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第8章建筑钢材


第八章 建 筑 钢 材

建筑钢材
? 生铁:含碳量大于2%,含有较多杂质,分 为炼钢生铁和铸造生铁。质软易加工,强 度低。 ? 钢:生铁在熔融状态下进行氧化,除去过 多的碳及杂质。

钢材的分类 ?1. 按化学成分分类
?(1)碳素钢。碳素钢的化学成分主 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 有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元 素。碳素钢按含碳量又可分为: ?低碳钢(含碳量小于0.25%)、 ?中碳钢(含碳量为0.25%~0.60%) ?高碳钢(含碳量大于0.60%)

?(2)合金钢。是指在炼钢过程中,加 入一种或多种能改善钢材性能的合金元素 而制得的钢种。常用合金元素有:硅、锰、 钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的 不同,合金钢可分为 ?低合金钢(合金元素总含量小于5%) ?中合金钢(合金元素总含量为5%~10 %) ?高合金钢(合金元素总含量大于10%)。

?2. 按冶炼时脱氧程度分类 ?(1)沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行 脱氧,则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模 时,会有大量的CO2气体从钢水中外逸, 引起钢水呈沸腾状,故称沸腾钢,代号为 “F“。沸腾钢组织不够致密,成分不太 均匀,硫、磷等杂质偏析较严重,故质量 较差。但因其成本低、产量高,故被广泛 用于一般建筑工程。

(2)镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅 铁和铝锭等作脱氧剂,脱氧完全,且 同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时 能平静地充满锭模并冷却凝固,故称 镇静钢,代号为“Z”。镇静钢虽成 本较高,但其组织致密,成分均匀, 性能稳定,故质量好。适用于预应力 混凝土等重要的结构工程。

?(3)半镇静钢。脱氧程度介于沸腾 钢和镇静钢之间,为质量较好的钢,其 代号为“b”。 ?(4)特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程 度还要充分彻底的钢,故其质量最好, 适用于特别重要的结构工程,代号为 “TZ”。

3. 按有害杂质含量分类
按钢中有害杂质磷(P)和硫(S)含量 的多少,钢材可分为以下四类: (1)普通钢。磷含量不大于0.045%;硫含量 不大于0.050%。 (2)优质钢。 磷含量不大于0.035%;硫含量 不大于0.035%。 (3)高级优质钢。磷含量不大于 0.025%;硫含量不大于0.015%。 (4)特级优质钢。磷含量不大于0.025%;硫 含量不大于0.015%。

?钢材的技术性质 ?1. 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的 技术性质。其技术指标为由拉力试验测 定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳 钢(软钢)受拉的应力一应变图能够较 好地解释这些重要的技术指标,见图8 -1.低碳钢受拉时的应力一应变图

(1)屈服点:当试件拉力在 OB范围内时, 如卸去拉力,试件能恢复原状,应力与应变的 比值为常数,因此,该阶段被称为弹性阶段。 当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段BC 时,称屈服下限C下所对应的应力为屈服强度 或屈服点,记做σs。设计时一般以σs作为强 度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材,规 定以0.2%残余变形时的应力σ0.2作为屈服强 度。

?(2)抗拉强度:从图8-1中CD曲线逐 步上升可以看出:试件在屈服阶段以后,其 抵抗塑性变形的能力又重新提高,称为强化 阶段。对应于最高点D的应力称为抗拉强度, 用σb表示。 ? 设计中抗拉强度虽然不能利用,但屈 强比σs/σb有一定意义。屈强比愈小,反 映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大, 因而结构的安全性愈高。但屈强比太小,则 反映钢材不能有效地被利用。

?(3) 伸长率:当曲线到达D点后,试 件薄弱处急剧缩小,塑性变形迅速增 加,产生“颈缩现象”而断裂。量出 拉断后标距部分的长度L1,标距的伸 长值与原始标距L0的百分率称为伸长 率。即

L1 ? L0 ?? ? 100% L0

伸长率表征了钢材的塑性变形能 力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长 较大,故当原始标距与试件的直径之 比愈大,则颈缩处伸长中的比重愈小, 因而计算的伸长率会小些。通常以δ5 和δ10分别表示L0=5d0和 L0=10d0 (d0为试件直径)时的伸长率。对同 一种钢材,δ5应大于δ10。

?冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的 能力,是钢材的重要工艺性能。 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度 (90°、180°)及弯心直径 d对试件厚度 (或直径)a的比值(d/a)区分的,试件按规 定的弯曲角和弯心直径进行试验,试件弯曲处 的外表面无裂断、裂缝或起层,即认为冷弯性 能合格。

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。 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。

?冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 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(J/cm2)表示。ak值愈大,冲击 韧性愈好。

硬度
钢材的硬度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。 布氏法的测定原理是利用直径为D(m m)的淬火钢球,以P(N)的荷载将其压入试件 表面,经规定的持续时间后卸除荷载,即得到直 径为d(mm)的压痕,以压痕表面积F(mm) 除荷载P,所得的应力值即为试件的布氏硬度值 HB,以数字表示,不带单位。 洛氏法测定的原 理与布氏法相似,但系根据压头压入试件的深度 来表示硬度值,洛氏法压痕很小,常用于判定工 件的热处理效果。

耐疲劳性
在反复荷载作用下的结构构件,钢材往往在 应力远小于抗拉强度时发生断裂,这种现象称为 钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极 限来表示,它是指疲劳试验中,试件在交变应力 作用下,于规定的周期基数内不发生断裂所能承 受的最大应力。 钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的,因此, 钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关,一般抗拉强 度高,其疲劳极限也较高。由于疲劳裂纹是在应 力集中处形成和发展的,故钢材的疲劳极限不仅 与其内部组织有关,也和表面质量有关。

焊接性能 钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处

的性质与母材性质的一致程度。影响钢
材可焊性的主要因素是化学成分及含量。

如硫产生热脆性,使焊缝处产生硬脆及
热裂纹。又如,含碳量超过0.3%,可焊

性显著下降等。

?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。

(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。 (3)锰:锰是我国低合金钢的主加合 金元素,锰含量一般在1%~2%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。

?(4)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。 ? (5)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。

?(6)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。 ? (7)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。

?(8)钛:钛是强脱氧剂。它能显著提 高强度,改善韧性和可焊性,减少时效 倾向,是常用的合金元素。 ? (9)钒:钒是强的碳化物和氮化物形 成元素。能有效提高强度,并能减少时 效倾向.

?钢材的晶体组织 ? 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。

?碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中,其Fe和C 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Fe3C; ? 机械混合物——固溶体和化合物的混合物。 ? 以上三种形式的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 像,故也称显微组织。

?钢的基本组织主要有以下几种: ? (1)铁素体 钢材中的铁素体为C在α一Fe中的固溶体, 由于α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C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。 ? (2)奥氏体 奥氏体为C在γ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。

?(3)渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C ,其含C 量高(达6.67%),晶体结构复杂,塑性差, 性硬脆,抗拉强度低。 ?(4)珠光体 珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物, 含C量较低(0.8%),层状结构,塑性较好,

强度和硬度较高。

钢的结晶过程及组织构造
? ? ? ? 工业纯铁,含C量小于0.02% 共析钢,含C量为0.8% 亚共析钢,含C量小于0.8% 过共析钢:含C量大于0.8%

生铁的结晶过程及组织结构
? ? ? ? 共晶生铁,含C量为4.3% 亚共晶生铁,含C量2.0%~4.3% 过共晶生铁,含C量大于4.3% 灰口铁及球墨铸铁

?钢材的冷加工和热处理 ?1. 钢材的冷加工 冷加工是指钢材在常温下进行的加工,建筑钢 材常见的冷加工方式有:冷拉、冷拔、冷轧、 冷扭、刻痕等。将钢材在常温下进行冷拉、冷 拔或冷轧,使产生塑性变形,从而提高屈服强 度,这个过程称为钢材的冷加工强化。 冷加工强化的原理是: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E降低。

工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利 用这一原理,对钢筋或低碳钢盘条按一 定制度进行冷拉或冷拔加工,以提高屈 服强度。 将经过冷拉的钢筋于常温下存放15~ 20d,或加热到100~200°C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。

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。 钢材产生时效的主要原因是,溶于α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。

?钢材的热处理 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。 钢材的热处理通常有以下几种基本方法: (1) 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。

(2) 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。

?(3)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。 ?(4)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

?建筑钢材的主要钢种 ?(1)碳素结构钢 ?按国家标准GB700-88规定,我国碳素结构钢分五个 牌号,即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号 钢又按其硫、磷含量由多至少分为A、B、C、D四 个质量等级。碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈 服点的字母(Q)、屈服点数值(N/mm2)、质量等 级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、B、Z、TZ) 等四部分组成。例如Q235-A.F.,它表示:屈服点为 235N/mm2的平炉或氧气转炉冶炼的A级沸腾碳素 结构钢。当为镇静钢或特殊镇静钢时,则牌号表示 “Z”与“TZ”符号可予以省略。

低合金高强度结构钢
? Q295,Q345,Q390,Q420,Q460

高强度结构钢处理和控轧钢板、 钢带的力学性能
? Q420,Q460,Q500,Q550,Q620,Q690

二、混凝土结构用钢

目前混凝土结构用钢主要有:热轧钢筋、冷拉热轧钢筋、 冷拔低碳钢丝、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋和预应力混凝 土用钢丝及钢绞线。 1、热轧钢筋 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。热轧钢筋主要有用Q235轧制的光圆 钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋两类。 热轧钢筋的标准 国标《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB13013—91)和 《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499—91)规定,按 强度(屈服强度和抗拉强度)将钢筋分为四级。热轧直条 圆钢筋为Ⅰ级,强度等级代号为R235;热轧带肋钢筋的级 别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级,其强度等级代号为RL335、RL400、 RL540;

2、热轧钢筋的选用 普通混凝土废预应力钢筋可根据使用条件选用Ⅰ级钢 筋或Ⅱ、Ⅲ级钢筋;预应力混凝土应优先选用Ⅳ级钢 筋,也可选用Ⅲ级或Ⅱ级钢筋。热轧钢筋除Ⅰ级是光 圆钢筋,其余为月牙肋或等高肋钢筋,粗糙的表面可 提高混凝土与钢筋之间的握裹力。 3、冷拉热轧钢筋 将Ⅰ~Ⅳ级热轧钢筋,在常温下拉伸至超过屈服点的 某一应力,然后卸荷,即制成了冷拉钢筋。冷拉可使 屈服点提高17%~27%,材料变脆、屈服阶段变短,伸 长率降低,冷拉时效后强度略有提高。生产中可将冷 拉、除锈、调直、切断合并为一道工序,这样简化了 流程,提高了效率;冷拉既可以节约钢材,有可以制 成预应力钢筋,增加了品种规格,设备简单,易于操 作,是钢筋冷加工的常用方法之一。

?4、冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋使用低碳钢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。国 标《冷轧带肋钢筋》(GB13788—92)规定,冷轧 带肋钢筋代号用LL表示,并按抗拉强度等计划分 为三级:LL550、LL650、LL800,其直径一般为5、 6、7、8、10mm, 冷轧带肋钢筋克服了冷拉、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

?5、冷拔低碳钢丝
冷拔低碳钢丝是将直径为6.5~8mm的Q235(或Q215)圆盘 条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。冷拔钢 丝不仅受拉、同时还将受到挤压作用,如图7-7所示。经 受一次或多次的拔制而得的钢丝,其屈服强度可提高 40%~60%,且已失去了低碳钢的性质,变得硬脆,属硬钢 类钢丝,国标《混凝土结构工程施工及验收规范》 (GB50204—92)规定,冷拔低碳钢丝按力学强度分为两 极:甲级为预应力钢丝,乙级为非预应力钢丝。混凝土工 厂自行冷拔时,应对钢丝的质量严格控制,对其外观要求 分批抽样,表面不准锈蚀、油污、伤痕、皂渍、裂纹等, 逐盘检查其力学、工艺性质。凡伸长率不合格者,不准用 于预应力混凝土构件中。

?热处理钢筋
热处理是指将钢材按一定规则加热、保温和冷却, 以改变其组织,从而获得需要性能的一种工艺过 程。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。 热处理钢筋主要用于预应力混凝土轨枕,代替碳 素钢丝。由于其具有制作方便,质量稳定、锚固 性好、节省钢材等优点,以开始用于预应力混凝 土工程中。

?预应力混凝土用钢丝及钢绞线 它们是钢厂用优质碳素结构钢经冷加工、再回火、冷轧或 绞捻等加工而成的专用产品,也称为优质碳素钢丝及钢绞 线。 国标(GB5223—85)规定,预应力混凝土用钢丝分为:矫 直回火钢丝、轿直回火刻痕钢丝和冷拉钢丝三种。钢丝直 径有3、4、5mm三种规格,抗拉强度为1470-1670MPa,屈 服点 为1100-1410MPa。 钢绞线是由七根钢丝经绞捻热处理制成的,国标 (GB5224—85)规定,钢绞线直径为9-15mm,破坏荷载达 220KN,屈服荷载可达185KN。 钢丝和钢绞线均具有强度高、塑性好,使用时不需要接头 等优点,尤其适用于需要曲线配筋的预应力混凝土结构、 大跨度或重荷载的屋架等。

埃菲尔铁塔

钢材的腐蚀与防护
? 腐蚀的原因:化学腐蚀、电化学腐蚀 ? 腐蚀的类型:均匀腐蚀、晶间腐蚀和孔蚀 、应力腐蚀、疲劳腐蚀、冲刷腐蚀 ? 防腐办法:保护膜法、阴极保护法


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