建筑钢材

建筑钢材基本知识钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。定义•指建筑工程中所用的各种钢材•包括：型钢，钢板，钢丝，钢筋工字钢圆钢、角钢钢丝绳钢管特点优点1、抗拉、抗压强度高；2、能承受冲击和振动荷载；3、塑性好、韧性好（能承受较大的弹性和塑性变形）；4、加工性好（可以在常温和高温下加工成各种需要的形状，同时还可以通过焊接、铆接、切割和弯曲等加工手段制成钢制品和钢结构）缺点1、易锈蚀；2、维护费用大应用随着我国钢铁工业的迅速发展，为建筑工程提供的钢材品种和数量都在不断增加，建筑工程中，许多结构，尤其多层、大跨结构及高层结构，受动荷载作用的工业厂房，将越来越多地使用钢材。意义建筑钢材是建筑中常用的材料。钢材的品种多，性质差别大。为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的了解本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗拉性能）、技术标准和选用。§8.1金属的微观结构及钢材的化学组成1、钢材的晶体结构钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁-碳合金晶体。钢材的成分对性能的影响除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。钢材的分类（一）按化学成分分低合金钢5%中合金钢=5～10%高合金钢10%（二）按含碳量分低碳钢（含碳量0.25%)中碳钢（含碳量0.25%~0.6％)高碳钢（含碳量0.26%)。（三）按主要性能及使用特性分结构钢（包括机械结构用钢及工程结构用钢）：包括碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢及合金结构钢等。碳素结构钢及低合金高强度结构钢是建筑工程用钢的主要钢种，大多数型钢、钢板、钢筋等是用这些钢轧制的。工具钢：主要用于刀具，模具等各种工具，含碳量一般较高，便于进行热处理。特殊性能钢及专门用途钢：主要有桥梁钢、铁道用钢、船舶用钢、压力容器用钢等。(四)按质量分普通质量钢优质钢特殊优质钢(五)按其加工工艺分压钢锻钢铸钢(六)按冶炼方法分转炉法平炉法电炉法(六)按钢脱氧程度分碳素钢可分为沸腾钢(F)、镇静钢(Z)和半镇静钢(b)及特殊镇静钢(TZ)。建筑钢材的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建筑钢材的主要力学性能在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。低碳钢的受拉过程分为四个阶段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－应变图一、弹性阶段OA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。0LL图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下:s下BsAFss屈服。三、强化阶段BC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：0LLαOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下s:bAFbbbC点对应的应力。强化。四、颈缩阶段CD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计算的指标：颈缩三个重要的指标1.屈服强度σs结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度σb钢材所能承受的最大应力屈强比屈强比，利用率，安全可靠程度3.伸长率δ衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好bsbs↑AF0LLαOApACDBB上B下sbsbbs↑↓%100001LLL2.0中碳钢、高碳钢的应力－应变图规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。1拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测的的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标。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，以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示。钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=na，n为整数），弯曲到规定的角度时（180°或90°），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。图2-12钢材的冷弯冲击韧性钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时冲击吸收功。钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。钢的化学成分例：S、P↑冲击韧性↓冶炼及轧制质量质量↑冲击韧性↑温度温度↓，冲击韧性↓ak影响冲击韧性的因素时效随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。硬度钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。用布氏法两种方法测定。布氏硬度测量原理图耐疲劳性设计承受交变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。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。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。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。钢材的强化与加工1、冷加工强化将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性、韧性，这个过程称为冷加工强化处理。建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。冷拔钢丝的屈服点可提高40％～60％。由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压作用。冷拉将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称之为冷拉。钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度。2、时效处理将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15～20d，或加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。时效处理方法有两种：在常温下存放15～20d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），称人工时效，适合于高强钢筋。说明：冷拉后屈服强度可提高20%-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。可节约钢材20%-30%。3、热处理热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理包括淬火、回火、退火和正火。钢材的焊接焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是。焊接质量的检验方法测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点钢材的防火钢是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露钢梁的耐火极限为0.15h。温度在200℃以内，可以认为钢材的性能基本不变；超过300℃以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；至达600℃时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。钢材的防火钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。钢材的防护钢材的腐蚀既有内因（材质），又有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋的防锈。建筑钢材的主要品种⑴碳素结构钢碳素结构钢可分为5个牌号（即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275），其含碳量在0.06%~0.38%之间。碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa和275Mpa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。牌号及其表示方法如下所示。Q235-BF:屈服强度是235MPa，B级，沸腾钢。牌号与性能的关系根据国家标准GB700-88的规定，碳素结构钢按屈服点分为五个牌号，当牌号增大时，钢材的含碳量提高，强度提高，伸长率降低，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。质量等级：取决于钢材内有害杂质S、P的含量，钢材的质量好，其焊接性能和低温抗冲击性能也提高。（2）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5％合金元素的钢材（常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等），具有强度高，塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀等特点。低合金高强度结构钢牌号及其表示方法低合金高强度结构钢的牌号的表示方法为：屈服强度－质量等级，它以屈服强度划分成五个等级：Ｑ295、Q345、Q390、Q420、Q460，质量也分为五个等级：E、D、C、B、A（根据所含硫、磷等有害物质的含量）。低合金高强度结构钢由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢的强度不但大大高于碳素结构钢，并且具有较好的塑性、韧性和可焊性，耐磨性、耐蚀性及耐低温性也好于碳素钢，其生产工艺与碳素钢相近，比采用碳素结构钢节省钢材，而且可以减轻自重，延长使用寿命，尤其适用于大跨度结构和桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构等。常用建筑钢材1、钢筋混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成，包括有热轧钢筋、冷轧扭钢筋和冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度，具有一定的塑性、韧性、冷弯和可焊性。热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用低合金钢轧制的带肋钢筋两类。冷拔钢丝和冷轧带肋钢筋冷拔钢丝是将直径为6.4～8mm的Q235(或Q215)圆盘