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在公路工程中经常会用到碳素钢合金钢等钢材

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第七章 建筑钢材

建筑钢材是重要的建筑材料,主要指在建筑工程中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。建筑钢材在道路工程中有着重要的作用,尤其在桥梁建造中更是有着举足轻重的地位。

7.1 钢材的冶炼与分类

7.1.1钢的冶炼

钢是由生铁冶炼而成。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,含有害杂质较少的铁碳合金可称为钢。常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。

1.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。

2.氧气转炉炼钢法

氧气转炉炼钢法是以熔融状态的铁水为原料,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。

3.平炉炼钢法

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平炉炼钢法是以固体或液体生铁、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。但能耗大、成本高、冶炼周期长。

4.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。

7.1.2钢的分类

钢材用途广泛,品种繁多。为了便于管理和使用,钢材的品种必须按各种属性和标志进行归类、分组,常见分类见表7-1。

钢材的分类 表7-1 分类方法 类别 低碳钢 碳素钢 中碳钢 按化学 成分分类 高碳钢 低合金钢 合金钢 中合金钢 高合金钢 沸腾钢 按冶炼 按脱氧方法分类 程度分 镇静钢 半镇静钢 特 性 含碳量 < 0.25% 含碳量0.25%~0.60% 含碳量 > 0.60% 合金元素总含量 < 5% 合金元素总含量5%~10% 合金元素总含量 > 10% 脱氧不完全,硫、磷等杂质偏析较严重,代号为“F” 脱氧完全,同时去硫,代号为“Z” 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间,代号为“B” 2

特殊镇静钢 平炉钢 按炉种分 普通钢 按品质 分类 优质钢 高级优质钢 结构钢 工具钢 按用途 分类 特殊钢 转炉钢 电炉钢 比镇静钢脱氧程度还要充分彻底,代号为“TZ” 炼钢方法不同 含硫量≤0.055~0.065%,含磷量≤0.045~0.085% 含硫量≤ 0.03~0.045%,含磷量≤0.035~0.045% 含硫量≤ 0.02~0.030%,含磷量≤0.027~0.035% 工程结构构件用钢、机械制造用钢 各种刀具、量具及模具用钢 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。 如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢。 碳素结构钢、低合金结构钢、特定用途普通结构钢。 结构钢、工具钢、特殊性能钢。 专业用钢 综合 分类 普通钢 优质钢 目前,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。 7.2我国钢材牌号表示方法

钢的牌号简称钢号,是对每一种具体钢产品所取的名称,是人们了解钢的一种共同语言。凡列入国家标准和行业标准的钢铁产品,均应按《钢铁产品牌号表示方法》(GB/T221—2000)规定的牌号表示方法编写牌号。

1.基本原则

产品牌号的表示,一般采用采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示,具体含义及表示方法如下。

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(1)钢号中化学元素采用国际化学符号表示。

(2)采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时,一般从代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母。当和另一个产品所选用的字母重复时,改取第二个字母或第三个字母,或同时选取两个汉字中的第一个拼音字母。采用汉语拼音字母,原则上只取一个,一般不超过两个。暂时没有可采用的汉字及汉语拼音的,采用符号为英文字母。

(3)钢中主要化学元素含量(%)采用阿拉伯数字表示。 2.常用建筑钢材的牌号表示方法 (1)碳素结构钢和低合金高强度钢

通用结构钢采用代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值(单位为MPa)和质量等级(A、B、C、D、E)、脱氧方法(F、B、Z、TZ)等符号按顺序组成牌号,镇静钢符号“Z”和特殊镇静钢符号“TZ”可省略。根据需要,通用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量,以万分之几计)和化学元素符号按顺序表示。

(2)优质碳素结构钢

优质碳素结构钢采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量,以万分之几计)或阿拉伯数字和元素符号组合成牌号。

① 沸腾钢和半镇静钢,在牌号尾部分别加符号“F”和“B”。 ② 镇静钢(S、P分别≤0.035%)一般不标符号。

③较高含锰量的优质碳素结构钢,在表示平均含碳量的阿拉伯数字后加锰元素符号。

④高级优质碳素结构钢(S≤0.030%、P≤0.030%),在牌号后加符号“A”。 ⑤特级优质碳素结构钢(S≤0.020%、P≤0.025%),在牌号后加符号“E”。 (3)合金结构钢

合金结构钢牌号采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量,万分之几计)和标准的化学元素符号表示。合金元素含量表示方法为:平均含量小于1.50%时,牌号中

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仅标明元素,一般不标明含量; 平均合金含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%……时,在合金元素后相应写成2、3、4……。 高级优质合金结构钢(S、P含量分别≤0.025%),在牌号尾部加符号“A”表示。特级优质合金结构钢(S≤0.015%、P≤0.025%),在牌号尾部加符号“E”。

(4)焊接用钢

焊接用钢包括焊接用碳素钢、焊接用合金钢和焊接用不锈钢等,其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号“H”。高级优质焊接用钢,在牌号尾部加符号“A”。

7.3钢材的技术性质

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。

7.3.1力学性能

1.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。图7-1是低碳钢材应力一应变关系曲线。

从图7-1可看出,低碳钢受拉至拉断经历了四个阶段:弹性阶段(O—A)、屈服阶段(A—B)、强化阶段(B—C)和颈缩阶段(C—D)等,各阶段变形特征如下。

弹性阶段:曲线中O-A段是一条直线,应力与应变成正比,卸去外力试件能恢复原来的形状,称此现象为弹性。与A点对应的应力称为弹性极限σp。应力与应变的比值为常数,即弹性模量E。E反映

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图7-1 低碳钢受拉时的应力一应变曲线

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