建筑鋼材學(xué)習(xí)材料課件

1、建筑鋼材 學(xué)習(xí)要求：了解鋼材的分類；掌握建筑鋼材的力學(xué)性質(zhì)：拉伸性能，冷彎性能、沖擊韌性和硬度；掌握建筑鋼材的化學(xué)成分對鋼材性能的影響；了解鋼材的冷加工、熱處理和焊接；重點、難點：建筑鋼材的的標(biāo)準(zhǔn)及選用； 概 述：（1）鋼材的定義： 鋼材是一種以鐵為主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和錳Mn)的材料；（2）鋼材的優(yōu)點以及缺點：優(yōu)點：（1）抗拉、抗壓、抗沖擊性能好；（2）可加工性能好，可切割、可焊接和鉚接，裝配方便；缺點：易銹蝕；（3）建筑鋼材： 建筑鋼材是指建筑工程中用的各種鋼材。建筑鋼材主要包括：鋼結(jié)構(gòu)用各種型材（如工字鋼、角鋼、方鋼、圓鋼、扁鋼等

2、）；板材（如鋼板等）；混凝土用各種鋼筋、鋼絲和鋼絞線等； 8.1 鋼材的分類鋼一般是由生鐵在煉鋼爐中熔煉而成的；但是生鐵中含有較多的碳（通常為2%4.5%）和其他的雜質(zhì)；煉鋼的實質(zhì)：就是把熔融的生鐵進行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他雜質(zhì)降低到容許的范圍； 8.1.1 按冶煉方式分為三大類（1）轉(zhuǎn)爐鋼；（2）平爐鋼；（3）電爐鋼；（1）轉(zhuǎn)爐鋼： 以熔融的鐵水為原料、由轉(zhuǎn)爐的底部或側(cè)面向轉(zhuǎn)爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進行冶煉而得到的鋼，叫做轉(zhuǎn)爐鋼；轉(zhuǎn)爐鋼的缺點：吹煉時易混入空氣中的氮、氫等雜質(zhì)，故建筑中常用的是氧氣轉(zhuǎn)爐鋼；熔煉時間短，雜質(zhì)含量不易控制，因此質(zhì)量差；（2）平爐鋼： 以固態(tài)或

3、液態(tài)的生鐵、鐵礦石或廢鋼為原料、用煤氣或重油為燃料在平爐中冶煉而得到的鋼，叫做平爐鋼；平爐鋼的特點：熔煉時間長，易控制質(zhì)量，因此質(zhì)量好，但成本較轉(zhuǎn)爐鋼高；（3）電爐鋼：用電熱進行高溫冶煉而得到的鋼； 一般用高壓電弧作為熱源，故熔煉的溫度高，且溫度可以自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)則容易得多，故電爐鋼的質(zhì)量最好；電爐鋼的特點：熔煉溫度可自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)徹底，因此質(zhì)量最好，但成本最高；（2）鎮(zhèn)靜鋼：定義： 用必要數(shù)量的硅、錳和鋁等脫氧劑進行徹底脫氧而得到的鋼；名稱的由來： 由于鋼水脫氧充分，在澆注鋼水的時候鋼水能夠平靜凝固，因此叫做鎮(zhèn)靜鋼；鎮(zhèn)靜鋼的特點： 結(jié)構(gòu)致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，是質(zhì)量較好的鋼種，但是

4、產(chǎn)品率低，且成本較高；按化學(xué)成分按脫氧程度按有害物質(zhì)含量碳素鋼合金鋼低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼中合金鋼高合金鋼沸騰鋼F一般工程鎮(zhèn)靜鋼Z預(yù)應(yīng)力砼半鎮(zhèn)靜鋼B特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ特別重要工程普通鋼優(yōu)質(zhì)鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼特級優(yōu)質(zhì)鋼f 塑性韌性塑性韌性鋼材的分類0.02%C2.06Fe C S P8.1.3 按壓力加工方式分為兩大類（1）熱加工鋼材： 是將鋼錠加熱到一定溫度，使得鋼錠成呈塑性狀態(tài)進行的壓力加工，如熱軋、熱鍛（2）冷加工鋼材： 指在常溫下進行加工的鋼材；壓力加工的目的：排掉冶煉、鑄錠過程中鋼材結(jié)構(gòu)的不均勻、氣泡等缺點；8.1.4 按化學(xué)成分分為兩大類：（1）碳素鋼；（2）合金鋼（1）碳素鋼： 指含碳量

5、小于2%的鋼，一般又分為以下三種：低碳鋼：含碳量小于0.25%的碳素鋼；中碳鋼：含碳量在0.25%0.6%之間；高碳鋼：含碳量在0.6%2%之間；（2）合金鋼：為改善鋼的某些性質(zhì)而特意加入的一定量的一種或幾種合金元素；如硅、錳和鎳等；合金鋼分為三類：低合金鋼：合金元素總量小于5%的鋼；中合金鋼：合金元素總量在5%10%之間的鋼；高合金鋼：合金元素總量大于10%的鋼；8.1.5 按主要質(zhì)量等級分為三大類：（1）普通質(zhì)量鋼；（2）優(yōu)質(zhì)鋼；（3）高級優(yōu)質(zhì)鋼；8.1.6 鋼材按用途分為三大類：（1）結(jié)構(gòu)鋼：建筑結(jié)構(gòu)工程中最常用的鋼種是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼；（2）工具鋼：用于各種切削工具的鋼；

6、（3）特種鋼：具有特殊性能的鋼，如耐酸鋼、耐熱鋼、不銹鋼等；8.1.7 建筑鋼材按用途分為兩大類：總結(jié)：建筑結(jié)構(gòu)工程中最常用的鋼種是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼；（1）鋼結(jié)構(gòu)用鋼；（2）混凝土結(jié)構(gòu)用鋼；一 強度，彈性和塑性：低碳鋼受拉到拉斷，共經(jīng)歷了四個階段：彈性階段（I）：OA段是一條直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比， A 為彈性極限強度；屈服階段（II）：AB段，鋼材失去了彈性變形的能力，應(yīng)力增加不大，但應(yīng)變迅速增加，發(fā)生了屈服現(xiàn)象。強化階段（III）：BC段，鋼材內(nèi)部組織發(fā)生了變化，提高了抵抗外力的能力。頸縮階段（IV）：CD段，變形迅速發(fā)展，應(yīng)力下降，到D點發(fā)生試件的破壞。 鋼筋的拉伸實驗：鋼

7、筋塑性的表示指標(biāo):伸長率：試件拉段后，標(biāo)距長度的增量與原標(biāo)距長度之比 ；斷面收縮率：是指斷面口處的面積收縮量與原面積之比；冷彎性能：指鋼材在常溫下承受彎曲的能力。冷彎曲實驗一般是把鋼材按規(guī)定的角度（90或180度）與n(n=彎心直徑d/鋼材的厚度或直徑a)進行彎曲。例2-1 為什么說屈服點（s）、抗拉強度（b）和伸長率（）是建筑工程用鋼的重要技術(shù)性能指標(biāo)？解:屈服點（s）是結(jié)構(gòu)設(shè)計時取值的依據(jù)，表示鋼材在正常工作時承受應(yīng)力不超過s值；屈服點與抗拉強度的比值（sb）稱為屈強比。它反映鋼材的利用率和使用中安全可靠程度；伸長率（）:表示鋼材的塑性變形能力。鋼材在使用中，為避免正常受力時在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)

8、力集中發(fā)生脆斷，要求其塑性良好，即具有一定的伸長率，可以使缺陷處應(yīng)力超過s時，隨著發(fā)生塑性變形使應(yīng)力重分布，而避免結(jié)構(gòu)物的破壞。2） 硫-能使鋼材產(chǎn)生熱脆性，降低鋼材的熱加工與可焊性；3 ）氧、氮-降低鋼材的力學(xué)性質(zhì)，嚴(yán)重影響了鋼材的韌性，并能促進時效，降低鋼材的可焊性；4 ）錳、硅-為脫氧而有意加入的元素，能顯著提高鋼材的強度，對塑性與韌性的影響不是很大。5 碳對鋼材的力學(xué)性質(zhì)的影響* 總結(jié)：碳對鋼材的力學(xué)性質(zhì)的影響： 碳是鋼材中最重要的元素，對鋼材的性質(zhì)起決定性的影響，鋼材中含碳量一般是2%以下。 隨著含碳量的增加，鋼材的性能變化為： 鋼材的強度相應(yīng)的先增加后減小；硬度相應(yīng)增加；而塑性與韌

9、性相應(yīng)下降；鋼材的冷彎性能、焊接與抗腐蝕性能降低8.3 鋼材的冷加工、時效冷加工：指的是鋼材在常溫下進行的加工，常見的有冷拔、冷拉、冷軋，冷扭、刻痕等；時效：鋼材隨著時間的延長，強度和硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象； 在冷加工狀態(tài)下，時效性特別明顯。 一般建筑用鋼筋常利用冷加工、時效作用來提高鋼筋的強度。 工地或預(yù)制廠鋼筋混凝土施工中常利用這一原理，對鋼筋或低碳鋼盤條按一定制度進行冷拉或冷拔加工，以提高屈服強度。自然時效:將經(jīng)過冷拉的鋼筋于常溫下存放1520;人工時效:將經(jīng)過冷拉的鋼筋加熱到100200并保持一段時間；以上兩個過程都稱為時效處理。例8-3 何謂鋼的冷加工強化及時效處理？冷拉并

10、時效處理后的鋼筋性能有何變化？解：在常溫下將鋼材進行機械加工，使其產(chǎn)生塑性變形，以提高其屈服強度的過程稱為冷加工強化。機械加工方法主要是對鋼筋進行冷拉和冷拔。冷軋主要在鋼廠進行。時效處理是將經(jīng)過冷加工的鋼材，在常溫下存放1520天，或者加熱到100200，并保持2小時以內(nèi)，這個過程稱為時效處理。常溫放置稱為自然時效，加熱處理稱為人工時效。冷拉并時效處理后的鋼筋，其屈服點提高2025，抗拉強度也有提高，塑性和韌性降低較大，彈性模量基本恢復(fù)。在建筑工地和混凝土預(yù)制廠，經(jīng)常對比使用要求的強度偏低和塑性偏大的鋼筋或低碳盤條鋼筋進行冷拉或冷拔并時效處理，以提高屈服強度和利用率，節(jié)省鋼材。同時還兼有調(diào)直、

11、除銹的作用。這種加工所用機械比較簡單，容易操作，效果明顯，所以建筑工程中常采取此法。8.4 建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)與選用建筑鋼材一般分兩種：1 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材:2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼： 其中低合金結(jié)構(gòu)鋼：包括角鋼、工字鋼、槽鋼和鋼管、鋼板等；主要有鋼筋、鋼絲和鋼絞線等 一 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材1 碳素結(jié)構(gòu)鋼 牌號的表示方法： （如Q235A.F ）（1）按屈服點值分為五種：195、215、235、355、275MPa；（2）按磷、硫雜質(zhì)的含量由多到少分為A、B、C、D四個質(zhì)量等級；（3）按脫氧方式分為F、b、Z、TZ四種。碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用隨著鋼材牌號的增加，含碳量是增加的，鋼材的屈服點與抗拉強度增加，但是塑性與

12、韌性有所下降，因此對碳素結(jié)構(gòu)鋼而言，一般選擇Q235牌號的鋼作為鋼結(jié)構(gòu)用鋼。例8-4碳素結(jié)構(gòu)鋼是如何劃分牌號的？說明Q235AF和Q235號鋼在性能上有何區(qū)別？解：碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號按順序由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數(shù)值（/mm2）、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)、脫氧程度符號(F、b、Z、TZ)等四部分組成。Q235AF和Q235D均為235碳素結(jié)構(gòu)鋼，是建筑中應(yīng)用最多的碳素鋼。二者性能差別主要表現(xiàn)在質(zhì)量等級和脫氧程度上。1）按硫、磷含量多少來衡量，Q235D磷、硫含量均少于Q235AF, 質(zhì)量較好；2）按脫氧程度衡量Q235D為鎮(zhèn)靜鋼，質(zhì)量最好，Q235AF 為沸騰鋼。3）Q235AF鋼

13、，僅適用于承受間接動荷載的靜荷載的結(jié)構(gòu)。而Q235D可適用于動荷載作用或處在低溫環(huán)境下的工作條件。2 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入總量小于5%的合金元素而形成的鋼種。加入合金元素是為了改善鋼材塑性和韌性，提高鋼材的強度。通常加入的合金元素有錳、硅、釩、鈦、鎳和銅等。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法和碳素結(jié)構(gòu)鋼基本相同，只是質(zhì)量等級有五個即A、B、C、D和E。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（GB15911994）規(guī)定，低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的牌號有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五種。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼除強度高外，其塑性和韌性良好，硬度高，耐磨性好，耐腐蝕性能強和耐低溫性能好。因此

14、，建筑工程中應(yīng)用低合金結(jié)構(gòu)鋼可以減輕結(jié)構(gòu)自重、節(jié)約鋼材、增加使用壽命、經(jīng)久耐用，特別適用于高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)。 2 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼一 牌號的表示方法：如Q295A。 其中Q表示屈服點，295MPa表示屈服值，A表示質(zhì)量等級； 分五個牌號：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460；應(yīng)用：一般用于大跨度、大柱網(wǎng)結(jié)構(gòu) 二 鋼筋混凝土用鋼（包括鋼筋、鋼絲和鋼絞線）鋼筋有以下三種：冷拉熱軋鋼筋：普通混凝土非應(yīng)力鋼筋；熱處理鋼筋：預(yù)應(yīng)力混凝土枕軌、也用于預(yù)應(yīng)力混凝土板、吊車梁等；冷軋帶肋鋼筋：在中小型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和普通的混凝土構(gòu)件中應(yīng)用廣泛。2. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 (1) 熱軋鋼筋 根

15、據(jù)表面特征不同，熱軋鋼筋分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。根據(jù)強度的高低，熱軋鋼筋又分為不同的強度等級，各強度等級熱軋鋼筋的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表8.8，8.9-2 。我國熱軋鋼筋標(biāo)準(zhǔn)，按屈服強度、抗拉強度等力學(xué)性能分為IIV級，四個強度等級的鋼筋中，除I級鋼筋為低碳鋼外，其余三級熱軋帶肋鋼筋均為低合金鋼。其牌號由HRB和規(guī)定屈服強度最小值構(gòu)成。、分別為熱軋、肋、鋼筋的英文名稱的第一個字母。表89鋼筋混凝土用熱軋鋼筋的力學(xué)性能與冷彎性能 （GB/T7011997、GB14991998） 屈服點 s MPa 抗拉強度 b MPa 伸長率 5 % 表面 形狀 鋼筋 級別 強度 等級 代號 牌號 公稱直徑 (mm) 不

16、小于 冷彎 d彎心直徑 a鋼筋公稱直徑 光圓 I R235 Q235 820 235 370 25 180d=a 625 180d=3a II RL335 HRB335 2850 335 490 16 d=4a 625 180d=4a III RL400 HRB400 2850 400 570 14 d=4a 625 180d=6a 帶 助 鋼 筋 IV RL540 HRB500 2850 500 630 12 d=7a 鋼材的冷彎性能鋼材的冷彎 彎曲角度 ， d/a ，表示對冷彎性能要求越高。試件被 彎曲角度、彎心直徑與厚度的比值d/a。例8-5 從一批熱軋鋼筋中抽樣，并截取兩根鋼筋做拉伸試

17、驗，測得如下結(jié)果：屈服下限荷載分別為42.4、42.8kN; 抗拉極限荷載分別為62.0kN、63.4kN，鋼筋公稱直徑為12，標(biāo)距為60，拉斷時長度分別為70.6和71.4mm,評定其牌號？說明其利用率及使用中安全可靠程度如何？解： 1.鋼筋試樣屈服點為：鋼筋試樣抗拉強度為：b =(548+561)2 = 555 N/mm2鋼筋試樣伸長率為：=(17.7+19.0)2 =18.4%查表8-9知s1、s2 均大于335 N/mm2, b1、b2 均大于490 N/mm2,鋼筋試樣伸長率均大于16%故該鋼筋為II級鋼（牌號為HRB335）。2. 該鋼筋的屈強比為：s/b = 385/555 =0

18、.69該II級鋼筋的屈強比在0.650.75范圍內(nèi)，表明其利用率較高，使用中安全可靠度較好。（2）鋼筋混凝土用冷拉熱軋鋼筋 為了提高鋼筋的強度及節(jié)約鋼筋，工地上常按施工規(guī)程，控制一定的冷拉應(yīng)力或冷拉率，對熱軋鋼筋進行冷拉。冷拉鋼筋的力學(xué)性能應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定的要求。冷拉后不得有裂紋、起層等現(xiàn)象。其性質(zhì)見表8-10。 （3）預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋 預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋是用8、10（）的熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和回火等調(diào)質(zhì)處理而成，代號為。性質(zhì)參見表8-12預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋的優(yōu)點：強度高，可代替高強鋼絲使用；配筋根數(shù)少，節(jié)約鋼材；錨固性好，不易打滑，預(yù)應(yīng)力值穩(wěn)定；施工簡便，開盤后鋼筋自然伸直，

19、不需調(diào)直及焊接。主要用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕，也用于預(yù)應(yīng)力梁、板結(jié)構(gòu)及吊車梁等。（4）冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是采用由普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條為母材，經(jīng)冷軋減徑后在其表面冷軋成二面或三面有肋的鋼筋；冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤鋼筋的深加工產(chǎn)品，是一種新型高效建筑鋼材。冷軋帶肋鋼筋按抗拉強度分為5級，其代號為CRB550、CRB650 、CRB800 、CRB970 、和CRB1170，（CRB為Cold rolling ribbed steel bar)，后面的數(shù)字表示鋼筋抗拉強度等級數(shù)值。冷軋帶肋鋼筋的公稱直徑范圍為-12。冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能和工藝性能應(yīng)符合表8-11的要求。（5）冷拔

20、低碳鋼絲冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.58的Q235熱軋盤條鋼筋經(jīng)冷拔加工而成。冷拔低碳鋼絲分為甲、乙兩級，甲級絲適用于作預(yù)應(yīng)力筋，乙級絲適用于作焊接網(wǎng)、焊接骨架、箍筋和構(gòu)造鋼筋。其力學(xué)性能應(yīng)符合表8-13規(guī)定。（6）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲及鋼絞線 大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，由于受力很大，常采用高強度鋼絲或鋼絞線作為主要受力鋼筋。預(yù)應(yīng)力高強度鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼盤條，經(jīng)酸洗、冷拉或再經(jīng)回火處理等工藝制成，鋼鉸線是由根直徑為2.55.0的高強度鋼絲，鉸捻后經(jīng)一定熱處理清除內(nèi)應(yīng)力而制成。鉸捻方向一般為左捻。 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲分為冷拉鋼絲（代號）、矯直回火鋼絲（代號）和矯直回火刻痕鋼絲（代號JK）三種。前二

21、種其公稱直徑有 、三種，它們的抗拉強度b達(dá)1500MPa以上，屈服強度0.2可達(dá)1100MPa以上。 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線直徑有9.0、12.0和15.0三種，整根破壞負(fù)荷可達(dá)220kN，屈服負(fù)荷可達(dá)185kN。鋼絞線主要用于大跨度、大負(fù)荷的后張法預(yù)應(yīng)力屋架、橋梁和薄腹梁等結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋。8.5 鋼筋的防火保護（略）8.6鋼材的腐蝕和防止鋼材的銹蝕 鋼材的銹蝕是指其表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而遭到的破壞。 根據(jù)銹蝕作用的機理，鋼材的銹蝕可分為化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕兩種： （）化學(xué)銹蝕 化學(xué)銹蝕是指鋼材直接與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的銹蝕。 這種銹蝕多數(shù)是氧化作用，使鋼材表面形成疏松的氧化物。（）電化學(xué)銹蝕 電化學(xué)銹蝕是指鋼材與電解質(zhì)溶液接觸而產(chǎn)生電流，形成微電池而引起的銹蝕。 潮濕環(huán)境中的鋼材表面會被一層電解質(zhì)水膜所覆蓋，而鋼材是由鐵素體、滲碳體及游離石墨等多種成分組成，由于這些成分的電極電位不同，首先，鋼的表面層在電解質(zhì)溶液中構(gòu)成以鐵素體為陽極，以滲碳體為陰極的微電池。在陽極，鐵失去電子成為Fe2+進入水膜；在陰極，溶于水膜中的氧被還原生成。2 防止鋼材銹蝕的措施 鋼結(jié)構(gòu)防止銹蝕的