建筑钢材6.

第六章建筑钢材建筑钢材是建筑工程中所用各种钢材的总称。钢材具有强度高，有一定塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载，可以焊接或铆接，便于装配等优点；其缺点主要是易锈蚀，维护费用大，耐火性差，生产能耗大。在建筑工程中钢材被大量用作结构材料，并被列为建筑工程的三大重要材料之一.本章内容21概述2建筑钢筋的主要技术性能4常用建筑钢材5钢材的检验3建筑钢材的技术标准及应用一钢的冶炼第一节概述平炉炼钢转炉炼钢电炉炼钢钢的冶炼钢是将炼钢生铁在1700℃左右的炼钢炉中冶炼，把生铁中的杂质氧化，将含碳量降到2.06%以下，并将其他元素调整到规定范围。钢的冶炼方法根据炼钢设备的不同主要分为平炉、转炉和电炉三类。建筑钢多是平炉钢、顶吹氧气转炉钢和侧吹碱性转炉钢。炼钢需要足够的氧，但如果钢材中残存了氧，会使钢质变差。因此，必须在冶炼后期脱氧。根据脱氧程度所表现的状态，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三类。钢材交货时，必须对所用炉种以规定的代号作出标志，脱氧状态也是钢质标志的内容。二、钢的分类合金钢碳素钢按化学成分分沸腾钢半镇静钢镇静钢特殊镇静钢按脱氧程度分特级优质钢优质钢普通钢高级优质钢按有害杂质含量分按用途分结构钢特殊钢工具钢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0.030%；硫含量不大于0.030%。(4)特级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.020%。按用途分类(1)结构钢。主要用作工程结构构件及机械零件的钢。(2)工具钢。主要用于各种刀具、量具及模具的钢。(3)特殊钢。具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。建筑钢材的产品一般分为型材、板材、线材和管材等几类。型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、轨道钢等。线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢铰线等。板材包括用于水利水电工程金属结构、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。管材主要用于钢桁架和供水、供气（汽）管线等。三、钢材的加工进行热轧将钢锭热轧钢材冶炼生产的钢，除极少量直接用作铸件外，绝大部分都是先浇铸成钢锭，然后再加工制成各种钢材。将钢锭加热到1150～1300℃后进行热轧，所得的产品为热轧钢材。将钢锭先热轧，经冷却至室温后再进行冷轧的产品为冷轧钢材。一般建筑钢材以热轧为主。钢管是用钢板加工焊制而成的。无缝钢管是对实心钢坯进行穿孔，经热轧、挤压、冷轧、冷拔等工艺而制得。钢材的技术性能包括力学性能和工艺性能两个方面。力学性能主要包括拉伸性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等；工艺性能是钢材在加工制造过程中所表现的特性，包括冷弯性能、焊接性能、热处理性能等第二节建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的技术性能力学性能工艺性能化学性能抗拉性能冲击韧性疲劳强度硬度冷弯性能一、拉伸性能钢材的拉伸性能，典型地反映在广泛使用的软钢（低碳钢）拉伸试验时得到的应力σ与应变ε的关系上，如图6-1。钢材从拉伸到拉断，在外力作用下的变形可分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。在拉伸的开始阶段，0A为直线，说明应力与应变成正比，即σ/ε=E。A点对应的应力σp称为比例极限。当应力超过比例极限时，应力与应变开始失去比例关系，但仍保持弹性变形。所以，e点对应的应力σe称为弹性极限。Oe为弹性阶段。低碳钢的受拉过程分为四个阶段建筑钢材的抗拉性能0LLOAF弹性阶段OA屈服阶段AB强化阶段BC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力－应变图屈服阶段AB当荷载继续增大，线段呈曲线形,开始形成塑性变形。应力增加到B上点后，变形急剧增加，应力则在不大的范围(B上、B下、B)内波动，呈现锯齿状。把此时应力不增加，应变增加时的应力σs，定义为屈服极限强度。屈服点σs是热轧钢筋和冷拉钢筋的强度标准值确定的依据，也是工程设计中强度取值的依据。该阶段为屈服阶段。超过屈服点后，应力增加又产生应变，钢材进入强化阶段，C点所对应的应力，即试件拉断前的最大应力σb，称为抗拉强度。抗拉强度σb是钢丝、钢绞线和热处理钢筋强度标准值确定的依据。BC为强化阶段。超过C点后，塑性变形迅速增大，试件出现颈缩，应力随之下降，试件很快被拉断，CD为颈缩阶段。图6-1低碳钢受拉应力—应变图6-2试件拉伸前和断裂后标距长度钢材的σe和σs越高，表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力就越大。σe与σb差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，结构的安全性高。试件拉断后，将拉断后的两段试件拼对起来，量出拉断后的标距长，见图6-2。按下式计算伸长率：（6-1）式中δ——试件的伸长率，%；——拉伸前的标距长度，mm；——拉断后的标距长度，mm。伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，其值越大说明钢材的塑性越好。塑性变形能力强，可使应力重新分布，避免应力集中，结构的安全性增大。标距的大小影响伸长率的计算结果，通常以δ5和δ10分别表示=5d0和=10d0时的伸长率。同一种钢材，其δ5大于δ10。某些线材的标距用=100mm，伸长率用δ100表示。中碳钢和高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，伸长率小。这类钢材由于没有明显的屈服阶段，不能测定屈服点，故常以发生残余变形为0.2%原标距长度时所对应的应力值，作为规定的屈服极限，用σ0.2表示。建筑钢材的抗拉性能一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。A点对应的应力。tgEα:p0LLOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pE1＞E2图形的特点：试件的特点：计算的指标：ABCD弹性极限一、弹性阶段OA二、屈服阶段AB一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。图形的特点：试件的特点：计算的指标：:s下BAFss屈服。αOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下s建筑钢材的抗拉性能0LLαOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下sb建筑钢材的抗拉性能一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高——抗拉强度图形的特点：试件的特点：计算的指标：:bAFbbC点对应的应力。强化。三、强化阶段BC一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——直到断裂。伸长率δ：图形的特点：试件的特点：计算的指标：AF0LLαOApACDBB上B下sb%100001LLLL1L0建筑钢材的抗拉性能颈缩四、颈缩阶段CD钢材抵抗冲击荷载不被破坏的能力称为冲击韧性。用于重要结构的钢材，特别是承受冲击振动荷载的结构所使用的钢材，必须保证冲击韧性。定义（二）冲击韧性钢材抵抗冲击荷载不被破坏的能力称为冲击韧性。用于重要结构的钢材，特别是承受冲击振动荷载的结构所使用的钢材，必须保证冲击韧性。钢材的冲击韧性用标准试件在做冲击试验时，每平方厘米所吸收的冲击断裂功（J/cm2）表示，其符号为αk。试验时将试件放置在固定支座上，然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲击弯曲而断裂。显然，αk值越大，钢材的冲击韧性越好。影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂缝时，钢材的冲击韧性都会显著降低。环境温度对钢材的冲击功影响很大。试验证明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度，其数值愈低，钢材的低温冲击韧性愈好。所以，在负温下使用的结构，应选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。由于脆性临界温度的测定较复杂，故规范中通常是根据气温条件规定—20℃或—40℃的负温冲击值指标。冲击韧性将随时间的延长而下降的现象称为时效，完成时效的过程可达数十年，但钢材如经冷加工或使用中受振动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性越大的钢材，经过时效后冲击韧性的降低越显著。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。总之，对于直接承受动荷载，而且可能在负温下工作的重要结构，必须按照有关规范要求进行钢材的冲击韧性检验。（三）疲劳强度钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应变力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏定义一般将承受变荷载达107周次时不发生破环的最大应力，定义为疲劳强度。定义钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。一般将承受交变荷载达107周次时不发生破坏的最大应力，定义为疲劳强度。在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。研究表明，钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂缝，由于裂缝尖端处产生应力集中而使裂缝迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。疲劳破坏常常是突然发生的，往往造成严重事故。（四）硬度定义硬度是指钢材抵抗外物压入表面产生塑性变形的能力。布氏法洛氏法维氏法测定方法硬度是指钢材抵抗外物压入表面产生塑性变形的能力。钢材的硬度是以一定的静荷载，把一定直径的淬火钢球压入试件表面，然后测定压痕的面积或深度来定的。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，较常用的为布氏法和洛氏法。相应的硬度试验指标称布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HR)。布氏法是利用直径为D(mm)的淬火钢球，以P(N)的荷载将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，以压痕表面积F(mm2)去除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值。各类钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。钢材的强度越高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也越大。对于碳素钢，当HB175时，抗拉强度σb=3.6HB；当HB175时，抗拉强度σb=3.5HB。根据这一关系，可以直接在钢结构上测出钢材的HB值，并估算出该钢材的抗拉强度。洛氏法是按压入试件深度的大小表示材料的硬度值。洛氏法压痕很小，一般用于判断机械零件的热处理效果。（一）冷弯性能二工艺性能（二）钢筋弯曲的检测步骤如下冷弯性能是指常温下对钢材试件按规定进行弯曲（90o或180o），钢材承受弯曲变形的能力。试样在力作用下弯曲至两臂相距规定距离且相互平行试样在力作用下弯曲至两臂直接接触①测定室温10～35℃。室温要求严格的实验室温是18～28℃。②依据给定条件进行弯曲，在作用力下弯曲程度分为③弯曲试验时应缓慢平稳地方施加试验力。冷弯性能是指常温下对钢材试件按规定进行弯曲(90o或180o)，钢材承受弯曲变形的能力。冷弯性能是钢材的重要工艺性能。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。冷弯检验是：按规定的弯曲角度和弯心直径进行弯曲后，检查试件弯曲处外面及侧面不发生裂缝、断裂或起层,即认为冷弯性能合格。冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率则是反映钢材在均匀变形下的塑性。因此，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。（三）焊接性能定义钢的焊接性能是指在一定焊接工艺条件下，在焊接及附近过热区不产生裂缝及硬脆倾向，焊缝