建筑材料与检测教案模块五 建筑钢材及其性能检测 教案Word文档格式.docx

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（1）碳素钢钢中除铁外的主要元素是碳，炼钢过程中残留于钢水中的少量合金元素。

（2）合金钢在碳素钢的基础上，人为添加了一种或多种合金元素。

2、按质量等级分类

按照硫和磷的含量，分为普通钢、优质钢、高级优质、钢特级优质钢四个等级。

3、按用途分类

按用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢。

4、按冶炼时脱氧程度分类

钢材的详细分类见表5-1。

表5-1钢材的分类

分类方法

类别

特 

性

按化学成分分类

碳素钢

低碳钢

含碳量<

0.25％韧性好、易加工。

中碳钢

含碳量0.25％～0.60％较硬。

高碳钢

含碳量>

0.60％很硬。

合金钢

低合金钢

合金元素总含量<

5％

中合金钢

合金元素总含量5％～10％

高合金钢

合金元素总含量>

10％

按脱氧程度分类

沸腾钢

脱氧最不完全。

代号“F”。

半镇静钢

脱氧比较完全。

镇静钢

脱氧完全。

代号“Z”。

特殊镇静钢

脱氧充分彻底。

代号为“TZ”。

按质量分类

普通碳素钢

含硫量≤0.055％～0.065％，含磷量≤0.045％～0.085％

优质碳素钢

含硫量≤0.03％～0.045％，含磷量≤0.035％～0.045％

高级优质碳素钢

含硫量≤0.02％～0.03％，含磷量≤0.027％～0.035％

特级优质碳素钢

含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025%

按用途分类

结构钢

工程结构构件用钢、机械制造用钢

工具钢

各种刀具、量具及模具用钢

特殊钢

具有特殊物理、化学或机械性能的钢

三、化学成分及其对钢材性能的影响

1、主要元素

碳元素是钢材的主要元素。

2、主加合金元素

（1）锰

起着脱氧去硫的作用，消除钢的热脆性，改善加工性能。

（2）硅

起着脱氧的作用。

含量在1%以内，可提高钢的抗拉强度和屈服点，对塑性和韧性无明显影响。

（3）钒、铌、钛

在炼钢时做脱氧剂，提高钢的强度增加钢材韧性。

3、有害元素

（1）硫和磷

硫在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。

磷容易导致钢材的冷脆性，即降低钢材的塑性、韧性、冷弯性能和可焊性，特别是使钢材在低温下的韧性显著降低，冷脆性显著增加。

（3）氧、氮

显著降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和可焊性。

单元二钢材的技术性质

1、理解低碳钢的应力—应变规律；

2、掌握钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率的含义及工程意义

3、掌握钢材的冷加工性能和时效意义。

一、力学性质

1、拉伸性能

进行低碳钢（软钢）的拉伸试验，可以绘出如图5-1所示的应力-应变关系曲线。

从图中可以看出，低碳钢从受拉至拉断，经历了四个阶段：

弹性阶段（）、屈服阶段（）、强化阶段（）和颈缩阶段（）。

图5-1低碳钢拉伸时的应力－应变关系

（1）弹性阶段（）—弹性模量

此阶段应力和应变的比值称为弹性模量，用E表示，E=σp/ε。

（2）屈服阶段（）—屈服强度

从A点到B点称为屈服阶段，B上点称为上屈服点，B下点则称为下屈服点。

由于下屈服点比较稳定且容易测定，因此，采用下屈服点对应的应力作为钢材的屈服极限（σS）或屈服强度。

钢材受力达到屈服强度后，变形迅速增长，尽管尚未断裂，但已不能满足使用要求，因此结构设计中以屈服强度作为容许应力取值的依据。

（3）强化阶段（）—抗拉强度

在图5-1的应力－应变图上，曲线从的过程称为强化阶段；

对应于C点的应力称为极限抗拉强度（σb），它是钢材被拉断之前所能承受的最大拉应力，又称极限拉应力。

屈服强度与抗拉强度之比（σb/σS）称为屈强比。

屈强比愈小，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高；

但屈强比太小，钢材的强度水平就不能充分发挥，钢材的利用率偏低，浪费材料。

⑷颈缩阶段（）—伸长率

在钢材受力达到最高点C点后，抵抗变形的能力明显降低，应力逐渐下降，变形快速增长，试件在有杂质或缺陷的薄弱处，断面急剧缩减，变形急剧增加，产生“颈缩”现象直至被拉

断。

钢材试件被拉断后，可以计算拉伸后增加的长度占拉伸前长度的百分率，称为伸长率。

2、冲击韧性

冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少表示。

如图5-4所示：

将有缺口的试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标，用冲击值表示，按式（5-2）计算：

（5-2）

值愈大，钢材在断裂时所吸收的能量越多，冲击韧性越好。

脆性材料构件的值低，在断裂前没有显著的塑性变形，不宜用作承担冲击荷载的构件，如连杆、桥梁轨道等。

3、耐疲强度

一般把钢材承受交变荷载106～107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。

设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时，应了解所用钢材的疲劳极限。

二、塑性

塑性是钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的性能，用伸长率表示。

图5-5钢材拉伸断裂后增加的长度

如图5-5所示，标距为的钢材标准试件，受力拉断后标距范围内的长度为，则伸长率按式（5-3）计算：

（5-3）

伸长率的大小与试件尺寸有关，一般规定试件标距长度为其直径的5倍或10倍，对应于伸长率分别用（L1=5d0）、（L1=10d0）表示。

伸长率越大，说明钢材的塑性越好。

塑性良好的钢材，偶尔遇到超载，将产生塑性变形，使内部应力重新分布，不致由于应力集中造成脆性断裂而发生突然破坏。

相反塑性小的钢材，钢质硬脆，超载后易脆断破坏。

常用低碳钢的伸长率为20%～30%。

三、工艺性能

图5-6钢材冷弯示意图置

钢材的工艺性能包括冷弯、冷拉、冷拔及焊接等性能。

1、冷弯性能

如图5-6所示，将规定尺寸的钢材试件，在规定的弯心直径上冷弯到180°

或90°

，弯曲后若在弯曲处的拱面和两侧面均无裂纹、断裂和起层等现象出现，即认为钢材的冷弯性能合格。

我国现行国家标准把钢材的弯曲分成下列三种类型（图5-7）：

（1）达到某规定的角度的弯曲，如图5-7（a）所示；

（2）绕着弯心弯到两面平行，如图5-7（b）所示；

（3）绕着弯心弯到两面重合，如图5-7（c）所示。

图5-7钢材冷弯实验

（a）弯曲规定的α角（b）绕弯心弯到两面平行（c）弯到两面接触的重合弯曲

在图5-7中，以（c）情形下钢材的弯曲性能最好，即对于冷弯合格的试件，能够承受的弯曲角度愈大、弯心直径与试件厚度（或直径）比愈小，钢材的弯曲性能愈好。

2、焊接性能

焊接性能好的钢材，焊接后接头处的强度与母体的强度性能相近。

杂质含量增加，可焊性降低；

锰和钒等元素含量过多，也可降低可焊性。

3、冷加工强化处理及时效

1）冷加工强化处理

（1）冷拉

冷拉是指将热扎钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长产生一定的塑性变形的过程。

（2）冷拔

冷拔是指将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔的操作。

经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度增高，屈服强度提高40％～60％，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。

2）时效

钢材经过冷加工后，在常温下存放15～20d，或加热到100℃～200℃后保持2～3h，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性、韧性继续降低的现象称为时效，前者称为自然时效，适用于低强度钢筋；

后者称为人工时效，适用于高强度钢筋。

四、耐久性

一）耐腐蚀性

钢材抵抗与其周围介质发生化学或电化学反应而产生锈蚀现象的能力，称为钢材的耐腐蚀性。

1、腐蚀的类型

根据钢材产生锈蚀作用的原因不同，将锈蚀分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种。

（1）化学锈蚀

化学锈蚀是指钢材直接与周围介质中的氧气、水等发生化学反应而产生的锈蚀，锈蚀结果在钢材表面形成疏松的氧化铁。

（2）电化学锈蚀

电化学锈蚀是由于钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，由于各成分电极电位的不同，形成微电池，结果铁元素失去了电子成为Fe2+离子进入介质溶液，与溶液中的OHˉ离子结合生成Fe（0H）2，进一步反应生成结构疏松的铁的氧化物。

2、腐蚀的危害

混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。

3、防止钢材腐蚀措施

（1）科学储存

防雨防潮；

尽量密封；

表面涂刷防锈剂。

（2）合理选用严格检验

对用于重要预应力承重结构的钢筋，尤其要严格质量检验。

（3）提高钢筋混凝土的质量

可掺用亚硝酸钠等阻锈剂；

保证足够的混凝土保护层厚度；

严格控制最大水灰比和最小水泥用量。

二）耐热性

建筑钢材属于耐燃不耐火材料。

建筑物发生火灾后，在很短的时间里，就会使钢材强度和承载能力急剧下降，发生扭曲变形，导致建筑物整体坍塌毁坏。

（1）强度降低

普通低碳钢在200℃～300℃温度条件下，抗拉强度达到最大值；

达到600℃时，钢材基本上失去承载能力。

（2）变形速率加大

普通低碳钢在300℃～350℃时蠕变速率增大，对于合金钢在400℃～450℃时，蠕变速率明显增大。

钢材的防火处理方法以包裹法为主，如用防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆等将钢材构件包裹起来，起到提高钢材耐热侵蚀能力的作用。

单元三建筑工程用钢

1、了解建筑工程用钢的种类和技术要求；

2、掌握各种钢的牌号表示方法及意义；

一、钢结构用钢的型式

（一）型钢

型钢是长度和截面周长之比相当大的直条钢材，是钢结构中采用的主要钢材。

1、热轧型钢

热轧型钢有H形钢、工字钢、槽钢、角钢及Z形钢、U形钢和部分T形钢，如图5-9所示为常用的几种型钢示意图。

图5-9热轧型钢的形状

2、冷弯薄壁型钢

冷弯薄壁型钢通常是用2㎜～6㎜薄钢板冷弯或模压而成，主要用于轻钢结构。

（二）钢板和钢带

通常情况下，钢板是指一种宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。

钢板按公称厚度可分为：

薄板，厚度为0.1㎜～4mm；

中板，厚度为4㎜～20㎜；

厚板，厚度为20㎜～60mm；

特厚板，厚度为＞60mm。

二、钢结构用钢的种类

（一）碳素结构钢

简称“普通钢”。

1、碳素结构钢牌号及其表示方法

由代表屈服强度的字母（Q）、屈服强度数值（MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）和脱氧程度符号（F、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。

其中的质量等级A、B、C、D是按钢中硫、磷两种元素含量由多至少依次划分的，按A、B、C、D的顺序质量等级逐级提高；

当为镇静钢或特殊镇静钢时，在牌号表示时可将“Z”或“TZ”符号省略。

例如：

Q235-A.F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢；

Q235-b.F的质量优于235-A.F的质量。

2、碳素结构钢的技术标准

（1）化学成分

表5-3碳素结构钢的化学成分

牌号

统一数字代号a

等级

厚度（或直径）/㎜

脱氧方法

化学成分/%，不大于

C

Si

Mn

S

P

Q195

U11952

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