{建筑材料管理}建筑材料第六章建筑钢材

6 建筑钢材,本章概述了钢材的冶炼、加工及分类方法。重点介绍了钢材的力学性能、工艺性能及现行国家标准或规范对钢材的性能及技术要求。阐述了钢的化学成分及所含合金元素等对钢材性能的影响。介绍了碳素结构钢和低合金结构钢的牌号表示方法、技术要求及各类牌号钢材的性能和用途。论述了钢筋混凝土结构采用的主要钢材品种及特点。,本章提要,钢桥,本 章 内 容,6.1 钢的冶炼和分类 6.2 钢材的主要性能 6.3 建筑钢材的技术标准及选用,6.1 钢的冶炼和分类,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。,1 钢的冶炼,过程,焦炭,铁矿石,高炉 熔融,生铁,精炼,钢,铸锭,钢锭,建筑钢材,钢材的冶炼过程,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(2040min)，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。,冶炼后的钢水中含有以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。 根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。,(1)沸腾钢F 是脱氧不完全的钢，钢材质量差。 (2)镇静钢Z 是脱氧充分的钢，钢材质量好。 (3)半镇静钢 其脱氧程度和质量介于上述两者之间。 建筑钢材是将钢坯加热后经轧制而成的。,2 钢的分类,6.2 钢材的主要性能,由低碳钢在拉伸过程中形成的应力()-应变()关系图(图6.1)可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。 (1)弹性阶段(OA) (2)屈服阶段(AB) (3)强化阶段(BC) (4)颈缩阶段(CD),1 抗拉性能,图6.1 低碳钢受拉的应力-应变图,(1)弹性阶段(OA) 在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。 弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限p。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=/。,(2)屈服阶段(AB) 当应力超过弹性极限p后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在-关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限s。,(3)强化阶段(BC) 当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在-关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用b表示，它是钢材所能承受的最大应力。,(4)颈缩阶段(CD) 当应力达到抗拉强度b后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。 将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率：,L1,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k表示(J/cm2)。k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图6.2)。 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。,2 冲击韧性,图6.2 冲击韧性试验图,(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机,1摆锤；2试件；3试验台；4刻度盘；5指针,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，这种现象称为疲劳破坏。 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。,3 疲劳强度,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。如图6.3。,4 硬度,图6.3 布氏硬度测定示意图,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。 钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。如图6.4所示 钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。,5 冷弯性能,图6.4 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,钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。 钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。 以钢筋的冷拉为例(图6.5)，图中OBCD为未经冷拉时的应力-应变曲线。, 6 钢材的冷加工强化及时效,时效 经冷拉的钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效。 可分为两类：分为自然时效（经冷拉的钢材在常温下存放15-20天）和人工时效（经冷拉的钢材在加热至100-200，并保持一段时间）。,图6.5 钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化,冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔(如图6.6)，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。 ,图6.6 冷拔模孔,1）可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。 2）可节约钢材20-30%。 3）对于受动荷载或经常处于高温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感小的钢材。,意义,(1)碳是决定钢材性能的主要元素。 如图6.7所示，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。 (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。,7 钢的化学成分对钢材性能的影响,图6.7 含碳量对热轧碳素钢性质的影响,b抗拉强度；k冲击韧性；HB硬度； 伸长率；面积缩减率,(3)硫、磷 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。,(4)氧、氮 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。（硫、磷、氧、氮是钢材中的有害杂质） (5)钛、钒、铌是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。,6.3 建筑钢材的技术标准及选用,建筑工程中需要消耗大量的钢材，按用于不同的工程结构类型可分为：钢结构用钢，如各种型钢、钢板、钢管等；钢筋混凝土工程用钢，如各种钢筋和钢丝。 从材质上分主要有碳素结构钢和低合金结构钢，也用到优质碳素结构钢。,碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。 现行国家标准碳素结构钢(GB 7002006)具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。,1 碳素结构钢,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、脱氧程度符号四部分按顺序组成。碳素结构钢可分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号。其他各符号含义见表6.1。 如Q235AF，表示屈服强度为235MPa，质量等级为A级的沸腾钢。Q255B，表示屈服强度为255MPa，质量等级为B级的镇静钢。,1） 碳素结构钢的牌号表示方法,表6.1,碳素结构钢的化学成分、拉伸和冲击韧性、弯曲性能分别符合表6.2、表6.3、表6.4的要求。,2） 技术要求,表6.2 碳素结构钢的化学成分(GB 7002006),表6.3 碳素结构钢的拉伸、冲击性能(GB 7002006),表6.4 碳素结构钢的冷弯试验(GB 7002006),碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。 Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。 Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。,3） 碳素结构钢的选用,Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。 Q255、Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。,一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其目的是为了提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。 低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%30%，但成本并不很高。,2 低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢共有5个牌号。其牌号的表示方法由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成，屈服点数值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多到少分为A、B、C、D、E五级，均为镇静钢。 如Q345A表示屈服点为345MPa的A级钢。,1） 低合金高强度结构钢的牌号表示方法,执行GB15911994 低合金高强度结构钢的规定，其化学成分应符合表6.5的要求，力学性能和冷弯性能应符合表6.6的要求。,2） 低合金高强度结构钢的技术要求,表6.5 低合金高强度结构钢的化学成分,表6.6 低合金高强度结构钢的力学性能和冷弯性能,Q295号钢中含有少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯性能、焊接性能及耐蚀性能。主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构。 Q345、Q390号钢综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构。 Q420、Q460号钢强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及荷载大的轻型结构。,3） 低合金高强度结构钢的性能和应用,钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋。光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑。带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。 横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋；横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋。如图6.6。,3 钢筋混凝土用钢筋、钢丝,1） 钢筋混凝土用热轧钢筋,图6.6,