学习活动2 钢材的学习前准备工作.docx
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学习活动2钢材的学习前准备工作
学习目标
1.能了解钢材的冶炼加工
2.能掌握钢材的分类
3．能掌握钢材的各种性质
4.能掌握钢材的储存
建议学时
2学时
学习过程
一、阅读以下图片及常见问题，明确工作任务
以上是我们常见H型型钢，思考下面的问题：
（1）钢材的冶炼加工过程是什么样的？
（2）钢材的分类有哪些？
（3）钢材的基本性质有哪些？
二、制定工作进度计划
土方材料的性质任务工期为学时，依据任务要求，制定合理的工作进度计划，根据小组成员的特点进行分工。
序号
工作内容
完成时间
工作要求
组员及分工
1
钢材的冶炼
了解钢材的冶炼加工过程
2.
钢材的分类
掌握根据不同条件钢材的分类
3.
钢材的性质
掌握钢材的力学性能、工艺性能
4
钢材的存储
掌握钢材的防腐防锈
三、钢材的冶炼
建筑钢材是重要的建筑材料。
它主要指用于钢结构中各种型材（如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝等。
由于钢材在工厂生产中有较严格的工艺控制，因此质量通常能够得到保证。
建筑钢材具有一系列的优良性能。
它有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载；可以焊接和铆接，易于加工和装配，所以被广泛的应用于建筑工程中。
建筑钢材是主要的建筑材料之一，它包括钢结构用钢材（如钢板、型钢、钢管等）和钢筋混凝土用钢材（如钢筋、钢丝等）。
钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。
钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大。
钢的冶炼
钢是由生铁冶炼而成。
生铁的冶炼过程是：
将铁矿石、熔剂（石灰石）、燃料（焦炭）置于高炉中,约在1750℃高温下，石灰石与铁矿石中的硅、锰、硫、磷等经过化学反应，生成铁渣，浮于铁水表面，铁渣和铁水分别从出渣口和出铁口放出，铁渣排出时用水急冷得水淬矿渣；排出的生铁中含有碳、硫、磷、锰等杂质。
生铁又分为炼钢生铁（白口铁）和铸造生铁（灰口铁）。
生铁硬而脆、无塑性和韧性、不能焊接、锻造、轧制。
炼钢的过程就是将生铁进行精练，使碳的含量降低到一定的限度，同时把其它杂质的含量也降低到允许范围内。
所以，在理论上凡含碳量在2％以下，含有害杂质较少的Fe一C合金可称为钢。
根据炼钢设备的不同，常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。
（一）空气转炉炼钢法
空气转炉炼钢法是以熔融状态的铁水为原料，在转炉底部或侧面吹入高压热空气，使杂质在空气中氧化而被除去。
其缺点是在吹炼过程中，易混入空气中的氮、氢等有害气体，且熔炼时间短，化学成分难以精确控制，这种钢质量较差，但成本较低，生产效率高。
（二）氧气转炉炼钢法
氧气转炉炼钢法是以熔融铁水为原料，用纯氧代替空气，由炉顶向转炉内吹入高压氧气，能有效地除去磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高，而成本却较低。
常用来炼制优质碳素钢和合金钢。
（三）平炉炼钢法
以固体或液体生铁、铁矿石或废钢作原料，用煤气或重油为燃料进行冶炼。
平炉钢由于熔炼时间长，化学成分可以精确控制，杂质含量少，成品质量高。
其缺点是能耗大、成本高、冶炼周期长。
（四）电炉炼钢法
电炉炼钢法是以生铁或废钢原料，利用电能迅速加热，进行高温冶炼。
其熔炼温度高，而且温度可以由调节，清除杂质容易。
因此，电炉钢的质量最好，但成本高。
主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢。
在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷最为严重。
偏析现象对钢的质量有很大影响。
四、钢材的分类
钢的品种繁多，分类方法很多，通常有按化学成分、质量、用途等几种分类方法。
钢的分类见表8.1.1。
钢的分类
分类方法
类别
特 性
按化学成分分类
碳素钢
低碳钢
含碳量<0.25％
中碳钢
含碳量0.25％～0.60％
高碳钢
含碳量>0.60％
合金钢
低合金钢
合金元素总含量<5％
中合金钢
合金元素总含量5％～10％
高合金钢
合金元素总含量>10％
按脱氧程度分类
沸腾钢
脱氧不完全，硫、磷等杂质偏析较严重，代号为“F”
镇静钢
脱氧完全，同时去硫，代号为“Z”
半镇静钢
脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为“B”
特殊镇静钢
比镇静钢脱氧程度还要充分彻底，代号为“TZ”
按质量分类
普通钢
含硫量≤0.055％～0.065％，含磷量≤0.045％～0.085％
优质钢
含硫量≤0.03％～0.045％，含磷量≤0.035％～0.045％
高级优质钢
含硫量≤0.02％～0.03％，含磷量≤0.027％～0.035％
按用途分类
结构钢
工程结构构件用钢、机械制造用钢
工具钢
各种刀具、量具及模具用钢
特殊钢
具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。
目前，在建筑工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。
五、钢材的性能
钢材的技术性质主要包括力学性能（抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等）和工艺性能（冷弯和焊接）两个方面。
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指标。
将低碳钢（软钢）制成一定规格的试件，放在材料试验机上进行拉伸试验，可以绘出如图8.2.1所示的应力一应变关系曲线。
从图中可以看出，低碳钢受拉至拉断，经历了四个阶段：
弹性阶段（O一A）、屈服阶段（A－B）、强化阶段（B一C）和颈缩阶段（C一D）。
低碳钢受拉的应力一应变图
1.弹性阶段
曲线中OA段是一条直线，应力与应变成正比。
如卸去外力，试件能恢复原来的形状，这种性质即为弹性，此阶段的变形为弹性变形。
与A点对应的应力称为弹性极限，以σp表示。
应力与应变的比值为常数，即弹性模量E,E=σ/ε。
弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。
2.屈服阶段
应力超过A点后，应力、应变不再成正比关系，开始出现塑性变形。
应力的增长滞后于应变的增长，当应力达B上点后（上屈服点），瞬时下降至B下点（下屈服点），变形迅速增加，而此时外力则大致在恒定的位置上波动，直到B点，这就是所谓的“屈服现象”，似乎钢材不能承受外力而屈服，所以AB段称为屈服阶段。
与B下点（此点较稳定、易测定）对应的应力称为屈服点（屈服强度），用σs表示。
钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计上钢材强度取值的依据，是工程结构计算中非常重要的一个参数。
3.强化阶段
当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高，B一C呈上升曲线，称为强化阶段。
对应于最高点C的应力值（σb）称为极限抗拉强度，简称抗拉强度。
显然，σb是钢材受拉时所能承受的最大应力值。
屈服强度和抗拉强度之比（即屈强比＝σs／σb）能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。
屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，但屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。
建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。
4.颈缩阶段
试件受力达到最高点C点后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直到断裂。
故CD段称为颈缩阶段。
中碳钢与高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，难以测定屈服点，则规定产生残余变形为原标距长度的0.2％时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用σ0.2表示。
如图所示。
中、高碳钢的应力-应变图 钢材的伸长率
（二）塑性
建筑钢材应具有很好的塑性。
钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。
将拉断后的试件拼合起来，测定出标距范围内的长度L1（mm），其与试件原标距L0（mm）之差为塑性变形值，塑性变形值与之比L0称为伸长率（δ），如图8.2.3所示。
伸长率（δ）即如下计算。
伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标，δ越大说明钢材的塑性越好。
而一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而钢材用于结构的安全性越大。
塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的变形最大，离颈缩部位越远其变形越小。
所以原标距与直径之比越小，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大，计算出来的δ值就大。
通常以δ5和δ10分另表示L0＝5d0和L0＝10d0时的伸长率。
对于同一种钢材，其δ5>δ10。
（三）冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。
钢材的冲击韧性是用有刻槽的标准试件，在冲击试验机的一次摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）来表示，其符号为αk。
试验时将试件放置在固定支座上，然后以摆锤冲击试件刻槽的背面，使试件承受冲击弯曲而断裂。
αk值越大，冲击韧性越好。
对于经常受较大冲击荷载作用的结构，要选用αk值大的钢材。
影响钢材冲击韧性的因素很多，如化学成分、冶炼质量、冷作及时效、环境温度等。
（四）耐疲劳性
钢材在交变荷载的反复作用下，往往在最大应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳性。
疲劳破坏的危险应力用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是指疲劳试验时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。
一般把钢材承受交变荷载106～107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。
设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时，应了解所用钢材的疲劳极限。
研究证明，钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。
因此，钢材的内部成分的偏析、夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。
疲劳破坏经常是突然发生的，因而具有很大的危险性；往往造成严重事故。
（五）硬度
硬度是指金属材料在表面局部体积内，抵抗硬物压入表面的能力。
亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。
测定钢材硬度采用压入法。
即以一定的静荷载（压力），把一定的压头压在金属表面，然后测定压痕的面积或深度来确定硬度。
按压头或压力不同，有布氏法、洛氏法等，相应的硬度试验指标称布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HR）。
较常用的方法是布氏法，其硬度指标是布氏硬度值。
各类钢材的HB值与抗拉强度之间有一定的相关关系。
材料的强度越高，塑性变形抵抗力越强，硬度值也就越大。
由试验得出，其抗拉强度与布氏硬度的经验关系式如下：
当HB<175时， σb≈0.36HB
当HB>175时， σb≈0.35HB
根据这一关系，可以直接在钢结构上测出钢材的HB值，并估算该钢材的σb。
工艺性能
良好的工艺性能，可以保证钢材顺利通过各种加工，而使钢材制品的质量不受影响。
冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑钢材的重要工艺性能。
（一）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。
钢材的冷弯性能指标是以试件弯曲的角度（α）和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值（d／α）来表示。
钢材的冷弯试验是通过致敬（或厚度）为α的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=nα）,弯曲到规定的弯曲角（180°或90°）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。
钢材弯曲时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。
图8.2.4为弯曲时不同弯心直径的钢材冷弯试验。
钢材的冷弯试验
通过冷弯试验更有助于暴露钢材的某些内在缺陷。
相对于伸长率而言，冷弯是对钢材塑性更严格的检验，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷，冷弯试验对焊接质量也是一种严格的检验，能揭示焊件在受弯表面存在未熔合、微裂纹及夹杂物等缺陷。
（二）焊接性能
在建筑工程中，各种型钢、钢板、钢筋及预埋件等需用焊接加工。
钢结构有90％以上是焊接结构。
焊接的质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢的焊接性能。
钢材的可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。
可焊性好的钢材指易于用一般焊接方法和工艺施焊，焊口处不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷；焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材，硬脆倾向小。
钢材可焊性能的好坏，主要取决于钢的化学成分。
含碳量高将增加焊接接头的硬脆性，含碳量小于0.25％的碳素钢具有良好的可焊性。
钢筋焊接应注意的问题是：
冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行；钢筋焊接之前，焊接部位应清除铁锈、熔渣、油污等；应尽量避免不同国家的进口钢筋之间或进口钢与国产钢筋之间的焊接。
（三）冷加工性能及时效处理
1.冷加工强化处理
将钢材在常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷轧），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，但钢材的塑性、韧性及弹性模量则会降低，这个过程称为冷加工强化处理。
建筑工地或预制构件厂常用的方法是冷拉和冷拔。
冷拉是将热轧钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长。
钢材经冷拉后倔服强度可提高20％～30％，可节约钢材10％～20％，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。
冷拔是将光面圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，每次拉拔断面缩小应在10％以下。
钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。
经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度高，屈服强度提高40％～60％，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。
2.时效
钢材经冷加工后，在常温下存放15～20d或加热至100～200℃，保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性及韧性继续降低，这种现象称为时效。
前者称为自然时效，后者称为人工时效。
钢材经冷加工及时效处理后，其性质变化的规律，可明显地在应力—应变图上得到反映，如图8.2.5所示。
图中OABCD为未经冷拉和时效试件的σ—ε曲线。
当试件冷拉至超过屈服强度的任意一点K，卸去荷载，此时由于试件已产生塑性变形，则曲线沿KO’下降，K0’大致与AO平行。
如立即再拉伸，则σ一ε曲线将成为0’KCD（虚线），屈服强度由B点提高到K点。
但如在K点卸荷后进行时效处理，然后再拉伸，则σ一ε曲线将成为0’K1C1D1，这表明冷拉时效以后，屈服强度和抗拉强度均得到提高，但塑性和韧性则相应降低。
钢筋冷拉时效后应力—应变图的变化
（四）钢材的热处理
钢材的热处理通常有以下几种基本方法。
1.淬火
将钢材加热至723℃以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。
钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。
2.回火
将淬火后的钢材重新加热到723℃以下某一温度范围、保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。
回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。
按回火温度不同，又可分为高温回火（500～650℃）、中温回火（300～500℃）和低温回火（150～300℃）种。
回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性恢复愈好，若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。
3.退火
退火是指将钢材加热至723℃以上某一温度，保持相当时间后，就在退火炉中缓慢冷却。
退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒、均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高，从而达到改善性能。
4.正火
正火是将钢材加热到723℃以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。
钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小。
5.化学热处理
化学热处理是对钢材表面进行的热处理，它是利用某些化学元素向钢表层内进行扩散，以改变钢材表面上的化学成分和性能。
常用的方法有渗碳法、氮化法、氰化法等
六、钢材的防腐防锈
钢材的锈蚀
钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏过程。
根据锈蚀作用的机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种：
1.化学锈蚀
化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。
这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。
在常温下，钢材表面能形成一薄层起保护作用的氧化膜FeO，可以防止钢材进一步锈蚀。
因而在干燥环境下，钢材锈蚀进展缓慢，但在温度和湿度较高的环境中，这种锈蚀进展加快。
2.电化学锈蚀
电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。
它是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。
潮湿环境中的钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，而钢材含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极电位不同，从而钢的表面层在电解质溶液中构成以铁素体为阳极，以渗碳体为阴极的微电池。
在阳极，铁失去电子成为Fe2+进入水膜；在阴极，溶于水膜中的氧被还原生成0H—，随后两者结合生成不溶于水的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。
由于铁素体基体的逐渐锈蚀，钢组织中的渗碳体等暴露出来的越来越多，于是形成的微电池数目也越来越多，钢材的锈蚀速度也就愈益加速。
影响钢材锈蚀的主要因素是水、氧及介质中所含的酸、碱、盐等。
同时钢材本身的组织成分对锈蚀影响也很大。
埋于混凝土中的钢筋，由于普通混凝土的Ph值为12左右，处于碱性环境，使之表面形成一层碱性保护模，它有较强的阻止锈蚀继续发展的能力，故混凝土中的钢筋一般不易锈蚀。
防止钢材锈蚀的措施
1.保护层法
通常的方法是采用在表面施加保护层，使钢材与周围介质隔离。
保护层可分为金属保护层和非金属保护层两类。
非金属保护层常用的是在钢材表面刷漆，常用底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等，面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等，该方法简单易行，但不耐久。
此外，还可以采用塑料保护层、沥青保护层、搪瓷保护层等。
金属保护层是用耐蚀性较好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，如镀锌、镀锡、镀铬等。
薄壁钢材可采用热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层等措施。
混凝土配筋的防锈措施，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，主要是保证混凝土的密实度（控制最大水比和最小水泥用量、加强振捣）、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺和量和保证混凝土一定的碱度等；还可掺用阻锈剂（如亚硝酸钠等）。
国外有采用钢筋镀锌、镀镍等方法。
对于预应力钢筋，一般含碳量较高，又多系经过变形加工或冷加工、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，除禁止掺用氯盐外，应对原材料进行严格检验。
2.制成合金
钢材的组织及化学成分是引起锈蚀的内因。
通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素、可有效地提高钢材的抗腐蚀能力。
例如，在钢中加入一定量的合金元素铬、镍、钛等，制成不锈钢，可以提高耐锈蚀能力。
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