第六章_建筑钢材

破坏的能力。 ❖ 伸长率σ——表示钢材塑性，其值越大，塑性
越好
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5.2.1 力学性能
3、冲击韧性
定义：是指钢材抵抗冲击荷载的能力。
冲击韧性指标：是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定 的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截 面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击 韧性ak（Ｊ/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。
洛氏法：特点是压痕小，用于判断机械零件的热 处理效果。
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5.2.2 钢材的工艺性能
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5.2.2 钢材的工艺性能
1、冷弯性能
定义——是钢材在常温下承受弯曲变形的能力， 是钢材的重要工艺性能。用试件在常温下所能 承受的弯曲程度表示。
弯曲试验：弯心直径d与试件直径（或厚度）a 的比值d/a越小，弯曲角度α越大，说明试件 受弯程度越高，
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3.冷加工强化与时效强化
时效强化：将经过冷加工处理后的钢筋于常温 下存放15～20ｄ，或加热到100～200℃并保持 一段时间（2～3h），其屈服强度进一步提高， 且抗拉强度也提高，同时塑性、韧性也进一步 降低，弹性模量则基本恢复，这个过程称为时 效处理。前者称为自然时效，适用于低强度钢 筋；后者称为人工时效，适用于高强钢筋。
量不大于0.025 % ）
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按用途分类
结构钢：碳素结构钢、合金结构钢
工具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢
轴承钢：合金钢
特殊钢：桥钢、钢轨钢等
建筑用钢主要是普通碳素钢中的低碳钢和
合金钢中的低合金钢。
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5.2 钢材的 主要技术性能
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5.2.1 力学性能
❖ 强度 ❖ 塑性 ❖ 冲击韧性 ❖ 硬度
第6章 建筑钢材
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一、钢材的种类
❖ 钢结构工程用型钢（角钢、槽钢、工字钢 等）、钢板和钢管等。
❖ 钢筋混凝土结构工程用钢筋及钢丝。
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钢 结 构 网 架
槽 钢
工 字 钢
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角 钢
H型钢
钢 管
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冷
带
轧
肋
带
钢
肋
筋
钢
筋
钢 绞 线
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❖ 建筑用钢筋
螺纹钢
线材
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❖ 制作并绑扎好的钢筋
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二、钢材的优点
1.质量均匀，性能可靠。
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3.冷加工强化与时效强化
❖ 冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点 进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续 有所降低。由于时效过程中应力的消减，故 弹性模量可基本恢复。
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3.冷加工强化与时效强化
❖ 钢材产生时效的主要原因：溶于α一Fe中的 碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速 度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原 子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变 形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和 韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。
冷加工强化 冷加工—指钢材在再结晶温度下(一般是常温) 进行的机械加工
形式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷冲
结果：产生塑性变形，屈服点提高，塑性、韧 性降低，弹性模量下降。
主要目的：提高屈服强度，节约钢材。
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3.冷加工强化与时效强化
❖ 冷拉是降低碳钢丝从孔略小于钢丝直径的 拔丝模中强力拔出，使断面减小，长度伸 长的工艺过程。
适合于铸造、锻造、切割、压力加工、冷加工 或热处理；也可用铆接和焊接等多种连接方 式进行装配式施工。
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2.强度、硬度高。
适合于制作各种承载较大的构件和结构， 以及钢轨和机械加工用的切割工具。
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3.塑性、韧性好。
常温下能承受较大的塑性变形，便于冷 拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；
良好的韧性，使得钢材在常温下可以承 受较大的冲击作用，适合于制作吊车梁等 承受动荷载的结构和构件。
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5.2.1 力学性能
1.强度——是指钢材在外力的作用下，抵抗变形和断裂的 能力。
主要测试指标： ❖ 屈服强度 ❖ 抗拉强度 ❖ 伸长率（断面收缩率）等
测试方法：拉伸试验，应力—应变关系反映钢材的主要力 学特征
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钢材（低碳钢）的抗拉试验主要包括： 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段
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5.2.1 力学性能
降低。
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钢材的热处理
２) 回火：将比较硬脆、存在内应力的钢材，重
新加热到基本组织改变温度以下（150～650℃）， 保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温， 这一过程称为回火处理。
结果：回火消除内应力，使其硬度降低，恢复塑 性和韧性。
若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质
处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性
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4、钢材的热处理
按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度， 在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和 方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结 构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从 而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就 称为钢材的热处理。
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热处理的几种基本方法： １) 淬火：将钢材加热至基本组织改变温度（相 变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅 速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬 火处理。 结果：淬火使钢材晶粒细化、碳的固熔量增加， 强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显
强化阶段BC
图形的特点：
一段上升的曲线。
试件的特点：
抵抗塑性变形的能力又重新 提高—— 强化。
计算的指标：
抗拉强度
C点对应的应力。
b
Fb A
F A
b s p
B上 B
A B下
C D
α
O
L L0
低碳钢受拉的应力－应变图
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5.2.1 力学性能
5.2.1 力学性能
颈缩阶段CD
图形的特点：
一段下降的曲线。
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❖ 疲劳破坏的原因：钢材的疲劳破坏是拉应力引起 的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂 纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲 劳断裂。
❖ 影响因素：钢材内部的晶体结构、成分偏析以及 最大应力处的表面光洁程度等因素均会明显影响
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疲劳强度。
❖ 2.塑性 ❖ 塑性——钢材在外力作用下发生塑性变形而不
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。
试件的特点：弹性
计算的指标：
弹性模量 Etg
E值的大小反映了钢材抵抗 弹性变弹形性的极能限p力: 。 A点对应
的应力。
F A
AB
C D
p
α
O
L L0
低碳钢受拉的应力－应变图
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E1 ＞ E2
屈服阶段AB
图形的特点：一条波动的曲
特点:成本较高，但其组织致密，成分均 匀，性能稳定，故质量好。
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用途:预应力混凝土等重要的结构工程。
5.1钢材的分类 沸腾钢（F） 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱
氧不完全，浇铸后在钢液冷却时有大量
CO气体外逸，引起钢液剧烈沸腾，故
称沸腾钢，代号为“F”。
特点:内部杂质和夹杂物多，化学成
分和力学性能不均匀，强度低、冲击韧
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。
计算的指标：
伸长率δ：
L1 L0 10% 0
L0
F A
b s p
B上 A B下 B
α
O
C D
L L0
L1
L0
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5.2.1 力学性能
三个重要的指标
F A
❖ 屈服强度σs
结构设计中钢材强度取值的依据
❖ 抗拉强度σb
线，应力增加很小，而应变增加
很大。
试件的特点：所能承受的拉
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。
计算的指标：
屈服B下 点强对度应（的也应叫力屈。服点） s :
s
Fs A
F A
B上 B
A B下
C －应变图
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5.2.1 力学性能
作为硬钢的屈服强度， 0.2
称为非比例延伸应力，
用σ0.2表示。
1
中碳钢、高碳钢的应力－应变3图1
❖ 4）疲劳强度 ❖ 疲劳破坏——钢材在交变应力（反复荷载）反复作
用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏 的现象。
❖ 疲劳强度——钢材在交变应力的反复作用下，于规 定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。通 常以一千万次不发生破坏的最大应力作为疲劳强度， 作为设计计算值。
性和可焊性差，但成本低。
用途:一般建筑结构工程。
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5.1钢材的分类
5.2.2按化学成分分类 1.碳素钢：
❖ 低碳钢（含碳量＜0.25%）
❖ 中碳钢（含碳量0.25%～0.60%）
❖ 高碳钢（含碳量＞0.60%）
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2.合金钢——是指在炼钢过程中，有意识地加入 一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得 的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、 铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢 可分为：
能均得以改善。
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钢材的热处理
３）退火。是指将钢材加热至基本组织转变温度以 下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温 后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸 变，均匀组织，使钢材的塑性和韧性得到改善。
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时效: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。
时效敏感性:完成时效变化的过程可达数十年，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，时效可迅速发展。因时效 而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于 承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢 材。