建筑材料第九章建筑钢材.docx
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建筑材料第九章建筑钢材
第九章建筑钢材
钢材是应用最广泛的一种金属材料，钢材被列为主要材料而在大量应用，尤以钢结构和混凝土结构为最。
与无机非金属材料相比，钢材具有许多显著优点：
材质均匀致密，各向强度均高，塑性与韧性都好，以及易于加工和牢固连接等。
但钢材最大的缺点是易腐蚀和耐火性差，因此在建筑应用中，必须采用各种有效措施。
第一节概述
一、钢和铁
通常泛指的钢和铁，其实都是铁与碳的合金，除了这两种主要成分外，还都含有少量的硅、锰、硫、磷等杂质。
两者的主要区别是含碳量不同，含碳量大于2.0％的铁碳合金为生铁，小于2.0％的铁碳合金为碳钢。
生铁性脆，常用来铸造制品，也叫铸铁。
碳钢具有良好的塑性，强度和韧度都高，焊接、铆合等加工性好。
生铁是将铁矿石、燃料和熔剂放入高炉里炼成。
炼钢的主要任务，是把生铁中含碳量降到2.0％以下的需要范围。
经1700℃左右的高温冶炼，氧化－造渣－脱氧，即成了钢。
二、与钢质有关的冶炼常识
炼钢的炉种一般分为平炉、转炉和电炉三大类。
按所用的耐火炉衬不同，又有酸性和碱性之分。
建筑钢多是平炉钢、顶吹氧气转炉钢和侧吹碱性转炉钢。
在钢材交货时，必须对所用炉种以规定的代号作出标志。
根据脱氧程度所表示的状态，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三类。
镇静钢脱氧完全，钢质均匀，成本高。
沸腾钢脱氧不完全，质量不如镇静钢，有害杂质磷、硫的偏析较严重。
半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。
脱氧状态，也是应以规定代号标明钢质的内容。
三、钢材的加工
炼好的钢，除极少量直接用作铸件外，绝大部分都是先浇铸成钢锭，然后再经加工制成各种钢材。
钢材的加工包括轧制、锻造、冷拔、冲压等多种方式。
常用的型钢、钢筋及中、厚钢板均为热轧钢材，薄钢板则有冷轧和热轧两种。
焊管是以钢带经弯曲成型、连续焊接而成。
无缝钢管是对实心钢胚进行穿孔，经热轧、挤压或冷轧、冷拔等工艺制得。
在轻钢结构中广用的冷弯型材，则是用可冷加工变形的钢带，经连续辊式冷弯机组一次加工而成。
钢材的加工，是通过不同方法使固态钢坯产生塑性变形，以成为所需形状的过程。
加工方法的不同，对成型后的钢材有一定的影响。
第二节建筑钢材的力学性能和冷弯性能
一、拉伸性能
二、塑性指标
在拉伸试验之前，把试件的受拉区内，量规定的长度做好记号，称为标距。
试件拉断后，将断口对严，再量拉伸后的标距长，按下式计算伸长率：
式中
――试件的伸长率，％；
L0――拉伸前的标距长度，mm；
L1――拉伸后的标距长度，mm。
伸长率是评价钢材塑性的指标，其值越高，说明钢材越软。
在测定伸长率时，标距的大小对结果影响严重，因此规定长试件的标距为10倍直径，短试件为5倍直径。
测得的伸长率，分别以δ10和δ5表示。
线材的伸长率，多采用定标距100mm，结果应以δ100表示。
三、冲击韧性
钢材的冲击韧性，是指抵抗冲击荷载的能力。
用于重要结构的钢材，特别是承受冲击荷载结构的钢材，必须保证冲击韧性。
钢材的冲击韧性，是以标准试件在弯曲冲击试验时，每平方厘米所吸收的冲击断裂功表示。
该值越大，冲击韧性越好。
钢材的冲击韧性，会随温度的降低而明显减小，当降低至一定负温范围时，能呈现脆性，即所谓冷脆性。
在负温下使用的钢材，不仅要保证常温下的冲击韧性，通常还是规定测0℃、－20℃、－40℃的冲击韧性。
四、冷弯性能
冷弯是一种工艺性能，指常温下对钢材试件按规定弯曲后，检验是否存在对弯曲加工时的种种危害。
第三节钢的化学成分对钢材性能的影响
一、碳素钢中的主要成分及其影响
碳素钢的主要成分，是以铁为基体，除含碳外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等。
碳素钢中各主要成分对钢质的影响是：
（1）碳（C）
对于含碳量低于0.8%的钢，含碳量越多，钢的强度越高，塑性、冲击韧性和耐腐蚀稳定性越下降，焊接性能和冷弯性越变差。
当碳的含量超过0.8％时，强度会随含碳量增大开始下降。
（2）硅（Si）
硅的含量在1％以下时，可使钢的抗拉强度和屈服点提高，而塑性和冲击韧性的下降并不显著，工艺性能也不显著变化。
（3）锰（Mn）
含锰量在0.8%~1.0%时，可保持钢材原有塑性和冲击韧性的条件下，较显著提高屈服点和抗拉强度，消除热脆性，降低冷脆性。
锰的不利作用是使伸长率略低，在含量过高时，焊接性变差。
（4）磷（P）
碳素钢中残存的磷，可使钢的强度提高，但塑性及韧度显著下降，焊接性变差，特别是加剧冷脆性，是十分有害的作用。
（5）硫（S）
硫对碳素钢的绝大部分性能都有害，特别是当钢材热加工时，可导致发生热裂和热脆现象。
二、合金钢中主要合金元素的影响
合金钢是在冶炼碳素钢的基础上，为改善或取得某些性能，而有意加入适量的一种或几种合金元素，通过采取与合金化相配的工艺措施实现的。
（1）锰（Mn）、硅（Si）
锰和硅是强化钢材的主加元素。
保持恰当的锰碳比，锰能提高屈服强度和冲击韧性。
硅主要用来提高强度，但含量过高时不利于焊接性。
（2）钛（Ti）、钒（V）、铌（Nb）
钛、钒、铌等合金元素，对钢材的强化效果都很显著，同时可改善韧性，并有益于焊接性，但钛能使塑性稍有降低。
钛和铌还通常用来固定合金钢中的碳，使生成稳定的碳化物，以减轻碳对耐蚀性的不利。
（3）铬（Cr）、钼（Mo）、镍（Ni）、钴（Co）
铬是不锈耐酸钢和耐热钢的主加合金元素。
除此之外，铬还能提高抗高温气体的腐蚀性。
加入钼的不锈耐酸钢，对含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质的腐蚀，有较强的抵抗能力。
以镍做合金元素，可使钢获得良好的力学性能、耐蚀性能和工艺性能。
（4）铝（AL）、铜（Cu）、钨（W）、硼（B）
铝作为固溶强化元素加入，能细化晶粒，有利于钢材的强化和焊接性能，但过量时会降低塑性。
铜和磷两种合金元素配合加入，可提高钢的耐大气腐蚀性。
钨作为强碳化物形成元素加入，与钢中的碳相作用，形成硬而脆的合金碳化物，其粒度与分布对钢材的性能影响强烈，对钢材的热处理、热加工工艺起支配作用。
硼能增大合金钢的淬透性，以便与经过相宜的热处理后获得理想的性能。
第四节建筑钢材所用的主要钢种
我国建筑钢材主要采用碳素结构钢或低合金高强度钢制成，但近来以优质碳素钢、合金结构钢制造的钢材产品，已越来越多地投入建筑应用。
一、碳素钢结构
（一）碳素结构钢的牌号表示法
碳素钢结构的牌号，由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。
详见表9－1。
表9－1碳素结构钢牌号中的符号
代表屈服点的字母
屈服点数值
质量等级符号
脱氧方法符号
Q
“屈”字汉语拼音首位字母
195，215，235
255，275
取自≤16mm厚度（直径）的钢材屈服点低限MPa值
A
B
C
D
F－沸腾钢
b－半镇静钢
Z－镇静钢
TZ－特殊镇静钢
碳素结构钢的化学成分（熔炼分析），应符合表9－4的规定。
同时要求：
沸腾钢硅含量不大于0.07％；半镇静钢硅含量下限值为0.12％。
钢中的残余元素铬、镍、铜含量，应各不大于0.30％；氧气转炉钢的氮含量，应不大于0.008％。
钢中砷的残余含量，应不大于0.080％。
表9－4碳素结构钢的化学成分（熔炼分析）
牌号
等级
化学成分/%
脱氧方法
C
Mn
Si
S
P
不大于
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
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.045
Q235
A
0.14～0.22
0.30～0.65*
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.12～0.20
0.30～0.70*
0.045
C
≤0.18
0.35～0.80
0.040
0.040
Z
D
≤0.17
0.035
0.035
TZ
Q255
A
0.18～0.28
0.40～0.70
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
B
0.045
Q275
－
0.28～0.38
0.50～0.80
0.35
0.050
0.045
b、Z
注：
*Q235A、B级沸腾钢锰含量上限0.60％。
（三）碳素结构钢选用须知
碳素结构钢共有五个牌号，各号钢的质量等级及其用钢的脱氧方法有所不同。
选用时应熟悉以下内容。
（1）随牌号值的加大，钢中的含碳量调高，强度递增，塑性和韧性递减。
（2）牌号中的数字是屈服点的公称值，并非所有尺寸的该号钢材都保证屈服点不低于此值。
而是厚度或直径越大的钢材，所保证的屈服点越低于这个公称值。
（3）牌号相同的钢，质量等级有A、B、C、D四级之别。
须知若按这四级钢所保证的性能排队，是A级最普通、D级最优质的次序。
A级钢不保证冲击试验，B级、C级和D级钢分别保证20℃、0℃、－20℃下的冲击试验，其结果均要求大于等于27J。
再则，对钢中的磷、硫含量的限制，A级显宽、B级严些，而C级和D级的此项指标，已接近和达到优质碳素钢的水平。
（4）牌号、质量等级都相同的钢，尚需区别它们用钢的脱氧方法，以判定其钢质的不同。
二、优质碳素结构钢
优质碳素结构钢是碳素结构钢中纯净度相对高的钢种，也是整个优质钢材中应用最广的钢种。
（一）优质碳素结构钢的特点
优质碳素结构钢多以平炉或氧气吹顶转炉冶炼，有的也用电弧炉。
其脱氧方法，多为镇静钢，只有几个平均含碳量小于0.25％的钢号，采用半镇静钢或沸腾钢。
优质碳素结构钢分为优质、高级优质和特级优质三个质量等级，其最显要的分级指标，是限定磷、硫有害元素的含量（≤％）；对于优质钢各为0.035；对于高级优质钢各为0.030；对于特级优质钢，磷为0.025、硫为0.020.
各质量等级的优质碳素结构钢，按含锰量的不同，分为普通含锰量和较高含锰量两类。
普通含锰量有0.25％～0.50％、0.35％～0.65％、0.50％～0.80％三个钢组；较高含锰量的钢组，有0.70％～1.00％和0.9％～1.20％两个钢组。
（二）优质碳素结构钢的牌号表示法
优质碳素结构钢的牌号，是以两位阿拉伯数字表示，为该号钢中平均含碳量的万分数。
但若属于下列情况时，要在牌号后边以规定的符号标明。
（1）脱氧方法镇静钢不标代号，沸腾钢或半镇静钢分别以F、b标明，例如08、08F、08b等。
（2）含锰量普通含锰量钢不标代号，较高含锰量钢以元素符号Mn标明，例如45、45Mn等.
（3）质量等级优质钢不标代号，高级优质钢标A，特级优质钢标E，例如75、75A、75E等。
（三）优质碳素结构钢的性能比较
表9－5优质碳素结构钢的牌号及其性能比较
平均含碳量
钢的牌号
性能比较
适用的方面
<0.25％
（属低碳钢）
08101520
08F10F15F
15Mn20Mn
强度不高、塑性大，深冲性能优良，可焊接性好
不经受大的应力但要求韧性好的冲压件、锻件、铸钢件
0.25％－0.60％
（属中性钢）
2530354045
25Mn30Mn35Mn40Mn45Mn
505560
50Mn60Mn
强度、韧性均属中等，深冲性能和可焊接性递减
对强度、塑性要求一般的锻件、铸钢件；但多供调质状态下使用，从而获得需要的性能
>0.60％
（属高碳钢）
6570758085
65Mn70Mn
强度高、耐磨性较好，韧性低
承载高、耐磨要求高，但动载作用不大的零件
三、低合金高强度结构钢
（一）低合金高强度结构钢的牌号
低合金高强度结构钢的牌号，依次由代表屈服点的汉字拼音字母（Q）、屈服点数值（三位阿拉伯数字）、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分组成。
低合金高强度结构钢共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号，各个钢的质量等级：
Q295有A级和B级，Q460有C级、D级和E级，其余三个牌号的钢都各有A、B、C、D、E五级。
（二）低合金高强度结构钢的化学成分
（三）低合金高强度结构钢的力学性能和冷弯性能
钢的牌号加大，屈服点和抗拉强度都随之提高，伸长率仅有少量减少。
各牌号的钢，A级不保证冲击韧性，B、C、D级则分别保证20℃、0℃、－20℃下的冲击功，不小于34J；而E级保证－40℃下不小于27J。
表9－7低合金高强度结构钢的力学性能
牌号
质量
等级
屈服点σs/MPa，≥
抗拉强度σb/MPa，≥
伸长率δ5/%,≥
冲击功（AKV）纵向
钢材厚度（直径、边长）/mm
≤16
>16～35
>35~50
>50~100
温度/℃
J，≥
Q295
A
295
275
255
235
390～570
23
—
—
B
20
34
Q345
A
345
325
295
275
470～630
21
—
—
B
20
34
C
22
0
D
－20
E
－40
27
Q390
A
390
370
350
330
490～650
19
—
—
B
20
34
C
20
0
D
－20
E
－40
27
Q420
A
420
400
380
360
520～680
18
—
—
B
20
34
C
19
0
D
－20
E
－40
27
Q460
A
460
440
420
400
550～720
17
0
34
B
－20
C
－40
27
低合金高强度结构钢的冷弯性能，各牌号钢均得保证180º的弯曲试验合格，规定的弯心直径：
当钢材的厚度或直径小于等于16mm时，为试样厚度（直径）的2倍；当钢材的厚度或直径大于16mm或100mm时，为试样厚度（直径）的3倍。
（四）低合金高强度结构钢选用须知
（1）此钢以屈服点数值所标示的强度等级，最高为Q460，其抗拉强度规定在550～720MPa之内，钢名中的“高强度”不过如此，是因相对碳素结构钢而言给出的称谓。
（2）此钢虽属合金结构钢系统，但不再用“含碳量数字、合金元素符号及其含量数字”表示其牌号，而是改用碳素结构的牌号表示原则。
因此，要弄清这两种钢牌号的许多具体不同，以防混淆。
（3）低合金高强度结构钢的牌号自Q295起逐级增大，而碳素结构钢的牌号最高为Q275.
（4）低合金高强度结构钢牌号中的屈服点数值是个公称值，只有厚度、直径或边长小于等于16mm的钢材能以该值为低限。
当钢材的厚度、直径或边长越大时，对屈服点所规定的限值，比该公称值越低。
特别是低合金高强度结构钢对伸长率指标的逐级划一，而不是碳素结构钢随钢材的尺度加大在调低。
（5）低合金高强度结构钢的质量等级划分有A、B、C、D、E，除多了E级外，所用英文字母，以及字母越后表示钢质越优，这虽然与碳素结构钢的牌号表示原则一致，但对各质量等级规定的项目和指标都比碳素钢严格得多。
四、合金结构钢
合金结构钢是指按主要性能和使用特性划分，适于工程结构用和机械结构用的一大类合金钢。
（一）合金结构钢的牌号
合金结构钢的牌号，由阿拉伯数字与合金元素的化学符号组成。
由左往右，最前边的两位数字，表示此钢平均含碳量是万分之几；继后的化学符号，代表它所加的合金元素，并后缀该合金元素的平均含量代表数字。
对于各合金元素平均含量代表数字的规定是：
当小于1.50％时一般不写，但当如此不写发生牌号雷同时，须将合金元素较高的后边写1；当含量为1.50％～2.49％、2.50％～3.49％、3.50％～4.49％时，分别写出2、3、4，如果含量再高时，要依此类推。
此外，在钢的牌号末尾，应将其所属的冶金质量等级标出：
优质钢不标字,高级优质钢标A，特级优质钢标E。
（二）合金结构钢的化学成分和力学性能
各牌号钢的力学性能，包括抗拉强度、屈服点、伸长率、断面收缩率、冲击吸收功和布氏硬度六项。
纵观标准规定的这些项性能，各号钢的公称屈服点覆盖了由225～1330MPa的很宽范围，但大部分集中在635～855MPa间的六个级别。
其中高强度的合金钢，也保持一定的塑性与屈强比，其伸长率多为≥10％、屈强比一般≤0.8。
（三）合金结构钢选用提要
第五节钢筋
钢筋包括钢筋混凝土用钢筋和预应力混凝土用钢筋，是建筑工程中用量最大的钢材品种。
按所用的钢种，可分为碳素结构钢钢筋和低合金结构钢钢筋；按生产工艺可分为热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、余热处理钢筋、钢丝及钢绞线等。
一、热轧钢筋
经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，称为热轧钢筋。
从表面形状来分，热轧钢筋有光圆和带肋两大类。
（一）热轧光圆钢筋
热轧光圆钢筋，指横截面为圆形，表面光滑，推荐的公称直径有8mm、10mm、12mm、16mm、20mm五种。
其直径的允许偏差为±0.40mm，不圆度不得大于0.40mm。
光圆钢筋必须用Q235钢制造，强度等级代号：
产品标准为R235；设计规范中规定为HPB235。
其力学性能应保证屈服点（σs）不小于235MPa、抗拉强度（σb）不小于370MPa、伸长率（δ5）不低于25％；工艺性能应保证以弯心直径为试样公称直径下的180º冷弯试验。
热轧光圆钢筋的化学成分，限定碳（C）、锰（Mn）、硅（Si）、磷（P）、硫（S）五大元素含量，如表9－9所示。
标9－9热轧光圆钢筋化学成分指标
元素名称
C
Mn
Si
P
S
含量/％
0.14～0.22
0.30～0.65
0.12～0.30
≤0.045
≤0.050
（二）热轧带肋钢筋
热轧带肋钢筋，指横截面通常为圆形，且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布着横肋的钢筋。
热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。
牌号中的H、R、B，分别为热轧、带肋、钢筋三个词的英文首位字母。
牌号中的数字，为该牌号钢筋中屈服点最小值（MPa）。
（1）钢筋的尺寸规格公称直径范围为6～50mm，推荐的公称直径为6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm和50mm。
（2）钢筋尺寸允许偏差带肋钢筋的横肋应符合下列基本规定：
横肋与钢筋轴线的夹角β应不小于45º，当β不大于70º时，钢筋相对两面上横肋的方向应相反；横肋间距l，不得大于公称直径的0.7倍；横肋侧面与钢筋表面的夹角α,不得小于45º；钢筋相对两面上横肋末端之间的间隙，包括纵肋宽度在内，其总和不应大于公称周长的20％；钢筋的相对投影肋面积，公称直径12mm以下的不应小于0.055，公称直径为14mm和16mm的不应小于0.060，公称直径大于16mm的不应小于0.065。
（3）钢筋的化学成分限定钢筋用钢主要化学成分和碳当量的最大值，如表9－12所示。
根据需要，钢中还可加入V、
、Ti等元素。
碳当量
（%）值，按下式计算：
＝C＋Mn/6＋（Cr＋
）/5＋（Cu＋Ni）/15
钢中氮应不大于0.012％，供方如能保证可不作分析。
钢中如有足够数量的氮结合元素，含氮量的限制可放宽。
标9－12热轧带肋钢筋用钢的主要化学元素及碳当量最大值
牌号
化学成分/％，≤
C
Si
Mn
P
S
Ceq
HRB335
0.25
0.80
1.60
0.045
0.045
0.52
HRB400
0.25
0.80
1.60
0.045
0.045
0.54
HRB500
0.25
0.80
1.60
0.045
0.045
0.55
（4）钢筋的力学性能和工艺性能力学性能，主要保证表9－13所示的屈服点（σs）、抗拉强度（σb）和伸长率（δ5）三项指标。
此外，要求钢筋在最大力下的总伸长率δgt不小于2.5％（供方如能保证，可不做检验）；根据需方要求，可供应满足下列条件的钢筋：
钢筋实测抗拉强度与实测屈服点之比不小于1.25；钢筋实测屈服点与规定的最小屈服点之比不大于1.30。
标9－13热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能
牌号
公称直径/
mm
屈服点σs
（或σp0.2*）/
MPa
抗拉强度
σb/MPa
伸长率δ5/
%
弯曲180º试验
弯心直径
（a为公称直径）
不小于
HRB335
6~25
28~50
335
490
16
3a
4a
HRB400
6~25
28~50
400
570
14
4a
5a
HRB500
6~25
28~50
500
630
12
6a
7a
注：
*σp0.2是规定非比例伸长应力。
二、冷轧带肋钢筋
冷轧带肋钢筋，是将钢种及牌号适宜的热轧圆盘条经专门的冷轧工艺，使表面形成沿长向布有三面或两面横肋的钢筋。
（一）冷轧带肋钢筋的牌号和类别
冷轧带肋钢筋的牌号，改用冷轧、带肋、钢筋三个英文单词的首字母CRB作引导，其后标出抗拉强度最小值的数字构成。
共有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170五个牌号。
按所用盘条的钢种不同，冷轧带肋钢筋有碳素结构钢、优质碳素结构钢及低合金钢三类。
按用途CRB550为钢筋混凝土用，其他四个牌号为预应力混凝土用。
按钢筋表面的肋型，又有三面肋和两面肋之别。
（二）冷轧带肋钢筋的规格、尺寸和质量
（1）公称直径CRB550钢筋的公称径级为4～12mm，按每增0.5进级，共17种；CRB650及以上牌号钢筋，有4mm、5mm和6mm三种公称直径。
（2）对横肋要求横肋应呈月牙形，沿钢筋横截面周圈上均匀分布。
在同一面上横肋的倾角保持一致，两面肋钢筋此面和彼面横肋的倾角应反向，三面肋钢筋有一面与另两面反向。
横肋中心线和钢筋纵轴线夹角β为40º～60º，横肋两侧面和钢筋表面斜角α不得小于45º，并与钢筋表面呈弧形相交。
横肋间隙的总和，应不大于公称周长的20％。
相对肋面积ƒr，应按标准规定的方法计算得出，并符合要求。
（三）冷轧带肋钢筋的化学成分
（四）冷轧带肋钢筋的力学性能及工艺性能
（1）力学性能冷轧带肋钢筋的力学性能，应符合9－16的规定。
同时，钢筋的规定非比例伸长应力σp0.2值，应不小于公称抗拉强度σb的80％；σb/σp0.2比值应不小于1.05。
若供方在保证1000h松弛率合格基础上，试验可按10h应力松弛试验进行。
（2）工艺性能CRB550钢筋按标9－16规定条件作弯曲试验，受弯曲部位表面不得产生裂纹。
其余牌号钢筋进行反复弯曲试验，采用的弯曲半径（mm）；公称直径4mm的钢筋为10，公称直径5mm和6mm的钢筋均为15，在表9－16规定的弯曲次数后，试样不折断。
表9－16
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