1、廣西工學院土木工程系7 建筑鋼材建筑鋼材本章概述了鋼材的冶煉、加工及分類方法。重點介紹了鋼材的力學性能、工藝性能及現行國家標準或規范對鋼材的性能及技術要求。闡述了鋼的化學成分及所含合金元素等對鋼材性能的影響。介紹了碳素結構鋼和低合金結構鋼的牌號表示方法、技術要求及各類牌號鋼材的性能和用途。論述了鋼結構和鋼筋混凝土結構采用的主要鋼材品種及特點、如何正確地選材、合理地用材及鋼材的銹蝕成因及防護方法。 廣西工學院土木工程系本本 章章 內內 容容v7.1 鋼的冶煉和分類鋼的冶煉和分類v7.2 鋼材的主要性能鋼材的主要性能v7.3 建筑鋼材的技術建筑鋼材的技術標準及選用標準及選用廣西工學院土木工程系7.

2、1 鋼的冶煉和分類鋼的冶煉和分類v鋼是由生鐵冶煉而成的。鋼和鐵都是鐵碳合金，鋼的含碳量在2%以下，而生鐵的含碳量大于2%。另外鋼中的雜質含量也少于生鐵。v生鐵有煉鋼生鐵和鑄造生鐵之分。v鋼的冶煉就是將熔融的生鐵進行氧化，使碳的含量降低到規定范圍，其他雜質含量也降低到允許范圍之內。 7.1.1 鋼的冶煉鋼的冶煉廣西工學院土木工程系v根據煉鋼設備所用爐種不同，煉鋼方法主要可分為平爐煉鋼、氧氣轉爐煉鋼、電爐煉鋼三種。v(1)平爐煉鋼v它以熔融狀或固體狀生鐵、鐵礦石或廢鋼鐵為原料，以煤氣或重油為燃料。利用鐵礦石中的氧或鼓入空氣中的氧使雜質氧化。可用于煉制優質碳素鋼和合金鋼等。 廣西工學院土木工程系v(

3、2)氧氣轉爐煉鋼v以熔融的鐵水為原料，由轉爐頂部吹入高純度氧氣，能有效地去除有害雜質，并且冶煉時間短(2040min)，生產效率高，所以氧氣轉爐鋼質量好，成本低，應用廣泛。v(3)電爐煉鋼v以電為能源迅速將廢鋼、生鐵等原料熔化，并精煉成鋼。電爐又分為電弧爐、感應爐和電渣爐等。 廣西工學院土木工程系v冶煉后的鋼水中含有以FeO形式存在的氧，FeO與碳作用生成CO氣泡，并使某些元素產生偏析(分布不均勻)，影響鋼的質量。所以必須進行脫氧處理，方法是在鋼水中加入錳鐵、硅鐵或鋁等脫氧劑。 v根據脫氧程度的不同，鋼可分為沸騰鋼、鎮靜鋼和半鎮靜鋼三種。 廣西工學院土木工程系v(1)沸騰鋼v是脫氧不完全的鋼。

4、v(2)鎮靜鋼v是脫氧充分的鋼。v(3)半鎮靜鋼v其脫氧程度和質量介于上述兩者之間。v建筑鋼材是將鋼坯加熱后經軋制而成的。 廣西工學院土木工程系7.1.2 鋼的分類鋼的分類廣西工學院土木工程系廣西工學院土木工程系二、建筑二、建筑 鋼材的主要性質鋼材的主要性質v由低碳鋼在拉伸過程中形成的應力()-應變()關系圖(圖7.1)可知，低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個階段。v(1)彈性階段(OA) v(2)屈服階段(AB)v(3)強化階段(BC) v(4)頸縮階段(CD) 1、強度、強度廣西工學院土木工程系v(1)彈性階段(OA)v在OA范圍內應力與應變成正比例關系，如果卸去外力，試件則恢復原來的形狀，這

5、個階段稱為彈性階段。v彈性階段的最高點A所對應的應力值稱為彈性極限p。當應力稍低于A點時，應力與應變呈線性正比例關系，其斜率稱為彈性模量，用E表示，E=/=tan。 廣西工學院土木工程系v(2)屈服階段(AB)v當應力超過彈性極限p后，應力和應變不再成正比關系，應力在B上至B下小范圍內波動，而應變迅速增長。在-關系圖上出現了一個接近水平的線段。如果卸去外力已出現塑性變形，AB稱為屈服階段。B下所對應的應力值稱為屈服極限s。 廣西工學院土木工程系v(3)強化階段(BC)v當應力超過屈服強度后，由于鋼材內部組織產生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性變形的進一步發展，鋼材抵抗外力的能力重新提高。在

6、-關系圖上形成BC段的上升曲線，這一過程稱為強化階段。對應于最高點C的應力稱為抗拉強度，用b表示，它是鋼材所能承受的最大應力。 廣西工學院土木工程系v(4)頸縮階段(CD)v當應力達到抗拉強度b后，在試件薄弱處的斷面將顯著縮小，塑性變形急劇增加，產生“頸縮”現象并很快斷裂。v將斷裂后的試件拼合起來，量出標距兩端點間的距離，按下式計算出伸長率： 100100%LLL廣西工學院土木工程系圖7.1 低碳鋼受拉的應力-應變圖 廣西工學院土木工程系v沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。它是用試驗機擺錘沖擊帶有V形缺口的標準試件的背面，將其折斷后試件單位截面積上所消耗的功，作為鋼材的沖擊韌性指標，以k表示(

7、J/cm2)。k值越大，表明鋼材的沖擊韌性愈好(如圖7.2)。v影響鋼材沖擊韌性的因素很多，鋼的化學成分、組織狀態，以及冶煉、軋制質量都會影響沖擊韌性。 7.2.2 沖擊韌性沖擊韌性廣西工學院土木工程系圖7.2 沖擊韌性試驗圖 (a)試件尺寸；(b)試驗裝置；(c)試驗機 1擺錘；2試件；3試驗臺；4刻度盤；5指針 廣西工學院土木工程系v鋼材在交變應力的反復作用下，往往在應力遠小于其抗拉強度時就發生破壞，這種現象稱為疲勞破壞。v疲勞破壞的危險應力用疲勞極限來表示，它是指疲勞試驗時試件在交變應力作用下，于規定周期基數內不發生斷裂所能承受的最大應力。 v一般認為，鋼材的疲勞破壞是由拉應力引起的，抗

8、拉強度高，其疲勞極限也較高。鋼材的疲勞極限與其內部組織和表面質量有關。 7.2.3 疲勞強度疲勞強度廣西工學院土木工程系v硬度是指鋼材抵抗較硬物體壓入產生局部變形的能力。測定鋼材硬度常用布氏法。v布氏法是用一直徑為D的硬質鋼球，在荷載P(N)的作用下壓入試件表面，經規定的時間后卸去荷載，用讀數放大鏡測出壓痕直徑d，以壓痕表面積(mm2)除荷載P，即為布氏硬度值HB。HB值越大，表示鋼材越硬。如圖7.3。 7.2.4 硬度硬度廣西工學院土木工程系圖7.3 布氏硬度測定示意圖 廣西工學院土木工程系v冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是建筑鋼材的重要工藝性能。v鋼材的冷彎性能指標是用彎曲角

9、度和彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值來衡量的。試驗時采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值愈小，表示對冷彎性能的要求愈高。如圖7.4所示v鋼材的冷彎性能和伸長率都是塑性變形能力的反映。 7.2.5 冷彎性能冷彎性能廣西工學院土木工程系圖7.4 鋼材冷彎 (a)試樣安裝；(b)彎曲90；(c)彎曲170；(d)彎曲至兩面重合；(e)規定彎心 廣西工學院土木工程系v鋼材經冷加工產生一定塑性變形后，其屈服強度、硬度提高，而塑性、韌性及彈性模量降低，這種現象稱為冷加工強化。v鋼材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷軋。v以鋼筋的冷拉為例(圖7.5)，圖中OBCD為未經冷拉時的應力-應變曲線。7.

10、2.6 鋼材的冷加工鋼材的冷加工7.2.6.1 鋼材的冷加工及時效鋼材的冷加工及時效廣西工學院土木工程系圖7.5 鋼筋經冷拉時效后應力-應變圖的變化 廣西工學院土木工程系v鋼筋冷拉后屈服強度可提高15%20%，冷拔后屈服強度可提高40%60%。v冷拔是將外形為光圓的盤條鋼筋從硬質合金拔絲模孔中強行拉拔(如圖7.6)，由于模孔直徑小于鋼筋直徑，鋼筋在拔制過程中既受拉力又受擠壓力，使強度大幅度提高但塑性顯著降低。 7.2.6.2 冷加工在工程中的應用冷加工在工程中的應用廣西工學院土木工程系圖7.6 冷拔模孔 廣西工學院土木工程系v(1)碳是決定鋼材性能的主要元素。v如圖7.7所示，隨著含碳量的增加

11、，鋼的強度和硬度提高，塑性和韌性下降。但當含碳量大于1.0%時，由于鋼材變脆，強度反而下降。v(2)硅、錳 v加入硅和錳可以與鋼中有害成分FeO和FeS分別形成SiO2、MnO和MnS而進入鋼渣排出，起到脫氧、降硫的作用。 7.2.7 鋼的化學成分對鋼材性能的影響鋼的化學成分對鋼材性能的影響廣西工學院土木工程系v(3)硫、磷 v硫不溶于鐵而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔點的共晶體。當鋼材溫度升至1000以上進行熱加工時，共晶體熔化，晶粒分離，使鋼材沿晶界破裂，這種現象叫做熱脆性。v磷能使鋼的強度、硬度提高，但顯著降低鋼材的塑性和韌性，特別是低溫狀態的沖擊韌性下降更為明顯，使鋼材容易脆

12、裂，這種現象叫做冷脆性。 廣西工學院土木工程系v(4)氧、氮v未除盡的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。這些非金屬化合物、夾雜物降低了鋼材的強度、冷彎性能和焊接性能。氧還使鋼的熱脆性增加，氮使冷脆性及時效敏感性增加。v(5)鈦、釩、鈮是鋼的強脫氧劑和合金元素。能改善鋼的組織、細化晶粒、改善韌性，并顯著提高強度。 廣西工學院土木工程系圖7.7 含碳量對熱軋碳素鋼性質的影響 b抗拉強度；k沖擊韌性；HB硬度；伸長率；面積縮減率 廣西工學院土木工程系7.3 建筑鋼材的技術標準及選用建筑鋼材的技術標準及選用v建筑工程中需要消耗大量的鋼材，按用于不同的工程結構類型可分為：鋼結構用鋼，

13、如各種型鋼、鋼板、鋼管等；鋼筋混凝土工程用鋼，如各種鋼筋和鋼絲。v從材質上分主要有普通碳素結構鋼和低合金結構鋼，也用到優質碳素結構鋼。 廣西工學院土木工程系v普通碳素結構鋼簡稱碳素結構鋼，化學成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵-碳合金。其含碳量為0.02%2.06%，此外尚含有少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。v現行國家標準碳素結構鋼(GB 7001988)具體規定了它的牌號表示方法、技術要求、試驗方法、檢驗規則等。 7.3.1 普通碳素結構鋼普通碳素結構鋼廣西工學院土木工程系v碳素結構鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數值、質量等級符號、脫氧程度符號四部分按順序組成。碳素結構鋼可分為Q195、

14、Q215、Q235、Q255和Q275五個牌號。其他各符號含義見表7.1。v如Q235A、F，表示屈服強度為235MPa，質量等級為A級的沸騰鋼。Q255B，表示屈服強度為255MPa，質量等級為B級的鎮靜鋼。 7.3.1.1 碳素結構鋼的牌號表示方法碳素結構鋼的牌號表示方法廣西工學院土木工程系表表7.1 名稱符號 名稱符號 屈服強度質量等級沸騰鋼 QA、B、C、DF 半鎮靜鋼鎮靜鋼特殊鎮靜鋼 BZTZ 廣西工學院土木工程系v碳素結構鋼的化學成分、拉伸和沖擊韌性、彎曲性能分別符合表7.2、表7.3、表7.4的要求。 7.3.1.2 技術要求技術要求廣西工學院土木工程系表表7.2 碳素結構鋼的化

15、學成分碳素結構鋼的化學成分(GB 70088) 廣西工學院土木工程系表表7.3 碳素結構鋼的拉伸、沖擊性能碳素結構鋼的拉伸、沖擊性能(GB 70088) 廣西工學院土木工程系表表7.4 碳素結構鋼的冷彎試驗碳素結構鋼的冷彎試驗(GB 70088) 牌號試樣方向冷彎試驗B=2a，180 鋼材厚度(直徑)(mm)6060100100120彎心直徑d Q195 縱橫00.5aQ215縱橫0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235縱橫a1.5a2a2.5a2.5a3aQ255Q275 2a3a3a4a3.5a4.5a廣西工學院土木工程系v碳素結構鋼隨牌號的增大，含碳量增加，其強度和硬度提高，塑性和韌性

16、降低，冷彎性能逐漸變差。vQ195、Q215號鋼強度低，塑性和韌性較好，易于冷加工，常用于軋制薄板和盤條，制造鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等。 vQ215號鋼經冷加工后可代替Q235號鋼使用。 7.3.1.3 碳素結構鋼的選用碳素結構鋼的選用廣西工學院土木工程系vQ235號鋼是建筑工程中應用最廣泛的鋼，屬低碳鋼，具有較高的強度，良好的塑性、韌性及可焊性，綜合性能好，能滿足一般鋼結構和鋼筋混凝土用鋼要求，且成本較低，大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋。 vQ255、Q275號鋼強度較高，但塑性、韌性較差，可焊性也差，不易焊接和冷彎加工，可用于軋制鋼筋、作螺栓配件等，但更多用于機械零件和工具等。 廣西工

17、學院土木工程系v一般是在普通碳素鋼的基礎上，添加少量的一種或幾種合金元素而成。常用的合金元素有硅、錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。其目的是為了提高鋼的屈服強度、抗拉強度、耐磨性、耐蝕性及耐低溫性能等。v低合金高強度結構鋼綜合性能較為理想，尤其在大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結構中更適用，而且與使用碳素鋼相比，可節約鋼材20%30%，但成本并不很高。 7.3.2 低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼廣西工學院土木工程系v低合金高強度結構鋼共有5個牌號。其牌號的表示方法由屈服點字母Q、屈服點數值、質量等級三個部分組成，屈服點數值共分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460M

18、Pa五種，質量等級按照硫、磷等雜質含量由多到少分為A、B、C、D、E五級。v如Q345A表示屈服點為345MPa的A級鋼。 7.3.2.1 低合金高強度結構鋼的牌號表示方低合金高強度結構鋼的牌號表示方法法廣西工學院土木工程系v低合金高強度結構鋼的化學成分應符合表7.5的要求，力學性能和冷彎性能應符合表7.6的要求。 7.3.2.2 低合金高強度結構鋼的技術要求低合金高強度結構鋼的技術要求廣西工學院土木工程系表表7.5 低合金高強度結構鋼的化學成分低合金高強度結構鋼的化學成分 廣西工學院土木工程系表表7.6 低合金高強度結構鋼的力學性能和冷彎性能低合金高強度結構鋼的力學性能和冷彎性能 廣西工學院

19、土木工程系vQ295號鋼中含有少量的合金元素，強度不高，但有良好的塑性、冷彎性能、焊接性能及耐蝕性能。主要用于建筑工程中對強度要求不高的一般工程結構。vQ345、Q390號鋼綜合力學性能好，焊接性能、冷熱加工性能和耐蝕性能均好，C、D、E級鋼具有良好的低溫韌性。主要用于工程中承受較高荷載的焊接結構。vQ420、Q460號鋼強度高，特別是在熱處理后有較高的綜合力學性能。主要用于大型工程結構及荷載大的輕型結構。7.3.2.3 低合金高強度結構鋼的性能和應用低合金高強度結構鋼的性能和應用廣西工學院土木工程系v鋼筋按外形分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。光圓鋼筋的橫截面為圓形，且表面光滑。帶肋鋼筋表面上有兩條對

20、稱的縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。v橫肋的縱橫面呈月牙形且與縱肋不相交的鋼筋稱為月牙肋鋼筋；橫肋的縱橫面高度相等且與縱肋相交的鋼筋稱為等高肋鋼筋。如圖7.8。 7.3.3 鋼筋混凝土用鋼筋、鋼絲鋼筋混凝土用鋼筋、鋼絲7.3.3.1 鋼筋混凝土用熱軋鋼筋鋼筋混凝土用熱軋鋼筋廣西工學院土木工程系v(1)熱軋鋼筋的牌號表示方法與技術要求v根據鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋(GB 130131991)及鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋(GB 14991998)的規定，熱軋直條光圓鋼筋的級別為級，強度等級代號為R235，其力學性能和工藝性能應符合表7.7的要求。熱軋帶肋鋼筋的牌號由HRB和屈服點最小值表示。熱軋帶肋

21、鋼筋有HRB335、HRB400、HRB500三個牌號，其力學性能和工藝性能應符合表7.7的要求。 廣西工學院土木工程系v(2)熱軋鋼筋的應用 v熱軋光圓鋼筋的強度較低，但塑性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因而廣泛用作普通鋼筋混凝土構件的受力筋及各種鋼筋混凝土結構的構造筋；HRB335和HRB400鋼筋強度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結構的受力鋼筋；HRB500鋼筋強度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預應力鋼筋。廣西工學院土木工程系圖7.8 (a)等高肋鋼筋；(b)月牙肋鋼筋 廣西工學院土木工程系表表7.7 熱軋鋼筋的力學性能和工藝性能熱軋鋼筋的力學性能和工藝性能

22、 廣西工學院土木工程系v冷軋帶肋鋼筋是低碳鋼熱軋圓盤條經冷軋后，在其表面帶有沿長度方向均勻分布的三面或兩面橫肋的鋼筋。v(1)冷軋帶肋鋼筋的牌號表示方法與技術要求v根據冷軋帶肋鋼筋(GB 137882000)的規定，冷軋帶肋鋼筋的牌號由CRB和抗拉強度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個牌號，其力學性能和工藝性能應符合表7.8的規定。7.3.3.2 冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋廣西工學院土木工程系v(2)冷軋帶肋鋼筋的應用v冷軋帶肋鋼筋既具有冷拉鋼筋強度高的特點，同時又具有很強的握裹力，混凝土對冷軋帶肋鋼筋的握裹力是同直徑冷拔低碳鋼絲的36倍，大

23、大提高了構件的整體強度和抗震能力。這種鋼筋適用于中、小型預應力混凝土結構構件和普通鋼筋混凝土結構構件。 廣西工學院土木工程系表表7.8 冷軋帶肋鋼筋的力學性能和工藝性能冷軋帶肋鋼筋的力學性能和工藝性能(GB 137882000) 牌號 抗拉強度b(MPa) 伸長率(%) 彎曲試驗180反復彎曲次數松弛率(初始應力con=0.7b) 101001000h(%)10h(%)CRB550 5508.0CRB650650 4.0385CRB8008004.0385CRB9709704.0385CRB117011704.0385廣西工學院土木工程系v熱處理鋼筋是用熱軋的螺紋鋼筋經淬火和回火的調質熱處理而

24、成的。按其螺紋外形分為有縱肋和無縱肋兩種。其代號為RB150。v根據預應力混凝土用熱處理鋼筋(GB 44631984)的規定，熱處理鋼筋有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三個牌號，其性能如表8.9所示 v熱處理鋼筋經過調質熱處理而成，具有強度高、韌性高、粘結力高和塑性降低小等優點，特別適用于預應力混凝土構件 。7.3.3.3 預應力混凝土用熱處理鋼筋預應力混凝土用熱處理鋼筋廣西工學院土木工程系表表7.9 熱處理鋼筋的力學性質熱處理鋼筋的力學性質(GB 44631984) 公稱直徑(mm)牌號屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)伸長率(%) 不小于 640Si2Mn 1325147

25、068.248Si2Mn 1045Si2Cr 廣西工學院土木工程系v(1)分類及代號v根據預應力混凝土用鋼絲(GB/T 52232002)的規定，預應力混凝土用鋼絲按加工狀態分為冷拉鋼絲(代號為WCD)和消除應力鋼絲兩類。消除應力鋼絲按松弛性能又分為低松弛級鋼絲(代號為WLR)和普通松弛級鋼絲(代號為WNR)。v冷拉鋼絲是用盤條通過拔絲模或軋輥經冷加工而成產品，以盤卷供貨的鋼絲。7.3.3.4 預應力混凝土用鋼絲預應力混凝土用鋼絲廣西工學院土木工程系v低松弛鋼絲是指鋼絲在塑性變形下(軸應變)進行短時熱處理而得到的，普通松弛鋼絲是指鋼絲通過矯直工序后在適當溫度下進行短時熱處理而得到的。v預應力混凝土用鋼絲按外形分為光圓鋼絲(代號為P