建筑钢材土木工程材料

第七章 建筑钢材§71 概 述上海宝钢上海宝钢一、钢及其特性Ì建筑钢材是建筑工程重要材料,包括型钢、钢板和钢丝、钢筋和建筑五金等Ì钢的定义Ø 理论上，凡是把含碳量0.06%-2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。Ø 含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.04%，称为工业纯铁。Ì钢的特点Ø 具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。二、建筑钢材的主要品种1.型钢Ø简单截面型钢：圆钢、方 钢、六角钢、八角钢等；Ø复杂截面型钢：工字钢、 角钢、槽钢、钢轨等。二、建筑钢材的主要品种2.线材如钢筋、钢丝等。二、建筑钢材的主要品种3.管材无缝钢管、焊接 钢管等。二、建筑钢材的主要品种4.板材光面钢板、花纹钢板、 彩色涂层钢板等。压型彩钢板7.1、 钢的冶炼方法简介与分类Ì按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为：1. 空气转炉炼钢法 一般炼制普通碳素钢。2 .氧气转炉炼钢法 炼制优质碳素钢和合金钢。3 .平炉炼钢法 用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特 殊要求的专用钢。(已基本淘汰）4.电弧炉炼钢法铁矿石液态生铁吹入空气或氧气钢浇注成钢锭脱 氧熔融钢的分类1.按冶炼方法分钢转炉钢镇静钢电炉钢平炉钢按冶炼方法分按脱氧程度分半镇静钢沸腾钢特殊镇静钢按炉衬材料分 为酸性钢和碱 性钢四、钢的分类2.按化学成分分3.按用途分分为结构钢、工具钢、轴承钢钢中碳钢低合金钢高碳钢低碳钢碳素钢合金钢中合金钢高合金钢C0.25%C=0.25%0.60C0.60合金总含量5%5%1010§72 建筑钢材的主要性能 标准试件按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。l0A0d0l 非标准试件不经过加工，直接在线材上切取的试件。头部头部工作段一、力学性能1.低碳钢的拉伸性能0钢材拉伸过程的-图Os弹性阶段Ss屈服阶段Sb应变强化阶段bf颈缩破坏阶段p0e0sfbFs上上屈服点以下屈服点的应力作 为钢材的屈服强度。（1）拉伸试验过程（2）拉伸过程的参数Ì强度指标Ø 屈服强度：Ø 极限强度：Ø 疲劳强度：2×106 疲劳循环Ì塑性指标（概念）Ø 伸长率：Ø 断面收缩率2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能Ì硬钢强度高，塑性差，拉 伸过程无明显屈服阶段， 无法直接测定屈服强度。 用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。Ì条件屈服点0.2 ：使硬钢 产生0.2%塑性变形时的 应力。见左图。0A0.2%aboa总变形。 ba弹性变形99.8%。 ob塑性变形0.2%。二、冲击韧性Ì定义及指标Ø 指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值 k表示。k 越大，则冲击韧性越好。Øk是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功。Ì影响因素Ø 硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂 纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。Ø 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性 。硬度：布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR)三、工艺性能1.冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比 值d/a；弯曲角度（90°或180°）；试样弯曲外表面无肉眼可 见裂纹则冷弯合格。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷， 它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。三、工艺性能2. 焊接性能可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其 附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头 强度是否与母体相近的性能。 Ø可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫 量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳 量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。 Ø焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇 静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后 的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处 理等措施。§73 钢的组织与化学成分对钢性能的影响 Ì1. 钢的组织对钢性能的影响Ì 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。Ì钢的基本晶体组织Ì 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：Ì 固溶体铁（Fe）中固溶着微量的碳(C)；Ì 化合物铁和碳结合成化合物Fe3；Ì 机械混合物固溶体和化合物的混合物。Ì 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。Ì钢的基本组织主要有以下几种： Ì （）铁素体 Ì 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。 Ì （）奥氏体 Ì 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。 Ì Ì（）渗碳体Ì 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。Ì （）珠光体Ì 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 。Ì2. 钢材的化学成分及对性能的影响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。（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。Ì（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。Ì（）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。Ì（）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 。 Ì （）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。Ì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。Ì （）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。Ì （）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。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。§74 钢的冷加工与热处理四、钢材的冷加工1.冷加工强化Ø 冷加工强化是钢材在常温下 ，以超过其屈服点但不超过 抗拉强度的应力对其进行的 加工。Ø 建筑钢材常用的冷加工有冷 拉、冷拔、冷轧、刻痕等 。Ø 对钢材进行冷加工的目的， 主要是利用时效提高强度， 利用塑性节约钢材，同时也 达到调直和除锈的目的。 四、钢材的冷加工强化和时效2.时效强化Ø钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、 冲击韧性降低的现象称为时效。Ø时效分为自然时效和人工时效两种。 自然时效是将其冷加工后，在常温下放置1520d； 人工时效是将冷加工后的钢材加热至100200保持2h以 上。Ø经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及 硬度都将提高，而塑性和韧性降低。 Ì2. 钢材的热处理Ì 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。Ì 钢材的热处理通常有以下几种基本方法：Ì Ì（1）退火。退火是指将钢材加热至某一温度，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。Ì（2）正火。是退火的一种特例，两者仅冷却速度不同，正火是在空气中冷却，钢材正火后强度和硬度提高，塑 性较退火为小。Ì(3) 淬火。将钢材加热至900（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。Ì(4) 回火。将淬火后的钢材重新加热到900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。§75 建筑用钢 一、碳素结构钢（非合金钢）1.牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号等四个部分按顺序组成；Ø如：Q235AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸 腾钢。 Ø共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。2. 技术性能Ø化学成分、力学性能、冷弯性能应符合表7.37.5的 规定。一、碳素结构钢（非合金钢）3. 用途ØQ195、Q215，含碳量低，强度低，塑性、韧性、加 工性能和可焊性好，主要用于轧制薄板和盘条、制 造铆钉、地脚螺栓等。ØQ235，含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接 等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条 或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、 槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。ØQ255、Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性 和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的 结构及加工机械零件。二、优质碳素钢（合金钢）Ì大部分为镇静钢，分为普通含锰钢和较高含锰钢。Ì表示方法为：以含碳量（0.01%）含锰量标注Ì如：45Mn 多用于预应力锚具Ì6580号钢用于钢绞线三、低合金高强度结构钢 在碳素结构钢基础上添加小于5%的合金。1.牌号表示方法Ø由代表屈服点的拼音字母（Q）、屈服点数值、质量 等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。Ø如Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。 2.牌号Ø共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。3.技术要求Ø其化学成分、力学性能见表7.6、7.74. 用途ØQ295，钢中只含有极少量合金元素，强度不高，但 有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于 建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构。 ØQ345、Q390，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，是常用的牌号，主要用于承受较高荷载 的焊接结构。 ØQ420、Q460，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要求强度 高、荷载大的轻型结构。 Ì性能与应用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。Q345 钢的综合性能较好，是钢结构的常用牌号，Q390也是推 荐使用的牌号。与碳素结构钢Q235相比，低合金高强度 结构钢Q345的强度和承载