第八章-钢材

– （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
– 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。
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”。
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。
– 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。
（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。
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。
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
– 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
（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。
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

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
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。
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。
§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。
– 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
◆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。
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。
％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。
（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。