1、第七章 建筑鋼材 1.按化學成分分類 當鋼材組分元素中含量僅次于鐵元素的成分為碳時，則稱為碳素鋼； 當鋼材組分元素中含量僅次于鐵元素的成分為其他合金元素時，則稱為合金鋼。 (1)碳素鋼根據含碳量多少，碳素鋼可分為： 低碳鋼：含碳量0.25以下。 中碳鋼：含碳量0.250.6。 高碳鋼：含碳量大于0.6。 (2)合金鋼根據合金元素的含量分： 低合金鋼：合金元素總含量小于5； 中合金鋼：合金元素總含量在510之間； 高合金鋼：合金元素總含量大于10。 7.1 鋼材的冶煉與分類 根據脫氧程度的不同，澆鑄的鋼錠可分為沸騰 鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼三種： 沸騰鋼：是脫氧不完全的鋼。沸騰鋼中碳和有害雜質磷、硫

2、等的偏析嚴重，再加上鋼的致密程度較差，使它的沖擊韌性和可焊性較差，特別是低溫沖擊韌性的降低更為顯著。但成本較低。鎮(zhèn)靜鋼：是脫氧完全的鋼。是質量較好的鋼種，但成本較高。半鎮(zhèn)靜鋼：其脫氧程度和材質介于上述兩種鋼之間。 2.脫氧程度分類 3. 按質量（雜質含量）分類 根據鋼材中所含有害雜質的多少工業(yè)用鋼可分為： (1)普通鋼：含硫量0.050；含磷量0.045。 (2)優(yōu)質鋼：含硫量0.035；含磷量0.035。(3)高級優(yōu)質鋼：含硫量0.025；含磷量0.025。(4)特級優(yōu)質鋼：含硫量0.015；含磷量0.025。 在土木工程中常用的鋼種是普通碳素結構鋼和普通低合金結構鋼。7.2 建筑鋼材的主要

3、技術性能 鋼材的技術性質主要包括力學性能（抗拉性能、沖擊韌性、耐疲勞和硬度等）和工藝性能（冷彎和焊接）兩個方面。 7.2.1力學性能 反映鋼材力學性能的主要技術指標有：抗拉屈服強度、抗拉極限強度、伸長率、韌性和硬度等。 1.強度 低碳鋼拉伸的應力應變曲線 六個階段：（1）、比例彈性階段（2）、非比例彈性階段（3）、彈塑性階段（4）、塑性階段或屈服階段（5）、應變強化階段（6）、頸縮破壞階段屈服強度 中碳鋼與高碳鋼（硬鋼）的拉伸曲線與低碳鋼不同，屈服現象不明顯，難以測定屈服點，則規(guī)定產生殘余變形為原標距長度的0.2時所對應的應力值，作為硬鋼的屈服強度，也稱條件屈服點，用 表示。屈強比 屈服強度和

4、抗拉強度之比。 屈強比能反映鋼材的利用率和結構安全可靠程度。 屈強比越小，其結構的安全可靠程度越高，不易因局部超載而造成脆性斷裂而破壞； 但屈強比過小，又說明鋼材強度的利用率偏低，造成鋼材浪費。 建筑結構鋼合理的屈強比一般為0.600.75。 Q225鋼材的屈服比為0.580.63 普通的合金鋼的屈強比在0.670.75之間。 2.塑性 建筑鋼材應具有很好的塑性。鋼材的塑性通常用伸長率和斷面收縮率表示。 （1）伸長率 通常以5和10分另表示L05d0和L010 d0時的伸長率。對于同一種鋼材，其5 10。 （2）斷面收縮率() 式中0試件原始截面積； 1試件拉斷后頸縮處的截面積。 伸長率和斷面

5、收縮率表示鋼材斷裂前經受塑性變形的能力。伸長率越大或斷面收縮率越高，說明鋼材塑性越大。 3.沖擊韌性 沖擊韌性就是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。沖擊韌性是通過夏比（V型缺口）沖擊試驗來測定的。將標準彎曲試樣置于沖擊機的支架上，并使切槽位于受拉的一側。用擺錘打斷試件，測得試件單位截面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標，用沖擊值 表示，單位為J/cm2。 F試件斷口處的截面積；Ak沖斷試件所消耗的功。4.硬度 測定鋼材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法和維氏法。建筑鋼材常用的是布氏法，所測硬度稱布氏硬度。 布氏硬度是用一定直徑D(毫米)的硬質鋼球，在規(guī)定荷裁P(牛頓)作用下壓入試件表面，并持續(xù)一定時間后卸

6、載，量出壓痕直徑d(毫米)，然后計算每單位壓痕球面積所承受的荷載值，即布氏硬度值(HB)。計算公式為： HB是以數字表示，如HB150。 硬度值往往與其他性能有一定的相關性。例如，鋼材的HB值與抗拉強度之間就有較好的相關關系。對于碳素鋼： 當HB175時， 0.36HB； 當HB175時， 0.35HB。 根據這些關系，我們可以在鋼結構的原位上測出鋼材的HB值，并估算出該鋼材的，而不破壞鋼結構本身。 7.2.2 工藝性能 1.冷彎性能 鋼材的冷彎性能，是指它在常溫下承受彎曲變形的能力。鋼材的冷彎性能指標用試件在常溫下所能承受的彎曲程度表示。冷彎性能是將鋼材試件（圓形或板形）置于冷彎機上彎曲至規(guī)

7、定角度（90或180）觀察其彎曲部位是否有裂紋、起層或斷裂現象，如無，則為合格。彎曲角度越大，彎心直徑對試件厚度（直徑）比值越小，則表示鋼材的冷彎性能越好。 鋼材的冷彎示意圖： 2. 焊接性能 鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學性能，特別是強度不低于原有鋼材的強度。 隨鋼材的含碳量、合金元素及雜質元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25時，可焊性明顯降低；硫含量較多時，會使焊口處產生熱裂紋，嚴重降低焊接質量。鋼材的焊接須執(zhí)行有關規(guī)定。 7.3 建筑鋼材的的晶體組織和化學成分 7.3.1 鋼的組織及其對鋼性能的影

8、響 鋼是鐵碳合金晶體。晶體結構中各個原子是以金屬鍵相結合的，這是鋼材具有較高強度和良好塑性的基礎。原子在晶粒中排列的規(guī)律不同可以形成不同的晶格，如體心立方晶格是原子排列在一個正六面體的中心和各個頂點而構成的空間格子；面心立方體晶格是原子排列在一個正六面體的各個頂點和六個面的中心而構成的空間格子。鐵和碳兩種元素可以不同的形態(tài)存在，這種形態(tài)稱為晶體組織。體心立方體面心立方體純鐵的晶格（即原子的有序排列）以下二種類型：體心立方體、面心立方體。純鐵的同素異構晶體轉變 某些金屬結晶之后，當溫度改變時，它的晶格類型還會隨之變化。這種變化稱為同素異晶轉變。晶格發(fā)生轉變的溫度稱為臨界溫度。轉變的產物稱為同素異

9、構體。 純鐵在冷卻或加熱過程中會依次形成如下三種不同的同素異構晶體。 鐵：溫度下降到1535直接由液態(tài)鐵凝固而成，為體心立方晶格； 鐵：溫度下降到1394時，由體心立方晶格轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц瘢?鐵：溫度下降到912時，由面心立方晶格轉變?yōu)轶w心立方晶格。純鐵的同素異晶轉變7.3.1.1 鋼的基本晶體組織 碳素鋼冶煉時在鋼水冷卻過程中，其Fe和有以下三種結合形式： 固溶體鐵（Fe）中固溶著微量的碳(C)； 化合物鐵和碳結合成化合物Fe3； 機械混合物固溶體和化合物的混合物。 以上三種形式的Fe合金，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像，故也稱顯

10、微組織。7.3.1.1鋼的基本組織的種類及對鋼性能的影響： （）鐵素體 鋼材中的鐵素體為在一Fe中的固溶體，由于一Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力較差，故鐵素體含量很少（小于0.02），由此決定其塑性、韌性很好，但強度、硬度很低。 （）奧氏體 奧氏體為在一Fe中的固溶體，溶碳能力較強，高溫時含碳量可達2.06，低溫時下降至0.8。其強度、硬度不高，但塑性好，在高溫下易于軋制成型。 （）滲碳體 滲碳體為鐵和碳的化合物Fe3C ，其含量高（達6.67），晶體結構復雜，塑性差，性硬脆，抗拉強度低。 （）珠光體 珠光體為鐵素體和滲碳體的機械混合物，含量較低（0.8），層狀結構，塑性較好，強度和

11、硬度較高。7.3.2 鋼的化學成分對鋼材性能的影響 （1）碳：土木工程用鋼材含碳量不大于0.8。在此范圍內，隨著鋼中碳含量的提高，強度和硬度相應提高，而塑性和韌性則相應降低，碳還可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。（2）硅：當硅在鋼中的含量較低（小于1%）時，可提高鋼材的強度，而對塑性和韌性影響不明顯。（）錳：錳是我國低合金鋼的主加合金元素，錳含量一般在1%范圍內，它的作用主要是使強度提高，錳還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質改善。（）硫：硫是很有害元素。呈非金屬硫化物夾雜物存在于鋼中，具有強烈的偏析作用，降低各種機械性能。硫化物造成的低熔點使鋼在

12、焊接時易于產生熱裂紋，顯著降低可焊性。（）磷：為有害元素，含量提高，鋼材的強度提高，塑性和韌性顯著下降，特別是溫度愈低，對韌性和塑性的影響愈大，磷在鋼中的偏析作用強烈，使鋼材冷脆性增大，并顯著降低鋼材的可焊性。磷可提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。 （）氧：為有害元素。主要存在于非金屬夾雜物內，可降低鋼的機械性能，特別是韌性，氧有促進時效傾向的作用，氧化物造成的低熔點亦使鋼的可焊形變差。（）氮：氮對鋼材性質的影響與碳、磷相似，使鋼材的強度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮可加劇鋼材的時效敏感性和冷脆性，降低可焊性。7.4 鋼材的冷加工強化與熱處理 7.4.1

13、冷加工 鋼材的冷加工是在常溫下通過冷拉、冷拔或冷軋，使鋼材產生塑性變形，得到所需形狀的工藝過程。通過冷加工的鋼材，可使強度提高，稱為冷加工強化（冷作硬化）。 (1)、對鋼材進行冷加工，是充分發(fā)揮材料效用，節(jié)約鋼材的一種有效方法。鋼材經過冷加工后，其屈服強度提高，塑性、韌性和彈性模量則降低。 （2）、時效處理 將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放1520 d，或加熱至100200 后保持一定時間（23 h），其屈服強度進一步提高，且抗拉強度也提高，同時塑性和韌性也進一步降低，彈性模量則基本恢復。這個過程稱為時效處理。前者稱為自然時效，用加熱的方法則稱為人工時效。 7.4.2 熱處理 按照一定的制度

14、，將鋼材加熱到一定的溫度，在此溫度下保持一定的時間，再以一定的速度和方式進行冷卻，以使鋼材內部晶體組織和顯微結構按要求進行改變，或者消除鋼中的內應力，從而獲得人們所需求的機械力學性能，這一過程就稱為鋼材的熱處理。 鋼材的熱處理通常有以下幾種基本方法： () 淬火。將鋼材加熱至723（相變溫度）以上某一溫度，并保持一定時間后，迅速置于水中或機油中冷卻，這個過程稱鋼材的淬火處理。鋼材經淬火后，強度和硬度提高，脆性增大，塑性和韌性明顯降低。 () 回火。將淬火后的鋼材重新加熱到723以下某一溫度范圍，保溫一定時間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫，這一過程稱為回火處理?；鼗鹂上摬拇慊饡r產生的內應力，使

15、其硬度降低，恢復塑性和韌性。回火溫度愈高，鋼材硬度下降愈多，塑性和韌性等性能均得以改善。若鋼材淬火后隨即進行高溫回火處理，則稱調質處理，其目的是使鋼材的強度、塑性、韌性等性能均得以改善。（）退火。退火是指將鋼材加熱至723以上某一溫度，保持相當時間后，在退火爐中緩慢冷卻。退火能消除鋼材中的內應力，細化晶粒，均勻組織，使鋼材硬度降低，塑性和韌性提高。（）正火。是將鋼材加熱到723以上某一溫度，并保持相當長時間，然后在空氣中緩慢冷卻，則可得到均勻細小的顯微組織。鋼材正火后強度和硬度提高，塑性較退火為小7.5 建筑用鋼7.5.1 碳素結構鋼 國家標準GB 700-88碳素結構鋼規(guī)定，碳素結構鋼的牌號

16、由代表屈服點的字母、屈服點數值、質量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成。其中以“Q”代表屈服點；屈服點數值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 MPa五種；質量等級以硫、磷等雜質含量由多到少，分別為A、B、C、D符號表示；脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號中予以省略。隨著牌號的增大，對鋼材屈服強度和抗拉強度的要求增大，對拉長率的要求降低。 例如：Q235AF表示屈服點為235 MPa的A級沸騰鋼。 7.5.2 優(yōu)質碳素結構鋼 按國家標準GB/T 6991999優(yōu)質碳素結構鋼的規(guī)定，優(yōu)質碳素結構鋼根據

17、錳含量的不同可分為：普通錳含量（錳含量0.8）鋼和較高錳含量（錳含量0.71.2）鋼兩組。 共優(yōu)質碳素結構鋼有31個牌號，其牌號由數字和字母兩部分組成。兩位數字表示平均碳含量的萬分數；字母分別表示錳含量、脫氧程度。錳含量為0.350.80時，不注“Mn”；錳含量為0.701.2時，數字后加注“Mn”。如35Mn表示平均含碳量0.35較高含錳量的鋼?！?0”表示平均含碳量為0.30%普通含錳量的鋼。 7.5.3. 低合金高強度結構鋼 低合金高強度結構鋼是一種在碳素鋼的基礎上添加總量小于5合金元素的鋼材。 根據國家標準低合金高強度結構鋼（GB1591-94）規(guī)定，共有5個牌號，即295、Q345、

18、Q390、Q420、Q460。所加入元素主要有錳、硅、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。其牌號的表示是由屈服點字母Q、屈服點數值、質量等級（A、B、C、D、E）3個部分組成。 例如:Q390A，其中:Q鋼材屈服點的“屈”字漢語拼音的首位字母；390屈服點數值,單位MPa ；A一一為質量等級符號。7.6 鋼結構用鋼材7.7 鋼筋混凝土用鋼材 參照鋼材相應的標準（共涉及二十二個鋼材的國家標準）7.8 鋼材的腐蝕與防護 7.8.1 鋼材的腐蝕 1.化學腐蝕 化學腐蝕指鋼材與周圍的介質（如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接發(fā)生化學作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蝕。在干燥環(huán)境中化學腐蝕的速度緩慢，但在溫度高和濕度較大時腐蝕速度大大加快。 2.電化學腐蝕 整