第七章 钢材

Q195 － (195) (185) － － － － 315~390 33 32 － － － － － －
A
－－
Q215 215 205 195 185 175 165 335~410 31 30 29 28 27 26
B
20 27
A
－－
B
20
Q235 C
235
225
215
205
195
185
375~460
天； 人工时效：经过冷拉后的钢筋加热到100~200ºC并
保持一定时间。
7.4.3 热处理
热处理：将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷 却，以改变其金相组织和显微结构组 织，从而获得需要性能的一种综合工艺。
热处理的方法：褪火、正火、淬火和回火。
（1）褪火 加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷 却的一种热处理工艺。
b－抗拉强度； ak－冲击韧性；HB－硬度；
－伸长率； －面积缩减率
7.3.3 有害杂质
（1）硫
降低强度、韧性和疲劳强度，产生热裂。偏析最严重 的杂质之一。
（2）磷
偏析倾向严重，显著降低塑性和韧性，特别是降低低温冲 击韧性，产生冷脆性。使焊接性能变差。
（3）氮、氧、氢
显著降低钢材的塑性和韧性。氮含量增加，塑性、韧性大 大降低，焊接性能变坏；氧化物存在使强度、塑性和可 焊性降低；氢会引起白点和内部裂纹。
伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受变形的 能力。伸长率越大或断面收缩率越高表示钢材塑 性越大。钢材塑性越大，不仅便于加工，而且能 保证钢材在建筑上的安全使用。
7.2.1.3 韧性
钢材抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性值度量。冲击韧性值 以摆锤冲断V型缺口试件时单位面积所消耗的功来表示。
30°
40
冲击韧性试验示意图
（1）弹性模量（E）和比例极限（σp） （2）弹性极限（σe） （3）屈服强度（σs），条件屈服强度（σ0.2） （4）极限强度（或抗拉强度）σb，屈强比 （5）疲劳强度
＝P/A
s•
e S’ p
b f
0

= L/L
低碳钢受拉力的应力－应变图
0 0.2％

硬 钢 的 屈 服 点 0.2
e 弹性极限：不产生残留塑性变形的最大应力。
目的：得到高强度和高硬度的组织。
（4）回火：淬火结束之后，随后进行回火，加 热温度在转变温度以下（150~650℃内选定）， 保温后按一定速度在空气中冷却至室温的一种 热处理操作。
目的：促进不稳定组织转变为需要的组织；
消除淬火产生的内应力，降低脆性，
改善机械性能。
7.5 土木工程用钢
7.5.1 碳素结构钢（ＧＢ７００－８８）
钢的生产分两步：（1）炼铁 （2）炼钢 钢的冶炼过程： 氧化：把熔融的生铁进行氧化，使碳含量降低到预定
范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。 脱氧：精炼后的钢液中还留有一定量的氧化铁，使钢
的质量降低。为了消除它的影响，在精练结束 后加入脱氧剂以去除钢液中的氧。 钢的冶炼方法：转炉炼钢法，平炉炼钢法，电弧炉炼
弯曲程度或冷弯性能指标是通过弯曲角度及弯心直径d对 试件厚度a或直径的比值来衡量。弯曲角度愈大，弯心直 径对试件厚度或直径的比值愈小则钢材的冷弯性能愈好。
7.2.2.2 焊接性能（可焊性）
可焊性良好的钢材，焊缝处的性质应 与钢材尽可能相同，焊接才牢固可靠。
影响焊接性能的因素：
钢的化学成分、冶炼质量和冷加工。 碳质量分数小于0.25%碳素钢可焊性良 好；碳质量分数超过0.3%，可焊性变 差。硫、磷及气体杂质和过多的合金 元素也可降低可焊性。
韧性无明显影响。 （2）锰 提高强度、硬度，略微降低塑性和韧性。
碳的影响
b,MPa
300 1200

250 1000
200 800
,,%
60 240 HB
50 200
b
40 160
150 600
30 120
100 400

20 80
200 ak
10 40
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
26
25
24
23
22
21
0
D
-20
A
－－
Q255 255 245 235 225 215 205 410~510 24 23 22 21 20 19
B
20 27
Q275 － 275 265 255 245 235 225 490~610 20 19 18 17 16 15 － －
（2）技术性能 随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强 度的要求增大，对伸长率的要求降低。
低合金钢 合金元素 < 5％
7.1.2.2 按冶炼时脱氧程度分类 （1）镇静钢；（2）沸腾钢；（3）半镇静钢。
7.1.2.3 按品质(杂质含量)分类 （1）普通质量钢；（2）优质钢； （3）高级优质钢; （4）特级优质钢。 7.1.2.4 按用途分类
（1）结构钢；（2）工具钢；（3）轴承钢。
建筑上常用的是普通碳素结构钢（低碳钢）和普 通低合金结构钢。
7.3
钢的化学成分对钢性能 的影响
7.3 钢的化学成分对钢性能的影响
7.3.1 碳 决定钢材性能的主要元素。含量增加，强度、硬 度大，塑性、韧性降低，可焊性、耐蚀性降低， 冷脆性和时效倾向增大。含量超过1.0%时，强度 反而下降。 7.3.2 有益元素 （1）硅 提高强度、硬度、耐蚀性，对塑性和冲击
第七章
钢
材
steels
土木工程中使用的各种钢材：型钢、钢板、 钢筋钢丝、钢门窗、 建筑五金 特点： 1.强度高，塑性、韧性好，能承受冲击和
振动荷 载，易于加工和装配。 2.易锈蚀，耐火性差。
7.1 钢的冶炼和分类
7.1.1 钢的冶炼
钢：含碳量为0.06~2.0%并含有某些其它元素的铁碳合 金。
冲击韧性值越大，钢材冲击韧性越好，其抵抗冲击 作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。
冲击韧a性k

mg(H A
h)
(J/cm2 )
式中 A 为试样缺口处截面积
1
G
H1
2
H2
钢材的冲击试验 1. 摆锤； 2. 试件
温度对钢材的冲击韧性有重大影响。
冲击韧性随温度的降低而下降，开始下降 缓和，当温度降到一定程度时，冲击韧性 大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称 为钢材的冷脆性，这一温度范围称为脆性 转变温度。
目的：改善组织，降低 硬度， 提高塑性，消 除组织缺陷和内 应 力，防止变形、开裂。
（2）正火 加热到一定温度，保温后在空气中 缓慢冷却。
目的：细化晶粒、消除组织缺陷；硬度、 强度提高，塑性减小。
（3）淬火：淬火的加热温度在基本组织转变温 度以上，保温使组织完全转变，马 上投入选定的冷却介质（如水火 矿物油等）中急冷，使之转变为 不稳定的组织的一种热处理操作。
7.4 钢材的冷加工与热处理
7.4.1 冷加工
冷加工：指钢材在常温下进行的机械加工。有冷 拉、冷轧、冷拔、冷扭和冷冲等加工形 式。
冷加工对钢材性能的影响：提高屈服强度；降低 塑性和韧性。 冷加工强化： 钢材经冷加工后，产生塑性变形，屈服点明显 提高，而塑性、韧性和弹性模量明显降低的现象。
7.4.2 时效处理： 时效：钢材经冷加工后，屈服强度和抗拉强度随 时间延长而提高，塑性和冲击韧性逐渐降低而弹性 模量基本恢复的现象。 自然时效：经过冷拉后的钢筋在常温下存放15~20
钢法
7.1.2 钢的分类
7.1.2.1 按化学成分分类
（1）碳素钢：高、中、低碳钢； （2）合金钢：高、中、低合金钢。
高碳钢 C > 0.6％ 碳素钢 中碳钢 C ＝ 0.25%～0.6％
建筑钢材
低碳钢 C < 0.25％ 高合金钢 合金元素 > 10％
合金钢 中合金钢 合金元素 ＝5％～ 10％
转变温度越低，说明钢的低温冲击韧性越 好。
脆性转变温度一般为 20℃～ 60℃
160 120 80
40 0 -80 -40 0 40
t℃
含锰低碳钢 ak值与温度的关系
7.2.1.4、硬度
钢材硬度指其表面局部体积内抵抗外物压 入产生塑性变形的能力。是衡量钢材软硬程度 的一个指标。 常用的硬度测定方法 ： 布氏法(HBW)：压入法，指标为布氏硬度HBW，数 值越大表示钢材越硬。用于厚钢。
l1 l0 100 %
l0
l0——试件原始标距长度，ｍｍ； l1——断裂试件拼合后标距的长度，ｍｍ。
l0 = 5d0 或 10d0 d0——试件原始直径，ｍｍ。
ຫໍສະໝຸດ Baidu l0 l1
试件断后标距的测量
（2）断面收缩率 （Ψ） ：
A0 A1 100 %
A0
A0 —— 试件原始截面积； A1—— 试件拉断后颈缩处的截面积。
土木结构用钢管有无缝钢管和焊接钢管两类。 在 （1）无缝钢管:采用热轧或冷拔无缝方法制造， 热轧无缝钢管的长度通常为3-12m,冷拔钢管的长 度通常为2-10.5m.材质通常为碳素钢或合金钢。
（2）焊缝钢管：由钢板（钢带）卷焊而成。
洛氏法(HR)：刻痕法，指标为洛氏硬度HR，数值
越小表示钢材越硬。用于薄钢。
维氏硬度法（HV)
7.2.1.4、耐疲劳性
疲劳破坏指钢材在交变荷载反复作用下， 在远小于抗拉强度时发生的突然破坏。 疲劳破坏的危险应力用疲劳极限或疲劳强度表。
疲劳强度的概念：指在交变荷载作用下，于规定 的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。
质量等级符号分： A，B，C，D，E5级 屈服点数值 屈服点代号“ Q”
（2）技术性能与应用 在碳素结构钢的基础上添加总量小于5%合金元素 的钢材。强度高，塑性和低温冲击韧性好，耐锈蚀。
由于合金元素的强化作用，低合金结构钢不但具有 较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。
广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大 型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁 工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。
7.2
钢材的主要技术性 能
7.2.1 力学性能
钢材的机械性能，钢材最重要的使用性能。
7.2.1.1 强度 强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能
力。在 建筑结构中，对承受静荷载的钢材， 要求具有一定力学强度，并要求产生的变形 不影响正常工作和安全使用。
抗拉强度是钢材强度的特征值，测定钢材强度的 主要方法是拉伸试验。钢材受拉时，在产生应力 的同时相应地产生应变，应力和应变的关系反映 出钢材的主要力学特征。
（1）牌号 碳素结构钢的牌号由4个要素组成：
––––
脱氧程度代号，F代表沸腾钢； b代表半镇静钢；Z代表镇静钢； TZ代表特殊镇静钢 质量等级代号分A、B、C、D4级
钢材屈服点数值 钢材屈服点代号，以“ 屈”字汉 语拼音首位字母“ Q”表示
碳素结构钢的机械性能
拉伸试验
冲击试验
牌 号
等 级

屈服点 s (N/mm)
影响钢材耐疲劳性能的因素有：
（1）内部组织；（2）成分偏析；（3）各种缺 陷；（4）钢材表面质量；（5）截面变化和受腐 蚀程度。
7.2.2 工艺性能
工艺性能指钢材承受各种冷热加工的能力。 包括：铸造性、切削加工性、焊接性、可锻 性、冲压性、冷弯性、热处理工艺性等。 7.2.2.1 冷弯性能 概念：钢材在常温下承受弯曲变形的能力。
7.6 钢结构用钢材
7.6.1 热轧型钢
钢结构中采用的主要钢材。 常用：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不 等边角钢。 型钢规格常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸表示：
7.6.2 冷弯薄壁型钢
（1）结构用冷弯空心型钢 （GB6728—86）
（2）通用冷弯开口型钢 （GB6723—86）
7.6.4 钢管
S 上屈服点：屈服阶段最大应力；
S′ 下屈服点：屈服阶段最小应力，
数值稳定，称为屈服 点或屈服强度。 屈服点是钢材力学性质最重要的指 标，是结构设计确定钢材容许应力的 主要依据。
7.2.1.2 塑性 钢材在外力作用下产生塑像变形而不破坏的能力。 是钢材的一个重要性能指标。通常用拉伸试验时的 伸长率或断面收缩率来表示。 （1）伸长率（δ）
钢材厚度 (直径) (mm)
16 >16 >40 >60 >100 >150 ~40 ~60 ~100~150
抗拉强度
b
(N/mm)

伸 长 率 5 (%)
钢材厚度 (直径) (mm)
16
>16 ~40
>40 ~60
>60 >100 ~100 ~150
>150
温 度
(℃)
V型 冲击 功
(纵向) J
（3）用途 不同牌号的碳素结构钢有不同的用途。
7.5.2 优质碳素钢（ＧＢ６９９－８８）
性能：主要取决含碳量。含碳量高，强度高， 但塑性和韧性降低。
用途：用作钢铸件、高强度螺栓、预应力混凝 土锚具、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。
7.5.3 低合金高强度结构钢（ＧＢ１５９１－９４）
（1）牌号 低合金钢牌号由三个要素组成