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第八章建筑钢材（1、2）21、了解钢材的分类2、掌握钢的化学成分对钢材性能的影响3、掌握钢材的主要技术性能重点、难点：各种化学成分对钢材性能的影响钢材的主要技术性能课堂讲授第八章建筑钢材第一节钢的分类·钢的化学成分对钢材性能的影响一、钢材的分类二、钢的化学成分对钢材性能的影响第二节建筑钢材的主要技术性能一、拉伸性能二、冷弯性能三、冲击韧性四、可焊性练习本教学过程：第八章建筑钢材钢材是以铁为主要元素，含碳量一般在2%一下，并含有其他元素的材料。钢材是在严格的技术条件下生产的材料，它有一下优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可焊接、铆接或螺栓连接，便于装配；其缺点是：易锈蚀，维修费用大。钢材的这些特性决定了它是工程建设所需要的重要材料之一。由各种型钢组成的钢结构安全性打，自重较轻，适用于大跨度和高层结构。第一节钢的分类·钢的化学成分对钢材性能的影响一、钢的分类：钢的分类方法很多，通常有以下几种分类方法。（一）、按冶炼时脱氧程度分类：1．沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全。这种钢液铸锭时，有大量的一氧化碳气体逸出，钢液冷却时呈沸腾状，故称为沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程的建筑结构中。2．镇静钢。炼钢时一般用硅脱氧，也可采用锰铁、硅铁和铝锭等作为脱氧剂，脱氧完全。这种钢液铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称为镇静钢，代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。但成本高。适用于预应力混凝土等承受冲击荷载的重要结构工程。3．半镇静钢。用少量的硅进行脱氧，脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，钢液浇筑后有微弱沸腾现象。故称为半镇静钢。代号为“b”。半镇静钢是质量较好的钢。4．特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。（二）、按化学成分分类：1．碳素钢。化学成分主要是铁，其次是碳，故也称碳钢或铁碳合金，其含碳量为0.02%～2.06%。碳素钢除了铁、碳外还含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量不同又可分为：（1）低碳钢：含碳量小于0.25%；（2）中碳钢：含碳量为0.25%～0.60%；（3）高碳钢：含碳量大于0.6%。低碳钢在土木工程中应用最广泛。2．合金钢。合金钢是在炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得的一种钢。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量不同，合金钢又可分为：（1）低合金钢：合金元素总含量小于5%；（2）中合金钢：合金元素总含量为5%～10%；（3）高合金钢：合金元素总含量大于10%。低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。（三）、按有害杂质含量分类：按钢中有害杂质磷（P）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：1．普通钢：磷含量不大于0.045%，硫含量不大于0.050%；2．优质钢：磷含量不大于0.035%，硫含量不大于0.035%；3．高级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.025%；4．特级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.015%。（四）、按用途分类：钢材按用途不同可分为：1．结构钢：主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。2．工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。3．特殊钢：具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。工程上常用的钢种是普通碳素结构钢（低碳钢）、普通低合金结构钢。钢材的产品一般分为型材、板材、线材和管材等。型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨、钢板桩等。板材包括用于建造房屋、桥梁及建筑机械的中、厚钢板，用于屋面、墙面、楼板等的薄钢板。线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢绞线等。管材包括钢桁架和供水、供气（汽）管线等。二、钢的化学成分对钢性能的影响：钢材中除了主要化学成分铁（Fe）以外，还含有少量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）等元素，这些元素虽然含量少，但对钢材性能有很大影响：1．碳。碳是决定钢材性能的最重要元素。碳对钢材性能的影响如图6-3所示：当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。图6-3含碳量对碳素钢性能的影响—抗拉强度；—冲击韧性；—伸长率；—断面收缩率；HB—硬度。一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于0.25%；工程所用低合金钢，其含碳量小于0.52%。2．硅。硅是作为脱氧剂而残留于钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度和硬度以及耐蚀性，而对塑性和韧性无明显影响。但当硅含量超过1.0%时，将显著降低钢材的塑性和韧性，增大冷脆性实效敏感性，并降低可焊性。3．锰。锰是炼钢时用来脱氧去硫而残留于钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，大大改善钢材的热加工性能，同时能提高钢材的强度和硬度，但塑性和韧性略有降低。但钢材中含锰量太高，则会降低钢材的塑性、韧性和可焊性。锰是我国低合金结构钢中的主要合金元素。4．磷。磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，显著加大钢材的冷脆性。磷也使钢材的可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，故在经过合理的冶金工艺之后，低合金钢中也将磷可配合其他元素作为合金元素使用。5．硫。硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。为消除硫的这些危害，可在钢中加入适量的锰。6．氧。氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。7．氮、氢。氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性、特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。钢中溶有氢则会引起钢的白点（圆圈状的断裂面）和内部裂纹，断口有白点的钢一般不能用于建筑结构。8．钛。钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。9．钒。钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。第二节建筑钢材的主要技术性能钢材的技术性质主要包括力学性能和工艺性能两个方面。一、力学性能：力学性能又称机械性能，是钢材最重要的使用性能。在建筑结构中，对承受静荷载作用的钢材，要求具有一定的力学强度，并要求所产生的变形不致影响到结构的正常工作和安全使用。对承受动荷载作用的钢材，还要求具有较高的韧性而不致发生断裂。（一）、强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应的产生应变。应力－应变的关系反映出钢材的主要力学特征。因此，抗拉性能是钢材最重要的技术性质。根据低碳钢受拉时的应力－应变曲线（如图6-1），可了解到抗拉性能的下列特征指标。1、弹性模量和比例极限：钢材受力初期，应力与应变成正比例增长，应力与应变之比是常数，称为弹性模量即E=σ/ε。这个阶段的最大应力（P点的对应值）称为比例极限σp。E值越大，抵抗弹性变形的能力越大；在一定荷载作用下，E值越大，材料发生的弹性变形量越小。一些对变形要求严格的构件，为了把弹性变形控制在一定限度内，应选用刚度大的钢材。2、弹性极限：应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形仍能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力（e点对应值）称为弹性极限σe。事实上，σp和σe相当接近。3、屈服强度：屈服强度：钢材开始丧失对变形的抵抗能力，并开始产生大量塑性变形时所对应的应力。在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为屈服上限；锯齿形的最低点所对应的应力称为屈服下限。屈服上限与试验过程中的许多因素有关。屈服下限比较稳定，容易测试，所以规范规定以屈服下限的应力值作为钢材的屈服强度，用σs表示。图6-1低碳钢受拉时的应力一应变曲线中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象，规范规定以0.2%残余变形所对应的应力值作为条件屈服强度，用σ0.2表示。屈服强度对钢材使用意义重大，一方面，当构件的实际应力超过屈服强度时，将产生不可恢复的永久变形；另一方面，当应力超过屈服强度时，受力较高部位的应力不再提高，而自动将荷载重新分配给某些应力较低部位。因此，屈服强度是确定容许应力的主要依据。4、抗拉强度（极限强度）：当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形的能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达到最大值。此后钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大塑性变形，此处试件界面迅速缩小，出现颈缩现象，直到断裂破坏。抗拉强度是钢材所能承受的最大拉应力，即当拉应力达到强度极限时，钢材完全丧失了对变形的抵抗能力而断裂。抗拉强度用σb表示。抗拉强度虽然不能直接作为计算依据，但屈服强度与抗拉强度的比值，即“屈强比”（σs/σb）对工程应用有较大意义。屈强比愈小，反映钢材在应力超过屈服强度工作时的可靠性愈大，即延缓结构损坏过程的潜力愈大，因而结构愈安全。但屈强比过小时，钢材强度的有效利用率低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢的屈强比为0.65～0.75。5、疲劳强度：受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象。称为疲劳破坏。疲劳破坏首先是从局部缺陷处形成细小裂纹，由于裂纹尖端处的应力集中使其逐渐扩展，直至最后断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。钢材在无数次交变荷载作用下而不致引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限。实际测量市场以2×106此应力循环为基准。钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力几种情况等。（二）、塑性：塑性表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。它是钢材的一个重要指标。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面缩减率来表示。1．伸长率：伸长率反映钢材拉伸断裂时所能承受的塑性变形能力，是衡量钢材塑性的重要技术指标。伸长率是以试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率来表示。伸长率按下式计算：式中：L1——试件拉断后标距部分的长度（mm）；L0——试件的原标距长度（mm）；n——长或短试件的标志，长试件n=10，短试件n=5。钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大，故试件原始标距（L0）与直径（d0）之比愈大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占比例愈小，计算所得伸长率也愈小。通常钢材拉伸试件取L0=5d，或L0=10d，其伸长率分别以δ5和δ10表示。对于相同钢材，δ5大于δ10。通常，钢材是在弹性范围内使用的，但在应力集中处，其应力可能超过屈服强度，此时产生一定的塑性变形，可使结构中的应力产生重分布，从而使结构免遭破坏。2、断面缩减率：断面缩减率按下式计算：010AAA式中：A0——试件原始截面积；A1——试件拉断后颈缩处的截面积。伸长率和断面缩减率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力