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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

第八章 金属材料主要授课内容：

建筑钢材铝合金

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

第一节 建筑钢材　　 钢材是指用于土木工程中的各种型钢、钢板、钢筋、钢丝等。

　　　采用各种型钢和钢板制作的钢结构，具有强度高、自重轻等特点，适用于大跨度结构、多层及高层结构、受动力荷载的结构和重型工业厂房结构等。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

一、钢材的分类　 钢的分类方法很多，通常有以下几种分类方法。

1 按冶炼时脱氧程度分类

　 2 按化学成分分类

3 按有害杂质含量分类

4 按用途分类

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1 按冶炼时脱氧程度分类

　 ⑴沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程。

⑵ 镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。

⑶ 半镇静钢是质量较好的钢。 ⑷ 特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。

钢材

沸腾钢 F 镇静钢 Z 半镇静钢 b特殊镇静钢

TZ

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2 按化学成分分类

钢材

碳素钢 合金钢

高碳钢 中碳钢 低碳钢 高合金钢 中合金钢 低合金钢

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⑴ 碳素钢 化学成分主要是铁、碳，故也称碳钢或铁碳合金，含碳

量为 0.02% ～ 2.06% ，还含有极少量硅、锰和微量硫、磷等元素。

a 低碳钢：含碳量小于 0.25% ； b 中碳钢：含碳量为 0.25% ～ 0.60% ； c 高碳钢：含碳量大于 0.6% 。　低碳钢在土木工程中应用最广泛。 ⑵ 合金钢 炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金

元素而制得。常用合金元素：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。 a 低合金钢：合金元素总含量小于 5% ；　 b 中合金钢：合金元素总含量为 5% ～ 10% ；　 c 高合金钢：合金元素总含量大于 10% 。　低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。 返回

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3 按有害杂质（ P 、 S ）含量分类

(1) 普通钢：磷含量不大于 0.045% ，硫含量不大于 0.050% ；(2) 优质钢：磷含量不大于 0.035% ，硫含量不大于 0.035% ；(3) 高级优质钢：磷含量不大于 0.025% ，硫含量不大于 0.025% ；(4) 特级优质钢：磷含量不大于 0.025% ，硫含量不大于 0.015% 。

钢材

普通钢 优质钢 高级优质钢 特级优质钢

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4 按用途分类

（ 1）结构钢：主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。

（ 2）工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。

（ 3）特殊钢：具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。

钢材

结构钢 工具钢 特殊钢

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二、钢材的技术性能 1 力学性能 ⑴抗拉性能

⑵冲击韧性

⑶硬度

⑷耐疲劳性

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⑴ 抗拉性能　　　抗拉性能是钢材最

重要的技术性质。根据低碳钢受拉时的应力－应变曲线（如下图 8-1-

1 ），可了解到抗拉性能的下列特征指标。

屈服强度 抗拉强度 伸长率

图 8-1-1

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(a) 屈服强度 屈服强度是钢材开始丧失对变形的抵抗能力，并

开始产生大量塑性变形时所对应的应力。 在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为

屈服上限；锯齿形的最低点所对应的应力称为屈服下限。屈服上限与试验过程中的许多因素有关。屈服下限比较稳定，容易测试，所以规范规定以屈服下限的应力值作为钢材的屈服强度，用 表示。

中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象，规范规定以 0.2% 残余变形所对应的应力值作为名义屈服强度，用　　表示。

屈服强度对钢材使用意义重大 :当构件的实际应力超过屈服强度时，将产生不可恢复的永久变形；当应力超过屈服强度时，受力较高部位的应力不再提高，而自动将荷载重新分配给某些应力较低部位。

yf

2.0f

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(b) 抗拉强度（强度极限） 抗拉强度是钢材所能承受的最大拉应力，即当拉应力达到强度极限时，钢材完全丧失了对变形的抵抗能力而断裂。抗拉强度用 表示。

　　　抗拉强度虽然不能直接作为计算依据，但屈服强度与抗拉强度的比值，即“屈强比” 。对工程应用有较大意义。屈强比愈小，反映钢材在应力超过屈服强度工作时的可靠性愈大。但屈强比过小时，钢材强度的有效利用率低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58 ～ 0.63 ，合金钢的屈强比为 0.65 ～ 0.75 。

uf

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　 (c) 伸长率 伸长率反映钢材拉伸断裂时所能承受的塑性变形能力，

是衡量钢材塑性的重要技术指标。伸长率是以试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率来表示。伸长率按式计算：

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，长试件 n=10 ，短试件 n=5 。

%1000

01

L

LLn

　　钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布不均匀，颈缩处的伸长较大，故试件原始标距（ L0）与直径（ d0）之比愈大。颈缩处的伸长值在总伸长值中所占比例愈小，计算所得伸长率也愈小。通常钢材拉伸试件取 L0=5d，或 L0=10d，其伸长率分别以 和 表示。对于相同钢材，　大于　 。　　　

5

10 5 10 返回

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(2) 冲击韧性　　　 冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性用试件冲断时单位面积上所吸收的能量来表示。冲击韧性按下式计算：

W——试件冲断时所吸收的冲击能（ J）；　 A——试件槽口处最小横截面积（ cm2 ）。 影响钢材冲击韧性的主要因素有：化学成分、冶炼质量、冷作及时效、环境温度等。

　　　钢材的冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始冲击韧性随温度的降低而缓慢下降，但当温度降至一定的范围（狭窄的温度区间）时，钢材的冲击韧性骤然下降很多而呈脆性，即冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，见图 8-1-2 。

A

Wak

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脆性转变温度越低，表明钢材的低温冲击韧性越好。为此，在负温下使用的结构，设计时必须考虑钢材的冷脆性，应选用脆性转变温度低于最低使用温度的钢材。

图 8-1-2 钢的脆性转变温度

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(3) 硬度　　　 硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力。硬度值

与钢材的力学性能之间有着一定的相关性。

测定金属硬度的方法

布氏硬度法 洛氏硬度法 维氏硬度法

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(a) 布氏硬度

　　　 布氏硬度试验是按规定选择一个直径为 D

（ mm ）的淬硬钢球或硬质合金球，以一定荷载P （ N ）将其压入试件表面，持续至规定时间后卸去荷载，测定试件表面上的压痕直径 d （ m

m ），根据计算或查表确定单位面积上所承受的平均应力值，其值作为硬度指标（无量纲），称为布氏硬度，代号为 HB 。

　　　布氏硬度法比较准确，但压痕较大，不宜用于成品检验。

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(b) 洛氏硬度

　　 洛氏硬度试验是将金刚石圆锥体或钢球等压头，按一定试验力压入试件表面，以压头压入试件的深度来表示硬度值（无量纲），称为洛氏硬度，代号为 HR。

　　　洛氏硬度法的压痕小，所以常用于判断工件的热处理效果。

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（ 4 ）耐疲劳性　　　钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。

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2 工艺性能 （1）冷弯性能

（2）焊接性能　

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（ 1 ）冷弯性能　定义 冷弯性能是钢材在常温条件下，承受弯曲

变形的能力，是反映钢材缺陷的一种重要工艺性能。　表示方法 钢材的冷弯性能以试验时的弯曲角度

和弯心直径作为指标来表示。　其他 钢材冷弯时弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示对冷弯性能的要求愈高。试件弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，则认为其冷弯性能合格。

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（ 2 ）焊接性能　　　建筑工程中，钢材绝大多数是采用焊接方法联

结的。这就要求钢材要有良好的可焊性。　定义 可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，

在焊缝和附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。

　影响因素 钢的可焊性主要受化学成分极其含量的影响。含碳量小于 0.3% 的非合金钢具有良好的可焊性，超过 0.3% ，焊接的脆硬倾向增加；硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性；杂质含量增加，会使可焊性降低。

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三、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响

1 钢材的化学成分　 主要化学成分——铁（ Fe） 少量元素——碳（ C）、硅（ Si）、锰 （ Mn）、磷（ P）、硫（ S）、氧

（ O）、氮（ N）、钛（ Ti）、钒 （ V）

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2 微量化学元素对钢材性能的影响　⑴碳 碳是决定钢材性能的最重要元素。 当钢中含碳量在 0.8% 以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；

当含碳量在 1.0% 以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。

一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于 0.25% ；工程所用低合金钢，其含碳量小于 0.52

% 。

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⑵硅 硅是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低

（小于 1.0% ）时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。 　

⑶锰 锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢中的，是钢中的有益元

素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，能提高钢材的强度和硬度。

　 ⑷磷 磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、

屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，加大钢材的冷脆性。

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　⑸硫 硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。

　⑹氧 氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。

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　⑺氮 氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。

　⑻钛 钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。

　⑼钒 钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。

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四、钢材的冷加工及热处理 1 冷加工

　 2 时效

3 热处理

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1 冷加工　　　将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等，使之产生一定的塑性变形，强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工（或冷加工强化、冷作强化）。

　　　土木工程中对大量使用的钢筋，往往是冷加工和时效处理同时采用，常用的冷加工方法是冷拉和冷拔。

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　⑴冷拉 定义及优点 将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定

的塑性变形称为冷拉。 冷拉后的钢筋不仅屈服强度提高 20% ～ 30% ，同时

还增加钢筋长度（ 4% ～ 10% ），因此冷拉是节约钢材（一般 10% ～ 20% ）的一种措施。

　效果 钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变硬。　控制 实际冷拉时，应通过试验确定冷拉控制参数。冷拉参数的控制，直接关系到冷拉效果和钢材质量。

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⑵ 冷拔

定义

将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。

效果 钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到

挤压作用。经过一次或多次冷拔后，钢筋的屈服强度可提高 40% ～ 60% ，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。

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2 时效　定义 将经过冷加工后的钢材，在常温下存放 15 ～ 20

天，或加热至 100 ～ 200℃并保持 2h 左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。

　用途 通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的

钢筋则需采用人工时效。

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　　　钢材经冷加工和时效处理后，其性能变化规律在应力—应变图上明显地得到反映，如图 8-1-3所示。

图 8-1-3 钢材冷拉应力—应变曲线图 返回

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3 热处理　定义 热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。

方法 热处理的方法有淬火、回火、退火和正火。热处理的具体方法本书不做要求。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

五、建筑钢材的标准及使用

１ 钢结构用钢材 ⑴ 碳素结构钢 ⑵ 低合金高强度结构钢 ⑶ 钢结构用型钢

2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑴钢筋混凝土用钢筋 ⑵预应力混凝土用热处理钢筋 ⑶冷轧带肋钢筋 ⑷预应力混凝土用钢丝 ⑸预应力混凝土用钢绞线

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

１钢结构用钢材 ⑴ 碳素结构钢 (a) 碳素结构钢的牌号及其表示方法

(b) 碳素结构钢的技术要求

(c) 碳素结构钢的应用

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　 (a) 碳素结构钢的牌号及其表示方法 有关规定 根据《碳素结构钢》规定，碳素结构钢分 5个牌号，即 Q195 、 Q215 、 Q235 、 Q255 和 Q275 。按其硫、磷杂质含量由多到少分为 A、 B、 C、 D 4个质量等级。

牌号表示 代表屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级（ A、 B、C、 D）、脱氧程度（ F、 b、 Z、 TZ）

举例 镇静钢和特殊镇静钢在钢的牌号中 Z和 TZ 予以省略。

如 Q235-A·F，表示此碳素结构钢是屈服点为 235MPa的 A级沸腾钢； Q235—C，表示此碳素结构钢是屈服点为 235MPa的 C级镇静钢。 返回

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材　 (b) 碳素结构钢的技术要求 按照国家标准《碳素结构钢》（ GB700-88 ）规定，

碳素结构钢的技术要求如下：　化学成分 各牌号碳素结构钢的化学成分应符合表 8-1-1 的规

定。　力学性能　　　碳素结构钢的强度、冲击韧性等指标应符合表 8-1-2 的规

定。 冷弯性能 冷弯性能应符合表 8-1-3 的要求。 从表 8-1-1 、表 8-1-2 和表 8-1-3 可以看出，碳素结

构钢随着牌号的增大，其含碳量和含锰量增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材表 8-1-1 碳素结构钢的化学成分

牌号 　　 等级

化学成分（ % ）脱氧方法

C Mn Si ≤ S ≤ P ≤

Q195 — 0.06 ～ 0.12 0.25 ～ 0.50 0.30 0.050 0.045F 、 b 、

Z

Q215A

0.09 ～ 0.15 0.25 ～ 0.55 0.30 0.500 0.045F 、 b 、

ZB

Q235

A 0.14 ～ 0.22 0.30 ～ 0.65①

0.035

0.0500.045

F 、 b 、ZB 0.12 ～ 0.20 0.30 ～ 0.70② 0.045

C ≤0.180.35 ～ 0.80

0.040 0.040 Z

D ≤0.17 0.035 TZ

Q255A

0.18 ～ 0.28 0.40 ～ 0.70 0.300.050

0.045 ZB 0.045

Q275 — 0.20 ～ 0.38 0.50 ～ 0.80 0.35 0.050 0.045 Z

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表 8-1-2 碳素结构钢的力学性能

牌号 等级

拉伸试验 冲击试验钢材厚度（直径）

抗拉强度

钢材厚度（直径）（ mm ）

≤16

＞16～40

＞ 40 ～

60

＞ 60 ～100

100 ～150

＞ 150 ≤16

＞ 16 ～

40

＞ 40 ～

60

＞ 60 ～100

＞ 10

0 ～150

＞ 150

≥ （ MPa ） ≥ （ % ） ≥

Q195

—（ 195 ）

（ 185 ） — — — —

315 ～390

33 32 — — — — — —

Q215

A215 205 195 185 175 165

335 ～410

31 30 29 28 27 26— —

B 20 27

Q235

A

235 225 215 205 195 18537

5 ～460

26 25 24 23 22 21

— —

B 20 27

C 0

D-20

Q255

A255 245 235 225 215 205

410 ～510

24 23 22 21 20 19— —

B 20 27

Q275

— 275 265 255 245 235 22549

0 ～610

20 19 18 17 16 15 — —

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表 8-1-3 碳素结构钢的冷弯性能

牌号 试样方向

冷弯试验（ B=2a ， 180° ）钢材厚度（直径）（ mm ）

≤60 >60 ～ 100 >100 ～ 200弯心直径 d

Q195纵 0

— —横 0.5a

Q215纵 0.5a 1.5a 2a

横 a 2a 2.5a

Q235纵 a 2a 2.2a

横 1.5a 2.5a 3a

Q255 2a 3.5a 3a 3.5a

Q275 3a 4.5a 4a 4.5a

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材 (c) 碳素结构钢的应用 土木工程中应用最广泛的碳素结构钢是 Q235 ，具

有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能较好满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求，且成本较低。用 Q235 钢大量轧制成各种型钢、钢板及钢筋。其中Q235-A级钢，仅适用于承受静荷载作用的结构； Q235-C和 Q235-D级钢，可用于重要的焊接结构。

Q195 、 Q215 钢，强度低，塑性和韧性较好，具有良好的可焊性，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及钢丝等，也可用作轧材用料。 Q215 钢经冷加工后可代替 Q235 钢使用。

　　　 Q255 、 Q275 钢，强度较高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、制作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。 返回

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

１钢结构用钢材（ 2 ）低合金高强度结构钢

　　 低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的一种或几种合金元素制成的一种结构钢。

　　　 (a) 低合金高强度结构钢的牌号及其表示方法

(b) 低合金高强度结构钢的技术要求及应用

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低合金高强度结构钢的牌号及其表示方法 根据国家标准《低合金高强度结构钢》（ GB1591-1994 ）规定，共有 5个牌号，即 Q295 、 Q345 、 Q390 、 Q420 和 Q460 。所加入元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其牌号的表示是由屈服点字母 Q、屈服点数值、质量等级（ A、 B、 C、 D、 E） 3个部分组成。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　低合金高强度结构钢的技术要求及应用 按照国家标准《低合金高强度结构钢》（ GB1591-1994 ）规定，低合金高强度结构钢的化学成分与力学性能应符合表 8-1-4 和表 8-1-5 的要求。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材表 8-1-4 低合金高强度结构钢的化学成分

牌号 质量等级

化学成分（ % ）C≤ Mn Si P≤ S≤ V Nb Ti Al≥ Cr≤ Ni≤

Q295

A 0.160.80～1.50 0.55

0.0450.045

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.20 —

B 0.160.80～1.50 0.55

0.0400.040

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.20 —

Q345

A 0.021.00～1.60 0.55

0.0450.045

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.20 —

B 0.021.00～1.60 0.55

0.0400.040

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.20 —

C 0.201.00～1.60 0.55

0.0350.035

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.200.015

D 0.181.00～1.60 0.55

0.0300.030

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.200.015

E 0.181.00～1.60 0.55

0.0250.025

0.02～0.150.015～0.060

0.02～0.200.015

Q390

A 0.201.00～1.60 0.55

0.0450.045

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.20 — 0.30 0.70

B 0.201.00～1.60 0.55

0.0400.040

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.20 — 0.30 0.70

C 0.201.00～1.60 0.55

0.0350.035

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.30 0.70

D 0.201.00～1.60 0.55

0.0300.030

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.30 0.70

E 0.201.00～1.60 0.55

0.0250.025

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.30 0.70

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表 8-1-4 低合金高强度结构钢的化学成分

牌号 质量等级

化学成分（ % ）

C≤ Mn Si P≤ S≤ V Nb Ti Al≥ Cr≤ Ni≤

Q420

A 0.201.00～1.70 0.55

0.0450.045

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.20 — 0.40 0.70

B 0.201.00～1.70 0.55

0.0400.040

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.20 — 0.40 0.70

C 0.201.00～1.70 0.55

0.0350.035

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.40 0.70

D 0.201.00～1.70 0.55

0.0300.030

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.40 0.70

E 0.201.00～1.70 0.55

0.0250.025

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.40 0.70

Q460

A 0.201.00～1.70 0.55

0.0350.035

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.70 0.70

B 0.201.00～1.70 0.55

0.0300.030

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.70 0.70

C 0.201.00～1.70 0.55

0.0250.025

0.02～0.200.015～0.060

0.02～0.200.0150.70 0.70

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　特点 低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比，具有较高的强度，综合性能好，所以在相同使用条件下，可比碳素结构钢节省用钢 20% ～ 30% ，对减轻结构自重有利。同时还具有良好的塑性、韧性、可焊性、耐磨性、耐蚀性、耐低温性等性能。

　适用范围 　　低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。 返回

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

１钢结构用钢材（ 3 ）钢结构用型钢　　　在钢结构用钢中一般可直接选用各种规格与型星号的型钢，

构件之间可直接连接或附以板进行连接。连接方式为铆接、螺栓连接或焊接。因此，钢结构所用刚材主要是型钢和钢板。型钢和钢板的成型有热轧和冷轧。

热轧型钢

冷弯薄壁型钢

钢板和压型钢板

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

热轧型钢　制作 热轧型钢主要采用碳素结构钢 Q235 － A ，低合

金高强度结构钢 Q345 和 Q390 热轧成型。　常用热轧型钢 角钢、工字钢、槽钢、 T 型钢、 H 型钢、 Z 型钢

等 标记方式 型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准号及钢牌号与钢种标准。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

举例 用碳素结构钢 Q235 － A 轧制的，尺寸为 160mm×160mm×16mm的等边角钢，应标示为：热轧等边角钢

　　　

　　 碳素结构钢 Q235 － A制成的热轧型钢，强度适中，塑性和可焊性较好，冶炼容易，成本低，适用于土木工程中的各种钢结构。低合金高强度结构钢 Q345 和 Q390 制成的热轧型钢，性能较前者好，适用于大跨度、承受动荷载的钢结构。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

冷弯薄壁型钢　 定义及类型 冷弯薄壁型钢是用 2mm～ 6mm的薄钢板经冷弯或模压而制成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢，用于轻型钢结构。

　表示方法 冷弯薄壁型钢的表示方法与热轧型钢相同。　　　土木工程中钢筋混凝土用钢材和钢结构用钢材，主要根

据结构的重要性、荷载性质（动荷载或静荷载）、连接方法（焊接或铆接）、温度条件（正温或负温）等，综合考虑钢种或钢牌号、质量等级和脱氧程度等进行选用，以保证结构的安全。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

钢板和压型钢板　　　钢板是用碳素结构钢和低合金高强度结构钢经热轧或冷轧

生产的扁平钢材。以平板状态供货的称为钢板，以卷状态供货的称为钢带。厚度大于 4mm以上为厚板，厚度小于或等于 4mm的为薄板。

热轧碳素结构钢厚板，是钢结构的主要用钢材。薄板用于屋面、墙面或压型板原料等。低合金高强度结构钢厚板，用于重型结构、大跨度桥梁和高压容器等。

　　　压型钢板是用薄板经冷压或冷轧成波形、双曲线、 V形等形状，压型钢板有涂层、镀锌、防腐等薄板。具有单位质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观等优点。主要用于维护结构、楼板、屋面等。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑴ 钢筋混凝土用钢筋　　 钢筋混凝土用钢筋，根据其表面形状分为光圆钢筋和带肋钢筋两类。带肋钢筋有月牙肋钢筋和等高肋钢筋等，见图 8-1-4 。

图 8-1-4 带肋钢筋

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　钢筋混凝土用热轧直条光圆钢筋 根据《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（ GB130

13-1991 ）的规定，热轧直条光圆钢筋的力学性能和工艺性能应符合表 8-1-6 的规定。

表 8-1-6 热轧直条光圆钢筋的力学性能、工艺性能

钢筋级别

强度等级代号 牌 号

公称直径a （ m

m ）

MPa MPa % 冷弯试验（ 180° ）弯心直径

（ d ）不 小 于

Ⅰ R235 Q235 8 ～ 20 235 370 25 d=a

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　低碳钢热轧盘条光圆钢筋 根据《低碳钢热轧圆盘条》（ GB/T701-1997）的规定，土木工程用低碳钢热轧盘条光圆钢筋的力学性能和工艺性能应符合表 8-1-7的规定。

表 8-1-7 盘条光圆钢筋的力学性能、工艺性能

牌 号 （ MPa ）

（ MPa ） （ % ）

冷弯试验（ 180° ）弯心直径（ d ）

（ a. 钢筋公称直径）

Q215 （ A 、 B 、C ） 215 375 27 d=0

Q235 （ A 、 B 、C ） 235 410 23 d=0.5a

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　　　光圆钢筋是用 Q215 或 Q235 碳素结构钢轧制而成的钢筋。其强度较低，塑性及焊接性能好，伸长率高，便于弯折成型和进行各种冷加工，广泛用于普通钢筋混凝土构件中，作为中小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋和各种钢筋混凝土结构的箍筋等。

　　　带肋钢筋是用低合金镇静钢和半镇静钢轧制成的钢筋，其强度较高，塑性和焊接性能较好，因表面带肋，加强了钢筋与混凝土之间的粘结力，广泛用于大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋，经过冷拉后可用作预应力钢筋。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑵ 预应力混凝土用热处理钢筋　　　预应力混凝土用热处理钢筋是由热轧螺纹钢筋（即普通热轧中碳低合金钢筋）经淬火和回火等调质处理制成。

　代号和外形 代号为 RB150 ，数字表示抗拉强度等级数值。　　　外形按其螺纹外形分为纵肋和无纵肋两种。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　技术性能 根据《预应力混凝土用热处理钢筋》（ GB4463-1992）规定，其力学性能应符合表 8-1-10的要求。

表 8-1-10 预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能

牌号 牌号屈服强度（ M

Pa ） 抗拉强度（ M

Pa ）伸长率（ % ）

不小于

6 40Si2Mn

1325 1470 68.2 48Si2Mn

10 45Si2Mn

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　应用 预应力混凝土用热处理钢筋具有高强度、高韧性和高握裹力等优点，主要用于预应力混凝土桥梁轨枕，还用于预应力梁、板结构及吊车梁等。

　　　预应力混凝土用热处理钢筋成盘供应，开盘后能自行伸直，不需调直和焊接，施工方便，且节约钢材。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑶ 冷轧带肋钢筋　　　冷轧带肋钢筋是由热轧圆盘条为母材，经冷轧减径后在其

表面冷轧成二面或三面横肋（月牙肋）的钢筋，见图 8-4 。

图 8-4 冷轧带肋钢筋横截面上月牙肋分布情况

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　牌号 根据国家标准《冷轧带肋钢筋》（ GB13788-2000 ）的规定，冷轧带肋钢筋按抗拉强度最小值可分为五级牌号，即 CRB550 、 CRB650 、 CRB800 、CRB970 、 CRB1170 ，其中 C、 R、 B分别表示“冷轧”、“带肋”、“钢筋”的英文首位字母，后面的数字表示钢筋抗拉强度最小数值。

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表 8-1-11 冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能

牌号 反复弯曲次数

（ MPa ）不小于

伸长率不小于冷弯（ 180° ）

弯心直径（ D ）

松弛率（ % ）1000h不大于

10h不大于

CRB550 — 550 8 — D=3d — —

CRB650 3 650 — 4 — 8 5

CRB800 3 800 — 4 — 8 5

CRB970 3 970 — 4 — 8 5

CRB1170

3 1170 — 4 — 8 5

　技术性能 冷轧带肋钢筋的化学成分、力学性能和工艺性能应符合国家标准《冷轧带肋钢筋》（ GB13788-2000 ）的有关规定。力学性能和工艺性能要求见表 8-1-11 。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑷ 预应力混凝土用钢丝　分类 根据《预应力混凝土用钢丝》（ GB/T5223-2002 ）

规定：按加工状态分为冷拉钢丝（代号为 WCD）和消除应力钢丝两种；按外形分为光面钢丝（代号为 P）、螺旋肋钢丝（代号为 H）和刻痕钢丝（代号为 I）三种；按松弛性能分为低松弛钢丝（代号为 WLR）和普通松弛钢丝（代号为 WNR）两种。

适用范围 主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊车梁、桥梁等的预应力结构。 返回

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑸ 预应力混凝土用钢绞线　　　预应力混凝土用钢绞线是由若干根直径为 2.5 ～ 5.0mm的高强度钢丝，以一根钢丝为中心，其余钢丝围绕其中心钢丝绞捻，再经消除应力热处理而制成。

　　　根据《预应力混凝土用钢绞线》（ GB/T5224-1995 ）规定，按应力松弛性能分为Ⅰ级松弛和Ⅱ级松弛。预应力钢绞线的力学性能应符合表 8-1-15 规定。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材表 8-1-15 预应力钢绞线的力学性能

钢绞线结构

钢绞线公称直径mm

强度级别 M

Pa

整根钢绞线的最大负荷 kN

屈服负荷 k

N伸长率

%

1000h 松弛率（ % ） 不大于

Ⅰ 级松弛 Ⅱ 级松弛

初始负荷

不小于70%

公称最大负荷

80%公称最大负荷

70%公称最大负荷

80%公称最大负荷

1×210.00

1720

67.9 57.7 3.5 8.0 12 2.5 4.5

12.00 97.9 83.2

3.5 8.0 12 2.5 4.5

1×310.80 102 86.7

12.90 147 125

1×7

标准型

9.50 1860 102 86.6

11.10 1860 138 117

12.70 1860 184 156

15.201720 239 203

1860 259 220

模拔型12.70 1860 209 178

15.20 1820 300 255

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

3 钢筋产品合格证的内容　① 型号、规格；　② 适用钢筋的品种；　③ 连接接头的性能等级；　④ 产品批号；　⑤ 检验日期；　⑥ 质量合格签章；　⑦ 厂家名称；　⑧ 当有特殊要求时，应表明相应的检验内容及指标。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

六、钢材的锈蚀与防止 1 钢材的锈蚀 定义 钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到破坏。

　害处 钢材锈蚀不仅使截面积减小，性能降低甚至报废，而且因产生锈坑，可造成应力集中，加速结构破坏。

　分类 根据锈蚀作用机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

化学锈蚀　定义　化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。

原理 这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。在常温下，钢材表面形成一薄层氧化保护膜 FeO，可以起一定的防止钢材锈蚀的作用，故在干燥环境中，钢材锈蚀进展缓慢。但在温度或湿度较高的环境中，化学锈蚀进展加快。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

电化学锈蚀　定义 电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触，形成微

电池而产生的锈蚀。 原理 潮湿环境中钢材表面会被一层电解质水膜所覆

盖，而钢材本身含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极电位不同，形成许多微电池。在阳极区，铁被氧化成为 Fe2+ 离子进入水膜；在阴极区，溶于水膜中的氧被还原为 OH-离子。随后两者结合生成不溶于水的 Fe（ OH）2，并进一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈 Fe（ OH） 3

　　　电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

　　　影响钢材锈蚀的主要因素有环境中的湿度、氧，介质中的酸、碱、盐，钢材的化学成分及表面状况等。一些卤素离子，特别是氯离子能破坏保护膜，促进锈蚀反应，使锈蚀迅速发展。

　　　钢材锈蚀时，伴随体积增大，最严重的可达原体积的 6倍，在钢筋混凝土中会使周围的混凝土胀裂。埋入混凝土中的钢材，由于混凝土的碱性介质（新浇混凝土的 pH值为 12左右），在钢材表面形成碱性保护膜，阻止锈蚀继续发展，故混凝土中的钢材一般不易锈蚀。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

2 锈蚀的防止　 钢结构 通常采用表面刷漆的方法。常用的底漆有红丹、环氧富锌漆、铁红环氧底漆等，面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。

薄壁钢材 采用热浸镀锌或镀锌后加涂塑料涂层等措施

　混凝土配筋 根据结构的性质和所处环境等，考虑混凝土的质量要求，主要是提高混凝土的密实度，保证足够的钢筋保护层厚度，限制氯盐外加剂的掺入量。混凝土中还可掺用阻锈剂。

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第八章 金属材料 第一节 建筑钢材

预应力钢筋 一般含碳量较高，又多是经过变形加工或冷加工的，因而对锈蚀破坏较敏感，特别是高强度热处理钢筋，容易产生锈蚀现象。所以，重要的预应力混凝土结构，除了禁止掺用氯盐外，还应对原材料进行严格检验。

钢材的化学成分对耐锈性影响很大，通过加入某些合金元素，可以提高钢材的耐锈蚀能力。例如，在钢中加入一定量的铬、镍、钛等合金元素，可制成不锈钢。

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第八章 金属材料 第二节　铝合金

第二节 铝合金一、铝和铝合金的特点　　　铝外观呈银白色，密度为 2.7g/cm3 ，熔点为 660℃ ，铝还具有良好的导电性和导热性。另外由于其表面常常被氧化铝薄膜覆盖，因此其具有一定的耐蚀性。

　 铝的可塑性良好（伸长率为 50% ），可加工成管材、板材和各种型材，还可压制成极薄的铝箔（ 6 ～ 25×

10-3mm ），并具有极高的光、热反射比，但铝的硬度和强度较低。

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第八章 金属材料 第二节　铝合金

　　铝合金不仅保持铝质量轻的特点，同时机械力学性能大幅度提高，例如屈服强度可达210 ～ 500MPa，抗拉强度可达 380 ～ 550MPa等。

因此铝合金不仅可用于建筑装饰领域，而且可用于结构领域。

铝合金的主要缺点是弹性模量小，热膨胀系数大，耐热性差等。

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第八章 金属材料 第二节　铝合金

二、铝合金的分类　　　铝合金按照合金元素可分为二元合金和三元合金，

如 Al-Mn合金、 Al-Mg合金、 Al-Mg-Si合金等。铝合金按照加工方法可分为铸造铝合金和变形铝合金。

　　　所谓变形铝合金是指采用冲压、弯曲、辊轧、挤压等工艺使铝合金的组织和形状发生变化的铝合金。变形铝合金又可分为热处理强化型和非强化型，强化型是指通过热处理的方式提高铝合金的强度，例如 Al-Mg-Si合金（锻铝）、 Al-Cu-Mg合金（硬铝）等；非强化型是指不能用热处理的方式提高铝合金的强度，例如 Al-Mn合金、 Al-Mg合金等。

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第八章 金属材料 第二节　铝合金

三、常用铝合金制品　　 建筑装饰工程中常用的铝合金制品包括铝合金门窗、铝合金幕墙、铝合金装饰板、铝合金龙骨和各种室内装饰配件等。

　　　

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第八章 金属材料 第二节　铝合金

　铝合金门窗　　

铝合金门窗在建筑上已使用 30余年的历史，由于其维修费用低、色彩造型丰富、耐久性较好，因此得到了广泛的应用。

虽然近年来铝合金门窗受到了塑钢门窗、不锈钢门窗的挑战，然而铝合金门窗在造价、色泽、可加工性等方面仍有优势，因此仍在各种装饰领域广泛使用。

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第八章 金属材料 第二节　铝合金

　铝合金装饰板　　

铝合金装饰板主要有铝合金花纹板、浅花纹板、波纹板、压型板和穿孔板等。它们具有质量轻、易加工、强度较高、刚度较好、耐久性好等优点，而且具有色彩造型丰富的特点，其不仅可以与玻璃幕墙配合使用而且可以单独对墙、柱、招牌等进行修饰，同样具有独特的装饰效果。

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第八章 金属材料 本章小结

本章小结了解内容： 1．建筑钢材基本知识　　　　　 2．建筑钢材的主要技术性质重点内容： 1．抗拉强度：掌握低碳钢受拉时的应

力—应变曲线图，包括四个阶段和三个极限，还有条件屈服点和伸长率。

　　　 2冲击韧性：包括低温冷脆性、脆性临界温度、时效及时效敏感性。

　　　　　化学成分对钢性能的影响

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第八章 金属材料 习题与复习思考题

习题与复习思考题1. 为什么说屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的重

要技术性能指标？2.冷弯性能的表示方法及其实际意义？3.随含碳量增加，碳素钢的性能有何变化？4. 碳素结构钢中，若含有较多的磷、硫或者氮、氧

及锰、硅等元素时，对钢性能的主要影响如何？

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第八章 金属材料 习题与复习思考题

5. 碳素结构钢的牌号如何表示？为什么 Q235号钢被广泛用于土木工程中？

6. 试比较 Q235-A·F 、 Q235-B·b 、 Q235-C 和 Q23

5-D 在性能和应用上有什么区别？7. 低合金高强度结构钢的主要用途及被广泛采用的原因？

8. 对热轧钢筋进行冷拉并时效处理的主要目的及主要方法？

9. 下列符号表示的意义是什么？

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第八章 金属材料 习题与复习思考题

10. 从进货的一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为 42.

4kN 、 41.5kN ；抗拉极限分别为 62.0kN 、 61.6

kN ，钢筋公称直径为 12mm ，标距为 60mm ，拉断时长度分别为 71.1mm 和 71.5mm ，试评定其牌号？说明其利用率及使用中安全可靠程度如何？