8.2 建筑钢材的主要技术性能（课件）- 《建筑材料》同步教学（电工版）

8.2 建筑钢材的主要技术性能 钢材的力学性质 钢材的工艺性能 1 一、钢材的力学性能 钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 拉伸 压缩 弯曲 剪切 扭转 荷载形式 标准试件 按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。 l0 A0 d0 l 非标准试件 不经过加工，直接在线材上切取的试件。 头部 头部 工作段 （一）拉伸性能 1.低碳钢的拉伸性能 3 σ ε 0 钢材拉伸过程的σ-ε图 OA—弹性阶段 AB—屈服阶段 BC—强化阶段 CD—颈缩阶段 A B 0 C D F B上 上屈服点 B下 下屈服点 以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。 （1）拉伸试验过程 7 一、弹性阶段OA 一条通过原点 的直线，应力与应变成正比。 弹性 弹性模量 E值的大小反映了钢材抵抗 弹性变形的能力。 A点对应 的应力。 α O A 低碳钢受拉的应力－应变图 E1 ＞ E2 图形的特点： 试件的特点： 计算的指标： A B C D 弹性极限 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 二、屈服阶段AB 一条波动的曲 线，应力增加很小，而应变增加 很大。 所能承受的拉 力增加很小，而塑性变形迅速 增加，似乎钢材不能承受外力 —— 屈服强度（也叫屈服点） 点对应的应力。 图形的特点： 试件的特点： 计算的指标： α O A 低碳钢受拉的应力－应变图 A C D B B上 B下 屈服。 三、强化阶段BC 一段上升的曲线。 抵抗塑性变形的能力又重新 提高—— 抗拉强度 图形的特点： 试件的特点： 计算的指标： α O A 低碳钢受拉的应力－应变图 A C D B B上 B下 C点对应的应力。 强化。 四、颈缩阶段CD 一段下降的曲线。 变形迅速发展，在有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小—— ，直到断裂。 伸长率δ： 图形的特点： 试件的特点： 计算的指标： α O A A C D B B上 B下 L1 L0 计算的指标： 颈缩 1.屈服强度σs 结构设计中钢材强度取值的依据 2.抗拉强度σb 钢材所能承受的最大应力 3.伸长率δ 衡量钢材塑性的指标， 越大说明钢材的塑性越好 三个重要的指标 屈强比↑ α O A A C D B B上 B下 利用率↑ 安全可靠程度↓ 屈强比 2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能 硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度σ0.2来代替屈服强度。 条件屈服点σ0.2 ：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。 σ ε 0 A 0.2% a b oa——总变形 ba——弹性变形99.8% ob——塑性变形0.2% 钢材试件的标距长度是16cm，受力面积是200mm2,达到屈服点时的拉力是45kN，拉断时的拉力是75kN，拉断后的标距长度是18.9cm， 则钢材的屈服强度是（ ），极限抗拉强度是（ ），伸长率是（ ）。 225MPa 375MPa  18.1% 问题：屈服现象的特征是什么？ 答： 其特征是：钢材拉伸试验过程中，应力不增加而塑性变形不断增加。 问题：什么是屈强比，对选用钢材有何意义？ 答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s /b。 在应用中，s /b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈高。但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济； 若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.60~0.75，既安全又经济。 （二）冲击韧性 钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性，采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。 (a)试件尺寸 (b)试验装置 (c)试验机 （二）冲击韧性 测得试样冲击吸收功, 用冲击吸收功除以试样缺口处截面积,即得到材料的冲击韧度αk 。 αk (J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。 影响因素 硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，冷作及时效、温度降低等，均会降低冲击韧性。 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。 （二）冲击韧性 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临界温度。 脆性临界温度越低，表明钢材的低温冲击韧性越好。 （三）疲劳强度 在交变荷载的多次重复作用下，可在最大应力远低于极限抗拉强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象，称为疲劳破坏。 钢材承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。 当应力低于一定值时, 试样可以经受无限次周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度) 二、工艺性能 （一） 冷弯性能 1、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力； 2、试验方法：通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d = na，n为整数），弯曲到规定的角度时（180°或90°），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。 3、钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。 钢材的冷弯试验 钢材的冷弯性能与其内部组织的关系 伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。 而冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。 而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。 （二）焊接性能 焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。 （二）焊接性能 焊接要求：① 焊接处（焊缝及其附近过热区） 不产生裂缝及硬脆倾向。 ② 焊接处与母材一致，即拉伸试验 ，强度不低于原钢材强度。 可焊性受化学成分及含量的影响。 含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。 含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。 三、钢的化学成分对钢材性能的影响 钢材的化学成分 生产钢不可避免元素：Si、Mn、P、S、N… 专门加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、 　　　　　　　　　　Ni、Nb及稀土元素 铁：主要元素 碳：0.02%～2.06% 其他元素 三、钢的化学成分对钢材性能的影响 （1）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%。 三、钢的化学成分对钢材性能的 （2）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。 　 （3）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。 三、钢的化学成分对钢材性能的 （4）磷 磷是钢中很有害的元素。磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性。 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。 三、钢的化学成分对钢材性能的 （6）氧、氮 未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在，他们降低了钢材的强度、塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能。 （7）钛、钒、铌　 是钢的脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。 （四）冷加工性能和时效 冷加工 钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。 钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。 1、冷拉 冷拉是将钢筋拉至超过屈服点但不超过抗拉强度的应力，然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，其屈服极限将有所提高，而其塑性变形能力都有所降低的冷加工强化。 冷拉未经时效 2、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。 冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，故不宜用作受压钢筋；而冷拔可同时提高抗拉和抗压强度。 必须指出，上述冷加工钢筋以大幅度牺牲延性来换取强度的有限提高，终究不是提高结构性能的有效途径。 近年来，强度高、性能好的钢筋（钢丝、钢绞线）在我国已充分供应，故冷拉钢筋和冷拔钢丝不在列入新《混凝土规范》，但是不是不允许使用这些钢筋。当应用这些钢筋时，应符合专门规程的规定。 3、冷轧 冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可以提高其强度及与混凝土的粘接力。 时效 钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。 时效分为自然时效和人工时效两种。 自然时效是将其冷加工后，在常温下放置15～20d； 人工时效是将冷加工后的钢材加热至100～200℃保持2h以上。 经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。 $$