第2章建筑钢材 土木工程材料

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§2.2 建筑钢材的主要力学性能
第2章 建筑钢材
2.2.1抗拉性能
是钢材最重要的性能之一 。由拉伸实验测定的屈 服点、抗拉强度和伸长率是钢材抗拉性能的主要技术 指标。
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R =P/A
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D D′
Rm ReH ReL
A
A=ΔL/L
图2-9 低碳钢受拉时的应力-应变图
高碳钢 — 0.6% 2%
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合金钢按合金元素的总含量可分为：
低合金钢 —〈5% 合金钢中合金钢 — 5% 10%
高合金钢 — 〉10%
钢材中各元素对钢材的性能有不同的影响。 现对钢材中主要合金元素和杂质元素的存在形态 及其对钢材性能的影响作简要介绍。
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1.钢材被腐蚀的主要原因
（1）化学腐蚀
（2）电化学腐蚀
金属在潮湿气体以及导电液体（电解质）中， 由于电子流动而引起的腐蚀，称为电化学腐蚀。
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在钢铁表面，原电池的两极反应如下： 阴极：Fe-2e=Fe2+ 阳极：2H++ 2e=H2 Fe2++2(OH)- =Fe(OH)2
钢材也非完美，其中的缺陷类型主要有三种。
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线缺陷 位错
钢材的缺陷类型点缺陷间 空隙 位原子
杂质原子 固溶体
面缺陷 晶界面
在金属晶体中，位错及其它类型的缺陷是大量存
在的。位错的存在使金属的实际屈服强度远低于在无
缺陷理想状态下的理论强度。空位使位错的阻力减小，
钢材强度减小。而间隙原子、杂质原子和晶界面使位
除此之外，碳含量增大还会降低钢材的可焊性 和抗大气锈蚀性，增加冷脆性和时效敏感性。
◈ 硅、锰 硅和锰是两种重要的合金元素，通常在 炼钢后期作为脱氧剂加入。可提高钢材的强度，而 且对塑性和韧性的影响不明显。
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◈ 钛、钒、铌 钛、钒和铌是我国钢材中常见的合 金元素。其作用是作为晶种细化晶粒，都可以提高 强度。
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2.2.2 冲击韧性
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冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击 韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定 的。试验以摆锤打击刻槽的试件，于刻槽处将其打 断。以试件单位面积上打断时所消耗的功作为钢材 的冲击韧性值，以KV表示。
钢材的冲击韧性对钢的化学成分、内部组织状 态，以及冶炼、轧制质量都较敏感。此外，还与温 度和时间有关。
其他
碳（C）<1% ↑ ↑ ↑ ↓ ↓
↓
冷脆、时效↑抗 大气锈蚀↓
硅（Si）<1%↑ ↑
↓↓
↓
脱氧剂
锰（Mn） ↑ ↑
↑
↑
脱氧剂
钛（Ti） ↑ ↑↑ 钒（V) ↑ ↑
↓↑
↑
强脱氧剂 时效↓
铌（Nb） ↑ ↑ 磷（P） ↑ ↑
↓↓ ↓↓ ↓ ↓
冷脆性↑↑
硫（S） ↑ ↓
↓↓
热脆性↑
氧（O） ↑ ↓
↓
↓
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§2.1 金属的微观结构及钢材的化学组成
2.1.1金属的微观结构
钢材是金属晶体
什么是晶体？ 钢材有晶体的特性吗？
原子→晶胞→晶粒→晶体→金属
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固体在热力学上最稳定的状态是处于0K时的 状态。此时，其内部能量最低，晶体中的原子按 理想的晶格点阵排列。实际的真实晶体中，在高 于0K的任何温度下，都或多或少的存在着对理想 晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。
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❖镇静钢 脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种
钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇
静钢；代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织
致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预
应力混凝土等重要结构工程。
❖半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，
为质量较好的钢，其代号为“b”。
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❖I级钢筋由碳素结构钢轧制，其余均由低合金钢 轧制。I级钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很 好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝 土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋。
❖HRB335级和HRB400级钢筋的强度较高，塑性和焊 接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结 构的受力钢筋。
☞ Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。 ☞ Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构， ☞ Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构， ☞ Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要 钢结构。
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2.低合金高强度结构钢
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牌号的表示方法：
Q 屈服点数值 质量等级代号 由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不 但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可 焊性。低合金高强度结构钢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。
◈ 碳 碳是钢材中最重要的合金元素，故钢材也 被称为铁-碳合金。钢材中碳原子与铁原子的结合 有三种基本方式：固溶体、化合物和机械混合物。 与此相对应，碳素钢在常温下形成的基本组织也有 三种：铁素体、渗碳体和珠光体。
结合方式 固溶体 化合物
机械混合物
基本组织 铁素体 渗碳体 珠光体
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2.2.4 硬度 钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入
产生塑性变形的能力。 布氏硬度：用一直径为D的淬火钢球，以荷载P
将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载， 即得直径为d的压痕。以压痕表面积除荷载P，所得商 即为该试件的布氏硬度值，以HB表示。
钢材的布氏硬度值HB与抗拉强度Rm之间有较好 的相关关系。
Fe(OH)2又与水中溶解的氧发生下列反应: 4Fe(OH)2+O2 +2H 2O= 4Fe(OH)3
（3）应力腐蚀 2.防止钢材腐蚀的措施
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§2.5 建筑钢材的品种与选用
2.5.1建筑钢材的主要钢种
1.碳素结构钢
牌号的表示方法：
Q 屈服点数值 —质量等级代号 脱氧程度代号
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2.2.5 耐疲劳性
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在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力 远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的 疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限（ σr ） 来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用 下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最 大应力。
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铁素体:钢材中的铁素体系碳在α-Fe中的固溶体，由
于α-Fe体心立方晶格的原子间的空隙小，溶碳能力较
差，故铁素体含碳量很少，由缺陷对钢材性能的影响可
知其塑性、韧性好；但强度、硬度低。
渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达 6.67％，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。
珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含
碳量较低(0.8％)，层状结构，性能介于铁素体与渗碳
体之间。
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碳素钢中上述基本组织含量与含碳量的关系如
下图：
基 本 组 织
的 相 对 含
量 （
%
）0
0.8
2.0
含碳量（%）
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图2-8可见，随碳含量增大， σb抗拉强度先增 大后减小，HB硬度增大， αk冲击韧性减小，δ伸长 率减小，ψ面积缩减率减小，即塑性降低。
例：Q235—BZ
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❖Q235——强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和
韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大 量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良 好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不 利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的 要求
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2.3.1钢材的热处理
热处理是指将钢材按一定规则加热、保温和 冷却，以改变其组织，从而获得所需要的性能的 一种工艺措施。热处理的方法有退火、正火、淬 火和回火。
2.3.1钢材的焊接
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§2.4 钢材的防火和防腐蚀
2.4.1钢材的防火
2.4.2钢材的锈蚀和防止
❖HRB500级钢筋强度高，但塑性和可焊性较差，可 用作预应力钢筋。
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冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始
时下降平缓，当达到某一温度范围时，突然下降很
多而呈脆性，这种现象称为钢材的冷脆性，这时的
温度称为脆性临界温度。
随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击 韧性下降，这种现象称为时效。因时效而导致性能 改变的程度称为时效敏感性。
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2.5.2常用建筑钢材
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1.低碳钢热轧圆盘条
强度较低，但塑性好，便于弯折成形，容易焊 接。主要用做箍筋，以及作为冷加工的原料，也可 作为中、小型钢筋混凝土结构的受力钢筋。
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2.钢筋混凝土用热轧钢筋
钢筋混凝土用热轧钢筋共分为四级钢筋，根据 其表面状态分为光圆钢筋和带肋钢筋。 I级钢筋为 光圆钢筋，其余三级为带肋钢筋。 I级钢筋不带肋， 与混凝土的握裹力不好，其末端需做180⁰弯钩。
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§2.3 钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接
2.3.1钢材的冷加工强化及时效强化
将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生 塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化。
将经过冷加工后的钢材于常温下存放15~20天，或 加热到100~200°C并保持一段时间。这一过程称为时 效处理，前者称自然时效，后者称人工时效。
冷脆性↑
↑
↓↓ ↓↓ ↓
冷脆、时效↑
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炼钢时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通 常可分为以下三种：
❖沸腾钢 脱氧不完全，这种钢水浇入锭模时，会
有大量的CO气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状 ， 故称沸腾钢，代号为“F”。 沸腾钢组织不够致密， 成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较 差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑 工程。
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钢材与混凝土相比的优点： 1.抗拉强度高 2.塑性好 3.韧性好 4.性能稳定 5.比强度高
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钢材与混凝土相比的缺点：
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1.易生锈 2.防火性能差 3.自重大
建筑钢材是指用于钢结构的各种型材、板材、钢 管和用于混凝土结构的钢筋、钢丝、钢绞线等
错的阻力增大，钢材的强度增大而塑性降低。
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2.1.1钢材的化学组成 钢的基本成分是铁和碳，此外还有某些合金元
素和杂质元素。钢材与铁的区别在于碳含量，钢材 的碳含量在2%以下。按化学成分钢材可分为碳素 钢和合金钢两类。
碳素钢按碳含量可分为：
低碳钢 —〈0.25% 碳素钢中碳钢 — 0.25% 0.6%
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σ
0.2% ε 图2-10 硬钢的屈服点Rτ0.2
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2.2.2 冷弯性能
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冷弯性能是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。它反映的也是钢 材的塑性，与伸长率有很好的相关关系。另外，也 反映了钢材的冶炼质量和焊接质量。
钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受 的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角 度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。
◈磷、硫、氧、氮 是杂质元素。磷会加剧钢材的
冷脆性，即在低温下脆性增大，塑性和韧性显著降 低，可焊性降低，强度提高。氮的影响与磷类似。 硫会加剧钢材的热脆性，即在高温下脆性增大，故 显著降低可焊性，还使强度降低。氧的影响与硫类 似。
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化学元素对钢材性能的影响
化学元素 强度 硬度 塑性 韧性 可焊性