第七章建筑鋼材

基本要求

7.1概述

7.2基本知識

7.3技術性質

7.4冷加工和時效

7.5技術標準及選用目錄基本要求本章學時講課3

實驗0.5主要內容建筑鋼材的特點、分類及應用建筑鋼材的拉伸性能、沖擊韌性及冷彎性能建筑鋼材的冷加工及時效強化常用建筑鋼材的標準及選用重點建筑鋼材的拉伸性能、沖擊韌性及冷彎性能常用建筑鋼材的標準及選用Back基本要求§7.1概述定義分類特點應用意義Back指用于工程建設的各種鋼材，包括：型鋼鋼板鋼絲鋼筋定義

鋼筋型鋼

鋼板鋼絲Back概述分類金屬材料有色金屬黑色金屬銅、鋁及合金鋼結構鋼筋生鐵(c>2.06%)按化學成分可分為:黑色金屬和有色金屬Back優點比強度高塑性好、韌性好能承受沖擊和振動荷載加工性好特點缺點易銹蝕維護費用大Back

建筑鋼材可用于:大跨度結構多層及高層結構受動荷載作用的工業廠房應用鋼橋Back建筑鋼材是建筑中常用的材料鋼材的品種多，性質差別大，為了掌握鋼材的合理使用，應對鋼材的生產、組成、性質和用途等知識有一定的了解。本章的重點是鋼材的技術性質（主要是抗拉性能）、技術標準和選用。意義Back§7.2

基本知識鋼材的冶煉過程及其對鋼材質量的影響冶煉原理爐種的影響分類按化學成份分按質量分按結構用途分Back將熔融的生鐵水或焦炭及鐵礦石加入煉鋼爐中精煉，使炭及其它雜質氧化而揮發或變成氧化物進入渣內，降低炭及其它雜質的含量。冶煉原理鋼材的冶煉過程及其對鋼材質量的影響Back過程焦炭鐵礦石生鐵高爐熔融生鐵精煉氧化還原鋼鑄錠鋼錠建筑鋼材圖7.2.1鋼材的冶煉過程爐種的影響及氧化程度爐種的影響及氧化程度見表7.2.1和表7.2.2。表7.2.1爐種的影響爐型原料吹入氣體冶煉時間鋼材質量成本應用氧氣轉爐熔融鐵水氧氣15-30分鐘好低優質碳素鋼及合金鋼平爐生鐵、鐵礦石等空氣5-12小時好高同上及特殊用途的鋼

電爐廢鋼、生鐵空氣短最好高同上冶煉中為除去雜質而進行的氧化部分鐵不可避免的被氧化使鋼錠內生成許多氣泡降低了鋼的質量為了使FeO和Fe2O3

還原為Fe,在煉鋼的后階段必須脫氧。脫氧程度的影響

表7.2.2脫氧程度及鋼材質量鋼種脫氧程度冷卻情況鋼材質量沸騰鋼不充分澆筑時有大量CO逸出差半鎮靜鋼介于二者之間好鎮靜鋼充分平靜冷卻，無CO逸出組織致密、成分均勻、機械性能好特殊鎮靜鋼最充分最好Back碳素鋼低碳鋼C<0.25%√中碳鋼C=0.3～0.55%高碳鋼C>0.6%合金鋼低合金鋼<5%√中合金鋼=5～10%鋼合金鋼>10%按化學成分分類分類表7.2.3碳素結構鋼的化學成分（GB700—88）牌號

等級化學成分%脫氧方法CMnSiSP≤

Q1950.06~0.120.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.0450.045F、b、ZBQ235A0.14~0.220.30~0.650.300.0500.045F、b、ZB0.12~0.200.30~0.700.045C≤0.180.35-0.800.0400.040ZD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045ZB0.045Q2750.20~0.380.50~0.800.350.0500.045Z按質量分普通鋼

P≯0.045%,S≯0.055%優質鋼

P≯0.035-0.04%,S≯0.04%高級優質鋼

P≯0.025%,S≯0.025%分類按結構用途分結構鋼

各種工程構件及機械零件,屬低碳鋼或中碳鋼工具鋼

刀具、模具特殊鋼不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼Back§7.3建筑鋼材的技術性質拉伸性能低碳鋼的應力－應變圖強度塑性沖擊韌性冷彎性能Back工程中的鋼結構和鋼筋混凝土結構中的鋼材的基本性能有：機械性能拉伸性能

沖擊韌性疲勞強度工藝性能冷彎性能焊接性能Back拉伸性能錄像拉伸性能是建筑鋼材的主要性能鋼材受拉后的技術性能指標可以用低碳鋼的應力—應變圖來反映。屈服強度抗拉強度伸長率拉伸性能低碳鋼的應力應變圖見圖7.3.1σBCDAδσbσSUσPσSLε彈性階段σ/ε=Eσp--彈性極限屈服階段△ε＞△σ產生塑性變形B—上屈服點B′—下屈服點σs—屈服強度強化階段：內部組織變化，恢復部分強度σb--抗拉強度頸縮階段：過C點后，試件抵抗變形的能力下降，變形集中在某局部進行，產生頸縮破壞0圖7.3.1低碳鋼的應力應變圖Back定義

屈服強度是指鋼材開始喪失隨變形的抵抗能力,并開始產生大量變形的能力。意義是彈性變形轉變為塑性的轉折點當外力超過屈服點時，產生不可恢復的變形，鋼材內部的應力自動分配至低應力部位所以說，屈服點是確定鋼結構容許應力值的依據屈服強度公式

屈服強度σs－屈服強度Fs－屈服應力Ao－試件截面積對屈服不明顯的鋼,規定以產生0.2%殘余變形時的應力f02作為屈服強度σ02，見圖7.2.3

σε0.2%O圖7.3.2低碳鋼的應力應變圖定義

σb是指鋼材能承受的最大拉應力.意義當外力大于抗拉強度時，鋼材完全喪失對變形的抵抗能力而斷裂因此，在結構設計中不能應用拉伸強度定義σs/σb反映了鋼材的可利用率和安全性的大小意義屈強比對鋼材的可利用率和安全性來說是重要的。(表7.3.1,圖7.3.3)合理屈強比：碳素鋼

0.58—0.63低碳合金結構鋼0.65—0.75屈強比（σs/σb）σbσs2σs1σε圖7.3.3屈強比的意義Backσs/σb低σs/σb高可利用率小大安全性大小表7.3.1鋼材的屈強比、可利用率及安全性之間的關系指鋼材在外力作用下發生塑性變形而不破壞的能力。定義塑性伸長率指標和公式δn—伸長率L0—the原標點間距L1—拉斷后標點間距n=5dor10dd—鋼筋直徑

δ5＞δ10d0L0L1圖7.3.4伸長率的測定斷面收縮率Ψ—斷面收縮率A0—原斷面面積A1—拉斷后斷面面積指標和公式指標和公式說明伸長率是表示鋼材塑性變形能力的重要指標鋼結構一般在彈性范圍內工作但在應力集中處，應力可能超過屈服點,有一定的塑性變形因此可以保持應力重新分布，從而避免結構破壞Back沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力定義試驗方法

用擺錘打擊有槽口的標準試件，直到試件破壞單位面積所消耗的功Back沖擊韌性Ak—試件破壞時的沖擊功A—試件槽口處截面積公式Flash-沖擊韌性試驗沖擊韌性αk與溫度有關

(圖7.3.5)溫度較低時，發生脆性斷裂的現象發生脆性斷裂時的溫度為脆性斷裂溫度溫度較低時，冷脆性好冷脆性沖擊韌性韌性斷裂脆性斷裂Tep：脆性臨界溫度范圍TAk圖7.3.5脆性斷裂、韌性斷裂及脆性臨界溫度范圍指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力如果鋼材承受彎曲變形的程度大，那么鋼材的冷彎性好定義指標彎曲角度α及彎心直徑/（鋼板厚度或直徑）(d/a)冷彎性能Back試驗以規定的α和d/a進行彎曲檢查受彎部位如不裂紋、不起層或斷裂，則為合格冷彎性能錄像冷彎性能冷彎是通過彎曲處的塑性變形來實現的，因此它也是反映鋼材在靜荷載下塑性的一個指標。在拉伸試驗中，鋼材試件的塑性變形則是局部不均勻變形.冷彎試驗常常能反映鋼材內部組織的均勻程度，存在內應力和夾雜物等缺陷因此可以用冷彎性來檢查鋼材的質量，如焊接質量說明Back冷彎性能將熱軋鋼筋用拉伸設備在常溫下拉長，使之產生一定的塑性變形稱之為冷拉鋼材用拉伸設備拉伸后能提高強度冷拉F圖7.3.6冷拉示意圖Back冷彎性能將鋼筋通過硬質合金拔絲?？讖娦欣?，使之不僅受拉、而且受擠壓以提高強度。每次冷拔斷面縮小應為10%以下，可多次冷拔在這個過程中，強度可提高40-60%，效果好與冷拉冷拔Back冷彎性能§7.4建筑鋼材的冷加工與時效冷加工與時效的定義冷加工與時效強化原理冷加工與時效強化的意義Back冷加工指在常溫下對鋼材進行冷拉、冷拔和冷軋處理冷加工強化鋼材經冷加工后強度和硬度提高，塑性和韌性降低的現象時效

經冷拉鋼材隨時間延長強度提高,塑性、韌性下降的現象叫做時效可分為兩類：分為自然時效和人工時效Back定義時效自然時效處理經冷拉的鋼材在常溫下存放15-20天其強度和硬度提高，塑性和韌性降低的現象人工時效處理經冷拉的鋼材在加熱至100-200℃，并保持一段時間這將使時效加速定義時效敏感性因時效而導致性能改變的程度大，導致塑性、韌性降低。故動荷載重要結構，敏感性好。說明有些鋼材即使沒有經過冷加工處理，長時間過后也會出現時效，但不如冷加工后表現明顯。Back定義冷加工時效強化的原理由于鋼材在加工時產生塑性變形所至，當晶體在外力作用下，在彈性階段金屬原子偏離平衡位置產生的變形，在外里去除后可以恢復---彈性變形；當外力繼續增大，使晶格的歪曲程度超過彈性變形之后，晶格產生滑移，造成永久性變形。由于晶粒表面的畸變及滑動平面的細小碎屑，使晶體在該平面上繼續滑動產生困難，抵抗變形的能力增大，因而屈服極限及硬度提高。由于塑性變形后鋼材可能產生滑移的區域幾乎均已滑動，因此塑性降低。原理Back時效強化的原理

在高溫下固溶在α-Fe中的氮和氧的原子，在溫度降低后溶解度下降，但未完全析出，在存放過程中逐漸析出并擴散到晶粒缺陷處，形成固體微粒，阻礙晶粒發生滑移，而提高了對塑性變形的抵抗能力。原理σεOO1BD1CDC1K1K未冷拉屈服點B冷拉屈服點:σs

變大塑性和韌性降低時效σs,σν

變大塑性和韌性降低圖7.4.1冷加工和時效強化示意圖建筑鋼材的冷加工與時效可提高強度，冷拉后屈服強度可提高20-30%，時效處理后還可使抗拉強度提高。可節約鋼材20-30%。對于受動荷載或經常處于中溫條件工作的鋼結構，如橋梁、鋼軌、鍋爐等，為避免過大脆性，出現突然斷裂，要求采用時效敏感小的鋼材。意義Back§7.5建筑鋼材的技術標準與選用鋼結構用鋼材碳素結構鋼低合金高強度結構鋼鋼筋混凝土結構用鋼材熱軋鋼筋冷軋帶肋鋼筋冷拔低碳鋼絲Back建筑鋼材的技術標準與選用建筑鋼材包括：型鋼鋼管鋼板鋼絲鋼筋常用的鋼材品種為：碳素鋼與低合金鋼二大類。

Back鋼結構用鋼材我國鋼結構用的鋼材主要有碳素結構鋼低合金鋼碳素結構鋼指各種鋼結構中采用的結構鋼和工程用熱軋鋼板、型鋼等?，F行國家標準為《碳素結構鋼》（GB700-88）Back牌號及其表示方法如flash中所示Q235-AF:屈服強度是

235MPa,A級,沸騰鋼鋼結構用鋼材請點擊右鍵選擇“播放”觀看Flash動畫碳素結構鋼的技術要求技術要求包括：化學成分力學性質冶煉方法交貨狀態表面質量下面重點介紹前兩個性質?；瘜W成分各種不同牌號的碳素結構鋼的化學成分應符合GB700-88的要求。表7.5.1碳素結構鋼的化學成分（GB700-88）

牌號質量等級化學成分（%）CMnSiS不大于Q195—0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045Q215AB0.09～0.150.25～0.550.300.0500.0450.045Q235ABCD0.14～0.220.12～0.20≤0.18≤0.170.35～0.800.300.0500.0450.0400.0350.0450.0450.0400.035Q255AB0.18～0.280.40～0.700.300.0500.0450.045Q275—0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045碳素結構鋼的拉伸和沖擊試驗指標應符合下表規定：

碳素結構鋼的力學性能指標（GB700-88）

力學性能冷彎試驗

碳素結構鋼的冷彎試驗指標（GB700-88）表7.5.2碳素結構鋼的力學性能

（GB700—88）牌號等級拉伸試驗沖擊試驗屈服點(N/mm)抗拉強度σb(N/mm)伸長率（%）溫度（℃）V型沖擊功（縱向）J鋼材厚度（直徑）mm鋼材厚度（直徑）mm≤16＞16~40≤16＞16~40≥≥≥Q195—(195)(185)315~3903332——Q215AB215205335~4103130—20—27Q235ABCD235225375~4602625—20—-20—272727Q255AB255245410~5102423—20—27Q275—275265490~6102019——Tab.7.5.3碳素結構鋼抗彎試驗指標(GB700-88)牌號試樣方向冷彎試驗B=2a180°鋼材厚度（直徑）（mm）60＞60~100＞100~200彎心直徑dQ195縱橫00.5a——Q215縱橫0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235縱橫a1.5a2a2.5a2.5aaQ2552a3a3.5a－Q2753a2a4.5a－各類牌號鋼材的性能牌號與性能的關系根據國家標準GB700-88的規定，碳素結構鋼按屈服點分為五個牌號如表7.5.1和表7.5.2所示，當牌號增大時，鋼材的含碳量提高，伸長率降低，冷彎性能也降低。質量等級：取決于鋼材內有害雜質S、P的含量，鋼材的質量與好，其焊接性能和低溫抗沖擊性能也提高。各類牌號鋼材的性能碳素結構鋼的選用建筑鋼結構中最常用的牌號為Q235(綜合性能符合建筑工程的要求)。因為Q235鋼既有較高的強度，又有良好的塑性和韌型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能滿足一般鋼結構用鋼的要求。Q235的C級和D級鋼，其S和P的含量低，所以主要作重要的焊接結構。尤其適用于低溫條件下，受沖擊荷載作用的焊接鋼結構。各類牌號鋼材的性能碳素結構鋼的選用Q195及Q215：強度低，但塑性和韌性好，易冷加工，在軋制、焊接加工成受沖擊、偶然荷載等情況下，能保證安全使用。Q255及Q275：強度高，但塑性和韌性差，可焊接差，不易冷加工；可用作砼配筋和鋼結構中的構件及螺栓（在機械零件及工具中常用之）。選用鋼材，主要根據工程結構的重要性、荷載類型、焊接要求及使用環境溫度等條件選擇。Back定義在碳素結構鋼的基礎上，添加少量的一種或幾種合金元素，合金元素的總含量小于5%的結構鋼。常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。牌號及其表示方法現行國家標準《低合金結構鋼》（GB1591-94）共有5個牌號：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。低合金高強度結構鋼Back牌號由以下四部分組成(如flash所示)低合金高強度結構鋼請點擊右鍵選擇“播放”觀看Flash動畫低合金高強度結構鋼低合金高強度結構鋼的化學組成(GB1591-94)如表7.5.4所示。低合金高強度結構鋼的力學性能(GB1591-94)如表7.5.5所示。如表7.5.5所示，低合金鋼的強度大大高于碳素結構鋼，并且具有良好的塑性和韌性、耐磨性、耐蝕性及耐低溫性也好于碳素鋼，其生產工藝和成本都與碳素鋼相近。比采用碳素結構鋼節省鋼材，而且可以減輕自重，延長使用壽命，尤其適用于大跨度結構和橋梁工程等。

低合金高強度結構鋼表7.5.4低合金高強度結構鋼的化學成分（GB1591-94）牌號

質量等級

化學成分（%）

C≤MnSiP≤S≤VNbTiAl≥Cr≤Ni≤Q295AB0.160.160.80～

1.500.80～

1.500.550.550.0450.0400.0450.0400.02～

0.150.02～

0.150.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.20——續表Q345ABCDE0.020.020.200.180.181.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.600.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.02～0.150.02～0.150.02～0.150.02～0.150.02～0.150.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.20——0.0150.0150.015續表Q390ABCDE0.200.200.200.200.201.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.600.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.20——0.0150.0150.0150.300.300.300.300.300.700.700.700.700.70續表Q420ABCDE0.200.200.200.200.201.00～1.701.00～1.701.00～1.701.00～1.701.00～1.700.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.20——0.0150.0150.0150.400.400.400.400.400.700.700.700.700.70Q460CDE0.200.200.201.00～1.701.00～1.701.00～1.700.550.550.550.0350.0300.0250.0350.0300.0250.02～0.200.02～0.200.02～0.200.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.0150.0150.0150.700.700.700.700.700.70表7.5.5低合金高強度結構鋼的力學性能（GB1591-94）

牌號

質量等級

拉伸試驗

180°彎曲試驗

d=彎心直徑

a=試驗厚度

（直徑）

屈服點(MPa)

抗拉強度

σbMpa伸長率

δ5%沖擊功（縱向）

（J）厚度

（直徑、邊長）

mm≤15＞16~35+20℃

0℃

鋼材厚度

(直徑)（mm）

≥

≥

≤16＞16~100Q295AB295295275275390~570390~570232334d=2ad=2ad=3ad=3aQ345ABCDE345345345345345325325325325325470~630470~630470~630470~630470~630212122222234

34d=2ad=2ad=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ390ABCDE390390390390390370370370370370490~650490~650490~650490~650490~650191920202034

34d=2ad=2ad=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3a續表Q420ABCDE420420420420420380380380380380520~680520~680520~680520~680520~68018181919193434d=2ad=2ad=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ460CDE460460460420420420550~720550~720550~72017171734d=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3a續表鋼筋混凝土結構用鋼材可以分為：熱軋鋼筋冷拉鋼筋冷拔低碳鋼絲鋼絞線Back包括熱軋光圓鋼筋(Tab.7.5.6)及熱軋變形鋼筋。熱軋鋼筋按屈服強度及抗拉強度分為四個等級。其品種、牌號、力學性能及其應用見下表7.5.7。熱軋鋼筋Back表7.5.6建筑用低碳熱軋圓盤條力學性能及工藝性能牌號力學性能冷彎試驗180℃d＝彎心直徑a＝試樣直徑σs（MPa）σb（MPa）δ10（％）≥Q215Q2352152353754102723d＝0d＝0.5aTab.7.5.7熱軋鋼筋力學性能及工藝性能表

（GB/T701-1997、GB1499-1998）牌號公稱直徑（mm）屈服強度σs

（MPa）抗拉強度σb（MPa）伸長率δ5(%)冷彎試驗180℃d＝彎心直徑a＝試樣直徑≥HRB3356～2528～5033549016d＝3ad＝4aHRB4006～2528～5040057014d＝4ad＝5aHRB5006～2528～5050063012d＝6ad＝7a應用HRB335和HRB400主要用于非預應力和預應力混凝土。HRB500主要用于預應力混凝土。Back冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋主要力學性能和工藝性能如表7.5.8所示。Back級別代號抗拉強度σb(MPa)不小于伸長率不小于(%)冷彎180°D－彎心直徑d－鋼筋公稱直徑應力松馳σcom=0.7σb

反復彎曲次數δ10

δ1001000h≮(%)10h≮(%)CRB550CRB650CRB800CRB970CRB1270

55065080097011708－－－－－4444D=3dD=3dD=3dD=3dD=3d－8888－5555－3333表7.5.8冷軋帶肋鋼筋主要力學性能和工藝性能級別代號抗拉強度σb(M