建筑鋼材的種類、性能和應(yīng)用

1、建筑鋼材的種類、性能和應(yīng)用 黑色金屬（生鐵、鋼）金屬材料 有色金屬（鋁、銅等及合金）鋼材是土木工程中用量最大的金屬材料建筑鋼材種類：鋼結(jié)構(gòu)用的型鋼、鋼板，鋼筋混凝土用的鋼筋、鋼絲、鋼絞線等。優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)度高、韌性、塑性好； 能經(jīng)受沖擊和振動(dòng) 易于加工和裝配 缺點(diǎn)：易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用高 耐火性差 9.1 鋼材的冶煉煉鋼的原理將熔融的生鐵進(jìn)行氧化，使碳的含量降低到一定限度，同時(shí)把其它雜質(zhì)的含量也降低到容許的范圍內(nèi)。即：含碳量在2以下，有害雜質(zhì)含量較少的FeC合金稱為鋼主要煉鋼方法： 平爐煉鋼法 氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法 電弧爐煉鋼法依據(jù)脫氧程度：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼鋼材的分類按化學(xué)成分： 低碳鋼（含C量） 碳

2、素鋼 中碳鋼（含C量0.60%） 高碳鋼（含C量0.60%） 低合金鋼（合金元素總量10%）鋼的分類按質(zhì)量分： 普通碳素鋼 優(yōu)質(zhì)碳素鋼 高級優(yōu)質(zhì)鋼按用途分： 結(jié)構(gòu)鋼 工具鋼 特殊鋼（如軸承鋼）建筑上最常用：普通低碳鋼和普通低合金結(jié)構(gòu)鋼9.2 建筑鋼材的主要技術(shù)性能包括： 拉伸性能 沖擊韌性 力學(xué)性能 疲勞強(qiáng)度 硬度 冷彎性能 工藝性能 冷加工性能 焊接性能 一、拉伸性能四個(gè)階段：彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段頸縮階段 彈性階段（OA段）彈性極限，用p表示。此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值為常數(shù)，即彈性模量，用E表示， / = E。彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力。它是鋼材在受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要

3、指標(biāo)。常用低碳鋼的彈性模量E = (2.02.1)105 MPa，p = 180200MPa。 屈服階段（AB段）應(yīng)力超過p后，應(yīng)變增加很快，而應(yīng)力基本保持不變。這種現(xiàn)象稱為屈服。此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，試件開始產(chǎn)生塑性變形。曲線上開始發(fā)生屈服的點(diǎn)，稱為屈服點(diǎn)，這時(shí)的應(yīng)力稱為屈服極限，用s表示。鋼材受力達(dá)到屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。常用低碳鋼的s為185235Mpa。 強(qiáng)化階段當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)后，因塑性變形使其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，曲線又開始上升，稱為強(qiáng)化階段。曲線最高點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)

4、度，用b表示。常用低碳鋼的b為375-500MPa。屈強(qiáng)比（s/b）屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)越安全。但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。通常屈強(qiáng)比在之間比較合適。 頸縮階段應(yīng)力超過b后，試件的變形開始集中于某一小段內(nèi)，使該段的橫截面面積顯著減小，出現(xiàn)圖所示的頸縮現(xiàn)象，曲線開始下降，直至點(diǎn)，試件被拉斷。 硬鋼的屈服點(diǎn)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土用的高強(qiáng)度鋼筋和鋼絲具有硬鋼的特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高，無明顯的屈服階段，伸長率小。這類鋼材由于沒有明顯的屈服階段，不能測定屈服點(diǎn)，故常用發(fā)生塑性變形0.2%時(shí)的應(yīng)力作為規(guī)定的屈服極限，用 表示。硬鋼的屈服點(diǎn)疲勞強(qiáng)度疲勞破壞：受交變荷

5、載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象。疲勞強(qiáng)度：鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為疲勞強(qiáng)度極限。實(shí)際測量時(shí)常以2*106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。二、塑性指標(biāo)A、 伸長率（ ）B、截面收縮率（ ）與值越大，說明材料的塑性越好三、沖擊韌性沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。鋼材的沖擊韌性用沖斷試樣時(shí)缺口處單位面積上所消耗的功沖擊功（ K ）來表示，K的單位為J/cm2。K越大表示鋼材抗沖擊的能力越強(qiáng)。 沖擊韌性試驗(yàn)示意圖影響沖擊韌性的因素鋼材的沖擊韌性對鋼的化學(xué)成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質(zhì)量都比較敏感。如，鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬

6、夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會(huì)使沖擊韌性顯著降低。影響沖擊韌性的因素K值還與試驗(yàn)溫度有關(guān)。某些材料在常溫時(shí)沖擊韌性并不低，破壞時(shí)呈現(xiàn)韌性破壞特征。但當(dāng)試驗(yàn)溫度低于某值時(shí)，沖擊韌性突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形而發(fā)生脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為鋼材的冷脆性。K劇烈改變的溫度稱為臨界溫度。承受動(dòng)荷載、負(fù)溫結(jié)構(gòu)等需檢驗(yàn)鋼材的冷脆性。四、硬 度硬度是金屬材料抵抗硬物壓入表面的能力，亦即材料表面抵抗塑性變形的能力。強(qiáng)度硬度：材料的強(qiáng)度越高，硬度值越大。硬度指標(biāo) 布氏硬度（HB） 洛氏硬度（HR） 鋼材的工藝性能工藝性能是指鋼材是否易于加工成型的性能。包括： 冷彎性能 冷拉性能 冷拔性能 可焊性能1、冷彎

7、性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度和彎心直徑d為指標(biāo)表示。1、冷彎性能鋼材的冷彎試驗(yàn): 是通過直徑（或厚度）為a的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d（d = na），彎曲到規(guī)定的角度時(shí)（180或90），檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若無則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時(shí)的彎曲角度越大，彎心直徑越小，則表示其冷彎性能越好。 鋼材的冷彎示意圖冷彎檢驗(yàn)的意義鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表示鋼材在靜荷載條件下的塑性。但冷彎是鋼材處于不利變形條件下的塑性，而伸長率是反映鋼材在均勻變形下的塑性。故冷彎試驗(yàn)是一種比較嚴(yán)格的檢驗(yàn)。它能揭示鋼材內(nèi)部組織的均勻性，以及存在內(nèi)

8、應(yīng)力或夾雜物等缺陷的程度。在拉力試驗(yàn)中，這些缺陷常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而反映不出來。在工程實(shí)踐中，冷彎試驗(yàn)還被用作檢驗(yàn)鋼材焊接質(zhì)量的一種手段，能揭示焊件在受彎表面存在的未熔合、微裂紋和夾雜物 。2、冷加工強(qiáng)化將金屬材料于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，其強(qiáng)度可明顯提高，塑性和韌性有所降低，這個(gè)過程稱為金屬材料的冷加工強(qiáng)化。冷拉冷加工的工程效益鋼筋經(jīng)冷拉后，一般屈服點(diǎn)可提高20%25%。由此可適當(dāng)減小鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面，或減少混凝土中配筋數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。鋼筋冷拉還有利于簡化施工工序。冷拉盤條鋼筋可省去開盤和調(diào)直工序；冷拉直條鋼筋則可與矯直、除銹等工序一并

9、完成 。B、冷 拔冷拔是強(qiáng)力拉拔鋼筋通過截面小于鋼筋截面積的拔絲模。冷拔作用比純拉伸的作用強(qiáng)烈，鋼筋不僅受拉，而且同時(shí)受到擠壓作用。經(jīng)過一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳鋼絲，其屈服點(diǎn)可提高40%60%，但失去軟鋼的塑性和韌性，而具有硬質(zhì)鋼材的特點(diǎn)。冷拔B、冷 軋冷軋是將圓鋼在軋鋼機(jī)上軋成斷面形狀規(guī)則的鋼筋，可提高其強(qiáng)度及與混凝土的粘接力。鋼筋在冷軋時(shí)，縱向與橫向同時(shí)產(chǎn)生變形，因而能較好地保持其塑性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性。3、焊接性能焊接：把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。焊接性能：是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)

10、生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度。影響因素：鋼材的化學(xué)成分對鋼材的可焊性有很大的影響。（低碳鋼的可焊性很好，隨著碳含量和合金含量的增加，鋼材的可焊性減弱。鋼中含硫也會(huì)使鋼材在焊接時(shí)產(chǎn)生熱脆性。）選擇：焊接結(jié)構(gòu)用鋼，選含碳量較低的氧氣轉(zhuǎn)爐或平爐鎮(zhèn)靜鋼。對高碳鋼及合金鋼，需要采用焊前預(yù)熱及焊后熱處理等措施。對焊示意圖焊接示意圖9.3 鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響碳含量對鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性有決定性的影響。隨著含碳量增加，鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度上升；但其塑性、冷彎性能和沖擊韌性降低，焊接性也變差。錳能提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而又不過多地降低塑性和沖

11、擊韌性；錳能顯著改善鋼材的冷脆性能；錳還能消減硫和氧導(dǎo)致的熱脆性，改善鋼材的熱加工性能。錳是低合金結(jié)構(gòu)鋼的主加元素，含量一般在1%2%范圍內(nèi)。它可細(xì)化晶粒，提高鋼材的強(qiáng)度。硅的含量較低（1%）時(shí)，可提高鋼材的強(qiáng)度，對塑性和韌性影響不明顯。硫和磷是鋼中十分有害的元素。硫化物所造成的低熔點(diǎn)使鋼在焊接時(shí)易于產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低可焊性。硫還將降低鋼材的塑性與沖擊韌性。磷將使鋼在低溫時(shí)韌性降低并容易產(chǎn)生脆性破壞。磷也降低鋼材的可焊性。鈦、釩、鈮等低合金鋼中常用的合金元素可細(xì)化晶粒，有效地提高強(qiáng)度。建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)與選用分： 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 鋼筋混凝土用鋼材 熱軋鋼筋 冷加

12、工鋼筋（冷拉鋼筋、冷拔鋼絲） 熱處理鋼筋 高強(qiáng)鋼絲和鋼絞線1、碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼分為Q195、Q215、Q235、Q275四個(gè)牌號，每個(gè)牌號又分為A、B、C、D四個(gè)等級。脫氧程度：F、Z、TZ。例如 ：Q 235-AF 表示屈服點(diǎn)為235MPa的A級沸騰鋼Q-屈服點(diǎn)字母235-屈服點(diǎn)數(shù)值A(chǔ)-質(zhì)量等級F-脫氧方法性能：依牌號增大，含碳量增加，其強(qiáng)度增大，但塑性、韌性降低。應(yīng)用： Q195、Q215的鋼用于鋼板、盤條、鉚釘 Q235 廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混泥土 Q275用于機(jī)械制造2.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼組成：在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5合金元素（硅、錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳等）。特點(diǎn)： 輕質(zhì)、

13、高強(qiáng)； 綜合性能好（耐腐蝕、耐低溫、抗沖擊、使用壽命長） 可焊性、冷加工性好牌號：如Q295-A表示屈服點(diǎn)為295Pa，質(zhì)量等級為A的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量等級符合，分A、B、C、D、E五級屈服點(diǎn)數(shù)值代表屈服點(diǎn)的漢語拼音字母Q應(yīng)用： 廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是大型結(jié)構(gòu)、重型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁工程、承受動(dòng)力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)。常用品種：工字鋼、H型鋼、T型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊型鋼等。特點(diǎn)：截面形式合理，材料在截面上分布對受力最為有利，且構(gòu)件間連接方便，所以是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。規(guī)格：通常以反映其斷面形狀的主要輪廓尺寸來表示。熱軋型鋼4.型鋼、鋼板、 鋼

14、管工字鋼冷彎薄壁型鋼 由26mm薄鋼板冷彎或模壓而成，有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼，主要用于輕型鋼結(jié)構(gòu)。鋼板、壓型鋼板 由光面軋輥軋制而成的扁平鋼材，平板狀態(tài)稱鋼板，卷狀稱鋼帶。建筑用鋼板及鋼帶主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼。鋼板可彎曲制型鋼。厚板可用于焊接；薄板可用作屋面或墻面等維護(hù)結(jié)構(gòu)，或作涂層鋼板的原材料。 混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低。用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用范圍，而混凝土又對鋼筋起保護(hù)作用。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制成。 二、 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼熱軋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用熱軋鋼筋應(yīng)有較高的強(qiáng)度，具有一定的塑性

15、、韌性、冷彎和可焊性。熱軋鋼筋是經(jīng)熱軋成型并自然冷卻的成品鋼筋，主要有用Q235軋制的光圓鋼筋和用合金鋼軋制的帶肋鋼筋兩類。 帶肋鋼筋(a)月牙肋鋼筋(b)等高肋鋼筋 冷拔鋼絲和冷軋帶肋鋼筋冷拔鋼絲是將Q235(或Q215)圓盤條通過截面小于鋼筋截面的鎢合金拔絲模而制成。 冷軋帶肋鋼筋是用低碳熱軋圓盤條經(jīng)冷軋或冷拔減徑后，在其表面冷軋成三面有肋的鋼筋。它克服肋冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點(diǎn)，同時(shí)具有和冷拉、冷拔相近的強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于在中、小型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。 預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋 熱處理鋼筋是將熱軋的帶肋鋼筋經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理而成的。其特點(diǎn)是塑性降低不大，但

16、強(qiáng)度提高很多，綜合性能比較理想，主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，代替碳素鋼絲。 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，抗增強(qiáng)度高，分為消除應(yīng)力光圓鋼絲（S）、消除應(yīng)力刻痕鋼絲（SI）、消除應(yīng)力螺旋力鋼絲（SH）和冷拉鋼絲（RCD）四種。SI和SH與混凝土的粘結(jié)力好。 預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲以絞捻和消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理而制成。分為三種結(jié)構(gòu)類型：12、13、和17。鋼絞線與混凝土的粘結(jié)力較好。鋼材的選用原則依據(jù)： 荷載性質(zhì) 使用溫度 連接方式 鋼材厚度 結(jié)構(gòu)重要性金屬的腐蝕金屬的腐蝕是指其表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而遭到的破壞。金屬材料若遭到腐蝕，將使受力面積減小，而且因局部銹坑的產(chǎn)生，可能造成應(yīng)力集中，促使結(jié)構(gòu)提前破壞。尤其是在有反復(fù)荷載作用的情況下，將產(chǎn)生銹蝕疲勞現(xiàn)象，使疲勞強(qiáng)度大為降低，出現(xiàn)脆性斷裂。在鋼筋混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，降低鋼筋混凝土構(gòu)件的承載能力。腐蝕的分類根據(jù)腐蝕作用的機(jī)