第八章 建筑钢材

影响冲击韧性的因素
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
时 效
随时间的延长而表现出强度提高， 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。 击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过 称为时效 程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形， 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 使用中经受震动和反复荷载的影响， 发展。 发展。
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） 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） 焊接、 等加工手段制成钢制品和钢结构
缺点
1、易锈蚀； 易锈蚀； 2、维护费用大
应
用
随着我国钢铁工业的迅速发展， 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 钢材品种和数量都在不断增加，建筑工程中， 多结构，尤其多层、大跨结构及高层结构，受动荷 多结构，尤其多层 大跨结构及高层结构， 多层、 载作用的工业厂房，将越来越多地使用钢材。 载作用的工业厂房，将越来越多地使用钢材。
§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 钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构， 铁-碳合金晶体。 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、 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 燃料中引入一些的其他元素。 性能有重要影响。这些成分可分为两类： 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 类能改善优、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、 钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、 氮、磷等。 磷等。
σ =F A
C D A B
试件的特点： 弹性 计算的指标：
弹性模量 E = σ ε = tgα E值的大小反映了钢材抵抗 弹性变形的能力。 弹性变形的能力。 弹性极限 σ p : A点对应 点对应 的应力。 的应力。
σp
α
O ε = ∆L L0 低碳钢受拉的应力－ 低碳钢受拉的应力－应变图
E1
＞
E2
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， 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力， 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 弯心直径d为指标表示。 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) 的试件， 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 na， 为整数）， 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° 90°），检查弯 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。 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 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。 度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。
Fb σb = A
σ =F A
四、颈缩阶段CD
图形的特点：
一段下降的曲线。
B上 A B下 B
C D
试件的特点：
变形迅速发展，在有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小—— 颈缩 ，直到断裂。
σb
σs σ p
α
O
ε = ∆L L0
计算的指标：
伸长率δ：
L1 − L0 δ= ×100% L0
L1 L0
三个重要的指标
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 即受压时抵抗局部塑性变形的能力。 布氏法两种方法测定。 布氏法两种方法测定。 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 设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时， 当了解所用钢材的疲劳强度。 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 受交变荷载反复作用， 的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏 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， 。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， 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。 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， 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。 成灾难性的事故。
意
义
建筑钢材是建筑中常用的材料。 建筑钢材是建筑中常用的材料。 钢材的品种多，性质差别大。 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 为了掌握钢材的合理使用， 产、组成、性质和用途等知识有一定的了解 组成、 本章的重点是钢材的技术性质 主要是抗 本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗 钢材的技术性质（ 拉性能）、技术标准和选用。 拉性能）、技术标准和选用。 ）、技术标准
工字钢
圆钢、角钢 圆钢、
钢丝绳
钢 管
特
优点
1、抗拉、抗压强度高； 抗拉、抗压强度高； 2、能承受冲击和振动荷载； 能承受冲击和振动荷载；
点
3、塑性好、韧性好（能承受较大的弹性和塑性变形）； 能承受较大的弹性和塑性变形）； 塑性好、 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 可以在常温和高温下加工成各种需要的形状，
冷 拉
将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长， 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。 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。 钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度。
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 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑 冷拉 性变形，从而提高屈服强度，降低塑性、韧性，这个过 性变形，从而提高屈服强度，降低塑性、韧性， 程称为冷加工强化处理。 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 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 由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面， 土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。冷拔作用比 土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。 纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压 纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉， 作用。 作用。
（三） 按主要性能及使用特性分
π 结构钢（ 结构钢（包括机械结构用钢及工程结构用 ）：包括碳素结构钢 优质碳素结构钢、 包括碳素结构钢、 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。 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、 要钢种，大多数型钢、钢板、钢筋等是用这些 钢轧制的。 钢轧制的。 工具钢：主要用于刀具，模具等各种工具， 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。 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、 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。 铁道用钢、船舶用钢、压力容器用钢等。
σs
σb
σs
中碳钢、高碳钢的应力－应变图
σ
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。
σ 0.2
ε1
ε
拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。 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 对钢材进行抗拉试验所测的的弹性模量、屈 弹性模量、 服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重 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。 要技术性质指标。
钢材的分类
（一）按化学成分分
低合金钢<5% 低合金钢<5% 中合金钢=5～ 中合金钢=5～10% 高合金钢>10% 高合金钢>10%
（二） 按含碳量分
低碳钢（含碳量<0.25%) 低碳钢（含碳量<0.25%) 中碳钢（含碳量0.25%~0.6％ 中碳钢（含碳量0.25%~0.6％) 高碳钢（含碳量>0.26%) 高碳钢（含碳量>0.26%) 。
低碳钢的受拉过程分为四个阶段
σ =F A
弹性阶段OA 弹性阶段OA 屈服阶段AB 屈服阶段AB
A B
C D
强化阶段BC 强化阶段BC 颈缩阶段CD
O
低碳钢受拉的应力－ 低碳钢受拉的应力－应变图
ε = ∆L L0
一、弹性阶段OA
图形的特点： 一条通过原点
的直线，应力与应变成正比。 的直线，应力与应变成正比。
屈服强度（也叫屈服点） s : σ 点对应的应力。 B下
Fs σs = A
三、强化阶段BC
图形的特点：
一段上升的曲线。
σ =F A
C B上 A B下 B D
试件的特点：
抵抗塑性变形的能力又重新 提高—— 强化。
σb
计算的指标：
抗拉强度
σs σ p
σ b :C点对应的应力。
α
O ε = ∆L L0 低碳钢受拉的应力－ 低碳钢受拉的应力－应变图
1.屈服强度σs
结构设计中钢材强度取值的依据
σ =F A
C B上 A B下 B