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6.1建筑钢材的冶炼加工6.2钢材的分类6.3建筑钢材的性能6.4化学成分对钢材性能的影响6.5建筑钢材的技术标准与选用6.6钢材的锈蚀与防护学习目标掌握建筑钢材的主要技术性质。了解钢材的化学组成及对钢材性能的影响。掌握钢材的选用原则。熟悉钢材的锈蚀原因及常用防护措施。建筑钢材是指建筑工程中所用的各种钢材，是现代建筑行业中主要的建筑材料之一。主要包括钢结构所用的各种型材和板材，以及混凝土结构所用的钢筋、钢丝和钢绞线等。钢材的主要优点是组织均匀密实，强度、硬度很高，塑性、韧性很好，可以进行铸造焊接、铆接切割和压力加工，便于拼装等；缺点是易锈蚀、耐火性差、维护费用高等。6.1.1钢材的冶炼方法1.按表观密度分类钢是由铁冶炼而成的。炼钢的过程就是将生铁进行精炼，减少生铁中碳、硫、磷等杂质含量，以显著改善其技术性能，提高质量。理论上，凡是含碳量在2%以下，含硫、磷等杂质较少的铁碳合金都可称为钢。根据炼钢设备的不同，建筑钢材的冶炼方法可分为转炉法、平炉法和电炉法三种。6.1.2冷加工硬化与时效对钢性质的影响1.按表观密度分类1.冷加工硬化冷加工是在常温下进行的机械加工，包括冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷冲和冷压等各种方式。通过冷加工的塑性变形，不仅能改变钢材的形状和尺寸，而且还能改变钢的晶体结构，产生加工硬化、应变时效与内应力等现象，从而改变钢的性能。由于塑性变形引起的屈服强度增高而塑性和韧性降低的现象称为冷加工硬化，或称形变强化。6.1.2冷加工硬化与时效对钢性质的影响1.按表观密度分类2.时效时效是另一种引起钢材强度、硬度提高，塑性、韧性降低的因素。这种经冷加工后，随着时间的延长，钢的屈服强度和强度极限逐渐提高，塑性和韧性逐渐降低的现象，称为应变时效，简称时效。6.1.3热处理对钢性质的影响1.按表观密度分类若将钢加热到临界温度以上，并保持一定时间后，以不同的速度冷却，则会形成完全不同的晶体组织。这种对钢进行加热、保温和冷却的综合操作工艺称为热处理，其目的在于通过不同的工艺，改变钢的晶体组织从而改变钢的性质。钢的热处理有退火、正火、淬火、回火等形式。6.2.2按冶炼时脱氧程度分类1.硅酸盐水泥的生产炼钢时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通常可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢四类。沸腾钢是脱氧不充分的钢；镇静钢是脱氧充分的钢；半镇静钢的脱氧程度和性能均介于沸腾钢和镇静钢之间，并兼有两者的优点；特殊镇静钢是比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程。6.2.3按品质(杂质含量)分类1.硅酸盐水泥的生产按钢材中有害杂质硫(S)和磷(P)含量的多少，钢材可以分为普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢四类。(1)普通钢。含硫量≤0.050%，含磷量≤0.045%。(2)优质钢。含硫量、含磷量均≤0.035%。(3)高级优质钢。含硫量、含磷量均≤0.025%。(4)特级优质钢。含硫量≤0.015%，含磷量≤0.025%。6.2.4按用途分类1.硅酸盐水泥的生产按用途的不同，钢材可分为结构钢、工具钢、特殊钢三类。(1)结构钢。结构钢是用于工程结构构件及机械零件的钢材，一般属于低碳钢和中碳钢。(2)工具钢。工具钢是用于各种刀具、模具及量具的钢材，一般属于高碳钢。(3)特殊钢。特殊钢是具有特殊物理、化学或机械性能的钢。6.2.5按产品类型分类1.硅酸盐水泥的生产按产品类型的不同，钢材可分为型材、板材、线材和管材等类型。(1)型材。型材是指用于钢结构中的角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨、轻钢门窗、钢板桩等。(2)板材。板材是指用于建造房屋、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。6.2.5按产品类型分类1.硅酸盐水泥的生产(3)线材。线材是指用于钢筋混凝土和预应力混凝土中的钢筋、钢丝和钢绞线等。(4)管材。管材是指用于钢桁架和供水、供气(汽)的管线等。6.3.1力学性能1.硅酸盐水泥的生产1.拉伸性能低碳钢的拉伸性能是建筑钢材最重要的性能，通过对钢材进行拉伸试验所测得的屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的3个重要技术指标。将低碳钢制成一定规格的试件，放在材料机上进行拉伸试验。钢材从受拉到拉断，经历了4个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。6.3.1力学性能1.硅酸盐水泥的生产2.冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。钢材的冲击韧性是将标准试件(中部加工有V形或U形缺口)放在摆锤式冲击试验机上进行冲击弯曲试验，试件缺口处受冲击破坏后，缺口底部处单位面积上所消耗的功，其符号为aK(J／cm2)。aK值越大，表示冲断试件时消耗的功越多，钢材的冲击韧度越好。6.3.1力学性能1.硅酸盐水泥的生产2.冲击韧性钢材进行冲击试验，能较全面地反映出材料的品质。试验表明，冲击值的大小能非常灵敏地反映出材料内部晶体组织、有害杂质、各种缺陷、应力状态以及环境温度等微小变化对性能的影响，因此，为了防止上述诸因素对钢材引起的脆性断裂，应经常用冲击值来检查其对钢材性能引起的变化，并作为选材的依据。6.3.1力学性能1.硅酸盐水泥的生产3.疲劳强度钢构件承受重复或交变荷载作用时，可能在远低于屈服强度的应力作用下突然发生断裂，这种断裂现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳强度(或称疲劳极限)来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。6.3.1力学性能1.硅酸盐水泥的生产3.疲劳强度研究表明，金属的疲劳破坏要经历疲劳裂纹的萌生、扩展及断裂三个过程。疲劳破坏的过程虽然是缓慢的，但断裂却是突发性的，事先并无明显的塑性变形，故危险性较大，往往造成灾难性事故。6.3.1力学性能1.硅酸盐水泥的生产4.硬度硬度是衡量钢材软硬程度的一个指标，它是表示钢材表面局部体积内抵抗变形或破裂的能力，且与钢材的强度有一定的内在联系。测定钢材硬度的方法很多，其中常用的有布氏法和洛氏法。6.3.2工艺性能1.硅酸盐水泥的生产1.冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯性能是钢材的重要工艺性能。建筑工程中，常常要把钢板、钢筋等材料弯曲成要求的形状，冷弯性能试验就是通过模拟钢材弯曲加工来进行的。通过检查被弯曲后钢件拱面和两侧面是否出现裂纹、起层或断裂来判定是否合格。6.3.2工艺性能1.硅酸盐水泥的生产2.可焊性钢材的可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。钢材的可焊性主要受化学成分及其含量的影响。6.3.2工艺性能1.硅酸盐水泥的生产2.可焊性含碳量小于0.25%的低碳钢具有良好的焊接性，随着含碳量的增加，焊接性下降。硫含量过高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性；杂质含量增加会使可焊性降低；锰、钒等化学元素也会增大焊接的硬脆倾向，降低可焊性。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-21.碳碳是决定钢性能的重要元素。当含碳量小于0.8%时，随含碳量的增加，钢的屈服强度、抗拉强度和硬度提高，冷脆性和时效敏感性增加，而塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性下降。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-22.硅硅是钢的主要合金元素，是钢中的有益元素，炼钢时作为脱氧剂而加入。其能提高钢的强度，而对钢的塑性和韧性影响不大，特别是当其含量小于1%时，对塑性和韧性基本上无影响。但含硅量超过1%时，钢材的冷脆性要增加，可焊性变差。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-23.锰锰也是炼钢时为了脱氧而加入的，是低合金钢的主要合金元素。含量小于1%时，可以提高钢的强度和硬度，且对钢的塑性和韧性影响不大，但锰含量较高时，将显著降低钢的可焊性。锰还可以起脱氧去硫的作用，能消除钢的热脆性，改善钢的热加工性能。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-24.硫、磷硫、磷是钢中的有害元素。硫多数以化合物FeS的形式存在于钢中。它是一种强度较低、性质较脆的夹杂物，受力时容易引起应力集中，降低钢的强度和疲劳强度。此外，FeS还能与Fe形成低熔点的物质，在高温下该物质首先熔化造成晶粒脱开，使钢变脆。这种在高温下使钢变脆开裂的性质叫热脆性。硫的热脆性大大降低了钢的热加工性和焊接性，是有害杂质，应严格控制其含量，一般不应超过0.065%。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-24.硫、磷磷可使钢的强度、耐腐蚀性和耐磨性提高，但会使钢的塑性和韧性显著降低，特别是使钢在低温下的韧性显著降低，即使钢的冷脆性显著增加。磷也降低钢的可焊性。但磷可使钢的耐腐蚀性提高，使用时须与铜等其他元素配合。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-25.氧、氮氧、氮是钢中的有害杂质。氧多数以FeO的形式存在于非金属夹杂物中，FeO是一种硬脆的物质，会使钢的塑性、韧性和疲劳强度显著降低，并增大时效敏感性，故钢中的含氧量一般不应超过0.05%。氮能提高钢的强度和硬度，但却显著降低钢的塑性和韧性，增大钢的时效敏感性和冷脆性，故含氮量不应超0.008%。硅酸盐水泥熟料的矿物组成非常复杂，其主要矿物和含量见表3-1。各种矿物单独与水作用时所表现出的特性见表3-26.铝、钒、铌、钛铝、钒、铌、钛都是常用的合金元素，也是炼钢时的强脱氧剂，适量加入钢中可改善钢的组织，细化晶粒，提高钢的强度，改善韧性和可焊性6.5.1钢结构用钢1.碳素结构钢1)牌号表示方法钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。主要符号及意义如下。Q——钢材屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母。A、B、C、D——分别为质量等级。6.5.1钢结构用钢1.碳素结构钢1)牌号表示方法F——沸腾钢“沸”字汉语拼音首位字母。Z——镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母。TZ——特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。6.5.1钢结构用钢1.碳素结构钢2)技术要求钢板、钢带、型钢和钢棒的尺寸、外形、质量及允许偏差应分别符合相应标准的规定。碳素结构钢的技术要求包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态及表面质量五个方面。6.5.1钢结构用钢1.碳素结构钢3)碳素结构钢的特性及应用土木工程中应用最广泛的碳素结构钢是Q235，即用Q235轧制成各种型钢、钢板及钢筋。Q195、Q215钢，强度低，塑性和韧性较好，具有良好的可焊性，易于冷加工，常用作钢钉、胡钉、螺栓及钢丝等，也可用作轧材用料。Q215钢经冷加工后可代替Q235钢使用。6.5.1钢结构用钢2.低合金高强度结构钢国低合金高强度结构钢的生产特点是：在普通碳素钢的基础上，加入少量我国富有的合金元素，如硅、钒、钛、稀土等，以使钢材的强度与综合性能得到明显提高，或使其成为具有某些特殊性能的钢种。6.5.2钢筋混凝土结构用钢1.热轧钢筋用加热钢坯轧成的条形成品钢筋，称为热轧钢筋，是建筑工程中用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋。混凝土用热轧钢筋要求有较高的强度，有一定的塑性和韧性，可焊性好。6.5.2钢筋混凝土结构用钢1.热轧钢筋根据其表面特征不同，热轧钢筋分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋。热轧光圆钢筋的截面为圆形；热轧带肋钢筋的截面也为圆形，其表面通常带有两条纵肋，也可不带纵肋，沿长度方向有均匀分布的月牙形横肋。月牙肋钢筋具有生产简便、强度高、应力集中、敏感性小、疲劳性能好等特点。6.5.2钢筋混凝土结构用钢2.预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋是用8mm、10mm的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调直处理而成的钢筋，代号为RB150，有直径为6mm、8.2mm、10mm三种规格。其条件屈服强度不小于1325MPa