土木工程材料-鋼材

1、第二章第二章 鋼材鋼材土木工程材料2教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo) 通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，（1）了解鐵和鋼的概念、鋼的分類、鋼的冶煉加工及其對(duì)鋼質(zhì)量的影響；（2）掌握建筑鋼材的主要技術(shù)性質(zhì)（力學(xué)性質(zhì)、工藝性能）及其對(duì)鋼材性能的影響；（3）掌握主要建筑鋼材的性質(zhì)及應(yīng)用；（4）了解鋼的銹蝕、鋼材防銹的要點(diǎn)。本章內(nèi)容本章內(nèi)容2.1 2.1 建筑鋼材基本知識(shí)建筑鋼材基本知識(shí)2.1.1 建筑鋼材概述2.1.2 鋼的冶煉加工及其對(duì)鋼 材質(zhì)量的影響2.1.3 鋼的分類2.1.4 鋼材的加工2.2 2.2 建筑鋼材的主要技術(shù)性能建筑鋼材的主要技術(shù)性能2.2.1 力學(xué)性能2.2.2 工藝性能2.3 2.3 建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用

2、建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用 2.3.1 碳素結(jié)構(gòu)鋼2.3.2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼2.3.3 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼2.4 常用建筑鋼材課堂練習(xí)復(fù)習(xí)思考題32.1.1 2.1.1 建筑鋼材概述建筑鋼材概述l 定義定義：建筑鋼材主要是指用于鋼結(jié)構(gòu)中各種型材（如角鋼、槽鋼、工字鋼、圓鋼等）、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線等。l 性能及應(yīng)用性能及應(yīng)用：建筑鋼材有較高的強(qiáng)度，有良好的塑性和韌性，能承受沖擊和振動(dòng)荷載，易于加工和裝配，可以焊接或者鉚接，便于裝配廣泛應(yīng)用于建筑工程中。l 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：易銹蝕，耐火性差。2.1 2.1 建筑鋼材基本知識(shí)建筑鋼材基本知識(shí)4前言前言19961996年以

3、來(lái)，我國(guó)鋼年以來(lái)，我國(guó)鋼產(chǎn)量一直居世界第一產(chǎn)量一直居世界第一位。位。20062006年中國(guó)粗鋼年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量突破產(chǎn)量突破4 4億噸億噸, ,占世占世界鋼產(chǎn)量的界鋼產(chǎn)量的34.4%34.4%，相當(dāng)于前六大鋼鐵生相當(dāng)于前六大鋼鐵生產(chǎn)國(guó)日本、美國(guó)、俄產(chǎn)國(guó)日本、美國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、德國(guó)、羅斯、韓國(guó)、德國(guó)、印度的總和。印度的總和。鋼筋混凝土用熱軋帶鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋是重要的鋼鐵肋鋼筋是重要的鋼鐵產(chǎn)品，它應(yīng)用范圍廣，產(chǎn)品，它應(yīng)用范圍廣，生產(chǎn)量大。據(jù)粗略的生產(chǎn)量大。據(jù)粗略的統(tǒng)計(jì)：統(tǒng)計(jì)：20062006年我國(guó)鋼年我國(guó)鋼筋實(shí)際產(chǎn)量已達(dá)筋實(shí)際產(chǎn)量已達(dá)87928792萬(wàn)噸左右，約占我國(guó)萬(wàn)噸左右，約占我國(guó)鋼產(chǎn)量

4、的鋼產(chǎn)量的20.8%20.8%。 5近年來(lái)，伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高近年來(lái)，伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，建筑業(yè)作為我國(guó)國(guó)民速增長(zhǎng)，建筑業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一也得到了快經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一也得到了快速的發(fā)展。由于速的發(fā)展。由于目前我國(guó)建筑目前我國(guó)建筑主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，鋼筋的生產(chǎn)與消費(fèi)量增長(zhǎng)很快鋼筋的生產(chǎn)與消費(fèi)量增長(zhǎng)很快 。我國(guó)建筑用鋼占鋼材的消我國(guó)建筑用鋼占鋼材的消費(fèi)比例約為費(fèi)比例約為53.3%，其中，其中長(zhǎng)材的消費(fèi)占長(zhǎng)材的消費(fèi)占76%以上。以上。鋼筋占建筑用長(zhǎng)材的鋼筋占建筑用長(zhǎng)材的61% 。67891011121314151617182.1.2 2.1.2 鋼的冶

5、煉加工及其對(duì)鋼材質(zhì)量的影響鋼的冶煉加工及其對(duì)鋼材質(zhì)量的影響l 冶煉原理冶煉原理：將生鐵生鐵在1700左右熔融，進(jìn)行氧化，使碳的含量降低到一定的限度，同時(shí)把其他雜質(zhì)含量降低到允許范圍內(nèi)。l 碳素鋼碳素鋼含碳量在0.02%2.06%，含有害雜質(zhì)較少的鐵碳合金。 生鐵硬而脆，無(wú)塑性和韌性，不能進(jìn)行焊接、鍛造、軋制等加工，在建筑中很少應(yīng)用。煉鋼方法煉鋼方法：大規(guī)模的煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐法、平爐煉鋼法和電弧煉鋼法三種。鋼材交貨時(shí)，必須對(duì)所用爐種以規(guī)定的代號(hào)做出標(biāo)志，脫氧狀態(tài)也是鋼質(zhì)標(biāo)志的內(nèi)容之一。192021頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐22232.1.3 2.1.3 鋼的分類鋼的分類l 按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類碳素鋼

6、：低碳鋼：含碳量 0.60合金鋼：低合金鋼：合金元素總含量 10l 按質(zhì)量（雜質(zhì)含量）分類按質(zhì)量（雜質(zhì)含量）分類 普通鋼：含硫量0.0550.065；含磷量0.045 優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.03 0.045；含磷量0.035 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.02 0.03；含磷量0.027l 按用途分類按用途分類 結(jié)構(gòu)鋼：建筑工程用結(jié)構(gòu)鋼、機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼：用于制作道具、量具、模具等 特殊鋼：不銹鋼、耐酸鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等l 建筑工程中常用的鋼種是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和普通低合金普通低合金結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼。24l 根據(jù)脫氧程度不同，澆鑄的鋼錠可分為:沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。名稱脫氧程度

7、質(zhì)量沸騰鋼（F）不完全組織不夠致密，氣泡多，化學(xué)偏析大，成分不均勻，硫、磷雜質(zhì)較多質(zhì)量較差，成本較低。廣泛用于一般建筑工程。鎮(zhèn)靜鋼（Z）充分組織致密，成分均勻，機(jī)械性能好，質(zhì)量較好，成本較高。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。半鎮(zhèn)靜鋼（b）均介于上二者之間脫氧程度不同的三種鋼錠的比較25 建筑鋼材的產(chǎn)品一般分為型材、板材、線材和管材等幾類。型材包括鋼結(jié)構(gòu)用的角鋼、工字鋼、槽鋼、方鋼、軌道鋼等。線材包括鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土用的鋼筋、鋼絲和鋼鉸線等。板材包括用于水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、房屋、橋梁及建筑機(jī)械的中厚鋼板；用于屋面、墻面、樓板等的薄鋼板。管材主要用于鋼桁架和供水、供氣（汽）管線等。26

8、272829303132 伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率 指金屬材料受外力（拉力）作用斷裂時(shí)，試棒伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度與原來(lái)長(zhǎng)度的百分比，伸長(zhǎng)率按試棒長(zhǎng)度的不同分為：試棒的標(biāo)距等于5倍直徑，短試棒求得的伸長(zhǎng)率，代號(hào)為5；試棒的標(biāo)距等于10倍直徑，長(zhǎng)試棒求得的伸長(zhǎng)率，代號(hào)為10，。 伸長(zhǎng)率是鋼材發(fā)生斷裂時(shí)伸長(zhǎng)率是鋼材發(fā)生斷裂時(shí)所能承受的永久變形的能所能承受的永久變形的能力力00001100lll式中 試件的伸長(zhǎng)率，%； 拉伸前的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm； 拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。0l1l0l1l式中 試件的伸長(zhǎng)率，%； 拉伸前的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm； 拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。0l1l00001100lll式中 試件的伸長(zhǎng)率，%； 拉伸前的

9、標(biāo)距長(zhǎng)度，mm； 拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度，mm。0l1l33 斷面收縮率斷面收縮率 塑性是指鋼材在受力破壞之前可以經(jīng)受永塑性是指鋼材在受力破壞之前可以經(jīng)受永久變形的能力。以久變形的能力。以表示表示 。 斷面收縮率是試件斷裂后，縮頸處橫斷面斷面收縮率是試件斷裂后，縮頸處橫斷面面積的最大縮減量占橫截面的百分率。面積的最大縮減量占橫截面的百分率。 在工程中鋼材的塑性指標(biāo)通常用伸長(zhǎng)率和在工程中鋼材的塑性指標(biāo)通常用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示斷面收縮率表示。34 混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低。用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用范圍，而混凝土又對(duì)鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳鋼筋混凝

10、土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成。素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成。 2.4 2.4 常用建筑鋼材常用建筑鋼材l 8.4.1 8.4.1 熱軋鋼筋熱軋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用熱軋鋼筋應(yīng)有較高的強(qiáng)度，具有一定的塑性、韌性、冷彎和可焊性。熱軋鋼筋熱軋鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的成品鋼筋，主要有用Q235軋制的光圓鋼筋和用合金鋼軋制的帶肋鋼筋兩類。 352.4.1.1 熱軋光圓鋼筋熱軋光圓鋼筋 經(jīng)熱軋成型，橫截面通常為圓形，表面光滑的成品鋼筋，稱為熱軋光圓鋼筋（HPBHotrolled Plain Bars）。鋼筋按屈服強(qiáng)度特征值分為235、300級(jí)。 熱軋光圓鋼筋牌號(hào)由HPB和屈服強(qiáng)度特征值構(gòu)成，分

11、為為HPB235、HPB300兩個(gè)牌號(hào)。 熱軋光圓鋼筋的公稱直徑范圍為622mm，熱軋光圓鋼筋（GB 1499.1-2008）推薦的鋼筋公稱直徑為6、8、10、12、16和20mm。可按直條或盤(pán)卷交貨，按定尺長(zhǎng)度交貨的直條鋼筋其長(zhǎng)度允許偏差范圍為0+50mm；按盤(pán)卷交貨的鋼筋，每根盤(pán)條重量應(yīng)不小于1000kg 。 熱軋光圓鋼筋鋼筋的屈服強(qiáng)度ReL、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率A、最大拉力總伸長(zhǎng)率Agt等力學(xué)性能特征值應(yīng)符合規(guī)定。各力學(xué)性能特征值，可作為交貨檢驗(yàn)的最小保證值。按規(guī)定的彎芯直徑彎曲180后，鋼筋受彎部位表面不得產(chǎn)生裂紋。3637牌號(hào)ReL（Mpa）Rm（Mpa）A（%）Agt（%）冷彎

12、試驗(yàn)180d彎芯直徑a鋼筋公稱直徑不小于HPB23523537025.010.0d=aHPB300300420熱軋光圓鋼筋的力學(xué)性能熱軋光圓鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能（和工藝性能（GB 1499.1-2008） 38帶肋鋼筋(a)月牙肋鋼筋(b)等高肋鋼筋 2.4.1.2 熱軋帶肋鋼筋熱軋帶肋鋼筋 (HRBHotrolled Ribbed Bars) 經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的橫截面為圓形的，且表面通常帶有兩條縱肋和沿長(zhǎng)度方向均勻分布的橫肋的鋼筋，稱為熱軋帶肋鋼筋。包括普通熱軋鋼筋和細(xì)晶粒熱軋鋼筋兩種。 熱軋帶肋鋼筋按屈服強(qiáng)度特征值分為335、400、500級(jí)。 普通熱軋鋼筋的牌號(hào)由HRB和屈服強(qiáng)度

13、特征值構(gòu)成，分為HRB335（20Mnsi）、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb或20MnsiTi)、HRB500三個(gè)牌號(hào)，。3940(a)等高肋鋼筋；(b)月牙肋鋼筋 414243444546 熱軋帶肋鋼筋的公稱直徑范圍為熱軋帶肋鋼筋的公稱直徑范圍為650mm，熱軋帶肋鋼熱軋帶肋鋼筋筋（GB 1499.2-2007）推薦的鋼筋公稱直徑為）推薦的鋼筋公稱直徑為6、8、10、12、16、20、25、32、40和和50mm。 熱軋帶肋鋼筋通常按定尺長(zhǎng)度交貨，具體交貨長(zhǎng)度應(yīng)在合熱軋帶肋鋼筋通常按定尺長(zhǎng)度交貨，具體交貨長(zhǎng)度應(yīng)在合同中注明，按定尺長(zhǎng)度交貨時(shí)的長(zhǎng)度允許偏差為同中注明，按定尺長(zhǎng)度

14、交貨時(shí)的長(zhǎng)度允許偏差為25mm，當(dāng)，當(dāng)要求最小長(zhǎng)度時(shí)，其偏差為要求最小長(zhǎng)度時(shí)，其偏差為+50mm，當(dāng)要求最大長(zhǎng)度時(shí)，其，當(dāng)要求最大長(zhǎng)度時(shí)，其偏差為偏差為50mm。熱軋帶肋鋼筋也可以盤(pán)卷交貨，每盤(pán)應(yīng)是一。熱軋帶肋鋼筋也可以盤(pán)卷交貨，每盤(pán)應(yīng)是一條鋼筋，允許每批有條鋼筋，允許每批有5%的盤(pán)數(shù)由兩條鋼筋組成。的盤(pán)數(shù)由兩條鋼筋組成。 47三面月牙形冷軋帶肋鋼筋 冷軋帶肋鋼筋 48冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋49螺旋肋鋼絲外形示意圖 50三面刻痕鋼絲外形示意圖 51 預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲在絞線機(jī)上以絞捻,再經(jīng)低溫回火和消除應(yīng)力等熱處理工序制成。預(yù)應(yīng)力鋼絞線是用兩（或三、或七

15、、19 ）根鋼絲捻制后，鋼絞線與混凝土的粘結(jié)力較好。鋼鉸線的捻向一般為左（S）捻。 按照表面形態(tài)可以分為光面鋼絞線、刻痕鋼絞線、模拔鋼絞線(compact)、鍍鋅鋼絞線、涂環(huán)氧樹(shù)脂鋼絞線等。在多數(shù)后張預(yù)應(yīng)力及先張預(yù)應(yīng)力工程中，光面鋼絞線是最廣泛采用的預(yù)應(yīng)力鋼材。模拔鋼絞線主要用于提升工程，也用于核電之類的工程。鍍鋅鋼絞線常用于橋梁的系桿、拉索及體外預(yù)應(yīng)力工程。涂環(huán)氧樹(shù)脂的鋼絞線用途和鍍鋅預(yù)應(yīng)力鋼絞線類似。 預(yù)應(yīng)力鋼絞線以盤(pán)或卷狀態(tài)交貨,每盤(pán)鋼鉸線應(yīng)由一整根組成，如無(wú)特殊要求，每盤(pán)鋼鉸線的長(zhǎng)度不小于200m 。成品鋼鉸線的表面不得有潤(rùn)滑劑、油漬等降低鋼鉸線與混凝土粘接力的物質(zhì)。鋼鉸線表面允許有輕

16、微的浮銹，但不得銹蝕成目視可見(jiàn)的麻坑 。預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線522.4.5 2.4.5 型鋼型鋼l常用品種常用品種：工字鋼、H型鋼、T型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊型鋼等。l特點(diǎn)特點(diǎn)：截面形式合理，材料在截面上分布對(duì)受力最為有利，且構(gòu)件間連接方便，所以是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。l規(guī)格規(guī)格：通常以反映其斷面形狀的主要輪廓尺寸來(lái)表示。l熱軋型鋼熱軋型鋼工字鋼5354555657（1）無(wú)縫鋼管 無(wú)縫鋼管是經(jīng)熱軋、擠壓、熱擴(kuò)或冷拔、冷軋而制成的周邊無(wú)縫的管材。分為一般用途和專門(mén)用途兩類。一般結(jié)構(gòu)用的無(wú)縫鋼管，以外徑壁厚表示規(guī)格,詳見(jiàn)GB8162-1987規(guī)定。專用無(wú)縫鋼管一般用于鍋爐和耐熱工

17、程中。（2）焊接鋼管 在工程中用量最大的是焊接鋼管。供低壓流體輸送用的直縫鋼管，分焊接鋼管和鍍鋅焊接鋼管兩大類；按壁厚分為普通焊管和加厚焊管；按管端形式分螺紋鋼管和無(wú)螺紋鋼管。2.4.6 鋼管鋼管5859602.4.1 2.4.1 鋼材的銹蝕鋼材的銹蝕l 定義定義：鋼材表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱作銹蝕銹蝕。l 發(fā)生發(fā)生：鋼材銹蝕的現(xiàn)象普遍存在，如在大氣中生銹，特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介質(zhì)或濕度較大時(shí)，情況就更為嚴(yán)重。l 后果后果：不僅使鋼材有效截面積均勻減小，還會(huì)產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會(huì)顯著降低鋼的強(qiáng)度、塑性韌性等力學(xué)性能。l 分類分類：根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕可分為化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕。 2.4 2.4 鋼材的銹蝕及防止鋼材的銹蝕及防止61l化學(xué)銹蝕化學(xué)銹蝕化學(xué)銹蝕指鋼材與周?chē)慕橘|(zhì)（如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接發(fā)生化學(xué)作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蝕。 在干燥環(huán)境中化學(xué)銹蝕的速度緩慢，但在溫度高和濕度較大時(shí)銹蝕速度大大加快。l電化學(xué)銹蝕電化學(xué)銹蝕 鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成，并含有雜質(zhì)，由于這些成分的