第八章金属材料

钢的化学成分对钢材性能 的影响
1.碳是决定钢材性能的主要元素。
随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提 高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于 1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。
2.硅、锰
加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和 FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣 排出，起到脱氧、降硫的作用。
(一)
碳素结构钢的牌号表示方法
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、脱氧程度符号 四部分按顺序组成。
脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略
质量等级代号：A、B、C、D
屈服点数值（N/mm2）： 195、215、235、255、275
钢材屈服点代号：Q
随着牌号的增大钢的碳含量、抗拉强度增大， 塑性、韧性、冷弯性能降低。


选择：焊接结构用钢，选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇 静钢。对高碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处 理等措施。
建筑钢材的 常用钢种
一

碳素结构钢
普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化 学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳 合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含 有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。
变形钢筋

一、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 合金钢轧制的带肋钢 筋两类。
带肋钢筋 (a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋
热轧钢筋的力学性能和工艺性能



热轧光圆钢筋HPB235级：强度较低，但塑性 及焊接性能很好，便于各种冷加工，用作普 通钢筋混凝土构件的受力筋及构造筋； HRB335和HRB400钢筋：强度较高，塑性和焊 接性能也较好，广泛用作大、中型钢筋混凝 土结构的受力钢筋； HRB500钢筋：强度高，但塑性和焊接性能较 差，可用作预应力钢筋。
计算的指标：
抗拉强度
s p
b : C点对应的应力。
α
O L L0 低碳钢受拉的应力－应变图
Fb b A
建筑钢材的抗拉性能
F A
四、颈缩阶段CD

C B上
图形的特点： 试件的特点：
b
D
B
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—— 颈缩 ，直到断裂。

钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。
1、冷拉：钢筋冷拉 是在常温下将其 拉至应力超过屈 服点达到E点， 但小于抗拉强度 时即卸荷。如立 即重新拉伸，则 新的屈服点将高 于原来的屈服点 而达到E点，以 后的应力应变关 系将与原来的曲 线ECD相似。
应力
强化
E B A
C
破坏
D
屈服
弹性
应变 O F G
镇静钢 半镇静钢
充分
建筑钢材的 主要技术性能
抗拉性能 建 筑 钢 材 的 技 术 性 能 力学性能 冲击韧性 疲劳强度
工艺性能
硬 度
冷弯性能
化学性能
一、钢材的拉伸性能
d0
L0
L0=5d0或10d0 F1
ΔL1
F1 F2
ΔL2
F2
F3
钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例
F3
低碳钢的受拉过程分为四个阶段
1. 承载力高而重量较轻；
材质均匀、致密，可靠性高； 钢材的塑性和韧性好； 加工性能好，便于安装； 耐热性较好。
优点
特点 缺点
2. 3. 4. 5.
1.
2. 3.
易锈蚀；
耐火性差； 能耗大、成本高；
世贸大厦倒塌
建筑钢材
钢的生产与分类
四、钢的生产
钢的生产过程
炼钢——生铁+氧
钢的生产
钢的生产方法 铸锭 脱氧处理 化学偏析
F A
弹性阶段OA 屈服阶段AB
A B
C D
强化阶段BC
颈缩阶段CD
O
低碳钢受拉的应力－应变图 建筑钢材的抗拉性能
L L0
一、弹性阶段OA

F A
C D A B
图形的特点： 一条通过原点 试件的特点： 弹性
p
的直线，应力与应变成正比。

计算的指标：
弹性模量 E
α
O L L0 低碳钢受拉的应力－应变图

降低了钢材的强度、冷弯性能和焊 接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使 冷脆性及时效敏感性增加。
5.铝、钛、钒、铌

是钢的强脱氧剂和合金元素。能 改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性， 并显著提高强度。
钢材的冷加工
(一) 钢材的冷加工及时效
冷加工强化处理是指常温下对钢材进行冷拉、 冷拔或冷轧，使其产生塑性变形并提高屈服 点。

α
O L L0 低碳钢受拉的应力－应变图
计算的指标：
屈服强度（也叫屈服点） s : B下 点对应的应力。
Fs s A
建筑钢材的抗拉性能
三、强化阶段BC

图形的特点：
试件的特点：
F A
一段上升的Leabharlann 线。B上C D B

抵抗塑性变形的能力又重新 提高—— 强化。
A B下
b

1. 2. 3. 4.
氧气转炉法 空气转炉法 平炉炼钢法 电炉炼钢法
钢的铸锭
钢的压力加工
热加工 冷加工
生铁矿
Fe2O3
高炉中高温、加C（燃料）、石灰石等溶剂
生铁 加 氧 FeO、Fe2O3
加 Mn、 Si 脱 氧 C+O2 S+O2 P+O2 CO2 SO2 P2O5
Fe，含C、S、P等有害元素， 硬而脆、塑性差、抗拉强度差。
tg E值的大小反映了钢材抵抗 弹性变形的能力。 弹性极限 p : A点对应 的应力。
建筑钢材的抗拉性能
E1
＞
E2
二、屈服阶段AB

图形的特点：一条波动的曲
F A
线，应力增加很小，而应变增加 很大。

C B上 A B下 B D
试件的特点：所能承受的拉
s p
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。

s p
A B下

α
O
L L0
计算的指标：
L1 L0 100 % L0
伸长率δ：
L1 L0
建筑钢材的抗拉性能
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
F A
C B上 A B下 B
s b
D
2.抗拉强度σb
钢材所能承受的最大应力 s 屈强比 b

合金元素的含量按四舍五入原则标记，如 含量小于1.5%时只标写元素符号；含量为
1.5%～2.49%，则标注“2”；含量为2.5%～
3.49%时，则标注 “3”；其余类推。

如35Mn2，表示含碳量为0.35%，含锰量为
1.5%～2.49%。

34CrNi3Mo，45SiMnV
钢筋混凝土用钢材
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。
时效：冷拉的钢筋，常温下存放一定时间。新 的屈服强度还会进一步提高到A’。
应力 A' B' C' D'
C E B A D
应变 O F G
时效处理：一般常温下存放15～20天，用于 Ⅰ级钢筋（自然时效）；加热100～200°并保 持一定时间（2h），用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级 钢筋（ 人工时效）
2、冷拔：将钢筋通过比原来直径小的拔丝摸 拔出，钢筋受挤压后更密实、均匀。 效果：屈服强度和抗拉强度提高； 塑性、韧性下降 ，脆性升高。 在常受冲击荷载作用、低温的环境中， 不宜采用冷拔钢筋。
二、冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是用低碳热轧圆盘条经冷轧或 冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢 筋。它克服冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点， 同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，广泛应 用于在中、小型预应力混凝土结构构件和普 通混凝土结构构件中。
冷轧带肋钢筋
三

预应力混凝土用热处理钢筋
热处理钢筋是将热轧的带肋钢筋经淬火和高 温回火调质处理而成的。其特点是塑性降低 不大，但强度提高很多，综合性能比较理想， 主要用于预应力混凝土轨枕，代替碳素钢丝。
3.硫、磷

硫使钢材的热脆性增加，磷能使钢 的强度、硬度提高，但显著降低钢材的 塑性和韧性，使钢材的冷脆性增加。
“热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当 热加工及焊接使温度达800～1000℃时，使 钢材出现裂纹、变脆的现象。 “冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧 性大幅度下降的现象。

4.氧、氮
建筑钢材
本 章 内 容


钢的冶炼及分类
建筑钢材的主要技术性能 钢材的冷加工强化及热处理 建筑钢材的常用钢种

钢筋混凝土用钢材
钢的冶炼和分类
建筑钢材
前言
一、建筑钢材的类型
1. 2. 结构用的角钢 I字钢（基础支撑） 槽钢 方钢 吊车轨 钢板桩 薄板 厚板 钢筋 钢丝 钢绞线
型材
3. 4. 5. 6.
(二)焊接性能

焊接：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。 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， 特别是强度不低于原有钢材的强度。 影响因素：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。