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在测定伸长率时,标距的大小对结果影响严重,因此规定长试件的标距为10倍直径,短试件为5倍直径。
测得的伸长率,分别以δ10和δ5表示。
线材的伸长率,多采用定标距100mm,结果应以δ100表示。
三、冲击韧性
钢材的冲击韧性,是指抵抗冲击荷载的能力。
用于重要结构的钢材,特别是承受冲击荷载结构的钢材,必须保证冲击韧性。
钢材的冲击韧性,是以标准试件在弯曲冲击试验时,每平方厘米所吸收的冲击断裂功表示。
该值越大,冲击韧性越好。
钢材的冲击韧性,会随温度的降低而明显减小,当降低至一定负温范围时,能呈现脆性,即所谓冷脆性。
在负温下使用的钢材,不仅要保证常温下的冲击韧性,通常还是规定测0℃、-20℃、-40℃的冲击韧性。
四、冷弯性能
冷弯是一种工艺性能,指常温下对钢材试件按规定弯曲后,检验是否存在对弯曲加工时的种种危害。
第三节钢的化学成分对钢材性能的影响
一、碳素钢中的主要成分及其影响
碳素钢的主要成分,是以铁为基体,除含碳外,还含有少量的硅、锰、硫、磷等。
碳素钢中各主要成分对钢质的影响是:
(1)碳(C)
对于含碳量低于0.8%的钢,含碳量越多,钢的强度越高,塑性、冲击韧性和耐腐蚀稳定性越下降,焊接性能和冷弯性越变差。
当碳的含量超过0.8%时,强度会随含碳量增大开始下降。
(2)硅(Si)
硅的含量在1%以下时,可使钢的抗拉强度和屈服点提高,而塑性和冲击韧性的下降并不显著,工艺性能也不显著变化。
(3)锰(Mn)
含锰量在0.8%~1.0%时,可保持钢材原有塑性和冲击韧性的条件下,较显著提高屈服点和抗拉强度,消除热脆性,降低冷脆性。
锰的不利作用是使伸长率略低,在含量过高时,焊接性变差。
(4)磷(P)
碳素钢中残存的磷,可使钢的强度提高,但塑性及韧度显著下降,焊接性变差,特别是加剧冷脆性,是十分有害的作用。
(5)硫(S)
硫对碳素钢的绝大部分性能都有害,特别是当钢材热加工时,可导致发生热裂和热脆现象。
二、合金钢中主要合金元素的影响
合金钢是在冶炼碳素钢的基础上,为改善或取得某些性能,而有意加入适量的一种或几种合金元素,通过采取与合金化相配的工艺措施实现的。
(1)锰(Mn)、硅(Si)
锰和硅是强化钢材的主加元素。
保持恰当的锰碳比,锰能提高屈服强度和冲击韧性。
硅主要用来提高强度,但含量过高时不利于焊接性。
(2)钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)
钛、钒、铌等合金元素,对钢材的强化效果都很显著,同时可改善韧性,并有益于焊接性,但钛能使塑性稍有降低。
钛和铌还通常用来固定合金钢中的碳,使生成稳定的碳化物,以减轻碳对耐蚀性的不利。
(3)铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钴(Co)
铬是不锈耐酸钢和耐热钢的主加合金元素。
除此之外,铬还能提高抗高温气体的腐蚀性。
加入钼的不锈耐酸钢,对含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质的腐蚀,有较强的抵抗能力。
以镍做合金元素,可使钢获得良好的力学性能、耐蚀性能和工艺性能。
(4)铝(AL)、铜(Cu)、钨(W)、硼(B)
铝作为固溶强化元素加入,能细化晶粒,有利于钢材的强化和焊接性能,但过量时会降低塑性。
铜和磷两种合金元素配合加入,可提高钢的耐大气腐蚀性。
钨作为强碳化物形成元素加入,与钢中的碳相作用,形成硬而脆的合金碳化物,其粒度与分布对钢材的性能影响强烈,对钢材的热处理、热加工工艺起支配作用。
硼能增大合金钢的淬透性,以便与经过相宜的热处理后获得理想的性能。
第四节建筑钢材所用的主要钢种
我国建筑钢材主要采用碳素结构钢或低合金高强度钢制成,但近来以优质碳素钢、合金结构钢制造的钢材产品,已越来越多地投入建筑应用。
一、碳素钢结构
(一)碳素结构钢的牌号表示法
碳素钢结构的牌号,由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。
详见表9-1。
表9-1碳素结构钢牌号中的符号
代表屈服点的字母
屈服点数值
质量等级符号
脱氧方法符号
Q
“屈”字汉语拼音首位字母
195,215,235
255,275
取自≤16mm厚度(直径)的钢材屈服点低限MPa值
A
B
C
D
F-沸腾钢
b-半镇静钢
Z-镇静钢
TZ-特殊镇静钢
碳素结构钢的化学成分(熔炼分析),应符合表9-4的规定。
同时要求:
沸腾钢硅含量不大于0.07%;
半镇静钢硅含量下限值为0.12%。
钢中的残余元素铬、镍、铜含量,应各不大于0.30%;
氧气转炉钢的氮含量,应不大于0.008%。
钢中砷的残余含量,应不大于0.080%。
表9-4碳素结构钢的化学成分(熔炼分析)
牌号
等级
化学成分/%
脱氧方法
Mn
Si
S
P
不大于
Q195
-
0.06~0.12
0.25~0.50
0.30
0.050
0.045
F、b、Z
Q215
0.09~0.15
0.25~0.55
Q235
0.14~0.22
0.30~0.65*
0.12~0.20
0.30~0.70*
≤0.18
0.35~0.80
0.040
Z
D
≤0.17
0.035
TZ
Q255
0.18~0.28
0.40~0.70
Q275
0.28~0.38
0.50~0.80
0.35
b、Z
注:
*Q235A、B级沸腾钢锰含量上限0.60%。
(三)碳素结构钢选用须知
碳素结构钢共有五个牌号,各号钢的质量等级及其用钢的脱氧方法有所不同。
选用时应熟悉以下内容。
(1)随牌号值的加大,钢中的含碳量调高,强度递增,塑性和韧性递减。
(2)牌号中的数字是屈服点的公称值,并非所有尺寸的该号钢材都保证屈服点不低于此值。
而是厚度或直径越大的钢材,所保证的屈服点越低于这个公称值。
(3)牌号相同的钢,质量等级有A、B、C、D四级之别。
须知若按这四级钢所保证的性能排队,是A级最普通、D级最优质的次序。
A级钢不保证冲击试验,B级、C级和D级钢分别保证20℃、0℃、-20℃下的冲击试验,其结果均要求大于等于27J。
再则,对钢中的磷、硫含量的限制,A级显宽、B级严些,而C级和D级的此项指标,已接近和达到优质碳素钢的水平。
(4)牌号、质量等级都相同的钢,尚需区别它们用钢的脱氧方法,以判定其钢质的不同。
二、优质碳素结构钢
优质碳素结构钢是碳素结构钢中纯净度相对高的钢种,也是整个优质钢材中应用最广的钢种。
(一)优质碳素结构钢的特点
优质碳素结构钢多以平炉或氧气吹顶转炉冶炼,有的也用电弧炉。
其脱氧方法,多为镇静钢,只有几个平均含碳量小于0.25%的钢号,采用半镇静钢或沸腾钢。
优质碳素结构钢分为优质、高级优质和特级优质三个质量等级,其最显要的分级指标,是限定磷、硫有害元素的含量(≤%);
对于优质钢各为0.035;
对于高级优质钢各为0.030;
对于特级优质钢,磷为0.025、硫为0.020.
各质量等级的优质碳素结构钢,按含锰量的不同,分为普通含锰量和较高含锰量两类。
普通含锰量有0.25%~0.50%、0.35%~0.65%、0.50%~0.80%三个钢组;
较高含锰量的钢组,有0.70%~1.00%和0.9%~1.20%两个钢组。
(二)优质碳素结构钢的牌号表示法
优质碳素结构钢的牌号,是以两位阿拉伯数字表示,为该号钢中平均含碳量的万分数。
但若属于下列情况时,要在牌号后边以规定的符号标明。
(1)脱氧方法镇静钢不标代号,沸腾钢或半镇静钢分别以F、b标明,例如08、08F、08b等。
(2)含锰量普通含锰量钢不标代号,较高含锰量钢以元素符号Mn标明,例如45、45Mn等.
(3)质量等级优质钢不标代号,高级优质钢标A,特级优质钢标E,例如75、75A、75E等。
(三)优质碳素结构钢的性能比较
表9-5优质碳素结构钢的牌号及其性能比较
平均含碳量
钢的牌号
性能比较
适用的方面
<
0.25%
(属低碳钢)
08101520
08F10F15F
15Mn20Mn
强度不高、塑性大,深冲性能优良,可焊接性好
不经受大的应力但要求韧性好的冲压件、锻件、铸钢件
0.25%-0.60%
(属中性钢)
2530354045
25Mn30Mn35Mn40Mn45Mn
505560
50Mn60Mn
强度、韧性均属中等,深冲性能和可焊接性递减
对强度、塑性要求一般的锻件、铸钢件;
但多供调质状态下使用,从而获得需要的性能
>
0.60%
(属高碳钢)
6570758085
65Mn70Mn
强度高、耐磨性较好,韧性低
承载高、耐磨要求高,但动载作用不大的零件
三、低合金高强度结构钢
(一)低合金高强度结构钢的牌号
低合金高强度结构钢的牌号,依次由代表屈服点的汉字拼音字母(Q)、屈服点数值(三位阿拉伯数字)、质量等级符号(A、B、C、D、E)三个部分组成。
低合金高强度结构钢共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号,各个钢的质量等级:
Q295有A级和B级,Q460有C级、D级和E级,其余三个牌号的钢都各有A、B、C、D、E五级。
(二)低合金高强度结构钢的化学成分
(三)低合金高强度结构钢的力学性能和冷弯性能
钢的牌号加大,屈服点和抗拉强度都随之提高,伸长率仅有少量减少。
各牌号的钢,A级不保证冲击韧性,B、C、D级则分别保证20℃、0℃、-20℃下的冲击功,不小于34J;
而E级保证-40℃下不小于27J。
表9-7低合金高强度结构钢的力学性能
质量
屈服点σs/MPa,≥
抗拉强度σb/MPa,≥
伸长率δ5/%,≥
冲击功(AKV)纵向
钢材厚度(直径、边长)/mm
≤16
>
16~35
35~50
50~100
温度/℃
J,≥
Q295
295
275
255
235
390~570
23
—
20
34
Q345
345
325
295
470~630
21
20
34
22
0
-20
E
-40
27
Q390
390
370
350
330
490~650
19
Q420
420
400
380
360
520~680
18
19
27
Q460
460
440
550~720
17
低合金高强度结构钢的冷弯性能,各牌号钢均得保证180º
的弯曲试验合格,规定的弯心直径:
当钢材的厚度或直径小于等于16mm时,为试样厚度(直径)的2倍;
当钢材的厚度或直径大于16mm或100mm时,为试样厚度(直径)的3倍。
(四)低合金高强度结构钢选用须知
(1)此钢以屈服点数值所标示的强度等级,最高为Q460,其抗拉强度规定在550~720MPa之内,钢名中的“高强度”不过如此,是因相对碳素结构钢而言给出的称谓。
(2)此钢虽属合金结构钢系统,但不再用“含碳量数字、合金元素符号及其含量数字”表示其牌号,而是改用碳素结构的牌号表示原则。
因此,要弄清这两种钢牌号的许多具体不同,以防混淆。
(3)低合金高强度结构钢的牌号自Q295起逐级增大,而碳素结构钢的牌号最高为Q275.
(4)低合金高强度结构钢牌号中的屈服点数值是个公称值,只有厚度、直径或边长小于等于16mm的钢材能以该值为低限。
当钢材的厚度、直径或边长越大时,对屈服点所规定的限值,比该公称值越低。
特别是低合金高强度结构钢对伸长率指标的逐级划一,而不是碳素结构钢随钢材的尺度加大在调低。
(5)低合金高强度结构钢的质量等级划分有A、B、C、D、E,除多了E级外,所用英文字母,以及字母越后表示钢质越优,这虽然与碳素结构钢的牌号表示原则一致,但对各质量等级规定的项目和指标都比碳素钢严格得多。
四、合金结构钢
合金结构钢是指按主要性能和使用特性划分,适于工程结构用和机械结构用的一大类合金钢。
(一)合金结构钢的牌号
合金结构钢的牌号,由阿拉伯数字与合金元素的化学符号组成。
由左往右,最前边的两位数字,表示此钢平均含碳量是万分之几;
继后的化学符号,代表它所加的合金元素,并后缀该合金元素的平均含量代表数字。
对于各合金元素平均含量代表数字的规定是:
当小于1.50%时一般不写,但当如此不写发生牌号雷同时,须将合金元素较高的后边写1;
当含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%时,分别写出2、3、4,如果含量再高时,要依此类推。
此外,在钢的牌号末尾,应将其所属的冶金质量等级标出:
优质钢不标字,高级优质钢标A,特级优质钢标E。
(二)合金结构钢的化学成分和力学性能
各牌号钢的力学性能,包括抗拉强度、屈服点、伸长率、断面收缩率、冲击吸收功和布氏硬度六项。
纵观标准规定的这些项性能,各号钢的公称屈服点覆盖了由225~1330MPa的很宽范围,但大部分集中在635~855MPa间的六个级别。
其中高强度的合金钢,也保持一定的塑性与屈强比,其伸长率多为≥10%、屈强比一般≤0.8。
(三)合金结构钢选用提要
第五节钢筋
钢筋包括钢筋混凝土用钢筋和预应力混凝土用钢筋,是建筑工程中用量最大的钢材品种。
按所用的钢种,可分为碳素结构钢钢筋和低合金结构钢钢筋;
按生产工艺可分为热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、余热处理钢筋、钢丝及钢绞线等。
一、热轧钢筋
经热轧成型并自然冷却的成品钢筋,称为热轧钢筋。
从表面形状来分,热轧钢筋有光圆和带肋两大类。
(一)热轧光圆钢筋
热轧光圆钢筋,指横截面为圆形,表面光滑,推荐的公称直径有8mm、10mm、12mm、16mm、20mm五种。
其直径的允许偏差为±
0.40mm,不圆度不得大于0.40mm。
光圆钢筋必须用Q235钢制造,强度等级代号:
产品标准为R235;
设计规范中规定为HPB235。
其力学性能应保证屈服点(σs)不小于235MPa、抗拉强度(σb)不小于370MPa、伸长率(δ5)不低于25%;
工艺性能应保证以弯心直径为试样公称直径下的180º
冷弯试验。
热轧光圆钢筋的化学成分,限定碳(C)、锰(Mn)、硅(Si)、磷(P)、硫(S)五大元素含量,如表9-9所示。
标9-9热轧光圆钢筋化学成分指标
元素名称
含量/%
0.14~0.22
0.30~0.65
0.12~0.30
≤0.045
≤0.050
(二)热轧带肋钢筋
热轧带肋钢筋,指横截面通常为圆形,且表面通常带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布着横肋的钢筋。
热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。
牌号中的H、R、B,分别为热轧、带肋、钢筋三个词的英文首位字母。
牌号中的数字,为该牌号钢筋中屈服点最小值(MPa)。
(1)钢筋的尺寸规格公称直径范围为6~50mm,推荐的公称直径为6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm和50mm。
(2)钢筋尺寸允许偏差带肋钢筋的横肋应符合下列基本规定:
横肋与钢筋轴线的夹角β应不小于45º
,当β不大于70º
时,钢筋相对两面上横肋的方向应相反;
横肋间距l,不得大于公称直径的0.7倍;
横肋侧面与钢筋表面的夹角α,不得小于45º
;
钢筋相对两面上横肋末端之间的间隙,包括纵肋宽度在内,其总和不应大于公称周长的20%;
钢筋的相对投影肋面积,公称直径12mm以下的不应小于0.055,公称直径为14mm和16mm的不应小于0.060,公称直径大于16mm的不应小于0.065。
(3)钢筋的化学成分限定钢筋用钢主要化学成分和碳当量的最大值,如表9-12所示。
根据需要,钢中还可加入V、
、Ti等元素。
碳当量
(%)值,按下式计算:
=C+Mn/6+(Cr+
)/5+(Cu+Ni)/15
钢中氮应不大于0.012%,供方如能保证可不作分析。
钢中如有足够数量的氮结合元素,含氮量的限制可放宽。
标9-12热轧带肋钢筋用钢的主要化学元素及碳当量最大值
牌号
化学成分/%,≤
Ceq
HRB335
0.25
0.80
1.60
0.045
0.52
HRB400
0.54
HRB500
0.55
(4)钢筋的力学性能和工艺性能力学性能,主要保证表9-13所示的屈服点(σs)、抗拉强度(σb)和伸长率(δ5)三项指标。
此外,要求钢筋在最大力下的总伸长率δgt不小于2.5%(供方如能保证,可不做检验);
根据需方要求,可供应满足下列条件的钢筋:
钢筋实测抗拉强度与实测屈服点之比不小于1.25;
钢筋实测屈服点与规定的最小屈服点之比不大于1.30。
标9-13热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能
公称直径/
mm
屈服点σs
(或σp0.2*)/
MPa
抗拉强度
σb/MPa
伸长率δ5/
%
弯曲180º
试验
弯心直径
(a为公称直径)
不小于
6~25
28~50
335
490
16
3a
4a
570
14
5a
500
630
12
6a
7a
*σp0.2是规定非比例伸长应力。
二、冷轧带肋钢筋
冷轧带肋钢筋,是将钢种及牌号适宜的热轧圆盘条经专门的冷轧工艺,使表面形成沿长向布有三面或两面横肋的钢筋。
(一)冷轧带肋钢筋的牌号和类别
冷轧带肋钢筋的牌号,改用冷轧、带肋、钢筋三个英文单词的首字母CRB作引导,其后标出抗拉强度最小值的数字构成。
共有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970和CRB1170五个牌号。
按所用盘条的钢种不同,冷轧带肋钢筋有碳素结构钢、优质碳素结构钢及低合金钢三类。
按用途CRB550为钢筋混凝土用,其他四个牌号为预应力混凝土用。
按钢筋表面的肋型,又有三面肋和两面肋之别。
(二)冷轧带肋钢筋的规格、尺寸和质量
(1)公称直径CRB550钢筋的公称径级为4~12mm,按每增0.5进级,共17种;
CRB650及以上牌号钢筋,有4mm、5mm和6mm三种公称直径。
(2)对横肋要求横肋应呈月牙形,沿钢筋横截面周圈上均匀分布。
在同一面上横肋的倾角保持一致,两面肋钢筋此面和彼面横肋的倾角应反向,三面肋钢筋有一面与另两面反向。
横肋中心线和钢筋纵轴线夹角β为40º
~60º
,横肋两侧面和钢筋表面斜角α不得小于45º
,并与钢筋表面呈弧形相交。
横肋间隙的总和,应不大于公称周长的20%。
相对肋面积ƒr,应按标准规定的方法计算得出,并符合要求。
(三)冷轧带肋钢筋的化学成分
(四)冷轧带肋钢筋的力学性能及工艺性能
(1)力学性能冷轧带肋钢筋的力学性能,应符合9-16的规定。
同时,钢筋的规定非比例伸长应力σp0.2值,应不小于公称抗拉强度σb的80%;
σb/σp0.2比值应不小于1.05。
若供方在保证1000h松弛率合格基础上,试验可按10h应力松弛试验进行。
(2)工艺性能CRB550钢筋按标9-16规定条件作弯曲试验,受弯曲部位表面不得产生裂纹。
其余牌号钢筋进行反复弯曲试验,采用的弯曲半径(mm);
公称直径4mm的钢筋为10,公称直径5mm和6mm的钢筋均为15,在表9-16规定的弯曲次数后,试样不折断。
表9-16
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