建筑工程鋼材基礎(chǔ)知識概要介紹

1、鋼材基礎(chǔ)知識概要介紹定義：建筑工程中使用的各種鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的型鋼、鋼板和鋼筋混凝土用的鋼筋、鋼絲等以及鋼門窗和各種建筑五金等。優(yōu)點(diǎn)： 強(qiáng)度高 易于加工成板材、型材和線材 良好的焊接和鉚接性能缺點(diǎn): 易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用高 耐火性差 生產(chǎn)能耗大（冶煉1T鋼耗煤1.66T，水48.6m3 )鋼的冶煉和分類建筑鋼材的主要力學(xué)性能鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼材的加工與焊接建筑鋼材的品種與選用鋼材的防火和防腐蝕1、鋼的冶煉鋼：含碳量在0.06%2.0%，并含有某些 元素的鐵碳合金。生鐵：含碳量為2.116.67%，且雜質(zhì)含 量較多的鐵碳合金。 （性脆硬，建筑上難以應(yīng)用）工業(yè)純鐵：含碳量小于0.04%

2、的鐵碳合金。2、鋼的生產(chǎn)過程： （1）煉鐵 ：將鐵礦石內(nèi)氧化鐵還原成鐵 的過程。 （2）煉鋼：將熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使碳的含量降低到2.0以下，同時把磷、硫等其它雜質(zhì)的含量也降低到容許的范圍內(nèi)。主要煉鋼方法： 轉(zhuǎn)爐煉鋼法（氧氣、空氣） 平爐煉鋼法 電爐煉鋼法3.鋼材的分類按化學(xué)成分分： 低碳鋼（含C量0.60%） 低合金鋼（合金元素總量10%）按質(zhì)量分：普通碳素鋼（含硫量0.0550.065， 含磷量0.0450.085）優(yōu)質(zhì)碳素鋼（含硫量0.030.045， 含磷量0.0350.04） 高級優(yōu)質(zhì)鋼（含硫量0.020.03， 含磷量0.0270.035）按用途分： 結(jié)構(gòu)鋼/工具鋼/特殊鋼 依據(jù)

3、脫氧程度： 沸騰鋼（F） 半鎮(zhèn)靜鋼（b） 鎮(zhèn)靜鋼(Z) 特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ) 建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。內(nèi)容提綱： 拉伸性能 沖擊韌性 冷彎性能 疲勞強(qiáng)度 硬 度 四個階段：彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段頸縮階段彈性極限，用p表示。此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值為常數(shù)，即彈性模量，用E表示， / = E。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力。它是鋼材在受力條件下計算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。常用低碳鋼的彈性模量E = (2.02.1)105 MPa，p = 180200MPa。 屈服階段（AB段）應(yīng)力超過p后，應(yīng)變增加很快，而應(yīng)力基本保持不變。這種現(xiàn)象稱為屈服。此

4、時應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，試件開始產(chǎn)生塑性變形。曲線上開始發(fā)生屈服的點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)，這時的應(yīng)力稱為屈服極限，用s表示。鋼材受力達(dá)到屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。常用低碳鋼的s為185235MPa。 強(qiáng)化階段（BC段）當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)后，因塑性變形使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，曲線又開始上升，稱為強(qiáng)化階段。曲線最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用b表示。常用低碳鋼的b為375-500MPa。屈強(qiáng)比（s/b）屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)時的可靠性越大，結(jié)構(gòu)越安全。但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成

5、浪費(fèi)。常用低碳鋼屈強(qiáng)比為0.580.63，合金鋼為0.650.75。 應(yīng)力超過b后，試件的變形開始集中于某一小段內(nèi)，使該段的橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)圖所示的頸縮現(xiàn)象，曲線開始下降，直至點(diǎn)，試件被拉斷。 塑性指標(biāo)A、 伸長率（ ）B、截面收縮率（ ）與值越大，說明材料的塑性越好0預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用的高強(qiáng)度鋼筋和鋼絲具有硬鋼的特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高，無明顯的屈服階段，伸長率小。這類鋼材由于沒有明顯的屈服階段，不能測定屈服點(diǎn)，故常用發(fā)生殘余變形0.2%l0時的應(yīng)力作為規(guī)定的屈服極限，用 0.2表示。沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。鋼材的沖擊韌性用沖斷試樣時缺口處單位面積上所消耗的功沖擊功鋼材的沖擊韌性值

6、用K來表示，K的單位為J/cm2。K越大表示鋼材抗沖擊的能力越強(qiáng)。 影響沖擊韌性的因素化學(xué)成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質(zhì)量 如鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。K值還與試驗(yàn)溫度有關(guān)。某些材料在常溫時沖擊韌性并不低，破壞時呈現(xiàn)韌性破壞特征。但當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某值時，K突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形而發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。K劇烈改變的溫度區(qū)間稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度。承受動荷載、負(fù)溫結(jié)構(gòu)等需檢驗(yàn)鋼材的冷脆性。鋼材在交變荷載的反復(fù)作用下，往往在應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度時就發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞。實(shí)驗(yàn)證明，鋼材承受的交變應(yīng)力

7、越大，則鋼材至斷裂時經(jīng)受的交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少，反之越多。當(dāng)交變應(yīng)力降低至一定值時，鋼材可經(jīng)受無限次交變應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞。通常取交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=107時，試件不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力n作為其疲勞極限。 疲勞破壞的原因鋼材的疲勞破壞一般由拉應(yīng)力引起的，首先截面變化，在局部開始形成細(xì)小裂紋，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時疲勞斷裂。鋼材內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)、成分偏析及其它缺陷，是決定其疲勞性能的主要因素。鋼材的表面質(zhì)量也是造成應(yīng)力集中的因素，都對其疲勞極限有影響。如鋼筋焊接接頭和表面微小的腐蝕缺陷，都可使疲勞極限顯著降低。當(dāng)疲勞條件與腐蝕環(huán)境同時出現(xiàn)時，可促使局部應(yīng)

8、力集中的出現(xiàn)，大大增加了疲勞破壞的危險性。 四、硬 度硬度是金屬材料抵抗硬物壓入表面的能力，亦即材料表面抵抗塑性變形的能力。強(qiáng)度硬度：材料的強(qiáng)度越高，硬度值越大。硬度指標(biāo) 布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 維氏硬度（HW）冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是以試驗(yàn)時的彎曲角度和彎心直徑d為指標(biāo)表示（下圖）。鋼材的冷彎試驗(yàn): 通過直徑（或厚度）為a的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d（d = na），彎曲到規(guī)定的角度時（180或90），檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若無則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時的彎曲角度越大，彎心直徑越小，則表示其冷彎性能越好。 鋼材的冷彎示意圖冷彎檢驗(yàn)的意

9、義鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表示鋼材在靜荷載條件下的塑性。但冷彎是反映鋼材處于不利變形條件下的塑性，而伸長率是反映鋼材在均勻變形下的塑性。故冷彎試驗(yàn)是一種比較嚴(yán)格的檢驗(yàn)。它能揭示鋼材內(nèi)部組織的均勻性，以及存在內(nèi)應(yīng)力或夾雜物等缺陷的程度。在拉力試驗(yàn)中，這些缺陷常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重新分布而反映不出來。在工程實(shí)踐中，冷彎試驗(yàn)還被用作檢驗(yàn)鋼材焊接質(zhì)量的一種手段，能揭示焊件在受彎表面存在的未熔合、微裂紋和夾雜物 。3 鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響 碳：碳含量對鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性有決定性的影響。隨著含碳量增加，鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度上升；但其塑性、冷彎性能和沖擊韌性降低，焊接性也變差。

10、 錳：能提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而又不過多地降低塑性和沖擊韌性；錳能顯著改善鋼材的冷脆性能；錳還能消減硫和氧導(dǎo)致的熱脆性，改善鋼材的熱加工性能。錳是低合金結(jié)構(gòu)鋼的主加元素，含量一般在1%2%范圍內(nèi)。它可細(xì)化晶粒，提高鋼材的強(qiáng)度。硅：其含量較低（1%）時，可提高鋼材的強(qiáng)度，對塑性和韌性影響不明顯。 硫和磷：是鋼中十分有害的元素。硫化物所造成的低熔點(diǎn)使鋼在焊接時易于產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低可焊性。硫還將降低鋼材的塑性與沖擊韌性。磷將使鋼在低溫時韌性降低并容易產(chǎn)生脆性破壞。磷也降低鋼材的可焊性。 鈦、釩、鈮等低合金鋼中常用的合金元素可細(xì)化晶粒，有效地提高強(qiáng)度。鋼材的冷加工強(qiáng)化和時效強(qiáng)化鋼材的熱處理

11、鋼材的焊接4.1 鋼材的冷加工強(qiáng)化和時效強(qiáng)化冷加工強(qiáng)化定義： 將金屬材料于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，其強(qiáng)度可明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個過程稱為金屬材料的冷加工強(qiáng)化。冷拔是強(qiáng)力拉拔鋼筋通過截面小于鋼筋截面積的拔絲模。冷拔作用比純拉伸的作用強(qiáng)烈，鋼筋不僅受拉，而且同時受到擠壓作用。經(jīng)過一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳鋼絲，其屈服點(diǎn)可提高40%60%，但失去軟鋼的塑性和韌性，而具有硬質(zhì)鋼材的特點(diǎn)。 冷拔加工示意圖鋼筋冷拉后的應(yīng)力-應(yīng)變性能變化 冷軋是將圓鋼在軋鋼機(jī)上軋成斷面形狀規(guī)則的鋼筋，可提高其強(qiáng)度及與混凝土的粘接力。鋼筋在冷軋時，縱向與橫向同時產(chǎn)生變形，因而能較好

12、地保持其塑性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性。鋼筋經(jīng)冷拉后，一般屈服點(diǎn)可提高20%25%，冷拔鋼絲的屈服點(diǎn)可提高40%60%。由此可適當(dāng)減小鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計截面，或減少混凝土中配筋數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。鋼筋冷拉還有利于簡化施工工序。冷拉盤條鋼筋可省去開盤和調(diào)直工序；冷拉直條鋼筋則可與矯直、除銹等工序一并完成 。定義： 將經(jīng)過冷加工后的鋼材于常溫下存放1520天（自然時效）或加熱到100200并保持23h（人工時效）,這一過程稱為時效處理。 自然時效：一般對強(qiáng)度較低的鋼筋； 人工時效：一般對強(qiáng)度較高的鋼筋。一 定義： 是指將鋼材按一定規(guī)則加熱，保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得所需要的性能的一種措施

13、。 其方法有退火，正火，淬火和回火。二.有關(guān)鋼的熱處理的名詞1.退火：將鋼材加熱到一定溫度并保溫一段時間，然后使它慢慢冷卻（隨爐冷卻）的一種熱處理工藝。 目的：細(xì)化晶粒、改善組織、降低硬度、提高塑性、消除組織缺陷和內(nèi)應(yīng)力，防止開裂、變形。2.正火：是退火的一種特例，兩者僅冷卻速度不同，正火是在空氣中自然冷卻的熱處理工藝。 與退火相比，正火后鋼的硬度、強(qiáng)度較高，而塑性減少。 目的：細(xì)化晶粒，消除組織缺陷等。3.淬火：是將鋼材加熱到相變臨界溫度以上（900），保溫一段時間，然后很快放入淬火劑中，使其溫度驟然降低的一種熱處理操作。淬火中常用的淬火劑有：水、油。淬火能增加鋼的強(qiáng)度和硬度，但減少其塑性與

14、韌性。4.回火：將已經(jīng)淬火的鋼重新加熱到一定溫度（在相變溫度以下），保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。 目的：消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，改善機(jī)械性能等。鋼結(jié)構(gòu)中焊接用的電弧焊 （基體金屬+焊縫金屬） 鋼筋連接用的電渣壓力焊（無焊條） 高 溫 機(jī)械壓力電流 局部熔化 接口熔合1.焊縫金屬的缺陷主要有裂紋、氣孔、夾雜物等。2.基體金屬熱影響區(qū)的缺陷主要有裂紋，晶粒粗大和析出脆化（C、N等原子在焊接過程中形成碳化物和氮化物，于缺陷處析出，使晶格畸變加劇所引起的脆化。）取樣試件試驗(yàn)原位非破損檢測5 建筑鋼材的品種與選用建筑用鋼： 碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700-2006） 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB15

15、91-94）常用的建筑鋼材： 鋼筋（熱軋/冷加工（冷拉、冷拔鋼絲） /熱處理鋼筋/高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線等） 型鋼（熱軋型鋼/冷彎薄壁型鋼/鋼板）鋼材的選用原則一、碳素結(jié)構(gòu)鋼（ GB/T700-2006 ）1.牌號：根據(jù)屈服點(diǎn)等級劃分為四個牌號。表示方法：屈服點(diǎn)等級質(zhì)量等級 脫氧程度屈服點(diǎn)等級：Q195、Q215、Q235、Q275質(zhì)量等級：A級、 B級、 C級、 D級脫氧程度：F、b、Z、TZ例： Q235BZ 2. 用 途牌號強(qiáng)度（MPa)塑性韌性加工性能焊接性能用 途Q195鋼不高較好較好較好軋制薄板和盤條Q215鋼稍高較好較好較好同Q195鋼，鋼釘，鐵絲，鉚釘，管坯，螺栓Q235鋼適中較好好

16、好制成鋼筋，型鋼和鋼板，用于建造房屋和橋梁Q275鋼較高差差差主要用于制造軸類及耐磨零件、機(jī)械零件和墊板，也可用于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。二. 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB1591-94） 是一種在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5%合金元素的鋼材。具有強(qiáng)度高，塑性和低溫沖擊韌性好，耐銹蝕等特點(diǎn)。（1）牌號：根據(jù)屈服點(diǎn)等級為主劃分為五個牌號。表示方法：屈服點(diǎn)等級質(zhì)量等級屈服點(diǎn)等級：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460質(zhì)量等級：A級、 B級、 C級、 D級、E級低合金鋼與碳素鋼相比，具有較高的強(qiáng)度，綜合性能好，但其價格稍貴，所以在相同使用條件下，可比碳素鋼節(jié)省用鋼15%25%，這對減輕結(jié)構(gòu)自重十分有利

17、。低合金鋼具有良好的塑性、韌性、可焊性、耐低溫性及抗腐蝕等性能，有利于延長結(jié)構(gòu)使用壽命。低合金鋼廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別適用于大型結(jié)構(gòu)、重型結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁工程和大跨度結(jié)構(gòu)等。 1.鋼筋（1）低碳鋼熱軋圓盤條 由Q215和Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱軋而成。缺點(diǎn)：強(qiáng)度低優(yōu)點(diǎn)：塑性好，伸長率高便于彎折成形，容易焊接。應(yīng)用：用作中、小型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋以及作為冷加工（冷拉、冷拔、冷軋）的原料。 由低合金鋼熱軋而成，橫截面通常為圓形且表面帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。其牌號有HRB335、HRB400、HRB500三種。優(yōu)點(diǎn)：1.較強(qiáng)的強(qiáng)度 2.塑性和可焊性也較好。

18、3.表面有縱肋和橫肋加強(qiáng)了鋼筋與混凝土之間的緊握力。應(yīng)用：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的受力鋼筋及預(yù)應(yīng)力鋼筋。 由熱軋盤條經(jīng)冷軋而成，表面帶有沿長度方向均勻分布的兩面或三面的月牙肋。其牌號有CRB550、CRB650、CRB800 、 CRB970、CRB1170五種。優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度明顯提高（數(shù)值為抗拉強(qiáng)度最小值）。缺點(diǎn)：塑性隨之降低。應(yīng)用：中、小型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。冷軋帶肋鋼筋 由熱軋中碳低合金鋼鋼筋經(jīng)淬火、回火調(diào)質(zhì)處理的鋼筋。為增強(qiáng)與混凝土的粘結(jié)力，鋼筋表面常軋有通長的縱筋和均勻的橫肋。優(yōu)點(diǎn)：以彈性盤條供應(yīng)，開盤后可自行伸直， 使用時按長度切割。缺點(diǎn)：不能用電焊或氧氣切割，也不

19、能焊接，以免引起強(qiáng)度下降或脆斷。 由優(yōu)質(zhì)碳素鋼或其他性能相應(yīng)的鋼種，經(jīng)冷加工及時效處理或熱處理而制得的高強(qiáng)度鋼絲。按外形可分為光面鋼絲和刻痕鋼絲。鋼絞線：由兩根、三根、七根圓形斷面的鋼絲捻成一束，鉸捻方向一般為左捻。 預(yù)應(yīng)力鋼絲與鋼絞線均屬于冷加工強(qiáng)化及熱處理鋼材，拉伸試驗(yàn)時沒有屈服點(diǎn)，但抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熱軋鋼筋和冷軋鋼筋，并具有較好的柔韌性，應(yīng)力松弛率低。盤條狀供應(yīng)，松開后可自行彈直，可按要求長度切割。應(yīng)用：用于大荷載、大跨度及需曲線配筋的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。型鋼有熱軋及冷軋兩種；（1）熱軋型鋼 包括角鋼，工字鋼、槽鋼、T形鋼、H形鋼、Z型鋼等。（2）鋼板和壓型鋼板鋼板：是用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)熱軋或冷軋生產(chǎn)的扁平鋼材。厚度大于4mm以上為厚板，厚度小于或等于4mm的為薄板。熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼厚板，是鋼結(jié)構(gòu)的主用鋼材。薄板用于屋面、墻面或壓型板原料等。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼厚板，用于重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁和高壓容器等。壓型鋼板：是用薄板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲線、V形等形狀，壓型鋼板有涂層、鍍鋅、防腐等薄板。具有單位質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工快、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。主要用于維護(hù)結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。依據(jù)： 荷載性質(zhì) 使用溫度 連接方式 鋼材厚度 結(jié)構(gòu)重要性鋼材的防腐蝕鋼材的防火金屬的腐蝕是指其表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而遭到的