第八章-钢材

– 冲击韧性还随温度的降低而下降，其规律是开 始下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下 降很多而呈脆性，称为钢材的冷脆性。这时的 温度称为脆性临界温度。它的数值愈低，钢材 耐低温冲击性能愈好。 – 由于脆性临界温度的测定工作较复杂，规范中 通常规定－20℃ 或－40℃ 的负温冲击值作为指 标。
3、韧性──冲击韧性 k
4．耐疲劳性
– 钢材在交变荷载反复多次作用下，可以在远低 于抗拉强度的情况下突然破坏。这种破坏称为 疲劳破坏。 – 一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应 力定义为疲劳强度或疲劳极限。
4、耐疲劳性──疲劳强度
120 100
静力抗拉强度
应力，％
80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
§8-2 建筑钢材的主要技术性能
钢材的主要技术性能包括力学性能和工艺性能 一、力学性能 1．抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材的重要性能。由拉力试验 测得的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的重 要技术指标。

应力——应变图
b
应力
s e
p
s'
应变
低碳钢单轴拉伸应力—应变示意图
建筑钢材的抗拉 性能，见软钢受 拉的应力~应变 图（见图7.1）。 软钢拉伸发展的 全过程可分为四 个阶段： （Ⅰ）弹性阶段 （Ⅱ）屈服阶段 （Ⅲ）强化阶段 （Ⅳ）颈缩阶段 每个阶段都各有 其特点。

图7.1 低碳钢受拉时应力应变曲线图
条 件 屈 服 强 度 示 意 图
0.2
应力
0.2%
应变
⑴屈服强度s ──设计依据 抗拉强度b ──最大拉应力 ⑵屈强比(s/b)→安全性、/利用率
⑶高强的显著性(与其他材料相比)：
抗拉强度 > 抗弯强度 >> 抗压强度
2、塑性 ──伸长率
– 图7.1中的 B上点是这一阶段的最高点，称为屈 服上限（σ s上）； B下点相应的应力称为屈服下 限（σs下），又称屈服点或屈服强度，用σs表示 。 – 伸长率δ
要充分彻底的钢，其质量最好。
– 适用于特别重要的结构工程。 – 代号为“TZ”。
§ 7.1.2 钢的分类
二、分类
—低碳钢 —碳素钢 ——中碳钢 —高碳钢
按化学成分— —低合金钢 —合金钢 ——中合金钢 —高合金钢
§ 7.1.2 钢的分类
1．按照化学成分分类
（1）碳素钢
– – – –
低碳钢：含碳量小于0.25% 。 中碳钢：含碳量在0.25% ~ 0.60% 之间。 高碳钢：含碳量大于0.60%。 优质碳素结构钢：保证钢的化学成分和力学性 能。
– 冲击韧性值αK：冲击吸收功除以试样缺口底部 处横截面面积所得的商。单位为焦耳/厘米2 （J/cm2）。即
αK= AK/A
式中 A——试样缺口处的截面积，cm2。 AK——冲击吸收功，具有一定形状和尺寸的金属 试样，在冲击负荷作用下折断时所吸收的功。单位 为焦耳（J）。
– AK（或αK）值越大，表示冲断时所吸收的功愈 多，钢材的冲击韧性愈好。
– 伸长率δ是衡量钢材塑性的一个指标，它的数值 愈大，表示钢材塑性愈好。 – 伸长率与标距有关。通常钢材拉伸试验标距取 l0= 10d0和 l0= 5 d0，伸长率分别以δ10和δ5表示。 对同一钢材δ5大于δ10。
2．冲击韧性
– 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能 力。是以试样缺口处单位横截面所吸收的功（ J/cm2）来表示，即冲击韧性值，其符号为αk。
（2）合金钢
– 低合金钢：合金元素总含量小于5% 。 – 中合金钢：合金元素总含量在5% ~ 10% 之间。 – 高合金钢：合金元素总含量在10% 以上。
按杂质含量分类：
普通、优质、高级优质
按用途分类：
结构、工具、特殊
2．按照质量分类
– 普通碳素钢：含硫量≤0.045% ~ 0.050% ；含磷量 ≤0.045% 。 – 优质碳素钢：含硫量≤0.035% ；含磷量≤0.035% 。 – 高级优质钢：含硫量≤0.025% ，高级优质钢的钢 号后加“高”字或“A”；含磷量≤0.025%。 – 特级优质钢：含硫量≤0.015% ，特级优质钢后加 “E”；含磷量≤0.025% 。建筑上常用的主要钢种 是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高 强度结构钢。
镇静钢（Z）：浇铸时，钢液平静地冷却凝
固，是脱氧较完全的钢。
– 镇静钢钢锭的组织致密度大，气泡少，偏析程 度小，各种力学性能比沸腾钢优越，用于承受 冲击荷载或其他重要结构。 – 代号为“Z”。
半镇静钢（b）：指脱氧程度和质量介于沸
腾钢和镇静钢之间的钢。
– 其质量较好。 – 代号为“b”。
特殊镇静钢（TZ）：比镇静钢脱氧程度还
根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为：

沸腾钢（F）：脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷 却时有大量一氧化碳气体逸出，引起钢液剧烈沸 腾，称为沸腾钢。
– 此种钢的碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的 致密程度较差，故冲击韧性和焊接性能较差，特别是 低温冲击韧性的降低更显著。 – 沸腾钢成本低，被广泛应用于建筑结构。 – 其代号为“F”。
– （3）退火
将钢材加热至基本组织转变温度以上30一50℃，保
温后以适当的速度缓慢冷却的处理过程称为退火。 退火可降低钢材原有的硬度，改善其塑性及韧性。
（4）正火
– 将钢材加热至基本组织转变温度以上30一 50℃，保温后在空气中冷却的处理过程称为 正火。
正火后的钢材，硬度较退火处理者高，塑性也差
第八章
建筑钢材
国家体育场：又称“鸟 巢”，是世界上跨度最 大的钢结构建筑。
国家游泳中心：又称“水 立方”，它是世界上首个 基于“气泡理论”建造的 多面体钢架结构建筑，也 是世界上惟一一个完全由 膜结构来进行全封闭的公 共建筑。
wk.baidu.com
建筑位于迪拜滨水区，是一个富有想象力的 独特设计方案，项目预定完成于2010年。
200
脆性破坏
2
过渡区
塑性破坏
冲击韧性，J/cm
150
100
50 0
-120
-80
-40 试验温度，℃
0
40
温度对低合金钢冲击韧性的影响
3．硬度
– 钢材硬度系指比其更坚硬的其他种材料压入钢 材表面的性能。测定硬度的方法很多，按压头 和压力不同有布氏法和洛氏法。常用的是布氏 法，其硬度指标为布氏硬度值。
– 可焊性与钢材所含化学成分及含量有关，含碳 量高，或含较多的硫，钢材的可焊性都变差。
§8-3钢材的热加工与冷加工
1．钢材的热处理
– 将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其 组织结构，从而获得需要性能的加工工艺，总称 为钢的热处理。 – 热处理方法有： – （1）淬火
将钢材加热至基本组织转变温度（如当含碳量大于0.8
疲劳极限
应力循环次数(n)，lgn
布氏硬度试验原理图
§7.2.2 钢材的工艺性能
1．冷弯性能
– 冷弯性能，指钢材在常温下承受弯曲变形的能 力，是建筑钢材的重要工艺性能。 – 建筑钢材的冷弯，一般用弯曲角度及弯心直径d 相对于钢材厚度a的比值来表示。 – 试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件 厚度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能 的要求愈高。
8.7 钢筋混凝土用钢材
8.8 钢材的防护
§2-1 一、冶炼 炼铁
钢的冶炼和分类
冶炼 铁水 矿渣 铁矿石
炼钢
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§ 7.1 钢的冶炼及分类
白口铁用于炼钢，也称炼钢生铁； 灰口铁也称铸铁，用于铸造承受静荷载的次要构件
（管材、机座）等。
常用的炼钢方法 （1）转炉炼钢法
– 转炉炼钢法又分空气转炉炼钢法和氧气转炉炼钢 法两种。 – 空气转炉法：由转炉底部或侧面吹入高压热空气 至熔融状态的铁水中，铁水中的杂质与空气中的 氧起氧化作用而被除去。 – 空气转炉法已淘汰，逐渐被氧气转炉法所取代。
％时，为723℃）以上30一50℃ ，保温使组织完全转 变。随即投入冷却介质（盐水、冷水或矿物油）中急 冷的处理过程称为淬火。 淬火使钢的硬度、强度、耐磨性提高。
– （2）回火
经淬火处理的钢，再加热、冷却的处理过程称为回
火。 回火的温度低于723℃。 回火处理可消除淬火产生的内应力，适当降低淬火 钢件的硬度并提高其韧性。
– 氧气转炉法：以纯氧代替空气吹入炼钢炉内铁 水中，克服了空气转炉法的一些缺点，能有效 地除去磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高， 可以炼制优质的碳素钢和合金钢。 – 氧气转炉法是现代炼钢的主流方法。
（2）平炉炼钢法
– 平炉钢的冶炼：以固体或液体生铁、废钢铁或铁 矿石作原料，用煤气或重油为燃料在平炉中加热 冶炼，杂质靠铁矿石或废钢中的氧起氧化作用而 除去。 – 平炉熔炼时间长，有利于化学成分的精确控制， 杂质含量少，成品质量高，可用来炼制优质碳素 钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。缺点是能耗 大、冶炼时间长、成本高。
（a）试件安装
（b）弯曲90°
（c）弯曲180°
（d）弯曲至两面重合
钢材冷弯试验
二、工艺性能
1、冷弯性能 ——常温下承受一定程度弯曲而不破坏的能力 弯曲程度： 弯曲角度、弯心直径/试件直径 ●按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件 的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层，即认为 冷弯性能合格。
2、焊接性能 定义： 常规工艺条件下获得良好焊接接头的性能 焊接要求： 焊缝及附近受热影响区性能不低于母材 不同钢材的焊接性能： 低碳钢 > 高碳钢
位于迪拜的爱娜若塔 摩天大厦，像一个矩 形风力涡轮机，这种 结构只是为了突出大 厦顶部的全景餐厅。 大厦665米高，囊括了 零售、办公、300套豪 华公寓和一个250间的 豪华酒店。在渲染效 果图清晰的看出，塔 楼里有一个巨大的中 庭；每27层有一个空 中花园。
珠海歌剧院的设 计图。由SPF建筑 设计公司设计， 它的外形像3块石 头堆叠在一起， 给人以走进大自 然的感觉，别看 外形小，但是容 量很大，拥有 1500个座位，还 有一个大型广场 集会空间，排练 厅，餐馆和其他 公共设备。
第八章 建筑钢材
钢材是建筑工程中的重要材料，具有
许多优良的特性。
– 钢材的组织结构均匀密实，性能稳定，并且强 度高，塑性、韧性好，可以冷弯、焊接或铆接 ，易于加工和装配。
钢材也存在着能耗大，成本高，易锈
蚀，维护费用高，耐火性差等缺点。
8.1冶炼和分类 8.2 技术性质 8.3 化学成份对钢性能的影响 8.4 冷加工强化、时效处理 8.5 建筑用钢 8.6 钢结构用钢材
◆冷拔：将钢筋或钢管通过冷拔机上的孔 模，拔成一定截面尺寸的钢丝或细钢管。 孔模用硬质合金钢制成。
（3）电炉炼钢法
– 以生铁和废钢为原料，用电力作能源的冶炼方 法。其熔炼温度高，温度可以控制，清除杂质 容易彻底。 – 电炉钢的质量最好，但成本高。它适合产冶炼 优质特殊质量的特种钢。
2．脱氧和偏析对钢材质量的影响
– 钢水脱氧后浇铸成钢锭，在钢锭冷却过程中，由 于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相 ，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致 化学成分在钢锭截面上分布不均匀。这种现象称 为化学偏析。 – 其中尤以磷、硫等的偏析最为严重，偏析现象对 钢的质量影响很大。
，但由于正火后钢的结晶较韧且均匀，故强度有 所提高。
2.
钢材的冷加工及时效
– （1）冷加工强化处理 ◆钢材在常温下通过冷拉、冷拔、冷轧 产生塑性变形，从而提高屈服强度和 硬度，但塑性、韧性降低，这个过程 称为冷加工强化处理。 ◆冷拉：将热轧后的小直径钢筋，用拉 伸设备予以拉长，使之产生一定的塑 性变形，使冷拉后的钢筋屈服强度提 高，钢筋的长度增加（约4~10％）， 从而节约钢材。
7.1.1 钢的冶炼及其对质量的影响
1．钢的冶炼
– 钢由生铁冶炼而成。 – 钢的冶炼将生铁在熔融状态下进行氧化，将含 碳量降低到2.06%以下，使磷、硫等其他杂质也 减少到某一规定数值，再加入脱氧剂（锰铁、 硅铁、铝等）进行脱氧冶炼而成的。
– 生铁是将将铁矿石、焦碳及熔剂（石灰石）在 炼铁炉中，经高温冶炼，铁矿石内氧化铁还原 成碳铁合金，其中碳的含量为2.06~6.67%，磷 、硫等杂质的含量也较高。 – 生铁按断口颜色分为白口铁和灰口铁。