第6章土木工程材料建筑钢材

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1、第6章建筑钢材本章导学学习目的：钢材是现代土木工程中重要的结构材料，通过本章的学习重点掌握钢材的分类和重要性能，为钢结构和钢筋混凝土结构设计打下基础。教学要求：结合钢材实际性能，讲解钢材的化学组成、晶体结构对其性能的影响；结合工程实际重点讲解钢材的主要性能指标和钢材的分类及适用场合。金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属与某些非金属元素组成的合金的总称。其特征是不透明、有光泽、比重大、具有较大的延展性、易于加工、导热和导电性能良好，常温下为固态结晶体。金属材料还具有强度高，弹性模量大，组织均匀密实，可制成各种铸件和型材，能焊接或铆接，便于装配和机械化施工等优点。

2、因此金属材料不仅是经济建设各部门广泛使用的材料，也是重要的建筑材料之一。尤其近年来，高层、大跨度结构迅速发展，金属材料在建筑工程中的应用将会越来越多。金属材科一般分为黑色金属和有色金屑两大类。黑色金属是以铁元素为主要成分的铁金属及其合金，钢和铁是铁碳合金，钢的含碳量在2％以下，在建筑中应用最多。有色金素是除黑色金属以外的其它金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金，其中铝合金是一种重要的轻质结构材料。本章将介绍钢材的冶炼、分类、化学组成、晶体结构、型钢的分类等知识内容，着重讲解建筑钢材的物理力学性能和建筑钢材的冷、热加工方法。6.1钢材的冶炼与分类6.1.1钢材的

3、冶炼铁元素在地壳中占4.7％，通常以化合物的形式存在于铁矿石中，主要的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、菱铁矿(FeCO3)、褐铁矿（Fe2O3•2Fe(OH)3）和黄铁矿(FeS2)。（一）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：通过这种冶炼得到的铁中，仍含有较多的碳和其它杂质，故性能既硬又脆，影响使用，此过程称为炼铁。（二）将铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内

4、的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其它杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可得到含碳量合乎要求的产品，即为钢，此过程称为炼钢。钢在强度、韧性等性质方面都较铁有了较大幅度提高，在土木工程中，大量使用的都是钢材。6.1.2钢材的分类钢材的种类很多，性质各异，分类方法也有很多：1．按冶炼设备分类按冶炼设备不同，钢分为转炉钢、平炉钢和电炉钢三大类。(1)转炉钢——根据风口位置分底吹、顶吹、侧吹三种；根据所鼓风的不同分空气转炉和氧气转炉；转炉又因它们炉衬材料的不同分为酸性转炉和碱性转炉，凡以硅砂作炉衬耐火材料的为酸性，凡以镁砂和白云石作炉衬耐火材料并加石灰石

5、熔炼的为碱性。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，成本较高。(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，但成本高，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。为使氧化铁重新还原成金属铁，通常在冶炼后期，需加入硅铁、锰铁或铝锭等脱氧剂，进行精炼。按脱

6、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，造成钢液激烈“沸腾”，故称沸腾钢。这种钢的成分分布不均，密实度较差，因而影响钢的质量，但其成本较低，可广泛用于一般建筑结构中。镇静钢：是脱氧完全的钢。注入锭模冷却凝固时，钢液比较纯净，液面平静。镇静钢的质量优于沸腾钢，但成本较高，故只用于承受冲击荷载或其它重要的结构中。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

7、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

8、大于：0.