第6章 建筑钢材

碳素结构钢的化学成分（GB700-2006）
等级 — A 厚度 化学成分（质量分数）/ %，不大于 （或 直径） C Si Mn S P /mm — — 0.12 0.15 0.22 — 0.20b 0.035 1.40 0.30 0.35 0.50 1.20 0.040 0.050 0.035 0.045 0.045 0.040 0.035 0.045 0.045 0.040 0.035 脱氧方 法 F、Z F、Z F、Z Z TZ F、Z Z Z TZ
三、钢的化学成分对钢材性能的影响
碳（〈0.8%） 含碳量增加→强度和硬度提高, 塑性和韧 性降低，焊接性也变差 硅（〈1%） 提高强度 锰（1%~2%） 提高强度 铝、钒、钛、铌 常用合金元素，提高强度，改善韧 性和可焊性 硫 增加热脆性 磷 增加冷脆性 氧 降低韧性 氮 强度提高，塑性和韧性下降，加剧冷脆性
Ⅲ 强化阶段



当荷载超过屈服点后，因塑性变形使其内部的组织 结构得到调整，抵抗变形的能力有所增强，－曲 线又开始上升，称为强化阶段。 曲线最高点Ｃ所对应的应力称为抗拉强度，用b表 示。常用低碳钢的b为375-500MPa。 屈强比（s/b）——屈强比越小，钢材在受力超过 屈服点时的可靠性越大，结构越安全。但如果屈强 比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用 钢的屈强比为0.6~0.75。
铁 含碳量 大于2％ 杂质含量 多 （Si Mn S P） 性质 塑性差,脆性大


钢 2％以下 少 塑性好,易加工
炼钢的原理——将熔融的生铁进行氧化，使碳的含 量降低到一定限度，同时把其它杂质的含量也降低 到容许的范围内。
钢轨、钢管生产工艺示意图
Construction Materials
各类牌号钢材的性能
碳素结构钢的选用
Q195及Q215：强度低，但塑性和韧性好，易
冷加工，在轧制、焊接加工成受冲击、偶然荷 载等情况下，能保证安全使用。 Q275：强度高，但塑性和韧性差，可焊接差， 不易冷加工；可用作砼配筋和钢结构中的构件 及螺栓（在机械零件及工具中常用之）。 选用钢材，主要根据工程结构的重要性、荷载类 型、焊接要求及使用环境温度等条件选择。
1、拉 伸 性 能
Ⅰ弹性阶段
Ⅱ屈服阶段
Ⅳ颈缩阶段 Ⅲ强化阶段 Construction
Ⅰ 弹性阶段（OA段）
弹性极限，用p表示。 此阶段应力与应变成正比，其比值为常数， 即弹性模量，用E表示， / = E。弹性模量 反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受 力条件下计算结构变形的重要指标。

Ⅱ 屈服阶段（AB段）



应力超过p后，应变增加很快，而应力基本保持不 变。这种现象称为屈服。 此时应力与应变不再成比例，试件开始产生塑性变 形。－曲线上开始发生屈服的点Ｂ，称为屈服点， 这时的应力称为屈服极限，用s表示。 钢材受力达到屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚 未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈 服点作为强度取值的依据。
U12155
U12352 U12355 U12358 U12359 U12752 U12755
B
A B C D A B C D
0.045
0.050 0.045 0.040 0.035 0.050
Q235
0.17
— >40 — 0.24 0.22 0.20 0.035 1.50
≤40 0.21
Q275 U12758 U12759
S
FS A ( MPa )
Fb b A
( MPa )
L1 L0 100％ （反映钢材塑性指标） L0
s 0.6 0.75（反映钢材利用率和结构安 （6）屈强比： b
【例】
钢结构设计中以
A.屈服强度
作为设计依据。
B.抗拉强度
注意：钢材应力超过屈服点以后，虽没有断裂， 但会产生较大的塑性形变，已不能满足结构要求。
0.045 0.040 0.035
各类牌号钢材的性能
碳素结构钢的选用
建筑钢结构中最常用的牌号为Q235(综合性能符
合建筑工程的要求)。 因为Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性 和韧型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能 满足一般钢结构用钢的要求。 Q235的C级和D级钢，其S和P的含量低，所以主 要作重要的焊接结构。 尤其适用于低温条件下，受冲击荷载作用的焊 接钢结构。
Ⅳ 颈 缩 阶 段

应力超过b后，试件的变形开始集中于某一 小段内，使该段的横截面面积显著减小，出 现图所示的颈缩现象，－曲线开始下降， 直至Ｄ点，试件被拉断。
拉伸过程的性能指标 （1）弹性模量： E （反映钢材抵抗变形的能力） （2）弹性极限： p （3）屈服强度（屈服点）： （4）抗拉强度： （5）伸长率： ＝
建 筑 钢 材
黑色金属: 铁及其合金 金属材料 有色金属: 除铁以外的其他金属, 如铝、铜、铅、锌等

埃菲尔铁塔是现代巴黎 的标志,是一座于1889 年建成位于法国巴黎战 神广场上的露空结构铁 塔，高320米。
埃菲尔铁塔得名于它的设计师桥梁工程师居 斯塔夫•埃菲尔。铁塔设计离奇独特，是世 界建筑史上的技术杰作，因而成为法国和巴 黎的一个重要景点和突出标志。 埃菲尔铁 塔分为三层，从塔座到塔顶共有1711级阶梯， 分别在离地面57米、115米和276米处建有 平台。据说，该塔共用去钢铁7000吨， 12000个金属部件，250万只铆钉。
高碳钢 （含碳量>0.60%）
一. 钢 材 的 分 类
2、按质量分
碳素钢 •普通碳素钢
常 用
（含硫量<0.055～0.065％，含磷量<0.045～0.085％）
（含硫量<0.03～0.045％，含磷量<0.035～0.04％）
•优质碳素钢
•特殊碳素钢
（含硫量<0.02～0.03％，含磷量<0.027～0.035％）
表
牌号 质
低合金高强度结构钢的化学成分（GB1591-2008）
化学成分 / % 量 C Mn Si 等 级 ≤ ≤ ≤ P 不大于 S V Nb Ti N B Cu Mo Cr Ni Al 不小于
有 益 元 素 有 害 元 素
冷加工 指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷 轧处理
四、钢材的冷加工及时效
冷拉前屈服点
冷拉后屈服点
时效
经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下
降的现象叫做时效 可分为两类：分为自然时效和人工时效
1. 2.
自然时效处理 经冷拉的钢材在常温下存放15-20天 其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现 象 人工时效处理 经冷拉的钢材在加热至100-200℃，并保 持一段时间 这将使时效加速
钢材的冷弯示意图
问题：哪一钟钢材的冷弯性能好？
冷弯检验的意义



钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材 在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利 变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀 变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检 验。 它能揭示钢材内部组织的均匀性，以及存在内应 力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中，这些 缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映不出来。 在工程实践中，冷弯试验还被用作检验钢材焊接 质量的一种手段，能揭示焊件在受弯表面存在的 未熔合、微裂纹和夹杂物 。
一.钢 材 的 分 类
3、按用途分
结构钢：碳素、合金 工具钢：碳素、合金、高速 特殊性能钢：不锈钢、耐酸钢等
建筑工程中使用的结构钢包括普通碳素结构钢、优质碳 素结构钢和低合金高强度结构钢。
4、按脱氧程度分
镇静钢：脱氧完全,品质好
沸腾钢：脱氧不完全,内部气泡和杂质多
特殊镇静钢：脱氧最彻底，质量最好
过程
建筑钢材 钢锭
高炉 熔融 生铁
铸锭 精炼 钢 氧化 还原
图
钢材的冶炼过程
一. 钢 材 的 分 类
1、按化学成分
碳素钢
常用
低碳钢 （含碳量<0.25％）
合金钢
常用
低合金钢 （合金元素总量<5%）
中碳钢 （含碳量0.25％～0.60%）
中合金钢 （合金元素总量5～10％）
高合金钢 （合金元素总量>10%）
【例】 1.从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸
实验，钢筋公称直径为 12mm ，标距为 60 mm ，
拉断时长度分别为 70.6 mm和71.4 mm，求该钢
筋试样的伸长率。
L L 70.6 60 1 1 0 17.7% L0 60
L2 L0 71.4 60 2 19.0% L0 60
3、冷弯性能



冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力， 是以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示 （下图）。 钢材的冷弯试验: 是通过直径（或厚度）为a的试 件，采用标准规定的弯心直径d（d = na），弯曲 到规定的角度时（180或90），检查弯曲处有无 裂纹、断裂及起层等现象。若无则认为冷弯性能合 格。 钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表 示其冷弯性能越好。
本章提要
主要内容 建筑钢材的特点、分类及应用 建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性 能 建筑钢材的冷加工及时效强化 常用建筑钢材的标准及选用
第一节

建 筑 钢 材
指用于工程建设的各种钢材，包括： 型钢 钢板 钢丝 钢筋 钢板 钢筋
型钢
钢丝
第一节

建 筑 钢 材
可用作主要的结构材料、也可以用作连接材 料、围护材料和饰面材料等。 优点： 高的抗拉强度 易于加工成板材、型材和线材 良好的焊接和铆接性能 缺点： 易锈蚀、维护费用高 耐火性差 , 生产能耗大
1.

定义
在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或 几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的 结构钢。 常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C 等。

2.

牌号及其表示方法
现行国家标准《低合金结构钢》（GB15912008）共有8个牌号：Q345、Q390、Q420、 Q460、Q500、 Q550、 Q620、 Q690

1 2
2
18.4%
2、冲 击 韧 性
冲击韧性——指钢材抵抗冲击荷载的能力。 钢材的冲击韧性用冲断试样时缺口处单位面 积上所消耗的功——冲击功（ K ）来表示， K的单位为J/cm2。 K越大表示钢材抗冲击的能力越强。

冲击韧性试验示意图
Construction Materials
4、焊接性能


低碳钢的可焊性很好，随着碳含量和合金含量的增 加，钢材的可焊性减弱。 钢中含硫也会使钢材在焊接时产生热脆性。 采用焊前预热和焊后热处理的方法，能提高可焊性 差的钢材焊接质量。
对焊示意图
Construction Materials
焊接wenku.baidu.com意图
Construction Materials
厦门海沧大桥是国家重点项目，是我国 第一座特大型三跨连续钢箱梁悬索桥
钢桥

轻钢结构

网架结构 网架应用及特点：空 间网架结构体系是目前国 际上广泛采用的一种新颖、 美观、综合经济指标比较 好的屋盖承重结构。其优 点是刚度大、整体性强、 抗震性好、自重轻、节省 钢材、且施工周期短、造 型美观大方。它适用于体 育馆、影剧院、游乐园、 会议室、宾馆、加油站、 商场、候车室、工业厂室、 干煤棚及大型仓库等等。 安全性强， 满足各种结构 形式。
脱氧程度及钢材质量
脱氧程 度 不充分
钢种
沸腾钢
冷却情况
浇筑时有大量 CO 逸 出 平静冷却，无CO 逸 出 最充分
钢材质量
差 组织致密、成分均匀、机械性 能好 最好
镇静钢
特殊镇静 钢
充分
二. 建筑钢材的主要技术性质
力学性质 重要
拉伸性能
工艺性能
冲击韧性
硬度 冷弯性能
冷弯性能 冷拉性能 冷拔性能
可焊性能
建筑钢材的技术标准与选用
建筑钢材包括： 型钢 钢管 钢板 钢丝 钢筋 常用的钢材品种为： 碳素钢与低合金钢二大类。
牌号及其表示方法如flash中所示 Q235-AF: 屈服强度是 235 MPa, A 级, 沸腾 钢

表
牌号 Q195 Q215 统一数 字代号a U11952 U12152
建筑钢材的冷加工与时效


可提高强度，冷拉后屈服强度可提高2030%，时效处理后还可使抗拉强度提高。 可节约钢材20-30%。 降低了塑性和韧性
五、 建筑钢材的技术标准与选用
钢结构用钢材 碳素结构钢 低合金高强度结构钢 钢筋混凝土结构用钢材 热轧钢筋 冷轧带肋钢筋 冷拔低碳钢丝