第七章 习题参考答案

习题题解1.按化学成分分类，将钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。

非合金钢是指冶炼时不特意掺合金元素的（但含有少量合金元素）钢，一般称为碳素钢。

低合金钢的合金含量和性能介于非合金钢和合金钢之间。

建筑工程中钢结构主要用钢为普通或优质碳素结构钢中的低碳钢和普通质量或优质的一般用途低合金结构钢；钢筋混凝土用钢筋和钢丝，主要应用普通质量的碳素钢筋用钢、普通质量的低合金钢筋钢和优质合金钢筋用钢。

所谓普通、优质和特殊质量是按质量等级分类的钢。

普通质量钢中硫、磷等杂质比优质钢多。

结构钢是按用途分类，以区别其它工具钢、切削钢、耐候钢等专门用途的钢。

非合金钢、低合金钢与合金钢的合金含量界限见GB/T13304-91。

2.建筑用钢的冶炼，主要使用氧气转炉和平炉冶炼。

氧气转炉钢是向氧气转炉中铁水内通入氧气，除去杂质比较彻底，钢质量比较好。

同时熔炼时间短、设备简单，比平炉钢成本低；平炉冶炼的主要是废钢、铁矿石等原料，冶炼时间长，除杂质彻底，钢的化学成分易控制，钢质量好。

尤其适合炼制优质钢和特殊用途专用钢。

由于平炉设备投资大、热效率低，所以钢的成本高。

建筑用钢大部分是氧气转炉钢。

根据冶炼后期加脱氧剂使FeO 还原成Fe 过程中的脱氧程度不同，将钢分成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

沸腾钢是脱氧不充分，气体杂质多，钢的时效敏感性大、钢的质量较差，性能不稳定，但钢的利用率高，成本低。

镇静钢和特殊镇静钢脱氧充分，钢质致密，钢性能稳定，质量好，但成本较高。

半镇静钢质量与成本介于上述二者之间。

3.屈服点（s σ）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s σ值；屈服点与抗拉强度的比值（/s b σσ）称为屈强比。

它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度；伸长率（δ）表示钢材的塑性变形能力。

钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处超过s σ时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免钢材提早破坏。

同时，常温下将钢材加工成一定形状，也要求钢材要具有一定塑性。

但伸长率不能过大，否则会使钢材在使用中发生超过允许的变形值。

4.冲击韧性是指在冲击振动荷载作用下，钢材吸收能量、抵抗破坏的能力。

冲击韧性以冲断试件时单位面积所消耗的功，称为冲击功（值）k a 来表示。

k a 值是在摆锤式冲击试验机测得冲断试件前后摆锤高1h 和2h （m ），当摆锤重量为()P N ，试件槽口处截面积为A （cm 2）,断裂后的k a 值（J/cm 2）按下式计算：k a 12()P h h =-/A 。

冲击韧性受钢的化学组成、晶体组织及含量、冶炼、轧制加工质量影响。

当钢中碳、磷、氮、氧等含量高、晶粒粗大、渗碳体含量高，钢中缺陷和杂质多、以及轧制不均匀、表面不平整、焊接处有热裂纹等情况时，冲击韧性都会降低。

除此之外，在低温条件下，或经时效后的钢材，其冲击韧性都降低。

5.随环境温度降低，钢材的冲击值（k a ）亦降低，当达到某一低温时，其k a 值显著降低的现象称为钢材的低温冷脆性。

出现低温冷脆性时的温度（范围），称为脆性临界温度（范围）。

随时间的推移，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性降低的现象称为时效。

因时效作用，钢材k a 降低的程度称为钢材的时效敏感性。

承受动荷载的结构，选用钢材时，必须按规范要求测定其k a 值。

处于低温条件下的钢结构要选用脆性临界温度低于环境最低温度的钢材。

若在严寒地区，露天焊接钢结构，受振动荷载作用时，要选用脆性临界温度低和时效敏感性小的钢材。

6.冷弯性能表示钢材在常温下易于加工而不破坏的能力。

其实质反映了钢材内部组织状态、含有内应力及杂质等缺陷的程度。

因此，可以利用冷弯的方法，使焊口处受到不均匀变形，来检查焊接质量。

7.在723℃以下，奥氏体全部分解后，碳素钢的基本组织有铁素体、珠光体和渗碳体三种。

铁素体塑性大，但抗拉强度和硬度不高；渗碳体硬度大，强度低，无延展性、脆性大；珠光体抗拉强度大，伸长率介于铁素体和渗碳体之间。

8.当含碳量等于0.8%时，晶体组织全部由珠光体组成，称共析钢。

珠光体性质决定了碳素钢的性质；当含碳量小于0.8%时，钢的晶体组织由铁素体和珠光体组成，称为亚共析钢。

随含碳量增加，铁素体减少，珠光体含量增加，钢的强度和硬度提高，而塑性、韧性降低；当含碳量大于0.8%时，钢的晶体组织由珠光体和渗碳体组成，称为过共析钢。

随含碳量增加，珠光体减少，渗碳体含量增加，钢的硬度增大，塑性和韧性降低。

当碳含量超过1%以后，渗碳体含量增加，使钢的脆性增加较大，碳素钢的强度开始降低。

9.碳素钢中含较多的磷时，Fe3P含量增加，常温下钢的塑性和韧性降低，脆性增大，尤其低温下冷脆性明显增大，降低了可焊性。

磷尚能使钢机械强度和切削加工能力增加。

硫以FeS夹杂物状态存在，使钢熔点降低，在焊接温度下，易产生热裂纹，增加钢的热脆性。

当钢中硫含量增加，显著降低钢的可焊性和热加工性能。

氮使钢强度增加，但降低塑性和韧性，增大钢的时效敏感性，尤其低温时显著降低冲击韧性。

氧多以氧化物状态存在于非金属夹杂物中，使钢机械强度降低，韧性显著降低，并有促进时效和增加热脆性作用。

锰固溶于铁素体中，可提高钢的强度，消除硫、氧引起的热脆性。

当锰含量为1%~2%时，珠光体晶粒细化，强度提高，韧性基本不变。

硅大部分溶于铁素体中，当Si含量小于1%时，可提高钢强度，对塑性和韧性影响不大。

10.碳素结构钢的牌号由代表屈服点的符号（Q）、屈服点值（195、215、235、255和275MPa）、质量等级（按磷、硫含量由多到少排列为A、B、C、D）脱氧程度[沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ），Z和TZ不作标注]来表示。

如Q235―A•F，Q235―C等。

建筑工程中广泛应用的碳素钢是Q235号钢。

主要是由它的屈服点、韧性、塑性和可焊性等综合性能比较符合建筑用钢的要求。

而Q215号钢塑性过大，强度偏低；Q255号钢强度虽高，但塑性和可焊性较差，均不如Q235钢理想。

11.上述四个牌号的钢均为Q235钢，是建筑中应用最多的碳素钢。

其中的性能差别主要表现在质量等级和脱氧程度上。

按磷、硫含量多少来衡量，D和C为优质钢质量最好，其次是B和A。

按脱氧程度衡量TZ 和Z质量最好，其次是b和F。

只有质量等级为D的钢，其脱氧程度有“TZ”。

综合评价上述四个牌号钢的质量和性能优劣的次序是Q235―D>Q235―C> Q235―B•b> Q235―A•F。

Q235―A•F钢，仅适用于承受间接动荷载的静荷载的结构。

一般的焊接钢结构可选Q235―B•b。

重要的焊接结构，受到动荷载作用或处在低温条件下工作的，应选用Q235―C，甚至选用Q235―D。

12.选用碳素结构钢应考虑所受荷载类型、结构的重要性、焊接要求以及环境温度。

对于沸腾钢，在下列条件下应限制其使用。

动荷载焊接钢结构；动荷载非焊接钢结构，但其计算温度低于―20℃时；静荷载或间接动荷载作用，计算温度低于―30℃的焊接钢结构。

13.低合金结构钢之所以被广泛采用，主要是由于它的机械强度高，韧性、塑性、可焊性等综合性能好，而且掺入合金元素对成本增加不大，但对性能改善明显，钢质量稳定，可节省大量钢材。

普通或优质低合金结构钢主要用来轧制型钢、钢板、钢带几棒钢等制品。

用于一般结构工程及建筑中的大跨度、大承载力、高层的钢结构。

优质低合金钢筋钢用来轧制Ⅱ、Ⅲ级钢筋。

14.钢号为15MnV是钢结构用低合金钢中的一个牌号。

碳的平均含量为万分之15，主合金元素为锰，付合金元素为钒，锰的含量为1.0%~1.4%、钒含量为0.01%~0.12%。

为脱氧比较彻底的镇静钢。

45Si2MnTi是热轧钢筋中Ⅳ级钢筋的一种。

其碳的平均含量为0.45%，平均硅含量为2%，即<2.5%，但>1.5%，Mn含量小于1.4%，Ti的含量小于0.13%，为镇静钢。

该钢是优质合金钢筋钢的一种。

15.热轧钢筋按强度等级（屈服强度）分为四个级别。

由Ⅰ级到Ⅳ级，钢筋的机械强度不断提高，而塑性、韧性降低，可焊性亦相应降低。

Ⅰ级钢筋是由Q235钢筋钢热轧的光圆钢筋，适合做非预应力混凝土用钢筋。

Ⅱ、Ⅲ级钢筋由普通低合金结构钢轧制。

可用于非预应力也可以用于预应力混凝构件中。

16.在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。

机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。

冷轧主要在钢厂进行。

时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放15~20天，或者加热到100~200℃，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。

常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。

在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。

同时还兼有调直、除锈的作用。

这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。

17.对热轧钢筋进行冷拉并时效处理的目的主要是为了提高钢材屈服点和节省钢材。

主要方法是对一般钢筋只控制冷拉率；对预应力钢筋以控制应力为主，控制冷拉率为辅的方法。

对达到规定冷拉率，但没达到控制应力的钢筋级使用。

时效处理的方法往往是对强度低的Ⅰ、Ⅱ级钢筋采取自然时效处理，对强度较高的Ⅲ、Ⅳ级钢筋采取人工时效处理。

18.冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点明显提高（20%~25%），抗拉强度也有所提高，塑性和韧性降低较大，弹性模量基本恢复。

19.冷拔低碳钢丝是由Q 215或Q 235盘圆钢筋拔制而成。

其抗拉强度可提高40%~60%，塑性和韧性明显下降而具有硬钢的性质。

拔制次数愈多，性能变化愈大。

主要用作中、小型预应力混凝土构件中。

碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线是将优质碳素钢经冷拔或再经回火、冷轧或者绞捻等加工而制成。

具有强度高、柔性好、无接头、质量稳定，使用安全可靠等特点。

主要用于桥梁、电杆、轨枕、吊车梁的预应力钢筋。

钢绞线适用于大承载力的后张法预应力重型或大跨结构中。

热处理钢筋是将热轧的螺纹钢筋经淬火和高温回火等调质处理而成。

其特点是塑性降低不大，但强度提高很多，质量稳定，综合性能理想。

适用于预应力钢筋构件。

20.0.2σ——表示硬钢（高碳钢）的条件屈服点，即规定将硬钢拉伸至塑性变形达到原长的0.2%时的应力值，作为设计取值的依据。

510δδ、——为钢筋原长（0L ）与原直径（d 0）之比（0L / d 0）分别为5倍和10倍时的伸长率。

100δ表示标距为100mm 钢丝的伸长率。

k α—冲击值（功）。

表示钢材的冲击韧性。

k ∂是在冲击试验机上将标准刚件冲断时单位面积上所消耗的功（J/cm 2）。

21.解：（1）确定钢筋级别1）计算出屈服点、抗拉强度及伸长率为：'322/42.410/375/N s P A N mm σπγ==⨯=''2367/s N mm σ=；A -公称截面积为113.1'3226210/3.146549/b N mm σ=⨯⨯=''2545/b N mm σ= '105071.160100%18.5%60l l l δ--=⨯== ''519.2%δ=2）与GB1499-91《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》对照： 's σ和''s σ均2335/N mm >'b σ和''b σ均2510/N mm >'5δ和''5δ均16%>则得出结论为；该钢筋为Ⅱ级钢筋（2）评价该钢筋该钢筋的屈强比（/s b σσ）为；(375+367)÷2/(549+545)÷2=0.68 该Ⅱ级钢筋/s b σσ在0.6~0.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠程度良好。