点是易腐蚀。（ ）n2、沸腾钢是用强脱氧剂，脱氧充分液面沸腾，故质量好。（ ）n3、钢材经冷加工强化后其S、b均提高了，塑性降低了。（ ）n4、钢是铁碳合金。 （ ）n5、钢材的强度和硬度随含碳量的提高而提高。 （ ）n6、质量等级为A的钢，一般仅适用于静荷载作用的结构。（ ）n7、钢的强度以含碳量为0.8%左右为最高。 （ ）n8、钢材防锈的根本方法是防止潮湿和隔绝空气。 （ ）n9、热处理钢筋因强度高，综合性能好，质量稳定，最适于普通钢筋混凝土结构。简答题n1、钢按化学成分、质量等级及用途各分为几类？n2、钢的伸长率如何表示？冷弯性能如何评定？它表示钢的什么性质？什么是可焊性？ n3、什么是钢的冲击韧性？如何表示？其影响因素有哪些？ n4、解释下列名词：钢的低温冷脆性、脆性临界温度、时效、时效敏感性。 n5、锰、硅、钒、钛、硫、磷等元素对钢性能有何影响？ n6、什么是淬火与回火？ n7、低合金高强度结构钢被广泛应用的原因是什么？ n8、钢材锈蚀的原因有哪些？如何防止？ 计算题n有一碳素钢试件的直径d0=20mm，拉伸前试件标距为5 d0拉断后试件的标距长度为125mm，求该试件的伸长率。计算题 n新进货的一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4 kN，41.5 kN；抗拉极限荷载分别为62.0 kN，61.6 kN,钢筋公称直径为12 mm，标距为60 mm，拉断时长度分别为66.0 mm，67.0 mm。计算该钢筋的屈服强度，抗拉强度及伸长率。