1、v鋼與鐵鋼與鐵v鋼與生鐵的區(qū)分在于鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小含碳量的大小。v含碳量小于含碳量小于2.11的鐵碳合金稱為的鐵碳合金稱為鋼鋼。v含碳量大于含碳量大于2.11的鐵碳合金稱為的鐵碳合金稱為生鐵生鐵。v鋼材的特性鋼材的特性v鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的，與非金屬鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的，與非金屬材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性韌性材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性韌性好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺點(diǎn)是好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺點(diǎn)是易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大. .v土木工程所用鋼

2、材主要有：土木工程所用鋼材主要有：用于鋼結(jié)構(gòu)的各用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的種型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線、錨夾具等。各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線、錨夾具等。& 鋼的冶煉 將生鐵在煉鋼爐中冶煉，使碳的含量降低到預(yù)定的范圍，其他雜質(zhì)含量降低到允許的范圍，經(jīng)燒鑄即得到鋼錠，再經(jīng)過(guò)加工工藝處理后、得到鋼材。鋼主要用三種方法冶煉：氧氣轉(zhuǎn)爐鋼 用純氧吹入鐵液中將碳和雜質(zhì)氧化電爐鋼 主要用廢鋼返回熔煉得到各種特殊鋼平爐鋼 以煤氣或重油作燃料，原料為鐵液、廢鋼鐵和適量的鐵礦石，利用空氣或氧氣和鐵礦石中的氧使碳和雜質(zhì)氧化& 鋼的分類分類 鋼是由生

3、鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭(燃料)和石灰石(熔劑)等在高爐中經(jīng)高溫熔煉，從鐵礦石中還原出鐵而得。生鐵的主要成分是鐵，但含有較多的碳以及硫、磷、硅、錳等雜質(zhì)，雜質(zhì)使得生鐵的性質(zhì)硬而脆、塑性很差，抗拉強(qiáng)度很低，使用受到很大限制。煉鋼的目的就是通過(guò)生鐵在煉鋼爐內(nèi)的高溫氧化作用，減少生鐵中碳和硫、磷等雜質(zhì)含量，以顯著改善其技術(shù)性能，提高質(zhì)量。將生鐵中的含碳量降至2以下，使磷、硫等雜質(zhì)含量降至一定范圍內(nèi)即成為鋼。一 按化學(xué)成分分類v碳素鋼。碳素鋼的化學(xué)成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵一碳合金，其含碳量為002一206。此外尚含有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。碳素鋼按含碳量又可分為：低碳鋼(含

4、碳量小于025)、中碳鋼(含碳量為025一060)和高碳鋼(含碳量 大于060)三種。其中低碳鋼在建筑工程中應(yīng)用最多。v合金鋼。合金鋼是指在煉鋼過(guò)程中，有意識(shí)地加入一種或多種能改善鋼材性能的合金元素而制得的鋼種。 常用合金元素有：硅、錳、欽、釩、銀、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為低合金鋼(合金元素總含量小于5)、中合金銅(合金元素總含量為5一10)和高合金鋼(合金元素總含量大于10)。低合金鋼為建筑工程中常用的主要鋼種。 二按冶煉時(shí)脫氧程度分類 煉鋼時(shí)脫氧程度不同，鋼的質(zhì)量差別很大，通常可分為以下四種：v 沸騰鋼。煉鋼時(shí)僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全，這種鋼水澆入錠模時(shí)，會(huì)有大量

5、的CO氣體從鋼水中外逸，引起鋼水呈沸騰狀 ，故稱沸騰鋼，代號(hào)為“F”。 沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般建筑工程。v鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時(shí)采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，且同時(shí)能起去硫作用。這種鋼水鑄錠時(shí)能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼；代號(hào)為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。v半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號(hào)為“b”。 &鋼的晶體組成和化學(xué)成分 鋼是一種多晶體材料。但晶體具有各向異性的特征，而多晶體則

6、為各向同性。鋼的宏觀力學(xué)性能由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所決定。純鐵的晶格類型純鐵的晶格類型 鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格(見(jiàn)圖2-15)。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。鋼晶格的兩種構(gòu)架鋼晶格的兩種構(gòu)架鋼材的晶格并不都是完好無(wú)缺的規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。鋼的基本晶體組織鋼的基本晶體組織 鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C合金

7、于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖象，故也稱顯微組織。片狀珠光體（片狀珠光體（10001000倍）倍） 針狀和塊狀鐵素體（針狀和塊狀鐵素體（100100倍）倍） 鋼材在常溫下主要有三種顯微組織：鐵素體:鋼材中的鐵素體系碳在-Fe中的固溶體，由于-Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力較差，故鐵素體含碳量很少（小于0.02），由此決定其塑性、韌性好；但強(qiáng)度、硬度低。滲碳體:滲碳體為鐵和碳的化合物Fe3C，其含碳量高達(dá)6.67，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塑性差，性硬脆，抗拉強(qiáng)度低。珠光體:珠光體為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，含碳量較低(0.8)，層狀結(jié)構(gòu)

8、，塑性較好，強(qiáng)度和硬度較高。 此外，鋼材在溫度高于723 時(shí)，還存在奧氏體。奧氏體為碳在-Fe中的固溶體，溶碳能力較強(qiáng)，高溫時(shí)含碳量可達(dá)2.06，低溫下降至0.8。其強(qiáng)度、硬度不高，但塑性好。碳鋼處于紅熱狀態(tài)時(shí)即存在這種組織，這時(shí)鋼易于軋制成型。 化學(xué)成分對(duì)鋼性能的影響化學(xué)成分對(duì)鋼性能的影響 除鐵、碳外，鋼材在冶煉過(guò)程中會(huì)從原料、燃料中引入一些的其他元素。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一類能劣化鋼材的性能， 屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。這些成分含量少，但對(duì)鋼的性能影響很大。 化學(xué)元素強(qiáng)度硬度塑性韌性可焊性其他碳（碳（C

9、 C）1% 1%1% 冷脆性、脫氧錳（錳（MnMn） 脫氧、硫劑鈦（鈦（TiTi）強(qiáng)脫氧劑釩（釩（V)V)時(shí)效磷（磷（P P）偏析、冷脆氮（氮（N N）冷脆性時(shí)效硫（硫（S S）熱脆性氧（氧（O O）熱脆性時(shí)效化學(xué)元素對(duì)鋼材性能的影響化學(xué)元素對(duì)鋼材性能的影響 k(J/cm2)120010008006004002000b(MPa)605040302010HB2402001601208040300250200150100,(%)HB含碳量(%) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4bk 硅、錳、鈦、釩、鈮等為合金元素。硅、錳、鈦、釩、鈮等為合金元素。 磷、氮、硫、氧等為雜質(zhì)。

10、磷、氮、硫、氧等為雜質(zhì)。& 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能 鋼材的力學(xué)性能主要有鋼材的力學(xué)性能主要有抗拉性能、沖擊韌性、耐疲抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞和硬度勞和硬度等。等。抗拉性能抗拉性能 抗拉性能是建筑鋼材最重要的技術(shù)性質(zhì)。建筑鋼抗拉性能是建筑鋼材最重要的技術(shù)性質(zhì)。建筑鋼材的抗拉性能，可用低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變材的抗拉性能，可用低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變圖來(lái)闡明，圖中明顯地分為以下四個(gè)階段：圖來(lái)闡明，圖中明顯地分為以下四個(gè)階段：動(dòng)畫演示低碳鋼受拉應(yīng)力: 彈性階段(OA段)：在OA階段，如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限。此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即產(chǎn)

11、生單位彈性應(yīng)變時(shí)所需的應(yīng)力大小。它是鋼材在受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。屈服階段(AB段)：當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過(guò)A時(shí)，應(yīng)變?cè)黾拥乃俣却笥趹?yīng)力增長(zhǎng)速度，應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，開始產(chǎn)生塑性變形。圖中B上點(diǎn)是這一階段應(yīng)力最高點(diǎn)，稱為屈服上限，B下點(diǎn)稱為屈服下限。由于B下比較穩(wěn)定易測(cè)， 故般以B下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)。鋼材受力達(dá)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(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值依據(jù)。強(qiáng)化階段(BC段)：當(dāng)荷載超過(guò)屈服點(diǎn)以后，由了試件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗變形能力又重新提高，故稱為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度。 工程上使用的鋼材，不

12、僅希望具有高的屈服強(qiáng)度，還希望具有一定的屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。 但如果屈強(qiáng)比過(guò)小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.580.63，合金鋼為065075。頸縮階段(CD段) 當(dāng)鋼材強(qiáng)化達(dá)到最高點(diǎn)后，在試件薄弱處的截面將顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增加，拉力也就隨著下降，最后發(fā)生斷裂。將拉斷后的試件于斷裂處對(duì)接在一起，測(cè)得其斷后標(biāo)距Ll。標(biāo)距的伸長(zhǎng)值與原始標(biāo)距(L0)的百分比稱為伸長(zhǎng)率。 v主要指標(biāo)：主要指標(biāo)：v1.屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度：v2.2.抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度：ssfAbbfAsb屈強(qiáng)比屈

13、強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。屈強(qiáng)比過(guò)小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。屈強(qiáng)比過(guò)小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.580.580.630.63，合金鋼為，合金鋼為0 065650 07575。v3.伸長(zhǎng)率：100LLL50100L =5dL =10d同一鋼材的大于。主要原因是頸縮不均勻。同一鋼材的大于。主要原因是頸縮不均勻。hL0al0=10a(或5a)L=l0+2h+2h1(或5a)h1 A O B C D位移l1(位移后的) l1(實(shí)際的)(a)5

14、10冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，為鋼材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以力，為鋼材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度彎曲角度(a)(a)和和彎心直徑彎心直徑(d)(d)為指標(biāo)表示。為指標(biāo)表示。鋼材冷彎試驗(yàn)是通過(guò)直徑鋼材冷彎試驗(yàn)是通過(guò)直徑( (或厚度或厚度) )為為a a的試件，采的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d(d=na)d(d=na)，彎曲到規(guī)定的角，彎曲到規(guī)定的角度度(180(180或或9090) )時(shí)，檢查彎曲處有無(wú)裂紋、斷裂及起時(shí)，檢查彎曲處有無(wú)裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，

15、若無(wú)則認(rèn)為冷彎性能合格。層等現(xiàn)象，若無(wú)則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時(shí)鋼材冷彎時(shí)的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性能愈好。能愈好。 90od+2.5ad (a) (b) (c)鋼筋冷彎試驗(yàn)裝置 a. 試樣安裝就緒 b. 彎曲180 c. 彎曲90Lh 鋼材的冷彎性能和其伸長(zhǎng)率一樣，也是表明鋼鋼材的冷彎性能和其伸長(zhǎng)率一樣，也是表明鋼材在靜荷下的塑性，而且冷彎是在苛刻條件下對(duì)鋼材在靜荷下的塑性，而且冷彎是在苛刻條件下對(duì)鋼材塑性的嚴(yán)格檢驗(yàn)，它能揭示鋼材內(nèi)部組織是否均材塑性的嚴(yán)格檢驗(yàn)，它能揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力及夾雜物等缺陷。在工程

16、中，勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力及夾雜物等缺陷。在工程中，冷彎試驗(yàn)還被用作對(duì)冷彎試驗(yàn)還被用作對(duì)鋼材焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)鋼材焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)的的一種手段。一種手段。沖擊韌性沖擊韌性 沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。單位沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。單位面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值 表示表示, ,值愈大，表明鋼材在斷裂時(shí)所吸收的能量越值愈大，表明鋼材在斷裂時(shí)所吸收的能量越多，則沖擊韌性越好。多，則沖擊韌性越好。 kW=A影響沖擊韌性的因素：影響沖擊韌性的因素：1. 化學(xué)成分化學(xué)成分及及冶煉、加工質(zhì)量冶煉、加工質(zhì)量。如：鋼中磷、。如：鋼

17、中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物、氣孔和焊硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物、氣孔和焊接中形成的微裂紋等，沖擊韌性顯著降低。接中形成的微裂紋等，沖擊韌性顯著降低。2. 2. 溫度溫度。隨溫度的下降而減小，當(dāng)降到一定溫。隨溫度的下降而減小，當(dāng)降到一定溫度范圍時(shí)，韌性急劇下降，有可能出現(xiàn)脆性斷裂度范圍時(shí)，韌性急劇下降，有可能出現(xiàn)脆性斷裂冷脆性冷脆性。所以，在負(fù)溫下使用的鋼材，特別是承。所以，在負(fù)溫下使用的鋼材，特別是承受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)，必須要檢驗(yàn)其低溫下的沖擊受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)，必須要檢驗(yàn)其低溫下的沖擊韌性。韌性。 硬度硬度:硬度表示鋼材表面抵抗變形或破裂的能力。硬度的測(cè)定方法很多，建筑

18、鋼材常用洛氏法或布氏法，所測(cè)硬度稱為洛氏硬度或布氏硬度。 布氏硬度是用一定直徑D(mm)的硬質(zhì)鋼球,在規(guī)定荷載P(N)作用下壓入試件表面，并持續(xù)一定時(shí)間后卸裁，量出壓痕直徑d(mm)，然后計(jì)算每單位壓痕球面積所承受的荷載值，即布氏硬度值(HD)，見(jiàn)圖。洛氏硬度以壓入深度表示。疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。 鋼材的鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先的，首先在局部開始形成細(xì)小斷裂，隨后由于微裂紋尖端在局部開始形成細(xì)小斷裂，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(shí)的應(yīng)

19、力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。 在一定條件下，鋼材疲勞破在一定條件下，鋼材疲勞破 壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增 加而降低（如圖所示）。加而降低（如圖所示）。 鋼材在無(wú)窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂鋼材在無(wú)窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度極限疲勞強(qiáng)度極限，實(shí)際測(cè)量，實(shí)際測(cè)量時(shí)常以時(shí)常以2106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材的疲勞強(qiáng)度次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材

20、的疲勞強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。一般來(lái)說(shuō)，鋼材一般來(lái)說(shuō)，鋼材的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。& 焊接性能焊接性能 焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來(lái)。它迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來(lái)。它是是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。 v鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過(guò)熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度。影響焊接質(zhì)量的主要因素：影響焊接質(zhì)量的主要因素：v鋼材的化學(xué)成分鋼材的化學(xué)成分v焊接工藝焊接工藝v焊條質(zhì)量焊條質(zhì)量& 冷加工時(shí)效及其應(yīng)用 將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，強(qiáng)度明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個(gè)過(guò)程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化。 工程中常對(duì)鋼筋