8　建筑钢材（课件）- 《建筑材料》同步教学（北京理工大学版）

8　建筑钢材 8.1　钢的冶炼和分类 8.2　钢材的主要性能 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 8.4　钢材的锈蚀与保护 返回 1 8.1　钢的冶炼和分类 8.1.1　钢的冶炼 铁元素在地壳中占4.7%，通常以化合物的形式广泛存在于铁矿石中。其中，主要的铁矿石有赤铁矿（Fe 2 O 3 ）、磁铁矿（Fe 3 O 4 ）、菱铁矿（FeCO 3 ）、褐铁矿［Fe 2 O 3 ·2Fe（OH）3 ］和黄铁矿（FeS 2 ），如图8-1所示。 （1）把铁矿石、焦炭、石灰石（助熔剂）按一定比例装入高炉中，在炉内高温条件下，焦炭中的碳与矿石中的氧化铁发生化学反应，将矿石中的铁还原出来，生成的一氧化碳和二氧化碳由炉顶排出，使矿石中的铁和氧分离。其化学反应式如下： C+FeO→Fe+CO↑ 下一页 返回 8.1　钢的冶炼和分类 此过程称为炼铁。通过这种冶炼得到的铁中，仍含有较多的碳和其他杂质，故性能既硬又脆，影响使用。 （2）将铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其他杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可以得到含碳量符合要求的产品，即为钢，此过程称为炼钢。钢在强度、韧性等方面较铁都有了较大幅度的提高，在土木工程中，大多使用的都是钢材。 钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外，钢中的杂质含量也少于生铁。 上一页 下一页 返回 8.1　钢的冶炼和分类 生铁中由于含有较多的碳和其他杂质，性质较脆，强度低、韧性差，故不能采用轧制、锻压等方法进行加工。生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。炼钢生铁中的铁和碳元素以Fe 3 C化合物的形式存在，其断口为银白色，质硬而强度高，又称为白口铁；而铸造生铁中的碳以石墨状态存在，断面呈灰色，也称为灰口铁，其质较软、强度低，可进行切削加工，用于铸造业。 钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。 上一页 下一页 返回 8.1　钢的冶炼和分类 8.1.2　钢的分类 1．根据炼钢设备所用炉种分类 根据炼钢设备所用炉种的不同，炼钢的方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。 2．根据脱氧程度分类 根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。 上一页 返回 8.2　钢材的主要性能 钢材的主要性能包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度、硬度等）和工艺性能（冷弯性能、冷加工性能、焊接性能等）。 8.2.1　抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材的重要性能。由拉伸试验测定的屈服强度、抗拉强度和伸长率是建筑钢材的重要技术指标。由低碳钢在拉伸过程中形成的应力（σ）-应变（ε）关系图（图8-3）可知，低碳钢受拉过程可划分为以下四个阶段。 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 8.2.2　冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以α k 表示（J/cm 2 ）。α k 值越大，表明钢材的冲击韧性越好。冲击韧性试验图如图8-4所示。 影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。如钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。 钢材冲击韧性随温度降低而下降，其规律是开始下降缓慢，当低于某一温度时则显著下降呈现脆性。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 这时的温度范围称为脆性转变温度。脆性转变温度越低，说明钢材的低温抗冲击性能越好。因此，在负温度条件下使用的结构，应当选用脆性转变温度较使用温度更低的钢材。 8.2.3　疲劳强度 钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力的作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 钢材承受的交变应力越大，则钢材至断裂时经受的交变应力的循环次数就越少。当交变应力降低至某一定值时，钢材可经受交变应力循环达无限次而不发生疲劳破坏。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 对于钢材，通常取交变应力循环次数为1×10 7 时试件不发生破坏的最大应力作为其疲劳极限。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。 8.2.4　硬度 硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。 测定钢材硬度常用布氏法。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P（N）的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积（mm 2 ）除以荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。如图8-5所示。 8.2.5　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，是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度（直径）的比值来衡量的。试验时，采用的弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（直径）的比值越小，表示对冷弯性能的要求越高，如图8-6所示。按规定的弯曲角度和弯心直径进行试验时，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。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。但伸长率是在试件轴向均匀变形的条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格的条件下测定钢材局部变形的能力。它可反映钢材内部结构是否均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。工程中，还用冷弯试验来检验建筑钢材各种焊接接头的焊接质量。 8.2.6　冷加工性能 1．钢材的冷加工及时效 钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。 钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 2．冷加工在工程中的应用 工程中常采用对钢筋进行冷拉和对钢丝进行冷拔的方法，达到节约钢材的目的。钢筋冷拉后屈服强度可提高15%～20%，冷拔后屈服强度可提高40%～60%。 8.2.7　钢的化学成分对钢材性能的影响 钢的化学成分主要是铁和碳，还有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等杂质元素，这些元素的存在对钢材性能有不同的影响，其中，碳的影响最大。钢材的性能主要取决于其中的化学成分。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 1．碳 碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度随之提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。 钢材含碳量增高，还会使焊接性能、耐锈蚀性能下降，并增加钢的冷脆性和时效敏感性。含碳量超过0.3%时，钢的焊接性能显著降低。 2．硅、锰 硅和锰都是炼钢时为了脱氧加入硅铁和锰铁而留在钢中的合金元素。加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO 2 、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 硅是钢的主要合金元素，其含量小于1%，硅能提高钢材的硬度，对塑性和韧性影响不明显。 锰是低合金结构钢的主要合金元素，其含量一般为1%～2%，锰可以细化钢材晶体组织、提高强度。 3．硫、磷 硫和磷是钢材中主要的有害元素。硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔点的共晶体。当钢材进行热加工且温度升至1 000 ℃以上时，共晶体熔化、晶粒分离，使钢材沿晶界破裂，这种现象叫作热脆性。热脆性严重降低了钢的热加工性和可焊性。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 磷是由炼钢原料中带入的。磷能使钢的强度、硬度得到提高，但其显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象称为冷脆性。冷脆性使钢材的冲击韧性以及焊接等性能都有所下降。 4．氧、氮 氧和氮都是有害元素，它们是在炼钢过程中进入钢液的。未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe 4 N等。这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 5．钛、钒、铌 钛、钒、铌是钢的强脱氧剂和合金元素，能够改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。 8.2.8　土木工程常用钢材 1．碳素结构钢 碳素结构钢是碳素钢中的一大类。它为一般结构和工程用钢，适合于生产各种型钢、钢筋和钢丝等，产品可供焊接、铆接、拴接构件使用。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 2．优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是含碳量小于0.8%、含有较少量的有害杂质、较碳素结构钢具有更优性能的钢种，一般可经过热处理来提高其机械性能。钢材按加工方法可分压力加工用钢和切削加工用钢两类。建筑工程上常用优质碳素钢制作钢丝、钢绞线、圆钢、高强度螺栓及预应力钢具等。 3．低合金结构钢 低合金结构钢是在普通钢种内加入微量合金元素，但硫、磷杂质的含量保持普通钢的水平，因此，其具有较好的综合力学性能。与相同规格的普通碳素钢相比，如果强度相同，采用低合金结构钢可节约20%～25%的钢材。 上一页 下一页 返回 8.2　钢材的主要性能 主要用于桥梁、建筑钢筋、重轨和轻轨等方面。 4．桥梁建筑用热轧碳素钢 桥梁建筑用热轧碳素钢是适用于桥梁建筑的专用钢种，适用于生产钢板和型钢，产品可供焊接和铆接的桥梁结构使用。 5．耐候钢 耐候钢也称耐大气腐蚀钢，是在钢中加入少量合金元素，如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，使其在金属基体表面形成保护层，提高钢材的耐候性能。其适合生产热轧、冷轧的钢板和型钢，产品适用于车辆、建筑、塔架和其他结构，其可制作螺栓连接、铆接和焊接的结构件。常用的耐候钢有高耐候性结构钢和焊接结构用耐候钢等。 上一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 8.3.1　普通碳素结构钢 普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。 其含碳量为0.02%～2.06%，还含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。在各类钢中，碳素结构钢产量最大、用途最广泛。现行国家标准《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。 1．碳素结构钢的牌号表示方法 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。碳索结构钢可分为Q195、Q215、Q235和Q275四个牌号。 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 其中，质量等级取决于钢内有害元素硫和磷的含量，其含量越少，钢的质量越好，其等级是随A、B、C、D的顺序逐级提高的。其他各符号含义见表8-1。 如Q235-AF，表示屈服强度为235 MPa，质量等级为A级的沸腾钢；Q275-B，表示屈服强度为275 MPa，质量等级为B级的镇静钢。 2．碳素结构钢的选用 碳素结构钢随着牌号的增大、含碳量的增加，其强度和硬度也随之提高，但其塑性和韧性降低、冷弯性能逐渐变差。 Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属于低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能够满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，被大量用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。其中，Q235-A级钢一般仅适用于承受静荷载作用的结构，Q235-C和Q235-D级钢可用于重要的焊接结构，Q235-D级钢含有足够的形成细晶粒的元素，同时，对硫、磷有害元素控制严格，故其冲击韧性很好，具有较强的抗冲击、振动荷载的能力，尤其适宜在较低温度下使用。 Q275号钢强度较高，但塑性、韧性及可焊性较差，不宜进行焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多地用于机械零件和工具等。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 承受动荷载作用的结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。 8.3.2　低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是普通低合金结构钢的简称。一般是在普通碳素钢的基础上，添加一种或几种少量的合金元素而形成的。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其目的是提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。 低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，其可节约20%～30%的钢材，且成本较低。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 8.3.3　钢筋混凝土用钢筋、钢丝 钢筋混凝土用钢筋的直径通常为8～40 mm，小于8 mm的称为钢丝。 1．钢筋混凝土用热轧钢筋 钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋。光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑；带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。带肋钢筋中，横肋的纵、横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋；横柱的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋。如图8-9所示。与光圆钢筋相比，带肋钢筋与混凝土之间的粘结力大，共同工作的性能更好。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 2．冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋。 （1）冷轧带肋钢筋的牌号表示方法与技术要求。根据《冷轧带肋钢筋》（GB 13788—2008）的规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和抗拉强度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号，C、R、B分别为冷轧（Cold ro11ed）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词的英文首位字母。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 （2）冷轧带肋钢筋的应用。冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的3～6倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。 3．预应力混凝土用热处理钢筋 热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火和回火的调质热处理而制成的。通常，有直径为6、8.2、10（mm）三种规格，其条件屈服强度不小于1 325 MPa，抗拉强度不小于1 470 MPa。按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种，但都有横肋。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 热处理钢筋经过调质热处理而成，具有强度高、韧性高、粘结力高和塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件，主要适用于预应力混凝土轨枕。但其对应力腐蚀及缺陷敏感性强，使用时应防止锈蚀及刻痕等。热处理钢筋成盘供应，开盘后自行伸直，施工方便，使用时按要求长度切割，不能用电焊切割，也不能焊接，以免引起强度下降或脆断。 4． 预应力混凝土用钢丝 （1）预应力混凝土用钢丝的分类及代号。根据《预应力混凝土用钢丝》（GB/T5223—2014）的规定，预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝（代号为WCD）和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝主要是指低松弛级钢丝（代号为WLR）。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 冷拉钢丝是用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而成的，以盘卷供货的钢丝。低松弛钢丝是钢丝在塑性变形下（轴应变）进行短时热处理而得到的，普通松弛钢丝是钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理而得到的。 预应力混凝土用钢丝按外形分为光圆钢丝（代号为P）、螺旋肋钢丝（代号为H）和刻痕钢丝（代号为I）三种。螺旋肋钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的肋条。刻痕钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的压痕，如图8-11所示。刻痕钢丝和螺旋肋钢丝与混凝土的粘结力较强。 （2）预应力混凝土用钢丝的力学性能。消除应力的光圆、螺旋肋、刻痕钢丝以及冷拉钢丝的力学性能应符合相应规定。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 （3）预应力混凝土用钢丝的应用。预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。 （4） 预应力混凝土用钢绞线。预应力混凝土用钢绞线，以数根圆形断面钢丝经绞捻和消除内应力的热处理后制成。根据《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224—2014）的规定，钢绞线按捻制结构分为三种结构类型：1×2、1×3、1×7和1×19，分别用2根、3根、7根和19根钢丝捻制而成，如图8-12所示。钢绞线按其应力松弛性能分为Ⅰ级松弛和Ⅱ级松弛两级。Ⅰ级松弛即普通松弛级，Ⅱ级松弛即低松弛级。 上一页 下一页 返回 8.3　建筑钢材的技术标准及选用 钢绞线具有强度高、与混凝土粘结好、断面面积大、使用根数少、在结构中排列布置方便、易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。 上一页 返回 8.4　钢材的锈蚀与保护 钢材的锈蚀指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。锈蚀可发生于许多引起锈蚀的介质中。如湿润空气、土壤、工业废气等。温度升高，锈蚀加速。 钢材存放中的严重锈蚀，不仅截面积减小、材质降低甚至报废，而且除锈工作耗费很大。使用中的锈蚀不仅使受力面积减小，而且局部锈坑的产生，可造成应力集中，促使结构早期破坏。尤其在有反复荷载的情况下将产生锈蚀疲劳现象，使疲劳强度大为降低，出现脆性断裂。 （1）根据钢材表面与周围介质的不同作用，锈蚀可分为以下两类： 1）化学锈蚀。指钢材表面与周围介质直接发生化学反应而产生的锈蚀，如钢材在高温中氧化形成Fe 3 O 4 的现象。 下一页 返回 8.4　钢材的锈蚀与保护 在常温下，钢材表面将形成一薄层钝化能力很弱的氧化保护膜Fe 2 O 3 。 2）电化学锈蚀。建筑钢材在存放和使用中发生的锈蚀主要属于电化学腐蚀。例如，存放于湿润空气中的钢材，表面被一层电解质水膜所覆盖，由于表面成分或者受力变形等的不均匀性，使邻近的局部产生电极电位的差别，因而建立许多微电池。在阳极区，铁被氧化成Fe 2+ 进入水膜。因为水中溶有来自空气的氧，故在阴极区氧将被还原为OH－ ，两者结合成为不溶于水的Fe（OH）2 ，并进一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe（OH） 3 。如水膜中溶有酸，则阴极被还原的将为H + 。 上一页 下一页 返回 8.4　钢材的锈蚀与保护 由于所形成的氢积存于阴极产生极化作用，使锈蚀停止，但水中的氧与氢结合成水以除去氢，故锈蚀能继续进行。因为水膜中离子浓度提高、阴极放电快、锈蚀进行较快，故在工业大气的条件下，钢材较容易锈蚀。 从以上分析了解，影响钢材最常见的锈蚀破坏的重要因素，是水和源源供给氧的空气。 （2）埋于混凝土中的钢筋，因某处于碱性介质的条件（新浇混凝土的pH值约为12.5或更高）而使钢筋表面形成氧化保护膜，故不致锈蚀。但应注意，一些卤素离子能破坏保护膜，特别是氯离子，它能促进锈蚀反应，使锈蚀迅速发展。 上一页 下一页 返回 8.4　钢材的锈蚀与保护 防止钢结构锈蚀的方法通常是采用表面刷漆。常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等。面漆有灰铅油、醋酸磁漆、酚醛磁漆等。薄壁钢材可采用热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层。这种方法效果最好，但价格较高。 混凝土配筋的防锈措施，主要根据结构的性质和所处环境条件等，考虑混凝土的质量要求，即限制水胶比和水泥用量，并加强施工管理，以保证混凝土的密实性以及保证足够的保护层厚度和限制氯盐外加剂的掺用量。 上一页 下一页 返回 8.4　钢材的锈蚀与保护 对于预应力钢筋，一般含碳量较高，又多是经过变形加工或冷拉，因而对锈蚀破坏较敏感，特别是高强度热处理钢筋，容易产生应力锈蚀现象。故重要的预应力承重结构，除不能掺用氯盐外，应对原材料进行严格检验。 对配筋的防锈措施，还有掺用防锈剂（如重铬酸盐等）的方法。国外有采用钢筋镀锌、镀铬或镀镍等方法。 上一页 返回 图 8 - 1 返回 图 8 - 3 返回 图 8 - 4 返回 图 8 - 5 返回 图 8 - 6 返回 表 8 - 1 返回 图 8 - 9 返回 图 8 - 11 返回 $$