第七章 建筑钢材xmjWord文档下载推荐.docx
《第七章 建筑钢材xmjWord文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 建筑钢材xmjWord文档下载推荐.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
沸腾钢中碳和有害杂质（磷、硫等）的偏析较严重，钢的致密程度较差，因此，沸腾钢的冲击韧性和可焊性差，尤其是低温冲击韧性更差，但钢锭收缩孔减少，成品率较高，成本低。
镇静钢脱氧比较完全，在冷却和凝固时，没有气体析出，无“沸腾”现象。
镇静钢质量好，但钢锭的收缩孔大，成品率低，成本高。
半镇静钢是加入适量的锰铁、硅铁、铝作为脱氧剂，脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。
钢水铸锭后用来轧制各种型材，轧制方法有冷轧和热轧两种。
建筑钢材主要经热轧而成。
热轧能提高钢材的质量。
通过热轧，能够消除钢材中的气泡，细化晶粒。
但轧制次数、停轧温度对钢材性能有一定影响。
如轧制次数少，停轧温度高，则钢材强度稍低。
7.1.2钢的分类
钢的分类常根据不同的需要而采用不同的分类方法。
常用的分类方法如下：
1.按化学成分分类
2.按冶炼方法分类
3.按品质分类
4.按用途分类
7.2钢的主要化学成分及组成对钢材性能的影响
7.2.1化学成分对钢材性质的影响
碳素钢中除了铁和碳元素之外，还含有硅、锰、磷、硫、氮、氧、氢等元素。
它们的含量决定了钢材的性能，尤其是某些元素为有害杂质（如磷、硫等），在冶炼时，应通过控制和调节限制其含量，以保证钢的质量。
碳——是影响钢材性能的主要元素之一，在碳素钢中，随着含碳量的增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低。
当含碳量大于1%后，脆性增加，硬度增加，强度下降。
含碳量大于0.3%时，钢的可焊性显著降低。
此外，含碳量增加，钢的冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性降低。
含碳量对热轧碳素钢性质的影响见图7.1
图7.1含碳量对热轧碳素钢性质的影响
硅——含量在1%以内时，可提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，但对可焊性和冷加工性能有所影响。
硅可作为合金元素，用以提高合金钢的强度。
锰——可提高钢材的强度、硬度及耐磨性。
能消减硫和氧引起的热脆性，改善钢材的热加工性能。
锰可作为合金元素，提高合金钢的强度。
磷——是碳素钢中的有害杂质。
常温下能提高钢的强度和硬度，但塑性和韧性显著下降，低温时更甚，即引起所谓“冷脆性”。
磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性能。
硫——是碳素钢中的有害杂质，在焊接时，易产生脆裂现象；
称为热脆性；
显著降低可焊性。
含硫过量，还会降低钢的韧性、耐疲劳性等机械性能及耐腐蚀性能。
氧——是碳素钢中的有害杂质，含氧量增加，使钢的机械强度降低，塑性和韧性降低，可促进时效作用，还能使热脆性增加，焊接性能变差。
氮——能使钢的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。
氮还会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差。
但若在含氮的钢中，适量加入Al、Ti、V等元素形成它们的氮化物，则可达到细化晶粒，改善性能的目的。
7.2.2钢的组织
钢材中铁和碳原子的结合有三种基本形式:
固溶体、化合物和机械混合物。
固溶体是以铁为溶剂、碳为溶质所形成的固体溶液，铁保持原来的晶格，碳溶解其中。
化合物是Fe、C化合成渗碳体（Fe3C），其晶格与原来的晶格不同。
机械混合物是由上述固溶体和化合物混合而成。
钢的组织就是由以上三种基本形式的单一形式或多种形式的构成。
其基本组织有铁素体、渗碳体和珠光体三种。
三种基本组织的力学性质见表7.1
表7.1钢材的基本组织成分及力学性质
名称
组织成分
抗拉强度/MPa
延伸率/%
硬度HB
铁素体
钢的晶体中溶有少量的碳，接近于钝铁
343
40
80
珠光体
由一定比例的铁素体和渗碳体所组成，碳含量为0.80%
833
10
200
渗碳体
碳化铁晶粒Fe3C
343以下
600
（1）铁素体是碳在铁中的固溶体，由于铁原子间的空隙很小，对碳的溶解度也很小，接近于钝铁，因此铁素体的强度、硬度很小，但它赋予钢材以良好的延展性、塑性和韧性。
（2）渗碳体是铁和碳的化合物（Fe3C），含碳量达6.67%，性质硬而脆，是碳钢的主要强度组分。
（3）珠光体是铁素体和渗碳体的混合物，其性质介于以上二者之间，取决于二者的含量比。
钢具有何种组织取决于含碳量。
当含碳量为0.8%时，全部具有珠光体的钢称为共析钢；
含碳量低于或高于0.8%的钢分别称为亚共析钢和过共析钢。
含苞欲放碳量与组织成分的关系见表7.2
表7.2含碳量与钢的组织关系
名称
含碳量%
亚共析钢
＜0.80
珠光体+铁素体
共析钢
0.80
过共析钢
＞0.80
珠光体+渗碳体
7.3钢材的主要技术性能
钢材作为主要的受力结构材料，不仅需要具有一定的力学性能，同时还要求具有容易加工的性能。
其主要的力学性能有抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度及硬度。
而冷弯性能和可焊接性能则是钢材重要的工艺性能。
只有掌握了钢材的各种性能，才能做到正确、经济、合理地选择和使用钢材。
7.3.1力学性能
1.抗拉性能
抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能，通过拉伸试验，可以测得屈服强度、抗拉强度和断后伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。
低碳钢的抗拉性能可用受拉时的应力-应变图来阐明（图7.2）。
图7.2低碳钢拉伸时的应力-应变曲线
（1）弹性阶段
OA为弹性阶段。
在OA范围内，随着荷载的增加，应力和应变成比例增加。
如卸去荷载，则恢复原状，这种性质称为弹性。
OA是一直线，在此范围内的变形，称为弹性变形。
A点所对应的应力称为弹性极限；
用
表示。
在这一范围内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E表示，即
。
弹性模量反映了钢材的刚度。
是钢材在受力条件下计算结构的重要指标之一。
碳素结构钢Q235的弹性模量E＝（2.0～2.1）×
MPa，弹性极限
=180～200MPa。
（2）屈服阶段
AB为屈服阶段。
在AB曲线范围内，应力与应变不能成比例变化。
应力超过
后，即开始产生塑性变形。
应力到达
后，变形急剧增加，应力则在不大的范围内波动，直到B点止。
是上屈服强度,
是下屈服强度，也可称为屈服极限，当应力到达点
时，钢材抵抗外力能力下降，发生“屈服”现象。
是屈服阶段应力波动的次低值，它表示钢材在工作状态下允许达到的应力值，即在
之前，钢材不会发生较大的塑性变形。
故在设计中一般以下屈服强度作为强度取值的依据，用
碳素结构钢Q235的
应不小于235MPa。
（3）强化阶段
BC为强化阶段，过B点后，抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，随着应力的提高而增加，对应用于最高点C的应力，称为抗拉强度或强度极限，用
应不小于375MPa。
抗拉强度不能直接利用，但屈服强度和抗拉强度的比值（即屈强比
）却能反映钢材的利用率和安全性。
越高，钢材的利用率高，但易发生危险的脆性断裂，安全性降低。
如果屈强比太小，安全性高，但利用率低，造成钢材浪费。
碳素结构钢Q235的屈强比在0.58～0.63之间，偏低。
工程中常采用冷拉的方法来提高钢材的屈强比。
（4）颈缩阶段
CD为颈缩阶段。
过C点，材料抵抗变形的能力明显降低，在CD范围内，应变速度增加，而应力则反而下降，并在某处会发生“颈缩”现象，直至断裂。
将拉断的钢材拼合后，测出标距部分的长度，便可按下式求得断后伸长率
：
式中：
L0——试件原始标距长度，mm；
L1——试件拉断后标距部分的长度，mm。
以
和
分别表示
＝5
＝10
时的断后伸长率，
为试件的原直径或厚度。
对于同一钢材，
>
伸长率反映了钢材的塑性大小，在工程中具有重要意义。
塑性大、钢质软，结构塑性变形大，影响使用。
塑性小，钢质硬脆，超载后易断裂破坏。
塑性良好的钢材，会使内部应力重新分布，不致由于应力集中而发生脆断。
对于含碳量及合金元素含量较高的硬钢，在外力作用下没有明显的屈服阶段，通常以0.2%残余变形时对应的应力值作为屈服强度，用
图7.3硬钢屈服强度的确定
2.冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。
钢材的冲击韧性是用标准试件（中部加工有V形或U形缺口），在试验机上进行冲击弯曲试验后确定，试件缺口处受冲击，以缺口处单位面积上所消耗的功作为冲击韧性指标，用冲击韧性值
（
）表示。
越大，表示冲断试件时消耗的功越多，钢材的冲击韧性越好。
钢材进行冲击试验，能较全面地反映出材料的品质。
钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态、冶炼和轧制质量以及温度和时效等都较敏感。
3.疲劳强度
钢材在交变荷载反复作用下，在远低于屈服点时发生突然破坏，这种破坏叫疲劳破坏。
疲劳破坏的危险应力用疲劳极限或疲劳强度表示。
它是指钢材在突变荷载作用下规定的周期内不发生断裂所能承受的最大应力。
钢材的疲劳破坏，先在应力集中的地方出现疲劳裂纹，由于反复作用，裂纹尖端产生应力集中，致使裂纹逐渐扩大，而产生突然断裂。
从断口可明显分辨出疲劳裂纹扩展区和残留部分的瞬时断裂区。
钢材耐疲劳强度的大小与内部组织、成分偏析及各种缺陷有关。
同时，钢材表面质量、截面变化和受腐蚀程度等都影响其耐疲劳性能。
4.硬度
硬度是指钢材抵抗硬物压入表面，即材料表面抵抗塑性变形的能力。
测定钢材硬度的方法有布氏法（HB）、洛氏法（HRC），较常用的是布氏法。
布氏法是在布氏硬度机上用一规定直径的硬质钢球，加以一定的压力，将其压入钢材表面，使形成压痕，将压力除以压痕面积所得应力值为该钢材的布氏硬度值，以数字表示，不带单位。
数值越大，表示钢材越硬。
洛氏法是在洛氏机上根据测量的压痕深度来计算硬度值。
7.3.2工艺性能
钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。
冷弯性能和焊接性能是钢材重
要的工艺性能。
1.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。
冷弯试验是将钢材接规定弯曲角度与弯心直径弯曲（见图7.4），检查受弯部位的外拱面和两侧面，不发生裂纹、起层或断裂为合格，弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，则表示钢材冷弯性能越好。
图7.4钢材冷弯示意图
d－弯心直径；
a－试件厚度或直径
冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，与表示在均匀变形下的塑性（断后伸长率）不同；
在同一程度上，冷弯更能反映钢的内部组织状态、内应力及夹杂物等缺陷。
一般来说，钢材的塑性愈大，其冷弯性能愈好。
2.焊接性能
建筑工程中，钢材间的连接绝大多数采用焊接方式来完成。
因此要求钢材具有良好的可焊接性能。
在焊接中，由于高温作用和焊接后急剧冷却作用，焊缝及附近的过热区将发生晶体组织及结构变化，产生局部变形及内应力，使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，降低了焊接的质量。
可焊性良好的钢材，焊缝处性质应与钢材尽可能相同，焊接才能牢固可靠。
钢的化学成分、冶炼质量及冷加工等都可影响焊接性能。
含碳量小于0.25%的碳素钢有良好的可焊性。
含碳量超过0.3%的碳素钢可焊性变差。
硫、磷及气体杂质会使可焊性降低，加入过多的合金元素也将降低可焊性。
对于高碳钢及合金钢，为改善焊接质量，一般需要采用预热和焊后处理以保证质量。
此外，正确的焊接工艺也是保证焊接质量的重要措施。
钢筋焊接应注意：
冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行；
焊接部位应清除铁锈、熔渣、油污等；
应尽量避免不同国家的进口钢筋之间或进口钢筋与国产钢筋之间的焊接。
7.4钢材的冷加工强化与时效处理
7.4.1冷加工强化
将建筑钢材在常温下进行冷加工（冷拉、冷拔和冷轧），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，相应地降低了塑性和韧性，这种加工方法称为钢筋的冷加工处理。
1.冷拉
冷拉加工就是将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉（张拉控制应力应超过屈服强度），通过冷拉，其屈服点提高20％～30％，而抗拉强度基本不变，塑性和韧性相应降低。
2.冷拔
冷拔加工是强力拉拔钢筋使其通过截面小于钢筋截面积的拔丝模。
冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，同时还受到挤压作用。
经过一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，其屈服点可提高40%～60%，但其已失去软钢的塑性和韧性，具有硬钢的性能。
3.冷轧
冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面按一定规律变化的钢筋，可提高其强度及与混凝土的凝聚力。
钢筋在冷轧时，纵向和横向同时产生变形，因而能较好地保持塑性及内部结构的均匀性。
产生冷加工强化的原因是钢材在冷加工变形时，由于晶粒间产生滑移，晶粒形状改变，有的被拉长，有的被压扁，甚至变成纤维状。
同时在滑移区域，晶粒破碎，晶格歪扭，从而对继续滑移造成阻力，要使它重新产生滑移就必须增加外力，这就意味着屈服强度有所提高，但由于减少了可以利用的滑移面，故钢的塑性降低。
另外在塑性变形中产生了内应力，钢材的弹性模量降低。
7.4.2时效
钢材经冷加工后，随着时间的延长，钢的屈服强度和抗拉强度逐渐提高而塑性和韧性逐渐降低的现象，称为应变时效，简称时效。
经过冷拉的钢筋在常温下存放15～20d，或加热到100℃～200℃并保持一定时间，这个过程成为时效处理。
前者称为自然时效，后者称为人工时效。
冷拉以后再经时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度也有增长，塑性继续降低。
由于时效过程中内应力消减，故弹性模量可基本恢复。
钢材的冷拉及时效强化如图7.5所示
图7.5钢材的冷拉及时效强化示意图
钢材中氮、氧含量高，时效敏感性大。
受动荷载作用或经常处于中温条件下工作的钢结构，为避免脆性过大、防止出现突然断裂，应选用时效敏感性较小的钢材。
7.5常用建筑钢材
建筑钢材可分为钢筋混凝土用钢材和钢结构用型钢。
7.5.1钢筋混凝土用钢材
1.热轧钢筋
根据《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499－1998）、《钢筋混凝土用余热处理钢筋》（GB13014－1991）的规定，热轧带肋钢筋的牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成。
H，R，B分别为热轧（Hotrolled）、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，HRB400，HRB500三个牌号。
各牌号钢筋的力学性能和工艺性能应符合表7.3的规定。
热轧带肋钢筋要求按表7.1中规定的弯心直径，经弯曲180°
后钢筋受弯部位的表面不准出现裂纹。
热轧钢筋中应用最多的是普通碳素钢中的Q235加工而成的HPB235光圆钢筋，它的强度虽然不高，但塑性、焊接性能都好，便于加工成型。
盘圆钢筋不仅用于中型构件的受力筋，而且用于一般构件的构造筋，还可用于制作冷拔低碳钢丝。
表7.3热轧钢筋的力学性能和工艺性能
强度等级代号
外形
钢种
公称直径a
/mm
屈服强度
/MPa
抗拉强度
伸长率
/%
冷弯试验
角度
弯心直径
HPB235
光圆
低碳钢
8～20
235
370
25
180°
HRB335
月牙肋
低碳低
合金钢
6～25
335
400
490
16
28～50
HRB400
570
14
HRB500
等高肋
中碳低
500
630
12
2.冷轧带肋钢筋
国家标准《冷轧带肋钢筋》（GB13788—2000）规定，冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧盘圆钢筋在其表面沿长度方向均匀地冷轧成两面或三面带有横肋的钢筋。
冷轧带肋钢筋用代号CRB表示，按抗拉强度的不同将冷轧带肋钢筋划分成五个牌号：
CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170，其中CRB550钢筋的公称直径范围为4～12mm；
CRB650及以上牌号钢筋的公称直径为4、5、6mm。
各牌号钢筋的力学性能和工艺性能表7.4。
CRB550可作为普通混凝土结构的配筋，其他牌号则可作为预应力混凝土结构配筋。
由于钢筋表面轧有肋痕，故有效地克服了冷拉、冷拔钢筋与混凝土握裹力低的缺点，同时还具有与冷拉、冷拔钢筋（丝）相接近的强度。
表7.4冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能
牌号
≥
伸长率/%
弯曲试验
（180°
）
反复弯曲次数
松弛率
（初始应力＝0.7Rm）
A11..3
（1000h）/%
≤
（10h）/%
CRB550
550
8.0
-
CRB650
650
3
8
5
CRB800
800
CRB970
970
CRB1170
1170
3.冷拉钢筋
冷拉钢筋是用热轧钢筋加工而成。
在常温下经过冷拉的钢筋可达到除锈、调直、提高强度、节约钢材的目的。
热轧钢筋经过冷拉和时效处理后，其屈服点和抗拉强度增大，但塑性、韧性降低。
为了保证冷拉钢材的质量，不使冷拉钢筋脆性过大，冷拉操作应采用双控法，即控制冷拉率和冷拉应力。
如果冷拉至控制应力而未超过控制冷拉率，则合格；
若达到冷拉率，未达到控制应力，则钢筋应降级使用。
冷拉钢筋的技术性质应符合表7.5的要求。
表7.5冷拉钢筋的力学性能
钢筋级别
钢筋直径/mm
冷弯
弯曲角度/°
弯曲直径/mm
≤12
280
11
180
3d
≤25
450
510
90
28～40
430
4d
8～40
5d
10～28
700
835
6
4.预应力混凝土用热处理钢筋
预应力混凝土用热处理钢筋是用普通热轧中碳低合金钢经淬火和回火调质而成，按外形分为有纵肋和无纵肋两种（均有横肋）。
通常有三个规格，即公称直径6mm（牌号40Si2Mn），8.2mm（牌号48Si2Mn）和10mm（牌号45Si2Cr）。
这种钢筋不能冷拉和焊接，因其具有高强度、高韧性和高粘结力及塑性降低少等优点（
），特别适用于预应力混凝土构件的配筋。
5.钢丝与钢绞线
将直径为6.5～8mm的Q235圆盘条，在常温下通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模，以强力拉拔工艺拔制成直径为3mm、4mm、5mm的圆截面钢丝，称为冷拔低碳钢丝。
冷拔低碳钢丝的性能与原料强度及引拔后的截面总压缩率有关。
其力学性能应符合国家标准（GB50204-1992）的规定。
由于冷拔低碳钢丝的塑性大幅度下降，硬脆性明显，目前，该类钢丝的应用受到一定的限制。
用作预应力混凝土构件的钢丝，其力学性能应符合国标GB/T5223-1995）的规定。
7.5.2钢结构用钢材
1.碳素结构钢
碳素结构钢是碳素钢中的一类，可加工成各种型钢、钢筋和钢丝，适用于一般结构和工程。
国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）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）牌号表示方法
钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号等四个部分按顺序组成。
其中，以“Q”代表屈服点，屈服点数值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa、275MPa五种，质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少分别用A、B、C、D表示，脱氧程度以F表示沸腾钢、Z及TZ分别表示镇静钢与特殊镇静钢、b表示半镇静钢，Z与TZ在钢的牌号中可以省略。
例如：
Q235—A·
F表示屈服点为235MPa的、质量等级为A级的沸腾钢。
（2）技术要求
碳素结构钢的技术要求包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态及表面质量五个方面，碳素结构钢化学成分、力学性能、冷弯性能试验指标应分别符合表7.6、7.7、7.8的规定。
表7.6碳素结构钢的化学成分（GB700-88）
等级
化学成分/%
脱氧方法
C
Mn
Si
S
P
Q195
0.06～0.12
0.25～0.50
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
Q215
A
0.09～0.15
0.25～0.55
B
Q235
0.14～0.22
0.30～0.65⑴
0.12～0.20
0.30～0.70⑵
升级会员 