§8 金属材料 _ 建筑钢材制作人—

依巴丹

钢材的特点及其在建筑工程中的应用 钢材是土木工程中使用量最大的金

属材料，包括用于钢结构工程中的各种型钢

（如角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和用于钢筋混凝土结构工程中的各种钢筋及钢丝。

§8 金属材料 _ 建筑钢材 第一节 钢的冶炼和分类 第二节 建筑钢材的主要性能 第三节 建筑钢材的技术标准及选用 第四节 钢筋混凝土用钢材

优点： （ 1）质量均匀，性能可靠 （ 2）强度、硬度高 （ 3）塑性、韧性好 缺点： （ 1）易锈蚀 （ 2）维修费用高 （ 3）耐火性差

（一）钢材的特点

1 、钢材的优点： （ 1 ）良好的力学性能：抗拉、抗压、抗弯、

抗剪强度都很高，具有一定的塑性和韧性，常温下能承受较大的冲击和振动荷载；

（ 2 ）良好的加工性能：可以铸造、锻压、焊接、铆接或螺栓连接，便是装配等。

2 、钢材的缺点：易锈蚀，维修费用大，耐火性差。

（二）钢材的应用 1 、建筑上由各种型钢组成的钢结构安全性

大，自重较轻，适用于大跨度和高层结构。 2 、钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土结构，

虽然自重大，但节省钢材，同时由于混凝土的保护作用，很大程度上克服和钢材易锈蚀、维修费用高的缺点。

第一节 钢的冶炼和分类 一、钢的冶炼 钢是由生铁冶炼而成。生铁中碳的含量为 2.0

6 ％～ 6.67 ％，磷、硫等杂质的含量也较高。生铁硬而脆、无塑性和韧性、不能进行焊接、锻造、轧制等加工。

炼钢的原理： 冶炼生铁 钢材 氧化，将碳和其它杂质的含 量的含量降低到允许范围

（一）钢的冶炼方法 转炉炼钢法

平炉炼钢法

电炉炼钢法

（二）脱氧处理1 、为什么要进行脱氧处理？在冶炼的过程中，由于氧化作用使

部分铁被氧化，并残留在钢水中，降低了钢的质量。因此，在炼钢后期精炼时，要进行脱氧处理。

2 、如何进行？在炉内或钢包中加入脱氧剂（锰铁、

硅铁、铝锭等）进行脱氧，使氧化铁还原为金属铁。

按照脱氧程度的分类

脱氧程度 浇注钢锭时 材质 沸腾钢 脱氧不完全 大量的 CO 气泡逸出 差

镇静钢 脱氧彻底 表面平静 好

半镇静钢 脱氧程度和材质介于以上二者之间

二、钢的分类（ 1 ）钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两类。（ 2 ）碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳量小于 0.2 ％），中碳钢（含碳量 0.25 ％～ 0.6 ％），高碳钢（含碳量大于 0.60 ％）

（ 4 ）按钢在熔炼过程中脱氧程度的不同分为：

脱氧充分为镇静钢和特殊镇静钢（代号为 Z 和 TZ ），

脱氧不充分为沸腾钢（代号为F ），介于二者之间为半镇静钢（代号为 b ）。

第二节 建筑钢材的主要性能钢材的性能主要包括力学性能、工艺性能和化学性能。

一、力学性能（一）拉伸性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式，

所以，拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要依据。

以低碳钢为例。

图 8-1 为低碳钢拉伸过程的应力－应变关系图。

从图中可以看出，低碳钢拉伸过程经历了四个阶段：

弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

1 、弹性阶段（ 0→A ）

（ 1 ）特点：弹性。在该阶段，若缷去外力，试件能恢复原来的形状。

（ 2 ）指标：①A点所对应的应力值——弹性极限，用 σP表示。

② 弹性模量，用 E 表示，E ＝ σ/ε 。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形

的能力，是计算钢材在受力条件下变形的重要指标。

2 、屈服阶段（ A→B ）（ 1 ）特点：屈服——变形迅速增加，外力则大致在恒定的位置波动，这就是所谓的“屈服现象”，似乎钢材不能承受外力而屈服。

（ 2 ）指标：屈服强度（也称为屈服点）——下屈服点 B下点所对应的应力值，用 σs表示。

3 、强化阶段（ B→C ）（ 1 ）特点：强化——钢材抵抗外力的能力重新提高。

（ 2 ）抗拉强度（强度极限）——C点所对应的应力值，用 σb表示。

4 、颈缩阶段（ C→D ）（ 1 ）特点：颈缩——其抵抗变

形的能力明显降低，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直至断裂。

（ 2 ）指标：伸长率 δ 。

屈服强度、抗拉强度、伸长率这三项指标对于钢材来说具有重要意义，现分述如下。

（ 1 ）屈服强度（也称为屈服点）

屈服强度按下式计算：

0A

Fss

式中： σs—— 钢材的屈服强度（ MPa ）；

Fs—— 钢材拉伸达到屈服点时的屈服荷载（ N ）；

A0—— 钢材试件的初始横截面积（ mm2 ）。

屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据。

（ 2 ）抗拉强度（也称为强度极限）

抗拉强度按下式计算：

0A

Fbb

式中： σb—— 钢材的抗拉强度（ MPa ）；

Fb—— 钢材的极限荷载（ N ）； A0—— 钢材试件的初始横截面积

（ mm2 ）。抗拉强度是钢材受拉时所能承受的

最大应力值。

屈服强度 σs 与抗拉强度 σb 的比值σs/σb 称为屈强比。

σs/σb↑ ，利用率↑，安全可靠程度↓。

σs/σb↓ ，利用率↓，安全可靠程度↑。

建筑结构用钢合理的屈强比一般为 0.60 ～ 0.75 。

（ 3 ）伸长率 伸长率按下式计算：

%1000

01

L

LL

式中： δ—— 伸长率（当 L0 ＝ 5d0 时，为 δ5 ；当 L0 ＝ 10d0 时，为 δ10 ）；

L1—— 试件拉断后标距间的长度（ mm ）；

L0—— 试件原标距间长度（ mm ），如图 8-2 所示。

伸长率 δ是衡量钢材塑性的一个重要指标， δ↑，塑性↑。对于钢材来说，一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而使钢材用于结构的安全性越大。

（二）冲击韧性定义：冲击韧性——是指钢材抵抗

冲击荷载而不破坏的能力。指标：冲击韧性值 ak（ J/cm2 ）， ak↑，

冲击韧性↑。试验如图 8-3。

冲击韧性实验：如图 8-3

影响因素：（ 1 ）钢的化学成分、组织状态，

以及冶炼、轧制、焊接质量都会影响冲击韧性。

举例说明。

（ 2 ）温度↓，冲击韧性↓。

冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。

这时的温度称为脆性临界温度。

如图所示：

它的数值越低，钢材的低温冲击韧性越好。

所以，在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。

（ 3 ）时间↑，冲击韧性↓。时效——钢材随时间的延长，其强度、硬

度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。

（三）硬度定义：硬度——是指钢材抵抗较硬物体

压入产生局部变形的能力，亦即钢材表面抵抗塑性变形的能力。

指标：布氏硬度值HB， HB↑，硬度↑。测定钢材硬度常用布氏法，试验如图 8-4。

材料的强度越高，抵抗塑性变形的能力越强，硬度值也就越大。

（四）疲劳强度

疲劳破坏—钢材在交变应力作用下，应力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。

钢材疲劳破坏的应力指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，

它是指试件在交变应力的作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。

二、工艺性能

钢材的工艺性能是指钢材在加工过程中表现出的性能，它直接影响钢材的加工质量。

（一）冷弯性能

定义：冷弯性能——是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。

指标：①弯曲的角度 α；②弯心直径d与试件直径（或厚度） a的比值d/a来表示。弯曲角度 α越大， d/a 越小，说明试件冷弯性能越好，如图 8-5。

冷弯实验：

（二）冷加工强化及时效1 、冷加工强化定义：冷加工强化——钢材在常温下，经过以超过其屈服强度但不超过抗拉强度的应力进行加工，产生一定塑性变形，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。

冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。

以钢材的冷拉为例，如图 8-6；

如图 8-6：

冷拔低碳钢丝：

未经冷拉时，应力应变曲线为 OABCD；

冷拉过程： OABKO′；经过冷拉后立即进行拉伸：应力

应变曲线为 O′KCD，屈服强度得到了提高，而塑性、韧性降低；

冷拉后再经时效处理：应力应变曲线为 O′KK1C1D1 ，屈服强度、硬度进一步提高，抗拉强度也得到提高，而塑性和韧性进一步降低。

2 、时效

钢材经冷加工后时效可迅速发展。 时效处理的方式有两种 自然时效——钢材冷加工后，在常温下存放 15～ 20d。

人工时效——钢材冷加工后，加热至 100～ 200℃保持 2h左右。

钢材经过冷加工后，一般进行时效处理，通常强度较低的钢材宜采用自然时效，强度较高的钢材则应采用人工时效。

3 、冷加工在建筑工程中的应用

建筑工程中常采用对钢筋进行冷拉和盘条进行冷拔的方法，以达到节约钢材的目的。

三、钢的化学成分对钢材性能的影响

（一）碳（ C）碳是决定钢材性能的主要元素。含碳量↑，强度、硬度↑，塑性、韧

性↓，焊接性能、耐锈蚀性能↓，冷脆性↑，时效敏感性↑。

但当含碳量大于 1.0％时，由于钢材变脆，抗拉强度反而下降。

硅（ Si ）、锰（ Mn ） （二）硅（ Si ）、锰（ Mn ）——有益元素 脱氧、降硫；硅提高钢材的强度，对塑性和

韧性没有明显影响。

硫（ S）、磷（ P）（三）硫（ S）、磷（ P）——有害元素

硫能够引起热脆性，热脆性严重降低了钢的热加工性和可焊性。

硫（ S）、磷（ P）硫的存在还使钢的冲击韧性、疲劳强

度、可焊性及耐蚀性降低。磷能使钢材的强度、硬度、耐蚀性提

高，但显著降低钢材的塑性韧性，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下降。

氧（ O）、氮（ N）

（四）氧（O）、氮（ N）——有害元素这些元素的存在降低了钢材的强

度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢材的热脆性增加，氮还使钢材的冷脆性及时效敏感性增加。

（五）铝（ Al ）、钛（ Ti ）、钒（ V ）、铌（ Nb ）——有益元素

它们均是炼钢时的强脱氧剂，也是合金钢常用的合金元素。

适量的这些元素加入钢材内，可改善钢材的组织，细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。

第三节 建筑钢材的技术标准及选用

一、普通碳素结构钢碳素结构钢是普通碳素结构钢的简称。在各类钢中，碳素结构钢产量最大，用途最广泛，多轧制成钢板、钢带、型钢等。

（一）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、脱氧方法等四部分按顺序组成。

字母“ Q” ：代表屈服点；屈服点数值：共分 195 、 215 、 235 、 255

和 275MPa五种；

牌号表示方法：质量等级：以硫、磷等杂质含量由多到少分为四个等级，分别由 A、 B、 C、D符号表示；

脱氧方法： F表示沸腾钢、 b表示半镇静钢、 Z表示镇静钢、 TZ表示特殊镇静钢， Z和 TZ在钢的牌号中予以省略。

举例说明。

例题：

1 、 Q215—A·F:屈服点为 215MPa，质量等级

为 A级沸腾钢。 2 、 Q235—C:屈服点为 235MPa，质量等级

为 C级镇静钢

（二）碳素结构钢的技术要求

见表 8.2 、 8.3、 8.4。（三）碳素结构钢的性能和应用碳素结构钢是根据屈服强度的不同划分为五个牌号的。

从表 8.2 、 8.3、 8.4中可知，牌号↑，含碳量↑，强度和硬度↑，塑性、冲击韧性和冷弯性能↓。

应用：建筑工程中应用最广泛的是 Q235 号钢。其具有较高的强度，良好的塑性、韧性

及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制成各种型钢、钢板及钢筋。

应用：Q195、 Q215 号钢常用于轧

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。

应用：Q255、 Q275 号钢可用于轧

制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。

二、低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素（总含量小于 5％）的一种结构钢。所加元素主要有锰（Mn）、硅（ Si）、钒（ V）、钛（ Ti）、铌（ Nb）、铬（ Cr）、镍（ Ni）及稀土金属，其目的是为了提高钢的屈服强度、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，可节约钢材 20％～ 30％，但成本并不很高。

（一）低合金高强度结构钢的牌号表示方法

与碳素结构钢对照掌握。（二）低合金高强度结构钢的技

术要求见表 8.5、 8.6。（三）低合金高强度结构钢的性

能和应用Q295 号钢主要用于建筑工程中对

强度要求不高的一般工程。

Q345、 Q390 号钢主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构。

Q420、 Q460 号钢主要用于大型工程结构荷载大的轻型结构。

第四节 钢筋混凝土用钢材

钢筋混凝土结构用钢材包括钢筋、钢丝和钢绞线。

一、钢筋混凝土用热轧钢筋GB：《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB

13013-1991 ） 《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（ GB1449-1998 ）

定义：经热轧成型并自然冷却的钢筋，称为热轧钢筋。

光圆 形状 月牙肋，见图 8.8 。 带肋 等高肋

（一）热轧钢筋的牌号表示方法与技术要求

见表 8.7 。解释牌号的含义及技术要求。

（二）热轧钢筋的应用

热轧光圆钢筋的强度较低，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。

热轧钢筋的应用

HRB335和 HRB400钢筋强度较高，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。

HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。

二、冷轧带肋钢筋三、预应力混凝土用热处理钢筋四、低碳钢热轧圆盘条五、预应力混凝土用钢丝六、预应力混凝土用钢铰线

钢结构屋架坍塌

工程实例

现象 某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。原因分析

首先是因为钢材的适用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；

且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。

原因分析

§8 金属材料 _ 建筑钢材 ——授课内容结束。