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建筑材料第8章建筑钢材


第八章 建筑钢材

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本章的教学目标是:
– ⑴ 了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系; – ⑵熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法; – ⑶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; – ⑷ 掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选 用原则。 – 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。

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8.1金属的微观结构及钢材的化学组成 8.2建筑钢材的主要力学性质 8.3建材的冷加工及时效强化、热处理 和焊接 8.4钢材的防火和防腐蚀 8.5建筑钢材的品种和选用

8.1金属的微观结构及钢材的化 学组成
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8.1.1 金属的微观结构概述 金属的晶体结构 金属晶体结构中的缺陷
点缺陷;线缺陷;面缺陷

金属强化的微观机理
细晶强化 固溶强化 弥散强化 变形强化

8.1.2钢材的化学组成

金属晶体晶格类型:
金属晶体的晶格有三种类型: 面心立方晶格FCC(Face-centered cubic) 体心立方晶格BCC (Body-centered cubic ) 密集六方晶格HCP(Hexagonal closepacked)

金属晶体结构中的缺陷:
点缺陷:由于晶体中的热振动等原因, 个别能量较高的原子克服了临近原子的 束缚,离开了原来的平衡位置,形成了 “空位”,跑到另一个结点或结点间的 不平衡位置上导致晶格畸变,某些杂质 的嵌入,也会导致晶格畸变,这些缺陷 称为点缺陷。

线缺陷:在金属晶体中某晶面间原子排 列数目不相等,在晶格中形成缺列,这 种晶体缺陷称为“位错”。位错有刃位 错和螺位错。 面缺陷:晶界处的原子排列规律受到严 重干扰,使晶格发生畸变,畸变区形成 一个面,这些面又交织成三维网状结构, 这些缺陷称为面缺陷。

金属强化的微观机理
改变晶体缺陷的的数量和分布状态
? 细晶强化:增加单位体积中晶界面积来提高 屈服强度的方法 ? 固溶强化:固溶体形成较多缺陷 ? 弥散强化:散入第二相质点,增大位错运动 阻力 ? 变形强化:缺陷密度增加

8.1.2钢材的化学组成
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。含碳量大于2.06% 的铁碳合金称为生铁。 1.钢材的分类:
按化学成分分

碳素钢

合金钢

低碳钢(含碳量小于0.25%) 中碳钢(含碳量0.25%~0.6%) 高碳钢(含碳量大于0.6%) 低合金钢(合金元素小于5%) 中合金钢(合金元素5%~10%) 高合金钢(合金元素大于10%)

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。

按品质(杂质含量)分类 (1)普通钢:含硫量≤0.045%~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%,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%。 按冶炼时脱氧程度分类 钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇静 钢、沸腾钢和半镇静钢。

两钢锭(沸腾钢和镇静钢)的纵剖面图

(A)沸腾钢

(B)镇静钢

从图中可见,沸腾钢的气泡明显多于镇静 钢,沸腾钢是脱氧不完全的钢,浇铸后在钢液冷 却时有大量一氧化碳气体外逸,引起钢液剧烈沸 腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多,化学成分和力 学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差, 但生产成本低,可用于一般地建筑结构。而镇静 钢是指在浇铸时,钢液平静地冷却凝固,基本无 一氧化碳气泡产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀 密实,品质好,但成本高。镇静钢可用于承受冲 击荷载地重要结构。 此外,还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻 底的钢,其质量最好,称特殊镇静钢,其使用于 特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静 钢和沸腾钢之间的钢,称为半镇静钢,其质量较 好。

钢材的基本晶体组织
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钢是以铁(Fe)为主的Fe-C合金。Fe-C 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象,故也称 显微组织。在钢材中碳原子与铁原子之 间的结合有三种基本的方式:即固溶体、 化合物和机械混合物。由于铁与碳的组 合方式的不同,碳素钢形成的基本组织 有铁素体、渗碳体、珠光体。

钢材的显微组织
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钢材在常温下主要有三种显微组织: ①铁素体:钢材中的铁素体系碳在α-Fe中的固溶 体,由于α-Fe体心立方晶格的原子间空隙小,溶碳 能力较差,故铁素体含碳量很少(小于0.02%), 由此决定其塑性、韧性好;但强度、硬度低。 ②渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C,其含 碳量高达6.67%,晶体结构复杂,塑性差,性硬脆, 抗拉强度低,是钢中的主要化学成分。 ③珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合 物,含碳量较低(0.8%),层状结构,塑性较好,强 度和硬度较高。

铁针状和块状铁素体

片状珠光体

钢材的成分对性能的影响

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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。

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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1%~2%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。

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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。

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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。

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化学元素对钢材性能的影响
化学元素 碳(C)<1% ↑ 硅(Si)>1%↑ 锰(Mn) 钛(Ti) ↑ ↑ ↑ ↑↑ ↑ ↓ ↓ ↓ 强度 ↑ 硬度 ↑ 塑性 ↓ ↓ 韧性 ↓ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ 可焊性 ↓ 其他 冷脆性↑ 冷脆性↑ 脱氧、硫剂 强脱氧剂

↓↓ ↓

钒(V)




↑ ↑ ↓

时效↓
偏析、冷脆 ↑↑ 冷脆性↑ 热脆性

磷(P) ↑ 氮(N) ↑ 硫(S) ↑

氧(O) ↑





8.2建筑钢材的主要力学性能
8.2.1抗拉性能 8.2.2冷弯性能 8.2.3冲击韧性 8.2.4硬度 8.2.5耐疲劳性

抗拉性能
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从低碳钢的应力-应变关系中可看出,低碳钢从 受拉到拉断,经历了四个阶段:弹性阶段、屈 服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

(1) 弹性模量
钢材受力初期,应力与应变成比例地增长, 应力与应变之比为常数,称为弹性模量,即 E =б/ε。这个阶段的最大应力(P点对应值) 称为比例极限бp。 弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变 形的能力,即材料的刚度,它是钢材在静荷 载作用下计算结构变形的一个重要指标。

(2) 弹性极限
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应力超过比例极限后,应力-应变曲线略 有弯曲,应力与应变不再成正比例关系,但 卸去外力时,试件变形能立即消失,此阶段 产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变 形的最大应力(e点对应值)称为弹性极限 бe。事实上,бp与бe相当接近。

(3) 屈服强度和条件屈服强度
当应力超过弹性极限后,变形增加较 快,此时除了产生弹性变形外,还产生 部分塑性变形。当应力达到B点后,塑性 应变急剧增加,曲线出现一个波动的小 平台,这种现象称为屈服。这一阶段的 最大、最小应力分别称为上屈服点和下 屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定, 因此以它作为材料抗力的指标,称为屈 服点或屈服强度,用бs表示。

条件屈服强度(б0.2)
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有些钢材(如高碳钢)无 明显的屈服现象,通常 以发生微量的塑性变形 (0.2%)时的应力作为该 钢材的屈服强度,称为 条件屈服强度(б0.2)。高 碳钢拉伸时的应力-应变 曲线如图2-4所示。 图2-4

(4) 极限强度
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当钢材屈服到一定程度后,由于内部晶粒重 新排列,其抵抗变形能力又重新提高,此时 变形虽然发展很快,但却只能随着应力的提 高而提高,直至应力达最大值。此后,钢材 抵抗变形的能力明显降低,并在最薄弱处发 生较大的塑性变形,此处试件截面迅速缩小, 出现颈缩现象,直至断裂破坏。钢材受拉断 裂前的最大应力值(b点对应值)称为强度极 限或抗拉强度бb。

强屈比的概念
?b 强屈比 ? ?s
可靠性参数 值越大可靠性越高,安全性越高,
但利用率降低,浪费增大。

相反,值越小,可靠性越低,安全性越低。
强屈比一般不低于1.2,抗震结构一般不低于1.25。

?伸长率的测定
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把试件断裂的两段拼起来,便可测得标距 范围内的长度 l1 , l1 减去标距长 l0 就 是塑性变形值,此值与原长 l0 的比率称为 伸长率δ。 伸长率δ是衡量钢材塑性的指标,它的 数值越大,表示钢材塑性越好。良好的塑 性,可将结构上的应力(超过屈服点的应力) 重分布,从而避免结构过早破坏。
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δ5和δ10分别表示 l0 =5d 0和 l0 =10d 0时的 伸长率。对同一种钢材δ5>δ10。这是因为钢 材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的, 颈缩处的伸长率较大,因此当原始标距 l0 与直径d 0之比愈大,则颈缩处伸长值在整 个伸长值中的比重愈小,因而计算得的伸长 率就愈小。某些钢材的伸长率是采用定标距 试件测定的,如标距 =100 mm或200 l0 mm,则伸长率用δ100或δ200表示。

试件拉伸前和断裂后标距的长度





8.2.2 冷弯性能
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冷弯性能使钢材在常温下的承受弯曲变形的能 力,使建筑钢材重要的工艺性能。以试验时的 弯曲角度α和 弯心直径d为指标表示。钢材的 冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件,采用 标准规定的弯心直径d(d = na,n为整数), 弯曲到规定的角度时(180°或90°),检查 弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有 这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的 弯曲角度越大,弯心直径越小,则表示冷弯性 能越好。

钢材的冷弯

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冷弯试验意义:能反映试件弯曲处的 塑性变形,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。 冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行 严格的检验,能揭示焊件受弯表面是否 存在未熔合,裂缝及夹杂物等缺陷。

8.2.3冲击韧性
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冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金 属试样在冲击负荷作用下折断时冲击吸 收功。钢材的冲击韧性试验是将标准弯 曲试样置于冲击机的支架上,并使切槽 位于受拉的一侧。

冲击韧性实验
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冲击韧性实验当试验机的重摆从一定高度自 由落下时,在试样中间开V型缺口,试样吸收 的能量等于重摆所作的功W。若试件在缺口 处的最小横截面积为A,则冲击韧性αk为: ??? ????

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式中αk的单位为J/cm2 。

冷脆性
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钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷 载的能力越强。αk值与试验温度有关。 有些材料在常温时冲击韧性并不低,破 坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度 低于某值时,αk突然大幅度下降,材料 无明显塑性变形而发生脆性断裂,这种 性质称为钢材的冷脆性。

冲击试验

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时效:随时间的延长而表现出强度提高, 塑性和冲击韧性下降,这种现象称为时 效。 时效敏感性:因时效而导致性能改变的 程度称为时效敏感性。

8.2.4 硬度
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指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。 金属材料等的硬度常用压入法测定 , 如布氏硬度法,是以单位压痕面积上所 受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划 法测定。一般情况下,硬度大的材料强 度高、耐磨性较强,但不易加工。所以, 工程中有时用硬度来间接推算材料的强 度。

8.2.5 耐疲劳度
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受交变荷载反复作用,钢材在应力 低于其屈服强度的情况下突然发生脆性 断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。钢材的 疲劳破坏一般是由拉应力引起的,首先 在局部开始形成细小断裂,随后由于微 裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大, 直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏 是在低应力状态下突然发生的,所以危 害极大,往往造成灾难性的事故。

8.3钢材的冷加工强化及时效 强化、热处理和焊接
8.3.1钢材的冷加工强化及时效强化 8.3.2钢材的热处理 8.3.3钢材的焊接

8.3.1钢材的冷加工强化及时效强化 冷加工强化:
将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或 冷轧使其产生塑性变形,从而提高屈服强 度,降低塑性韧性,这个过程称为冷加工 强化处理。

建筑工程中大量使用的钢筋采用冷 加工强化具有明显的经济效益。冷拔钢 丝的屈服点可提高40%~60%。由此可 适当减小钢筋混凝土结构设计截面,或 减小混凝土中配筋数量,从而达到节约 钢材的目的。冷拔作用比纯拉伸的作用 强烈,钢筋不仅受拉,而且同时受到挤 压作用。冷拔过程见动画。

时效处理
时效处理:

将冷加工处理后的钢筋,在常温下存放 15~20 d,或加热至100~200 ℃后保持一 定时间(2~3 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。

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时效处理方法有两种:在常温下存放15~

20 d,称为自然时效,适合用于低强度 钢筋;加热至100~200 ℃后保持一定 时间(2~3 h),称人工时效,适合于 高强钢筋。

8.3.2钢材的热处理
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热处理是将钢材按规定的温度制 度,进行加热、保温和冷却处理,以改 变其组织,得到所需要的性能的一种工 艺。 热处理包括淬火、回火、退火和正 火。



钢的热处理工艺

8.3.3钢材的焊接
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焊接是钢结构的主要连结方式。 类型: 电弧焊;电渣压力焊 检验方法: 取原样试件和原位非破损检测

手工电弧焊

8.4钢材的防火和防腐蚀
8.4.1钢材的防火 8.4.2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.防止钢材腐蚀的措施

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2.4.1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。 ??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。

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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。

8.4.2钢材的锈蚀与防止
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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(锈蚀)。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

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⑴ 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
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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)2 ??Fe(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。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
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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。?

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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。

8.5建筑钢材的选用与品种
8.5.1建筑钢材的主要钢种 1.碳素结构钢 2.低合金高强结构钢 8.5.2常用建筑钢材 1.钢筋 2.型钢

8.5.1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

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
构钢》中规定,牌号由

按顺序组成。? ?

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其中以“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;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。

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例如:Q235-A· 表示屈服点为235 F 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:Q295、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。

8.5.2常用建筑钢材
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1.钢筋
– 低碳钢热轧圆盘条 – 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 – 冷轧带肋钢筋 – 预应力混凝土用热处理钢筋 – 预应力混凝土用钢丝与钢绞线

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2.型钢

(1)低碳钢热轧圆盘条
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普通低碳钢热轧圆盘 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: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
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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。 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。

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热轧钢筋的选用
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光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性 好,便于冷加工,广泛用做普通钢筋混 凝土。 HRB325,HRB400带肋钢筋的强度 较高,塑性及焊接性也较好,广泛用做 大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。 HRB500带肋钢筋强度高,但塑性与 焊接性较差,适宜作预应力钢筋。

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

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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Ⅰ级钢筋、Ⅱ级钢筋到强度较高的Ⅲ级钢筋、Ⅳ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Ⅱ级钢 筋应用比例仍在90%左右,高强度Ⅲ级钢筋、Ⅳ 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Ⅱ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Ⅲ级钢筋、Ⅳ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。

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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Ⅲ级钢筋26.5万t, 占总量0.9% ;2001年钢筋总产量3735万t,其中Ⅲ级钢筋为106.6万 t, 占总量2.8% ;2002年钢筋总产量4516万t,其中Ⅲ级钢筋194.3 万t, 占总量4.3% ;2003年钢筋总产量6016万t,其中Ⅲ级钢筋 588.5万t, 占总量9.8% ;到2004年钢筋总产量已达到7000万t,其 中Ⅲ 级钢筋为850万t, 占总量12.1%。不难看出,从2000年以来, Ⅲ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。

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发展高强度钢筋的优势 实践表明,采用400MPa的Ⅲ 级钢筋替代335MPa的Ⅱ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400MPaⅢ 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。

《GB1499-1998钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》
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保留原标准RL335(原Ⅱ级)、RL400(原Ⅲ级)、取消RL540(原Ⅵ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Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ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。 RL540级钢筋即原Ⅳ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。 HRB500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(Ⅳ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
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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。

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冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为三级:CRB550、CRB650、
CRB800、CRB970、CRB1170,其中数值表示钢筋应达到的最 小抗拉强度值。

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
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1968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。

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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
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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。

冷轧带肋钢筋有如下优点:
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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
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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0.2~0.3mm时,受拉钢筋的应力 值不过200N/mm2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1600N/mm2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。 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Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级钢筋。

(5)预应力混凝土用钢丝和钢绞线
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预应力混凝土用钢丝: 是以优质碳素结构钢盘条为原料, 经淬火奥氏体化、酸洗、冷拉制成的用 作预应力混凝土骨架的钢丝。钢丝的抗 拉强度比钢筋混凝土用热轧光圆钢、热 轧带肋钢筋高许多,在构件中采用预应 力钢丝可收到节省钢材、减少构件截面 和节省混凝土的效果,主要用作桥梁、 吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢 筋混凝土构件中。

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预应力钢绞线: 预应力钢绞线主要用于预应力混凝 土配筋。与钢筋混凝土中的其他配筋相 比,预应力钢绞线具有强度高、柔性好、 质量稳定、成盘供应无需接头等优点。 适用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁 等负荷大、跨度大的预应力结构。

2.型钢
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热轧型钢 冷弯薄壁型钢 钢板和压型钢板

(1)热轧型钢
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钢结构常用的型钢有:工字钢、H型钢、 T型钢、槽钢、等边角钢、不等边型钢 等。型钢由于截面形式合理,材料在截 面上分布对受力最为有利,且构件间连 接方便,所以它是钢结构中采用的主要 钢材。型钢的规格通常以反映其断面形 状的主要轮廓尺寸来表示。

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①热轧普通工字钢 ??工字钢是截面为工字型、腿部内侧 有1:6斜度的长条钢材。工字钢广泛应 用于各种建筑结构和桥梁,主要用于承 受横向弯曲(腹板平面内受弯)的杆件, 但不宜单独用作轴心受压构件或双向弯 曲的构件。

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②热轧H型钢和剖分T型钢 ??H型钢由工字钢发展而来,优化了 截面的分布。与工字钢相比,H型钢具 有翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强、 翼缘两表面相互平行、连接构件方便、 省劳力、重量轻、节省钢材等优点。H 型钢截面形状经济合理,力学性能好, 常用于要求承载力大、截面稳定性好的 大型建筑(如高层建筑)。T型钢由H型 钢对半剖分而成。

(2)冷弯薄壁型钢
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冷弯薄壁型钢是用2mm~6mm的薄钢板经冷弯 或模压而制成,有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及 方形、矩形等空心薄壁型钢,用于轻型钢结构。 冷弯薄壁型钢的表示方法与热轧型钢相同。 土木工程中钢筋混凝土用钢材和钢结构用钢 材,主要根据结构的重要性、荷载性质(动荷载 或静荷载)、连接方法(焊接或铆接)、温度条 件(正温或负温)等,综合考虑钢种或钢牌号、 质量等级和脱氧程度等进行选用,以保证结构的 安全。

(3)钢板和压型钢板
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钢板是用碳素结构钢和低合金高强度结构钢经热轧或冷轧生 产的扁平钢材。以平板状态供货的称为钢板,以卷状态供货 的称为钢带。厚度大于4mm以上为厚板,厚度小于或等于 4mm的为薄板。 热轧碳素结构钢厚板,是钢结构的主要用钢材。薄板用 于屋面、墙面或压型板原料等。低合金高强度结构钢厚板, 用于重型结构、大跨度桥梁和高压容器等。

压型钢板是用薄板经冷压或冷轧成波形、双曲线、V形 等形状,压型钢板有涂层、镀锌、防腐等薄板。具有单位质 量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观等优点。主 要用于维护结构、楼板、屋面等。

复习提纲
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(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。 (2)理解钢材的分类、钢材脱氧程度对性能的影响。 (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;ζp、ζs及ζd的位置;ζs、ζd及ζ0.2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。

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(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;了解钢筋及铝合金在工 程中的应用。 (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

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◆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

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◆冷弯性能 ◆焊接性能 ◆铁素体 珠光体 ◆渗碳体 ◆冷加工强化 ◆热处理 ◆时效处理 ◆碳素结构钢牌号 ◆低合金结构钢 ◆热轧钢筋 冷拔钢丝

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◆腐蚀 化学腐蚀 ◆电化学腐蚀


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