土木工程材料建筑钢材Word文档下载推荐.docx
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在质量上酸性转炉钢较好，但对生铁的含硫、磷杂质要求严格，本钱较高。
（2）平炉钢——利用火馅的氧化作用除去杂质。
平炉也分酸性和碱性两种。
平炉钢质量较好。
（3）电炉钢——分电弧炉、感应炉、电渣炉三种。
系利用电热冶炼，温度高，易控制，钢的质量最好，但本钱高，多炼制合金钢。
电炉也分酸性和碱性两种。
建筑用钢主要采用空气转炉法、氧气转炉法、平炉法三种方法炼制。
2.按脱氧程度分类
在炼钢过程中，为了除去碳和杂质必须供给足够的氧气，这也使钢液中一部分金属铁被氧化，使钢的质量降低。
为使氧化铁重新复原成金属铁，通常在冶炼后期，需参加硅铁、锰铁或铝锭等脱氧剂，进展精炼。
按脱氧程度不同，可将钢分为：
沸腾钢：
是脱氧不完全的钢。
浇铸后，在冷却凝固过程中，钢液中残留的氧化亚铁与碳化合后，生成的一氧化碳气体大量外逸，造成钢液剧烈“沸腾〞，故称沸腾钢。
这种钢的成分分布不均，密实度较差，因此影响钢的质量，但其本钱较低，可广泛用于一般建筑构造中。
镇静钢：
是脱氧完全的钢。
注入锭模冷却凝固时，钢液比拟纯洁，液面平静。
镇静钢的质量优于沸腾钢，但本钱较高，故只用于承受冲击荷载或其它重要的构造中。
半镇静钢：
其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。
3.按化学成分分类
（1）碳素钢——合碳量不大于1.35％，含锰量不大于1.2％，含硅量不大于0.4％，有少量硫、磷杂质的铁碳合金，在钢的化学成分中，碳元素对钢的性能起主要作用，而其它元素如硅、锰、硫、磷等因含量不多，不起决定性作用。
根据含碳量多少，碳素钢可分为：
低碳钢——含碳量0.25％以下，性质软韧，易加工，但不能淬火和退火，是建筑工程的主要用钢。
中碳钢——含碳量0.25％～0.6％．性质较硬，可淬火、退火，多用于机械部件。
高碳钢——含碳量大于0.6％．性质很硬，可淬火、迟火．是一般工具的主要用钢。
根据钢中磷、硫等杂质元素的含量不同，碳素钢可分为：
普通碳素钢——其中磷的含量不大于0.045—0.085％，硫的含量不大于0.055—0.065％；
优质碳素钢——其中磷、硫的含量均不大于：
0.040％；
高级优质碳素铜——其中硫和磷含量分那么不大于0.030％和0.035％。
（2）合金钢——在碳钢的根底上参加一种或多种合金元素，以使钢材获得某些特殊性能。
根据合金元素的含量分：
低合金钢——合金元素总含量一般小于3.5％；
中合金钢——合金元素总含量一般在3.5％～10％之间
高合金钢——合金元素总含量大于10％。
4.按用处分
（1）构造钢——根据化学成分不同分为碳素构造钢和合金构造钢。
a．碳素构造钢——分碳素构造钢（又叫普通碳素构造钢）和优质碳素构造钢两类。
（a）普通碳素构造钢——最高含碳量不超过0.38％。
这是建筑工程中的根本钢种，产品有圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、钢板、钢筋等。
主要用于建筑工程构造。
（b）优质碳素构造钢——比普通碳素构造钢杂质含量少，具有较好的综合性能。
广泛用作机械制造、工具、弹簧等。
优质碳素构造钢按使用加工方法不同分为：
压力加工用钢（热压力加工、顶锻、冷拔）和切削加工用钢。
b．合金构造钢——分普通低合金构造钢和合金构造钢两类。
（a）普通低合金构造钢——也称低合金构造钢，是在普通碳素钢根底上参加少量合金元素而成，具有高强度，高韧性和可焊性。
这也是工程中大量使用的构造钢种，主要是钢筋、钢板等。
（b）合金构造钢——此类钢品种繁多，包括合金弹簧钢、滚珠轴承钢、各种锰钢、铬钢、镍钢、硼钢等，主要用于机械和设备的制造等。
工程上有时少量的用作机械维修和构造件。
〔2〕工具钢——根据化学成分不同分碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，广泛用于各种刃具、模具、量具等。
a．碳素工具钢——通常含碳量0.65％～1.35％，并根据硫、磷含量分优质和高级优质两种，每种分8个钢号。
工程中凿岩用钢钎和部分中空钢钎杆，是碳素工具钢制品。
b．合金工具钢——通常因要求硬度大，耐磨、热处理变形小和可以在较高温度下工作的热硬性而含碳量较高。
合金工具钢分量具、刃具用钢，耐冲击工具用钢，冷作模具钢，热作模具钢等。
c．高速工具钢（锋钢）——系高合金钢，质量优于一般，但价格较贵，主要用于钻头、刃具等。
〔3〕特殊性能钢——多为高合金钢，主要有不锈钢、耐热钢、抗磨钢、电工硅钢等。
〔4〕专门用处钢——分有碳素钢和合金钢两种。
主要有钢筋钢、桥梁钢、钢轨钢、锅炉钢、矿用钢、船用钢等。
a．钢筋钢——主要为低合金钢，轧制钢筋混凝土用带肋钢筋。
b．桥梁钢——因要承受一定强度和较高冲击韧性，一般必须用镇静钢轧成。
桥梁钢有碳素钢和普通低合金钢钢种。
c．钢轨钢——钢轨钢分重轨钢和轻轨钢，由于钢轨的受力情况非常复杂，故重轨全以镇静钢轧制，轻轨以镇静钢和半镇静钢轧制。
钢材的分类见表
钢材品牌标号表示方法
钢材品牌号的命名，采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相接合的方法表示。
汉语拼音字母表示产品名称、用处、特性和工艺方法时，一般从代表该产品名称的汉字的汉语拼音中选取，原那么上取第一个字母，当与另一产品所取字母重复时，改取第二个字母或第三个字母，或同时选取两个汉字的汉语拼音的第一个字母。
采用的汉语拼音字母原那么上只取一个，一般不超过两个。
钢材种类
代表汉字及符号
牌号举例
说明
汉字
符号
碳素构造钢
屈
Q
Q195-F、Q215-A.F
Q-235A.b、Q235-B
Q-235A.F、Q-255A、Q-275
碳素构造钢牌号由代表屈从点的字母〔Q〕、屈从点强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号，四个部分按顺序组成。
其中：
质量等级符号为：
A、B、C、D
脱氧方法符号为：
F一一沸腾钢．b——半镇静钢．
Z——镇静钢（不表示），TZ——特殊镇静钢（不表示）。
优质碳素构造钢
普通含锰量优质碳素构造钢
80F、30、45、20A、10b
优质碳素构造钢，采用阿拉伯数字或阿拉伯数字与化学元素符号表示。
阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）。
牌号尾部符号与上表一样
较高含锰量的优质碳素构造钢．在阿拉伯数字后标出锰
元素符号，例如：
平均含碳量为0.50％、含锰量为0.70%－1.0％的镇静钢，其牌号表示为“50Mn。
。
高级优质碳意构造钢，在牌号尾部加符号“A〞。
较高含锰量优质碳素构造钢
40Mn、50Mn、70Mn
碳素
工具钢
普通含锰量碳素工具钢
碳
T
T7、T12A、T9
碳素工具钢，采用符号和阿拉伯数字或阿拉伯数字加化学元素符号表示。
阿拉伯数字表示平均含碳量（以千分之几计）。
普通含锰量碳素工具钢，在符号“T〞后为阿拉伯数字。
较高含锰量碳素工具钢，在符号‘T’和阿拉伯数字后标出锰元素符号。
高级优质碳素工具钢，在牌号尾部加符号“A〞。
较高含锰量碳素工具钢
T8Mn
焊接用钢
焊接用碳素构造钢
焊
H
H08、H08MnA
焊接用钢及合金构造钢，在钢及合金牌号头部加H，其余与上一样
焊接用钢及合金构造钢
H08MnA2Si
土木工程常用钢材
1．碳素构造钢
适用范围：
碳素构造钢是碳素钢中的一大类。
它为一般构造和工程用钢，合适消费各种型钢、钢筋和钢丝等，产品可供焊接、铆接、栓接构件用。
2．优质碳素构造钢
含碳量小于0.8％，含有较少量的有害杂质，并较碳素构造钢具有更优性能的钢种，一般可经过热处理来进步其机械性能。
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、高强螺栓及预应力钢具等。
3．低合金构造钢
低合金钢是在普通钢种内参加微量合金元素，但硫、磷杂质的含量保持普通钢的程度，而具有较好的综合力学性能。
与一样规格普通碳素钢相比，假如强度一样，采用低合金钢可节约钢材20－25％。
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，合适于消费钢板和型钢，产品可供焊接和铆接的桥梁构造用。
5．耐侯钢
耐侯钢也称耐大气腐蚀钢，是在钢中参加少量合金元素，如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，使其在金属基体外表形成保护层，进步钢材的耐候性能。
合适于消费热轧、冷轧的钢板和型钢，产品适用于车辆、建筑、塔架和其他构造的用材，可制做螺栓连接、铆接和焊接的构造件。
常用有高耐候性构造钢和焊接构造用耐侯钢等。
6.2钢材的化学组成与金相构造
钢材的化学组成
〔一〕碳对碳钢性能的影响
钢材的性能主要决定于其中的化学成分。
钢的化学成分主要是铁和碳，此外还有少量的硅、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。
碳是钢中除铁之外含量最多的元素，对钢材的性能有非常明显的影响，从图6-2中可以看出，在一定范围内，钢材的硬度和强度随含碳的增加而进步。
钢材的塑性、韧性和冷弯性能随含碳量的增加而下降。
当含碳量增至0.8％时，强度最大，但当含碳量超过0.8％以后，强度反而下降。
钢里的碳一部分溶入铁中成为固溶体，另一部分那么与铁化合成渗碳体。
从铁碳合金状态图中，可以看出碳的含量变化时，碳钢中组织变化的情况。
总的看来，碳钢是由硬度低、理性好的铁素体和硬而脆的渗碳体组成的混合物。
因此碳铜的抗拉强度及硬度，随含碳量增加而直线增加，塑性那么下降。
碳之所以影响钢的机械性能，不仅与渗联体本身的硬脆性有关，还与渗联体和铁素体之间晶体界面上晶格受到严重歪扭有关。
渗碳体与铁素体的晶界面既能阻碍塑性好的铁素体滑移，又能造成碳钢的微小裂纹，如图6－3。
所以随着渗碳体总量的增加也增加了它与铁素体的晶界面，因此铁素体的变形抗力增大，塑性变形才能减小，即造成碳钢的强度和硬度增加，而塑性和韧性降低。
〔二〕其它元素对碳钢性能的影响
硅、锰作为脱氧剂参加钢水中，它们都能从钢水的FeO中夺取氧，生成氧化物以降低钢中的含氧量。
硅的氧化物与钢水中碱性氧化物能进一步形成硅酸盐，反响式如下：
Mn十FeO＝MnO十Fe
Si02十CaO＝CaSi03
或SiO2十Fe203十C＝CO↑十Fe2SiO4
生成的硅酸盐和氧化物飘浮在炉渣中，增加了钢体的致密性。
假如在钢液浇注过程中，硅酸盐杂质来不及浮入渣中，而留在钢体内，那么在凝固时易集中在晶界处，使钢材在压力加工时易变形或碎裂，降低钢的机械强度。
硅在一般碳素钢中含量为0.1～0.4％，硅的脱氧才能较锰还强。
硅溶入铁素体可进步钢的强度和硬度。
但由于硅在碳钢中的含量很低，因此这一效果并不明显。
假设作为合金元素参加钢中，使含量进步到1.0～1.2％时，钢材的抗拉强度可进步15—20％，但塑性和韧性明显下降，焊接性能变差，并增加钢材的冷脆性。
锰在一般碳素钢中的含量为0.25～0.8％。
钢中含锰量在0.8％以下时，锰对钢的性能影响不显著。
假设将锰作为合金元素参加钢中，使钢中锰的含量进步到0.8～1.2％或者更高，就成为力学性能优于一般碳钢的锰钢。
但当锰含量大于1.0％时，会降低钢材的耐腐蚀和焊接性能。
磷溶入铁素体时，可使钢的强度、硬度增加，并显著降低其塑性和韧性。
当钢中含磷量达0.3％时，钢完全变脆，冲击韧性接近于零，这种现象称为冷脆性。
虽然钢中的磷很难到达这个数量，但钢中的磷在结晶时极易偏析，使其部分地区到达较高的磷含量而变脆，冷脆性使钢材不宜在低温条件下工作。
因此在各种质量钢中，都严格规定了磷的允许含量范围，普通碳素钢中的含磷量不得超过0.045％。
磷能使钢材生冷脆性，但它也能有效地改善钢的切削加工性性，因此在易削钢中还要进步磷的含量。
硫不溶于铁素体，而与铁化合成FeS。
FeS与Fe在985℃时形成共晶体。
这些低熔点共晶体在结晶时，总是分布在晶界处，在1000℃以上热加工时，由于共晶体熔化，使钢材产生裂纹。
这种现象称为热脆性。
因此在各种质量的钢中也都规定了硫的允许含量范围，要求在0.055％以下。
钢水中参加锰可削弱硫的有害作用，因为锰可以从FeS中夺取硫。
反响式如下；
Mn十FeS＝MnS十Fe
Mns在1620℃熔化，而在钢的热加工温度范围（800—1200℃）内，MnS有较好的塑性，因此不会影响钢材的热加工性能。
氮、氧、氢等杂质主要是在炼钢过程中由于吸收空气而造成的。
当钢水凝固时，它们或以原子状态固镕于铁素体中，或以与其它元素生成的化合物（氮化物、氧化物、氢化物等）形式存在于钢中。
氮假设以原于状态固镕于铁素体中时，那么会引起钢的强度和硬度增加，而韧性急剧下降。
假设在钢中参加适当金属铝，那么氮和铝可生成氮化铝（AlN）而脱氮。
氮化铝假如以分散的微粒分布在钢中，那么能控制钢的晶粒大小，能增强钢的韧性、塑性、耐磨性等；
假如以聚集状态出现，那么会使钢的机械性能产生方向性，使耐磨性显著降低。
经过用Mg、Al、Si等元素脱氧后的钢中仍含有极少量的氧，这些氧通常以A12O3、FeO、MnO、SiO2以及硅酸盐等形式存在于钢中。
这些氧化物在钢经锻压后，一般以链状或条状分布于钢中，尤其容易分布在晶界处，这时会降低钢的塑性及韧性，使用时，可能造成工件突然断裂。
钢中的氢是极有害的气体，它以原于状态溶解于钢中。
在热轧、锻后冷却到200℃左右时，原子氢就聚集成分子状态而出如今钢的内部，由氢气所产生的压力可把钢从内部胀裂，形成几乎是圆圈状的平坦的断裂面，即所谓的“白点〞。
尤其是某些合金钢，如锰钢、镍钢、镍铬钢等，对白点特别敏感。
这就耍求在冶炼方面采取措施，如控制氢的含量在百万分之1.5以下或对钢水进展真空处理，都能有效地脱氢（或其它气体）；
或控制锻轧后的冷却方式来防止白点的发生，以防止工件的碎裂。
〔三〕铁碳合金的三种晶相和三种根本组织
铁碳合金同纯铁一样具有结晶构造，但较纯铁更为复杂。
所谓晶相就是指化学成分均一、晶体构造一样的而与周围环境有明显物理界面的均匀部分。
铁碳合金的晶体构造和显微组织总的可分为下述三种类型、三种根本组织。
1、固熔体：
铁与碳在液态下互相作用形成液态溶液，凝固时由于碳原子半径很小（0.77埃），可以溶入α－Fe或γ－Fe的晶格间隙而又保持铁的晶格类型不变。
这种合金构造叫做固熔体。
即一种组元以原子（或正离子）形式溶解在另一组元中而形成的固态溶液。
在铁碳合金中，碳溶入α—Fe中所组成的固溶体称为铁素体，以符号“F〞表示，碳溶入γ—Fe中组成的固镕体称为奥氏体，以符号“A〞表示。
铁素体的性能与纯铁相似。
含碳量很低，塑性较大、强度和硬度不大。
奥氏体只存在于高温，这是因为γ—Fe只存在于高温而决定的。
它有很好曲可塑性。
所以铁碳合金可在高温下锻打成型。
铁素体和奥氏体各自成一相。
奥氏体是铁碳合金中的一种根本组织。
2、化合物：
在铁碳合金中，铁和碳的化合物〔组成为Fe3C〕称为渗碳体，以符号“Cm〞表示。
它的含碳量为6.67％，Fe3C具有独特的构造，原子排列极复杂。
它的熔点是1600℃左右，它质脆而硬，塑性小。
工业上不单独使用它。
它也是铁碳合金中的一种根本组织。
3、机械混合物：
在钢中，渗碳体经常与铁素体相间存在，形成一种机械混合物，称为珠光体，以符号“P〞表示。
此组织特征是层片状，象指纹一样，腐蚀后用肉眼直接观看，有珍珠光泽，故名珠光体。
它有一定的强度、硬度和塑性，是钢和铸铁中一种常见组织。
此外，钢水在急剧冷却条件下，钢中的高温奥氏体不能转变为铁素体、珠光体或渗碳从而形成一种极硬的组织，称为马氏体，它的显微组织呈针状。
是—种性质极硬的组织。
铁碳合金的相图
图6－4中纵坐标表示温度，横坐标表示合金的组成，向右表示碳的重量百分数增加。
图的左端相当于纯铁，右端相当于含碳量为6.67％的渗碳体。
当含碳量低于0.006％是纯铁，超过6.67％时，合金性能特别脆，工业上没有实用价值，所以不去研究它。
这个图形上的每一条线和线的交点，都表示各成分的合金组织状态发生变化的温度，由这些所构成的每个区域那么表示某一组织合金存在的温度与成分范围。
图6－4中A点和D点分别为纯铁和渗碳体的熔点，相应为1535℃和1600℃。
ABCD线称为液相线。
在此线以上，各种成分的铁碳合金（碳钢、生铁）完全处于溶液状态，即为液态，所以称为液相线。
当温度下降至这条线上，溶液中开场析出晶体，沿AB线析出δ－铁素体（高温时碳溶入δ—Fe中形成的固溶体，也称高温铁素体），沿BC线析出奥氏体，沿CD线析出渗碳体，因此液相线就是液态合金开场结晶的温度线。
从线的斜度可以看到随着含碳量的逐渐增加，液体开场结晶的温度由纯铁的1535℃，逐渐降至含碳为4.3％的1130℃，然后又升高至纯Fe3C的1600℃。
AHJECFD线称为固相线。
在此线以下，各种成分的铁碳合金全部处于固体状态，所以称固相线。
固相分别处于三种晶体状态，即δ－铁素体、奥氏体和渗碳体。
因此固相线就是液态合金结晶终了的温度线。
从线的斜度可以看出，随着合碳量增加、铁碳合金开场熔化的温度逐渐降低，当含碳量超过2.0％以后，在1130℃就开场熔化。
E点是钢和生铁的分界点，E点左边的合金（含碳量<
2.0％）称为钢；
E点右边的合金（含碳量＞2.0％）称为生铁。
6.3钢材的物理力学性能
强度
建筑用钢
主要是以承受拉力、压力、弯曲、冲击等外力的作用，在这些力的作用下，既要有一定的强度和硬度，也要有一定的塑性和韧性。
建筑用钢的强度指标，通常用抗拉屈从强度σs和抗拉极限强度σb表示。
现用低碳钢拉伸时的应力与应变曲线图来说明。
低碳钢受拉时，应力和应变的关系可图6－5表示。
将钢筋试件放置在材料试验机的上下夹具中；
加荷裁直至拉断。
在加荷过程中，钢筋将随着荷载的加大而发生变形，从拉伸曲线可以看到，低碳钢的受拉变形有四个阶段：
〔一〕弹性阶段：
在开场时，OA为一直线，说明应力与应变成正比关系。
对应于A点的应力称为比例极限。
超过A点后，呈微弯的曲线AB，但在B点以内，假如卸去荷裁，试件仍能恢复原来的长度。
在B点以内的变形称为弹性交形，OB阶段称为弹性阶段。
对应于B点的应力称为弹性极限。
弹性极限与比例极限非常接近，可近似地认为两者相等，均以σP表示。
在弹性阶段内，σ与ε成正比关系：
。
对于同一种钢，E是一个常量，称为弹性模量，普通碳素钢弹性模量E＝200～210MPa。
〔二〕屈从阶段：
当应力超过某一点后，拉伸曲线呈接近程度的锯齿线，这时应变急剧增加，应力却在很小的范围内上下波动，称为屈从阶段。
B1是这一阶段的最高点，称为屈从上限，B2是这一阶段的最低点，与之对应的应力，称为屈从极限，由于B2点比拟稳定，且较容易测量，故一般以B2点的应力作为屈从强度（亦称屈从点），以σs表示。
当某些钢材（如高强度钢筋或钢丝）屈从现象不明显时，常以发生剩余塑性应变为0.2％时的应力作为屈从强度，称为条件屈从点，以σ0.2表示。
也称屈从强度或屈从点，低碳钢有明显的屈从点，硬钢那么无明显的屈从点，硬钢的屈从点以试件在拉伸过程中，标距的剩余伸长率到达0.2％时的应力来确定。
〔三〕强化阶段：
当试件屈从到一定程度后，由于内部组织变化．需要继续增大荷裁，才能继续增大变形，又形成一段上升面曲线，即进入强化阶段。
直到到达曲线的最高点，与C对应的最高应力称为强度极限，又称抗拉强度。
〔四〕颈缩阶段：
当试件应力超过C点后，试件继续伸长（应变增大），但应力逐渐下降，曲线进入下降阶段。
此时，试件某一断面处逐渐缩小（颈缩），直至断裂。
试件断裂后，其总伸长值与原标距之比值称为伸长率，以δ表示，并以δ5和δ10，分别表示原标距为5厘米（短试件）和10厘米（长试件）的伸长率。
在构造设计中，要求构件在弹性范围内工作，即使少量的塑性变形也应力求防止，所以规定以钢材的屈从强度作为设计应力的根据。
抗拉强度在构造设计中不能直接使用，但为保证建筑构造的正常使用．对钢构造和钢筋混凝土构造所用钢材，不仅希望具有较高的屈从强度，而且应具有一定的屈强比（σs／σb）。
屈强比愈小，反映当钢材使用中受力超过屈从点工作时的可靠性愈大，愈平安，不易因部分突然超载而发生破坏。
但屈强比太小，钢材的强度不能充分发挥，用钢量多，不经济。
一般屈强比值最好保持在0.60—0.75之间。
塑性
钢材在受力破坏前可以经受永久变形的性能，称为塑性。
在工程应用中钢材的塑性指标通常用仲长率和断面收缩率表示。
1．伸长率
伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的才能。
试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分比即为伸长率。
伸长率（δ）以％表示，并按下式计算：
（6-1）
式中：
L1——试件拉断后标距部分的长度（mm）；
L0——试件的原标距长度（mm）；
n——长或短试件的标志。
例如对长试件，n＝10，表示为δ10；
对短试件，n＝5表示为δ5。
2.断面收缩率
断面收缩率是试件拉断后，缩颈处横断面积的最大缩减量占横截面积的百分率。
断面收缩率（ψ）以％表示，并按下式计算：
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