钢材结构的基本知识

钢结构是指用钢板和热扎、冷弯或焊接型材通过连接件连接而成的能承受和传递荷载的结构形式。

钢结构体系具有自重轻、工厂化制造、安装快捷、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等综合优势，与钢筋混凝土结构相比，更具有在“高、大、轻”三个方面发展的独特优势，在全球范围内，特别是发达国家和地区，钢结构在建筑工程领域中得到合理、广泛的应用。

钢结构行业通常分为轻型钢结构、高层钢结构、住宅钢结构、空间钢结构和桥梁钢结构5大子类，公司现阶段业务主要集中于前两类。

轻型钢结构主要是采用轻型H型钢（焊接或轧制；变截面或等截面）做成门形刚架，C型、Z型冷弯薄壁型钢作檩条和墙梁，压型钢板或轻质夹芯板作屋面、墙面围护结构，采用高强螺栓、普通螺栓及自攻螺丝等连接件和密封材料组装起来的低层和多层预制装配式钢结构房屋体系。

高层钢结构主要是采用型钢、钢板连接或焊接成构件，再经连接而成的结构体系。

高层钢结构常采用钢框架结构、钢框架—支撑结构、钢框架—混凝土核心筒（剪力墙）结构等形式，后者在现代高层、超高层建筑中应用较为广泛，属于钢—混凝土混合结构，使钢材和混凝土优势互补、充分发挥材料效能。

炮弹钢--制造炮弹弹作用钢。

炮弹种类很多，主要用于杀伤敌人的有生力量，破坏作战坦克等。

因此，炮弹用钢要求强度高、硬度高，在爆炸载荷作用下，破片率高。

由于炮弹是消耗品，用量大，成本要低。

一般使用中碳钢或中碳合金结构钢，如50Mn、58SiMn和60MnMo钢等。

炮钢--制造不同类型大炮的炮身、炮尾和炮闩等主要结构件用钢。

加农炮、榴弹炮的炮身是主要部件。

在连续射击作战中，身管承受高膛压和高温烧蚀作用，要求钢管应具有高强度、高韧性和耐烧性能。

通常使用中碳CrNiMo钢，如PCrNi1Mo和PCrNi3Mo钢，比例极限强度达550-850MPa。

薄壁迫击炮管要求重量轻，一般使用更高强度的合金钢，钢的比例极限强度要求在1200MPa以上。

球团矿--把精矿粉和石灰石粉混匀后，滚成或压成直径10-30mm的生球，经过干燥和高温焙烧，使颗粒固结。

这种球状矿料叫球团矿。

球团矿粒度均匀、透气性和还原性好。

但对球团焙烧的温度控制比烧结的严格。

球团矿还要求原料粒度细，矿粉含水量低。

球团矿有氧化球团和金属化球团两种轻质耐火材料--气孔率高（40-85%）、体积密度小（一般小于1.3g/cm3）、导热系数低（0.2～0.7W/m.k）的耐火材料。

又称隔热耐火材料。

可制成具有一定形状的制品，也可制成散状料。

轻质耐火材料的品种较多，主要有粘土质、高铝质、硅藻土质、空心球制品及纤维制品等。

轻质耐火材料为多孔结构，故强度低，不耐冲刷和侵蚀，不宜用于承重结构和与溶液接触的部位。

多用于工业窑炉的隔热层。

汽轮机叶片钢--叶片是汽轮机最重要部件之一，担负着将热能转变为机械能的作用。

它在极复杂工况下长期工作（＞10万小时）。

有动叶片（装在转子上）和静叶片（装在隔板上）之分。

短的叶片仅有几厘米长，而大型汽轮机末级叶片可长达100厘米以上。

对叶片材料要求：工作温度＜400℃时，要求常温和高温瞬时力学性能为主；高压汽轮机某些处于400℃以上工作的叶片更要求持久强度、持久塑性和蠕变强度、蠕变脆性为主。

此外，疲劳与腐蚀也是重要的指标。

常用叶片材料有：20CrMo、1Cr13、2Cr13、1CrnMoV、1Cr12WMoV、1Cr17Ni2及Ni36W3Ti等。

喷射冶金--为加速液体金属与物料的物理化学反应，用气体喷射的方法把粉末物料送入液体金属，完成冶金反应的工艺，亦称喷射冶金。

该工艺广泛用于铁水予处理和钢包精炼，以达到脱硫、脱氧、成分微调、使夹杂物变性的目的。

此工艺的反应速度快，物料利用率高。

琴钢丝--优质冷拉弹簧钢丝。

所用钢号有碳素钢（60、65、70、80、TGA等）及含锰钢（60Mn、65Mn、70Mn、T8 MnA等）。

经铅浴淬火后冷拉而成，具有非常高的强度极限和弹性极限，是广泛应用的小弹簧材料。

钢丝的质量、性能要求严格，除拉伸试验外，还需作扭转、腐蚀、锐碳等试验。

按用途可分为制造各种重要弹簧、各种高应力和械弹簧及伐门弹簧所用的琴钢丝。

膨胀合金--主要利用其特殊膨胀特性的一类合金，分为低膨胀合金、定膨胀合金、和高膨胀合金。

低膨胀合金主要用于尺寸精度高的器件（如标准尺等），定膨胀合金用于玻璃、陶瓷等封接的匹配件，高膨胀合金主要用于热双金导的主动组元层。

喷丸钢板--按特殊要求经喷丸清理后的钢板称喷丸钢板，即用可锻铸铁、灰铸铁、钢和铜等制成的金属颗粒（直径约0.2-0.5mm）,或用钢和有色金属的切屑,利用压缩空气流或高速回转圆盘的离心力,使金导颗粒或切屑向钢板表面喷射,高速冲击其表面以去除氧化铁皮等缺陷。

喷丸后一般要酸洗以清除金导灰尘。

这种钢板表面比较粗糙。

硼铸铁--灰铸铁中加入0.03-0.08%的硼,可在金相组织中得到不同数量的含硼渗碳体或莱氏体组织的铸铁。

含硼渗碳体显微硬度在HV960-1280之间，随硼含量的增加，显微硬度增加。

用硼铸铁制成的气缸套比高磷铸铁的使用寿命提高50-70%。

近年来，已扩大应用到机床床身等耐磨零件上。

普通碳素结构钢--又称普通碳素钢。

与优质碳素钢相比，对含碳量、性能范围以及磷、硫和其他残余元素含量的限制较宽。

我国和某些国家根据交货的保证条件，把普通碳素钢分为三类：甲类钢（A类钢），只保证力学性能，不保证化学成分，乙类钢（B类钢），只保证化学成分，不保证力学性能；特类钢（C类钢），既保证化学成分，又保证力学性能。

特类钢常用于制造较重要的结构件。

喷溅--氧气转炉有时在吹炼过程中，从转炉炉口溢出或喷出渣钢乳状液体的现象。

冶炼初期和炉渣“返干期”常发生严重的金属飞溅。

强度最大的喷溅通常发生在冶炼中期，即加第二批渣料前后。

此时，熔池液面上溅且出现最大脱碳速度。

汽车拖拉机用调质钢--对调质钢主要要求是钢的淬透性。

调质钢为含碳量0.30-0.60%的中碳碳结钢和合金结构钢。

一般在调质状态下使用，也有再经高频感应加热表面淬火，提高表面硬度，用以制造在重载荷和冲击条件下工作的耐磨件。

常用钢号有：30、35、40、45、50制造螺母、螺栓及各类轴；30Mn、40Mn、45Mn、35Mn2、45Mn2制造重要螺母、螺栓、支重轮轴和导向轮轴；30Cr、40Cr、45Cr制造转向齿轮轴、传动齿轮等。

35CrMo、42CrMo制造重型汽车曲轴及连杆等。

硼铁--由硼和铁组成的铁合金，主要用于钢和铸铁中。

在钢中添加0.07%B可显著提高钢的淬透性。

硼加入18%Cr、8%Ni的不锈钢中经过处理可使沉淀硬化，改善高温强度和硬度。

在铸铁中硼会影响石墨化，因而增加白口的深度使其冷硬耐磨。

在可锻铸铁中加入0.001%～0.005%的硼，有利形成球墨和改善其分布状况。

目前低铝、低碳硼铁是非晶态合金的主要原材料。

根据GB5082-87标准，我国硼铁分为低碳和中碳两类8个牌号。

喷吹煤粉--当代高炉用煤粉代替部分价格昂贵且资源有限的冶金焦炼铁的重要技术。

它是将煤料罐充压后，靠罐内力使煤粉从它下面的漏斗排出，并可用罐内压力的高低来调节下煤量。

煤粉全下每个漏斗的下面有一个混合器,压缩空气从混合器中的喷咀喷射出来，将煤粉带走，并从插入风口直吹管的喷枪吹入高炉炉缸。

煤粉喷入后在风口前燃烧。

它可调节炉温，且操作方便。

喷吹方法可分为常压喷吹和高压喷次两类。

喷吹的煤种主要有无烟煤和烟煤两种。

热剪切用钢--热剪是在很高的温度和冲击力的作用下工作。

钢种的选择必须考虑耐热性、耐磨性和韧性。

根据剪切材料和工作温度可以选用以下材料：6CrWZSi、5CrNiMo、4CrMnSiMoV、4Cr5MoSiVi、3Cr2W8V、W6Mo5Cr4V2等。

普通钢板--用普通碳钢轧制成的一般用途的钢板称为普通钢板。

即钢中仅含有铁、碳及不可避免的少量硫、磷、硅、锰等元素，且相对优质钢言，其硫、磷含量稍高，也不要求检验低倍组织或其他特殊性能，因此生产成本低、产量大、用途广，广泛用作厂房、桥梁、船舶、机械等结构件，也常用作涂镀层板，如复合板的基板等。

铌稳定化奥氏体不锈钢--添加为碳含量10倍以上的铌，使之成为对晶界腐蚀不敏感的不锈钢，典型钢号有OCr18Ni11Nb。

在850-1150℃形成稳定的NbC，使钢在敏化温度加热时，很少有富硌碳化物M23C6等沿晶界析出。

比不含铌奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能得到明显改善。

热疲劳稳定性--一般指工作在冷、热交变作用下抵抗产生裂纹的能力。

由于冷、热交变而产生的裂纹称热疲劳裂纹。

在模具中压铸模、热锻模的报废主要原因属于热疲劳稳定性差易产生热疲劳裂纹。

对于模具钢而言，其热疲劳稳定性主要决定于钢的韧性和强度。

所以热疲劳稳定性好的模具钢必须具有好的韧性和高强度（高湿强度）的良好配合。

汽车拖拉机气阀用钢--气阀处于高温、疲劳应力和燃料燃烧产物的腐蚀条件下工作。

要求用气阀用钢应具有较高的室温和高温强度、持久强度和耐磨性，好的抗燃气腐蚀性和抗氧化性，尺寸稳定性，高的导热系数，好的冷热变形和切削加工性能及焊接性能。

常用钢号有40Cr、4Cr9Si2、4Cr14Ni14WzMo、3Cr13Ni7Si2等。

热电效应--通过温度变化在某些晶体中产生电极性状态的性质。

当某些电介质（非导电的）晶体受到一均匀温度变化ΔT 时，它们就显示出电极化强度ΔP。

具有热电效应的材料称为热电材料。

热电晶体的典型例子为电气石、硫酸锂的单水化合物、蔗糖和铁电钛酸钡。

汽车拖拉机用钢--汽车和拖拉机零件都承受动载荷。

由于发动机功率的不断增大，热载荷增加，设计上要尽量降低单位功率的金属材料消耗量等。

对不同零部件用钢有不同的性能要求。

按其工艺特点和用途可大致分为：（1）渗碳钢，（2）调质钢，（3）高、中频感应加热淬水用钢，（4）弹簧钢，（5）冷冲压用钢，（6）冷镦、冷挤压用钢，（7）易切结构钢，（8）气阀用钢等。

耐液体金属腐蚀不锈钢--对液体金属耐腐蚀的不锈钢。

为OCr17Ni14Mo2对液体钠直到800℃仍耐蚀，可用于钠冷快中子堆。

奥化体不锈钢对液体钠直到600℃耐蚀。

Cr17Ni12Mo2钢，对400℃的铅液仍耐蚀。

所有不锈钢均耐100℃汞的腐蚀。

所有不锈钢对700℃LAI、650℃iSb、700℃iSn、500℃iZn均不太耐蚀，年腐蚀率大于1mm。

热滋补偿合金--居里点接近室温，在特定温度范围内磁感应强度（B）或磁导率（μ）随温度的升高而急剧下降的一类软磁合金，简称热磁合金。

主要用于制作永磁器件的温度补偿元件、热镀开关元件等。

热磁合金大部分为板、带材，加工工艺与一般铁镍系软磁合金的带材工艺相似，也有一部分热磁合金采用粉末冶金、铸造或多层复合等工艺。

汽车拖拉机用渗碳钢--钢的含碳量低，一般在0.10～0.23%最适合，最高应≦0.30%应选择本质细晶粒钢，经渗碳后可直接淬火、低温回火。