第2章 钢结构的材料

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1、第2章钢结构的材料§2-1概述钢是以铁和碳为主要成分的合金，其中铁是最基本的元素，碳和其它元素所占比例甚少，但却左右着钢材的物理和化学性能。钢材的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材只是其中的一小部分。为了确保质量和安全，这些钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，以及良好的加工性能。我国《钢结构设计规范》GB50017（以下简称规范或GB50017）具体推荐碳素结构钢（carbonstructuralsteels）中的Q235和低合金高强度结构钢（highstrengthlowalloystructuralsteels）中的Q

2、345、Q390和Q420等牌号的钢材作为承重钢结构用钢。钢材的性能与其化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在因素密切相关，同时也受到荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构造；重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；介绍钢材的种类、规格及选用原则。§2-2钢材的生产2.2.1钢材的冶炼除了天外来客——陨石中可能存在少量的天然铁之外，地球上的铁都蕴藏在铁矿中。从铁矿石开始到最终产品的钢材为止，钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。一、炼铁矿石中的铁是以氧化物

3、的形态存在的，因此要从矿石中得到铁，就要用与氧的亲和力比铁更大的物质——一氧化碳与碳等还原剂，通过还原作用从矿石中除去氧，还原出铁。同时，为了使砂质和粘土质的杂质（矿石中的废石）易于熔化为熔渣，常用石灰石作为熔剂。所有这些作用只有在足够的温度下才会发生，因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行。装入炉膛内的铁矿石、焦炭、石灰石和少量的锰矿石，在鼓入的热风中发生反应，在高温下成为熔融的生铁（含碳量超过2.06％的铁碳合金称为生铁或铸铁）和漂浮其上的熔渣。常温下的生铁质坚而脆，但由于其熔化温度低，在熔融状态下具有足够的流动性，且价

4、格低廉，故在机械制造业的铸件生产中有广泛的应用。铸铁管是土木建筑业中少数应用生铁的例子之一。二、炼钢含碳量在2.06％以下的铁碳合金称为碳素钢。因此，当用生铁制钢时，必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。这一作用也要在高温下进行，称为炼钢。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。由于不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。转炉炼钢是利用高压

5、空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低，已成为国内外发展最快的炼钢方法。34平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶

6、吹转炉炼钢所取代。三、钢材的浇注和脱氧按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，在将钢液浇注入钢锭模时，会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象。沸腾钢在铸模中冷却很快，钢液中的氧化铁和碳作用生成的一氧化碳气体不能全部逸出，凝固后在钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，

7、但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。随着冶炼技术的不断发展，用连续铸造法生产钢坯（用作轧制钢材的半成品）的工艺和设备已逐渐取代了笨重而复杂的铸锭—开坯—初轧的工艺流程和设备。连铸法的特点是：钢液由钢包经过中间包连续注入被水冷却的铜制铸模中，冷却后的坯材被切割成半成品。连铸法的机械化、自动化程度高，可采用电磁感应搅拌装置等先进设施提高产品质量，生产的钢坯整体质量均匀，但只有镇静钢才适合连铸工艺。因此国内大钢厂已很少生产沸腾钢

8、，若采用沸腾钢，不但质量差，而且供货困难，价格并不便宜。2.2.2钢材的组织构造和缺陷一、钢材的组织构造碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25％。低合金结构钢则是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量