造價(jià)員建筑材料復(fù)習(xí) 建筑鋼材課件

目的要求了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系熟練掌握建筑鋼材的主要性質(zhì)及其實(shí)用意義掌握工程中常用的建筑鋼材的分類及其選用原則第7章建筑鋼材概述鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的鐵碳合金稱為鋼。建筑鋼材指用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。鋼材與非金屬材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性韌性好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺點(diǎn)是易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大。鋼的冶煉與分類

將生鐵在煉鋼爐中冶煉，使碳的含量降低到預(yù)定的范圍，其他雜質(zhì)含量降低到允許的范圍，經(jīng)澆鑄即得到鋼錠，再經(jīng)過加工工藝處理后得到鋼材。煉鋼的目的就是通過生鐵在煉鋼爐內(nèi)的高溫氧化作用，減少生鐵中碳和硫、磷等雜質(zhì)含量，以顯著改善其技術(shù)性能，提高質(zhì)量。將生鐵中的含碳量降至2％以下，使磷、硫等雜質(zhì)含量降至一定范圍內(nèi)即成為鋼。

鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼是脫氧充分、鑄錠時(shí)鋼液平靜的鋼，故稱鎮(zhèn)靜鋼；代號(hào)為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號(hào)為“b”。

二、按冶煉時(shí)脫氧程度分類

沸騰鋼煉鋼時(shí)僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全，這種鋼水澆入錠模時(shí)，會(huì)有大量的CO氣體從鋼水中外逸，引起鋼水呈沸騰狀，故稱沸騰鋼，代號(hào)為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。鋼的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分

純鐵的晶格類型鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體。純鐵的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格(見圖)。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。鋼晶格的兩種構(gòu)架910-1400度的純鐵（γ-Fe）為面心立方晶格；在900度以下的純鐵（α-Fe）為體心立方晶格。鋼的基本晶體組織鋼材在常溫下主要有三種顯微組織：鐵素體:鋼材中的鐵素體為碳在α-Fe中的固溶體，由于α-Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力較差，故鐵素體含碳量很少（小于0.005％），由此決定其塑性、韌性好；但強(qiáng)度、硬度低。滲碳體:滲碳體為鐵和碳的化合物Fe3C，其含碳量高達(dá)6.67％，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塑性差，性硬脆，是鋼中主要強(qiáng)化組分。珠光體:珠光體為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，層狀結(jié)構(gòu)，性能介于鐵素體和滲碳體之間。

2.硅、錳

硅、錳是鋼中的有益元素。大部分溶于鐵素體中，當(dāng)硅含量小于1％時(shí)，可提高鋼材的強(qiáng)度，對(duì)塑性、韌性影響不大；錳一般含量在1％～2％之間，除強(qiáng)化外，能消弱硫和氧引起的熱脆性，且改善鋼材的熱加工性。

3.磷、硫

磷、硫是鋼中有害的元素。隨著磷含量的增加，鋼材的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、硬度均提高，而塑性和韌性顯著降低。特別是溫度愈低，對(duì)塑性和韌性的影響愈大，顯著加大鋼材的冷脆性。磷也使鋼材的可焊性顯著降低。硫的存在會(huì)加大鋼材的熱脆性，降低鋼材的各種機(jī)械性能，也使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變圖

①彈性階段(OA段)②屈服階段(AB段)③強(qiáng)化階段(BC段)④頸縮階段(CD段)伸長率的測(cè)量

％故—般以B下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)。鋼材受力達(dá)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)度取值依據(jù)。強(qiáng)化階段(BC段)：當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)以后，由了試件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗變形能力又重新提高，故稱為強(qiáng)化階段。對(duì)應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度。工程上使用的鋼材，不僅希望具有高的屈服強(qiáng)度，還希望具有一定的屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。

但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.58～0.63，合金鋼為0．65～0．75。頸縮階段(CD段)當(dāng)鋼材強(qiáng)化達(dá)到最高點(diǎn)后，在試件薄弱處的截面將顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增加，拉力也就隨著下降，最后發(fā)生斷裂。冷彎性能

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，為鋼材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度(a)和彎心直徑(d)為指標(biāo)表示。鋼材冷彎試驗(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(180°或90°)時(shí)，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)的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性能愈好。

鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖

沖擊韌性

沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。將有缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，用擺錘打斷試件，測(cè)得試件單位面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值α表示，α值愈大，表明鋼材在斷裂時(shí)所吸收的能量越多，則沖擊韌性越好。

HB=P/F

疲勞強(qiáng)度受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。

鋼材的疲勞破壞先在局部形成細(xì)小裂紋，由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。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(cè)量時(shí)常以2×106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材的疲勞強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。一般來說，鋼材的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。

將經(jīng)過冷拉的鋼筋。于常溫下存放15—20d，或加熱到100—200°C并保持2～3h后，則鋼筋強(qiáng)度將進(jìn)一步提高，這個(gè)過程稱為時(shí)效處理，前者稱自然時(shí)效，后者稱為人工時(shí)效，通常對(duì)強(qiáng)度較低的鋼筋可采用自然時(shí)效，強(qiáng)度較高的鋼筋則需采用人工時(shí)效。鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑移，導(dǎo)致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪扭畸變，滑移面變得凹凸不平，對(duì)晶粒進(jìn)一步滑移起阻礙作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服強(qiáng)度得以提高。同時(shí)，冷加工強(qiáng)化后的鋼材，由于塑

性變形后滑移面減少，從而使其塑性降低，脆性增大，且變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼的彈性模量降低。鋼筋經(jīng)冷拉及時(shí)效以后，屈服強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度亦有所提高，塑性和韌性則要相應(yīng)降低，彈性模量基本恢復(fù)。脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號(hào)中予以省略。例如：Q235－A·F表示屈服點(diǎn)為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。隨著牌號(hào)的增大，其含碳量增加，強(qiáng)度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。建筑工程中主要應(yīng)用的是碳素鋼Q235。Q235——強(qiáng)度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也較好，是常用的牌號(hào)，大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板用于建造房屋和橋梁等。Q235-A一般用于只承受靜荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)。Q235-B適合用于承受動(dòng)荷載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)，Q235-C適合用于承受動(dòng)荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)，

Q235-D適合用于低溫環(huán)境使用的承受動(dòng)荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼以屈服強(qiáng)度劃分成五個(gè)等級(jí)：Ｑ295、Q345、Q390、Q420、Q460，質(zhì)量分為五個(gè)等級(jí)：A、B、C、D、E。

由于合金元素的強(qiáng)化作用，使低合金結(jié)構(gòu)鋼不但具有較高的強(qiáng)度，且具有較好的塑性、韌性和可焊性。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(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)。HPB235光圓鋼筋的強(qiáng)度較低，但塑性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因而廣泛用作普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力筋及各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造筋。

HRB335、HRB400帶肋鋼筋

的強(qiáng)度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋。

HRB500帶肋鋼筋強(qiáng)度高，但塑性和可焊性較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋是熱軋圓盤鋼筋的深加工產(chǎn)品，是一種新型高效建筑鋼材。牌號(hào)按抗拉強(qiáng)度分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170優(yōu)點(diǎn)強(qiáng)度高、塑性好、握裹力強(qiáng)等，而且節(jié)約鋼材、降低成本，其綜合性能優(yōu)良。應(yīng)用

CRB550宜用作普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其它牌號(hào)宜用作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中。鋼結(jié)構(gòu)用鋼材

鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成型的型鋼和鋼板等；鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。熱軋型鋼

鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼有：工字鋼、H型鋼、T型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼等。型鋼由于截面形式合理，材料在截面上分布對(duì)受力最為有利，且構(gòu)件間連接方便，所以它是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。鋼板分類按供貨：以平板狀態(tài)供貨的稱鋼板以卷狀供貨的稱鋼帶按軋制溫度：分為熱軋和冷軋兩種按厚度：熱軋鋼板分為厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度為0.35-4mm）兩種冷軋鋼板只有薄板(厚度0.2-4mm)一種。應(yīng)用建筑用鋼板及鋼帶主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼。一般厚板可用焊接結(jié)構(gòu)；薄板可用作屋面或墻面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)，或用作涂層鋼板的原材料；還可用來彎曲為型鋼。

鋼材的銹蝕和防止

鋼材的腐蝕

鋼材與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱作腐蝕（銹蝕）。腐蝕不僅使鋼材有效截面積減小，還會(huì)產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會(huì)顯著降低鋼的強(qiáng)度、塑性韌性等力學(xué)性能。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。一、化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕指鋼材與周圍的介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用，生成疏松的氧化鐵而引起的腐蝕。在干燥環(huán)境中化學(xué)腐蝕的速度緩慢，但在溫度高和濕度較大時(shí)腐蝕速度大大加快。

電化學(xué)腐蝕

鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成，并含有雜質(zhì)，由于這些成分的電極電位不同，當(dāng)有電解質(zhì)溶液(如水)存在時(shí)，就會(huì)在鋼材表面形成許多微小的局部原電池。整個(gè)電化學(xué)腐蝕過程如下：陽極區(qū)：Fe-2e=Fe2+

陰極區(qū)：2H2O+2e+1/2O2=2OH-+H2O

溶液區(qū)：Fe2++2OH-=Fe(OH)2

Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

水是弱電解質(zhì)溶液，而溶有CO2的水則成為有效的電解質(zhì)溶液，從而加速電化學(xué)腐蝕的過程。鋼材在大氣中的腐蝕，實(shí)際上是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕共同作用所致，但以電化學(xué)腐蝕為主。鋼材的防腐

鋼材的腐蝕既有內(nèi)因（材質(zhì)），又有外因（環(huán)境介質(zhì)的作用），因此要防止或減少鋼材的腐蝕可以從改變鋼材本身的易腐蝕性，隔離環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)或改變鋼材表面的電化學(xué)過程三方面入手。

一、合金法

這是一種極好的防止鋼材銹蝕的技術(shù)措施，即在冶煉過程中加入能提高抗腐蝕能力的合金元素，如鉻、鎳、錫、鈦等，制成不同的合金鋼，能有效地提高鋼材的抗腐蝕能力。

二、金屬覆蓋用耐腐蝕性好的金屬，以電鍍或噴鍍的方法覆蓋在鋼材表面，提高鋼材的耐腐蝕能力。常用的方法有：鍍鋅（如白鐵皮）、鍍錫（如馬口鐵）、鍍銅和鍍鉻等。

非金屬覆蓋

在鋼材表面用非金屬材料作為保護(hù)膜，與環(huán)境介質(zhì)隔離，以避免或減緩腐蝕。如噴涂涂料、搪瓷和塑料等。

涂料通常分為底漆、中間漆和面漆。底漆要求有比較好的附著力和防銹能力，中間漆為防銹漆，面漆要求有較好的牢度和耐候性以保護(hù)底漆不受損傷或風(fēng)化。一般應(yīng)用為兩道底漆（或一道底漆和一道中間漆）與兩道面漆，要求高時(shí)可增加一道中間漆或面漆。使用防銹涂料時(shí)，應(yīng)注意鋼構(gòu)件表面的除銹以及低漆、中間漆和面漆的匹配。