鋼材的基本知識01鋼材的冶煉與分類03鋼材的化學成分及熱處理02建筑鋼材的力學與工藝性能04鋼材的冷加工及強化01鋼材的冶煉與分類一、概述

建筑鋼材——是指用于鋼結構的各種型鋼（如圓鋼、角鋼、工字鋼、管鋼等）和用于鋼筋混凝土的鋼筋、鋼絲、鋼絞線以及用于圍護結構和裝修用的各種鋼板和復合板等。

鋼絲

鋼筋

鋼絞線

鋼板C型鋼H型鋼

鋼管L型鋼建筑鋼材的特點優(yōu)點：抗拉強度高、塑性和韌性好能承受沖擊和振動荷載易于加工成板材、型材和線材良好的焊接和鉚接性能缺點：易銹蝕、維護費用高耐火性差生產能耗大建筑鋼材的應用:大跨度結構多層及高層結構受動荷載作用的工業(yè)廠房鋼結構廠房二、鋼材的冶煉和分類平爐煉鋼轉爐煉鋼電爐煉鋼鋼的冶煉

鋼的分類

1.按化學成分分類

（１）碳素鋼。碳素鋼的化學成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵一碳合金。其含碳量為0.02％～2.06％。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（含碳量小于0.25％）、中碳鋼（含碳量為0.25％～0.60％）高碳鋼（含碳量大于0.60％）

（２）合金鋼。是指在煉鋼過程中，有意識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、鈦、釩、鈮、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％）中合金鋼（合金元素總含量為５％～10％）高合金鋼（合金元素總含量大于10％）2.按有害雜質含量分類按鋼中有害雜質磷（P）和硫（S）含量的多少，鋼材可分為以下四類：(1)普通鋼。磷含量不大于0.045%；硫含量不大于0.050%。(2)優(yōu)質鋼。磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。(3)高級優(yōu)質鋼。磷含量不大于0.030%；硫含量不大于0.030%。(4)特級優(yōu)質鋼。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.020%。3.按用途分類

(1)結構鋼。主要用作工程結構構件及機械零件的鋼。(2)工具鋼。主要用于各種刀具、量具及模具的鋼。(3)特殊鋼。具有特殊物理、化學或機械性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等。

沸騰鋼半鎮(zhèn)靜鋼

鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼按脫氧程度分4.按脫氧的方式鋼材的基本知識01鋼材的冶煉與分類03鋼材的化學成分及熱處理02建筑鋼材的力學與工藝性能04鋼材的冷加工及強化02建筑鋼材的力學與工藝性能鋼材的技術性能包括力學性能和工藝性能兩個方面。力學性能主要包括拉伸性能、沖擊韌性、疲勞強度、硬度等；工藝性能是鋼材在加工制造過程中所表現的特性，包括冷彎性能、焊接性能、熱處理性能等一、力學性能

（一）拉伸性能由低碳鋼在拉伸過程中形成的應力-應變關系圖可知，低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個階段。低碳鋼的受拉過程分為四個階段O彈性階段OA屈服階段AB強化階段BC頸縮階段CDABCD低碳鋼受拉的應力－應變圖屈服階段AB

αOA低碳鋼受拉的應力－應變圖E1

＞E2ABCD

αOA低碳鋼受拉的應力－應變圖ACDBB上B下

αOA低碳鋼受拉的應力－應變圖ACDBB上B下

4、頸縮階段CD圖形的特點：

一段下降的曲線。試件的特點：變形迅速發(fā)展，在有雜質或缺陷處，斷面急劇縮小—頸縮，直到斷裂。

αOAACDBB上B下L1L0

塑性表示鋼材在外力作用下產生塑性變形而不破壞的能力。它是鋼材的一個重要指標。鋼材的塑性通常用拉伸試驗時的伸長率或斷面縮減率來表示。

伸長率和斷面收縮率表示鋼材斷裂前經受塑性變形的能力。伸長率越大或斷面縮減率越高，說明鋼材塑性越大。鋼材塑性大，不僅便于進行各種加工，而且能保證鋼材在建筑上的安全使用。Re0A0.2%ab中碳鋼和高碳鋼拉伸過程的應力應變圖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αk表示(J/cm2)。αk值越大，表明鋼材的沖擊韌性愈好。

（二）沖擊韌性沖擊韌性試驗圖(a)試件尺寸；(b)試驗裝置；(c)試驗機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(fā)生破壞，這種現象稱為疲勞破壞。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(guī)定周期基數內不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。一般認為，鋼材的疲勞破壞是由拉應力引起的，抗拉強度高，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。（三）疲勞強度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。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(guī)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。（四）硬度布氏硬度測定示意圖二、工藝性能

（一）冷彎性能

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。鋼材的冷彎性能指標是用彎曲角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。鋼材的冷彎性能和伸長率都是塑性變形能力的反映鋼材冷彎(a)試樣安裝；(b)彎曲90°；(c)彎曲180°；(d)彎曲至兩面重合；(e)規(guī)定彎心（二）焊接性能

可焊性是指在一定焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)是否產生裂縫及脆硬影響，焊接后接頭強度是否與母體相近的性能。

可焊性受化學成分及含量的影響。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均會降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金鋼具有良好的可焊性。鋼材的基本知識01鋼材的冶煉與分類03鋼材的化學成分及熱處理02建筑鋼材的力學與工藝性能04鋼材的冷加工及強化03鋼材的化學成分及熱處理一、鋼材的化學成分

（一）拉伸性能由低碳鋼在拉伸過程中形成的應力-應變關系圖可知，低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個階段。化學成分有益因素錳硅碳化學成分有害因素硫磷氧、氮、氫(1)碳

是決定鋼材性能的主要元素。隨著含碳量的增加，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(2)硅、錳

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。含碳量對熱軋?zhí)妓劁撔再|的影響σb—抗拉強度；αk—沖擊韌性；HB—硬度；δ—伸長率；φ—面積縮減率

(3)硫、磷硫不溶于鐵而以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。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(tài)的沖擊韌性下降更為明顯，使鋼材容易脆裂，這種現象叫做冷脆性。

(4)氧、氮未除盡的氧、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。

(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。分析討論：首先是因為鋼材的選用不當，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；且其焊接性能較差，焊接時鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產生裂紋。建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強度結構鋼。[工程實例分析]鋼結構屋架倒塌概況：某廠的鋼結構屋架是用中碳鋼焊接而成的，使用一段時間后，屋架坍塌，請分析事故原因。

二、鋼材的熱處理

（一）冷彎性能

整體熱處理：包括退火、正火、淬火和回火等。

表面熱處理：包括表面淬火、滲碳、滲氮等鋼材的基本知識01鋼材的冶煉與分類03鋼材的化學成分及熱處理02建筑鋼材的力學與工藝性能04鋼材的冷加工及強化04鋼材的冷加工及強化一、鋼材的冷加工

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。

鋼材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷軋。

以鋼筋的冷拉為例(下圖)，圖中OBCD為未經冷拉時的應力-應變曲線。鋼筋的冷加工方式冷拉冷拔冷軋鋼筋經冷拉時效后應力-應變圖的變化

冷拉后屈服強度可提高15%~20%，冷拔后屈服強度可提高40%~60%。

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(下圖)，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。二、時效

將經過冷拉的鋼筋于常溫下存放15~20d，或加熱到100~200℃并保持一段時間，其強度和硬度進一步提高，塑性和韌性進一步降低，這個過程稱為時效處理。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。

鋼筋冷拉以后再經過時效處理，其屈服點進一步提高，塑性繼續(xù)有所降低。

例2

：何謂鋼的冷加工強化及時效處理？冷拉并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。

時效處理是將經過冷加工的鋼材，在常溫下存放15～20天，或者加熱到100～200ｏＣ，并保持2小時以內，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20％～25％，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。

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(jié)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。

建筑工程常用鋼材的品種與應用在建筑工程中采用的是：

碳素結構鋼、

低合金高強度結構鋼。（一）普通碳素結構鋼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。現行國家標準《碳素結構鋼》(GB/T700—2006)具體規(guī)定了它的牌號表示方法、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等。碳素結構鋼的牌號表示方法72碳素結構鋼的牌號由4個要素組成：脫氧程度代號，F代表沸騰鋼；b代表半鎮(zhèn)靜鋼Z；Z代表鎮(zhèn)靜鋼；TZ代表特殊鎮(zhèn)靜鋼，（Z、TZ符號可予以省略)。鋼材屈服點數值質量等級代號分A、B、C、D四級鋼材屈服點代號，以“屈”字漢語拼音首位字母“Q”表示Q235－A·F表示屈服點為235MPa的A級沸騰鋼。

例如牌號試樣方向冷彎試驗B=2a180o鋼材厚度或直徑(mm)≤60＞60～100彎芯直徑dQ195縱0橫0.5aQ215縱0.5a1.5a橫a2aQ235縱a2a橫1.5a2.5aQ275縱1.5a2.5a橫2a3a表2.3碳素結構鋼的冷彎性能（GB/T700-2006）

碳素結構鋼隨牌號的增大，含碳量增加，其強度和硬度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。

Q195、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。

Q215號鋼經冷加工后可代替Q235號鋼使用。碳素結構鋼的選用Q235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。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。（2）低合金結構鋼

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。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(jié)約鋼材20%~30%，但成本并不很高。低合金高強度結構鋼的牌號表示方法質量等級符合，分A、B、C、D、E五級屈服點數值代表屈服點的漢語拼音字母Q牌號：Q345、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。Q420、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。低合金高強度結構鋼的性能和應用（一）熱軋型鋼（二）冷彎薄壁型鋼（三）鋼管、板材和棒材鋼結構采用的型材有：

熱軋鋼板、熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼。1、熱軋鋼板

“-”寬度×厚度×長度（mm）2、熱軋型鋼

（1）熱軋角鋼

:

等肢角鋼L肢寬×肢厚

不等肢角鋼L長肢寬×短肢寬×肢厚（2）熱軋工字鋼普通工字鋼“I”和號數(代表截面高度厘米數)輕型工字鋼“QI”和號數(代表截面高度厘米數)20號以上的工字鋼，按腹板厚度同一號數又分a、b、c三類。

（3）熱軋槽鋼普通槽鋼“[”和號數輕型槽鋼“Q[”和號數14號以上的槽鋼，按腹板厚度同一號數又分a、b、c三類（4）H型鋼(高X寬X腹板厚X翼緣厚）寬翼緣H型鋼（HW,HM,HN)，用于軸壓、壓彎構件。型號以公稱高度的毫米數表示，其后標注a、b、c。H型鋼可以剖分為T型鋼供應，規(guī)格標記同H型鋼，只是高度是H型鋼的一半。3、鋼管

無縫鋼管和焊接鋼管“ф”外徑×厚度4、薄壁型鋼

用薄鋼板經模壓或彎曲而制成。壁厚一般為1.5～5mm。用作輕型屋面及墻面等構件。（一）熱軋鋼筋

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稱的縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。

熱軋鋼筋按表面形狀分

熱軋光圓鋼筋

熱軋帶肋鋼筋

熱軋光圓鋼筋經熱軋成型，橫截面通常為圓形，表面光滑的成品鋼筋，稱為熱軋光圓鋼筋（HPB——HotrolledPlainBars）。鋼筋按屈服強度特征值分為235、300級。熱軋光圓鋼筋牌號由HPB和屈服強度特征值構成，分為為HPB235、HPB300兩個牌號。95帶肋鋼筋

(a)月牙肋鋼筋(b)等高肋鋼筋

熱軋帶肋鋼筋(HRB——HotrolledRibbedBars)

經熱軋成型并自然冷卻的橫截面為圓形的，且表面通常帶有兩條縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋的鋼筋，稱為熱軋帶肋鋼筋。包括普通熱軋鋼筋和細晶粒熱軋鋼筋兩種。熱軋帶肋鋼筋按屈服強度特征值分為335、400、500級。普通熱軋鋼筋的牌號由HRB和屈服強度特征值構成，分為HRB335（20Mnsi）、HRB400(20MnSiV、20MnSiNb或20MnsiTi)、HRB500三個牌號，。100細晶粒熱軋鋼筋

hotrolledbarsoffinegrains

在熱軋過程中，通過控軋和控冷工藝形成的細晶粒鋼筋。其金相組織主要是鐵素體加珠光體，不得有影響使用性能的其它組織存在，晶粒度不粗于9級。細晶粒熱軋鋼筋的牌號由HRBF和屈服強度特征值構成，分為HRBF335、HRBF400、HRBF500三個牌號。細晶粒鋼的表示方法：類別牌號牌號構成英文字母含義細晶粒熱軋鋼筋HRBF335由HRBF+屈服強度特征值構成HRBF—在熱軋帶肋鋼筋的英文縮寫后加“細”

的英文（Fine）首位字母。101102103（二）熱處理鋼筋

熱處理鋼筋分為預應力用熱處理鋼筋和鋼筋混凝土用余熱處理鋼筋。預應力用熱處理鋼筋是用熱軋螺紋鋼筋經淬火和回火調質熱處理而成的。其外形分為有縱肋和無縱肋兩種。根據《預應力混凝土用熱處理鋼筋》（GB4463-84）的規(guī)定，其所用鋼材有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三個牌號，力學性能應符合表的規(guī)定。

預應力混凝土用熱處理鋼筋的優(yōu)點是：強度高，可代替高強鋼絲使用；節(jié)約鋼材；錨固性好，不易打滑，預應力值穩(wěn)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枕軌，也用于預應力梁、板結構及吊車梁等。

余熱處理鋼筋是把熱軋后的鋼筋立即穿水，控制表面冷卻，然后利用芯部余熱自身完成回火處理所得的成品鋼筋。其級別分為3級，強度等級代號為KL400。預應力混凝土用熱處理鋼筋的牌號和化學成分牌

號化學成分(質量分數)(％)CSiMnCrPS≤40Si2Mn0.36～0.451.40～1.900.80～1.20

0.0450.04548Si2Mn0.44～0.531.40～1.900.80～1.20

0.0450.04545Si2Cr0.41～0.511.55～1.950.40～0.700.30～0.600.0450.045（三）冷加工鋼筋冷軋帶肋鋼筋1.生產:冷軋帶肋鋼筋由熱軋圓盤條經冷軋或冷拔減徑后，在表面冷軋成兩面或三面有肋的鋼筋。鋼筋冷軋后允許進行低溫回火處理。2.牌號:按抗拉強度分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170共五個牌號。3.規(guī)格:直徑范圍為4～12mm，推薦的公稱直徑為5、6、7、8、9、10mm冷軋帶肋鋼筋具有以下優(yōu)點：（1）強度高、塑性好，綜合力學性能優(yōu)良。CRB550、CRB650的抗拉強度由冷扎前的不足500Mpa提高到550Mpa、650Mpa；冷拔低碳鋼絲的伸長率僅2%左右，而冷軋帶肋鋼筋的伸長率大于4%。（2）握裹力強。混凝土對冷軋帶肋鋼筋的握裹力為同直徑冷拔鋼絲的3～6倍。又由于塑性較好，大幅度提高了構件的整體強度和抗震能力。（3）節(jié)約鋼材，降低成本。以冷軋帶肋鋼筋代替