建筑鋼材和鋁材

教學要求：了解鋼材的分類；掌握建筑鋼材的力學性質：拉伸性能，冷彎性能、沖擊韌性和硬度；掌握建筑鋼材的化學成分對鋼材性能的影響；了解鋼材的冷加工、熱處理和焊接；教學重點、難點：建筑鋼材的的標準及選用；

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）鋼材的優點以及缺點：優點：（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：鋼結構用各種型材（如工字鋼、角鋼、方鋼、圓鋼、扁鋼等）；板材（如鋼板等）；混凝土用各種鋼筋、鋼絲和鋼絞線等；鋼結構用各種型材示意圖：8.1鋼的冶煉加工與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；煉鋼的實質：就是把熔融的生鐵進行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他雜質降低到容許的范圍；8.1.1鋼的冶煉加工及對鋼材質量的影響（1）轉爐鋼：以熔融的鐵水為原料、由轉爐的底部或側面向轉爐中吹入高壓熱空氣（或氧氣）進行冶煉而得到的鋼，叫做轉爐鋼；（2）平爐鋼：以固態或液態的生鐵、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；（3）電弧煉鋼：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，且溫度可以自由調節，清除雜質則容易得多，故電爐鋼的質量最好；大規模煉鋼的方法主要有：

（1）轉爐鋼（2）平爐鋼（3）電弧煉鋼（1）沸騰鋼：僅用弱脫氧劑錳鐵進行脫氧，脫氧很不完全的鋼；（2）鎮靜鋼：用必要數量的硅、錳和鋁等脫氧劑進行徹底脫氧而得到的鋼；（3）半鎮靜鋼：脫氧程度以及鋼的質量介于沸騰鋼和半鎮靜鋼之間；

按脫氧的方式分為三大類

（1）沸騰鋼；（2）鎮靜鋼；（3）半鎮靜鋼脫氧的目的：去掉冶煉過程中形成的FeO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、鑄錠過程中鋼材結構的不均勻、氣泡等缺點；8.1.2鋼的分類1）碳素鋼：指含碳量小于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；（1）按化學成分分為兩大類：

碳素鋼合金鋼2）合金鋼：為改善鋼的某些性質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；（2）按主質量等級分為三大類：

普通質量鋼優質鋼高級優質鋼；（3）鋼材按用途分為三大類：

1）結構鋼：建筑結構工程中最常用的鋼種是碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼；

2）工具鋼：用于各種切削工具的鋼；

3）特種鋼：具有特殊性能的鋼，如耐酸鋼、耐熱鋼、不銹鋼等；總結：建筑結構工程中最常用的鋼種是碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼；8.2建筑鋼材的主要技術性能鋼材的性質包括強度、彈性、塑性和韌性。8.2.1力學性能彈性階段（I）：OA段是一條直線，應力與應變成正比，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，應力增加不大，但應變迅速增加，發生了屈服現象。強化階段（III）：BC段，鋼材內部組織發生了變化，提高了抵抗外力的能力。頸縮階段（IV）：CD段，變形迅速發展，應力下降，到D點發生試件的破壞。8.2.1.1抗拉性能

低碳鋼受拉到拉斷，共經歷了四個階段：16屈強比定義屈強比指鋼材拉伸時的屈服強度和抗拉強度的比值，用σS／σb表示。屈強比的工程意義屈強比越小，反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性大，因而結構的安全性高。但屈強比太小，反映鋼材不能有效地被利用。屈強比大，鋼材的強度利用較為充分，但鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性差。

鋼筋的拉伸實驗：鋼筋塑性的表示指標:伸長率：試件拉段后，標距長度的增量與原標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；8.2.2工藝性能8.2.2.1冷彎性能冷彎性能：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。8.2.2.2冷加工性能及時效冷加工：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、韌性下降的現象；在冷加工狀態下，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:將經過冷拉的鋼筋于常溫下存放15～20ｄ;人工時效:將經過冷拉的鋼筋加熱到100～200°Ｃ并保持一段時間；以上兩個過程都稱為時效處理。在建筑工地和混凝土預制廠，經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，節省鋼材。同時還兼有調直、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。8.2.3鋼的化學成分對鋼材性質的影響一般鋼：碳、磷、硫、氧、氮等；合金鋼：為改善鋼材的某些性質，特意加入的元素，如錳、硅、釩、鈦等。1、碳2、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。3、磷使鋼材的拉伸強度提高，塑性和韌性下降，能顯著增加鋼材的冷脆性，降低鋼材的可焊性；4、硫能使鋼材產生熱脆性，降低鋼材的熱加工與可焊性；5、氧、氮降低鋼材的力學性質，嚴重影響了鋼材的韌性，并能促進時效，降低鋼材的可焊性；8.3建筑鋼材的標準與選用建筑鋼材一般分兩種：1、鋼結構用鋼材:2、鋼筋混凝土結構用鋼：其中低合金結構鋼：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8.3.1鋼結構用鋼材1、碳素結構鋼牌號的表示方法：（如Q235—A.F）（1）按屈服點值分為五種：195、215、235、355、275MPa；（2）按磷、硫雜質的含量由多到少分為A、B、C、D四個質量等級；（3）按脫氧方式分為F、b、Z、TZ四種。碳素結構鋼的選用從表8.1、表8.2可見，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，但是塑性與韌性有所下降，因此對碳素結構鋼而言，一般選擇Q235牌號的鋼作為鋼結構用鋼。例：碳素結構鋼是如何劃分牌號的？說明Q235—A·F和Q235—Ｄ號鋼在性能上有何區別？解：碳素結構鋼的牌號按順序由代表屈服點的字母（Q）、屈服點數值（Ｎ/mm2）、質量等級符號(A、B、C、D)、脫氧程度符號(F、b、Z、TZ)等四部分組成。Q235—A·F和Q235—D均為Ｑ235碳素結構鋼，是建筑中應用最多的碳素鋼。二者性能差別主要表現在質量等級和脫氧程度上。1）按硫、磷含量多少來衡量，Q235—D磷、硫含量均少于Q235—A·F,質量較好；2）按脫氧程度衡量Q235—D為ＴＺ鎮靜鋼，質量最好，Q235—A·F為沸騰鋼。3）Q235—A·F鋼，僅適用于承受間接動荷載的靜荷載的結構。而Q235—D可適用于動荷載作用或處在低溫環境下的工作條件。2、低合金高強度結構鋼牌號的表示方法：如Q295—A。其中Q表示屈服點，295MPa表示屈服值，A表示質量等級；分五個牌號：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460；應用：一般用于大跨度、大柱網結構3、鋼結構用鋼材1）熱軋型鋼角鋼、工字鋼、槽鋼、T型鋼、H型鋼、Z型鋼2）冷彎薄壁型鋼角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼3）鋼板、壓型鋼板8.3.2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：普通混凝土非應力鋼筋；熱處理鋼筋：預應力混凝土枕軌、也用于預應力混凝土板、吊車梁等；冷軋帶肋鋼筋：在中小型預應力混凝土構件和普通的混凝土構件中應用廣泛。(1)熱軋鋼筋根據表面特征不同，熱軋鋼筋分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。根據強度的高低，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標準見表8.8，8.9-2。我國熱軋鋼筋標準，按屈服強度、抗拉強度等力學性能分為I～IV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和規定屈服強度最小值構成。Ｈ、Ｒ、Ｂ分別為熱軋、肋、鋼筋的英文名稱的第一個字母。（2）預應力混凝土用熱處理鋼筋

預應力混凝土用熱處理鋼筋是用Φ8、Φ10（㎜）的熱軋帶肋鋼筋經淬火和回火等調質處理而成，代號為ＲＢ１５０。優點：強度高，可代替高強鋼絲使用；配筋根數少，節約鋼材；錨固性好，不易打滑，預應力值穩定；施工簡便，開盤后鋼筋自然伸直，不需調直及焊接。主要用于預應力鋼筋混凝土軌枕，也用于預應力梁、板結構及吊車梁等。（3）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，經冷軋減徑后在其表面冷軋成二面或三面有肋的鋼筋；是熱軋圓盤鋼筋的深加工產品，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，后面的數字表示鋼筋抗拉強度等級數值。冷軋帶肋鋼筋的公稱直徑范圍為４～12㎜。冷軋帶肋鋼筋的力學性能和工藝性能應符合表8-8的要求。（4）預應力混凝土用鋼絲及鋼絞線

大型預應力混凝土構件，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。預應力高強度鋼絲是用優質碳素結構鋼盤條，經酸洗、冷拉或再經回火處理等工藝制成，鋼鉸線是由７根直徑為2.5～5.0㎜的高強度鋼絲，鉸捻后經一定熱處理清除內應力而制成。鉸捻方向一般為左捻。8.3.3鋼材的選用原則

（1）荷載性質（2）使用溫度（3）連接方式（4）鋼材厚度（5）結構重要性8.4.1鋼材的銹蝕鋼材的銹蝕是指其表面與周圍介質發生化學反應而遭到的破壞。根據銹蝕作用的機理，鋼材的銹蝕可分為化學銹蝕和電化學銹蝕兩種：（１）化學銹蝕化學銹蝕是指鋼材直接與周圍介質發生化學反應而產生的銹蝕。這種銹蝕多數是氧化作用，使鋼材表面形成疏松的氧化物。8.4鋼材的腐蝕和防止（２）電化學銹蝕電化學銹蝕是指鋼材與電解質溶液接觸而產生電流，形成微電池而引起的銹蝕。

潮濕環境中的鋼材表面會被一層電解質水膜所覆蓋，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溶液