第三章 建筑钢材2（课件）- 《建筑材料》同步教学（人民交通出版社）

第三章 建筑钢材 第一节 概述 一、钢的晶体组织及其对钢性能的影响 1.钢的基本组织 钢材是由无数微细晶粒所构成，而晶粒是由铁原子与碳原子结合而成的。钢中碳、铁原子相互结合形成三种形式的碳铁合金，它们在一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织（有四种基本组织）： 1.钢的基本组织 （1）固溶体 微量的碳与铁在液态下相互作用形成液体溶液，凝固时碳溶入α-Fe和γ-Fe的晶格间隙而形成的固态溶液，前者称为铁素体，后者称为奥氏体（只在高温下存在）； 1.钢的基本组织 （2）化合物 铁与碳结合成 化合物Fe3C，称为渗碳体； （3）机械混合物 固溶体 （铁素体）与化合物（渗碳体） 相互混合，形成一种层片状机 械混合物，称为珠光体。 以上钢的四种基本组织及其特点见表3-2。 由图可见，碳素钢的含碳量小于0.8%时，其基本组织为铁素体和珠光体，钢材的强度和硬度较低，但塑性和冲击韧性好；含碳量大于0.8%时，其基本组织为渗碳体和珠光体，因而钢材的强度和硬度高，但塑性和冲击韧性则相应降低。 第二节 钢材的主要力学性能 一、强度 二、塑性 三、冲击韧性 四、硬度 一、强度 强度是钢材的重要技术指标。 测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，应按《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T228-2002）进行。 低碳钢的拉伸试验具有典型意义， 一、强度 四个阶段： Ⅰ弹性阶段 Ⅱ屈服阶段 Ⅲ强化阶段 Ⅳ颈缩阶段 图3-3 低碳钢受拉的应力-应变图 1、弹性极限与弹性模量 弹性极限——弹性阶段的最大应力， 用p表示。 常用低碳钢的p=180～200MPa 弹性阶段的应力与应变成正比，其比值为常数，即弹性模量，用E表示， / = E 弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。 常用低碳钢的弹性模量 E = (2.0～2.1)105 MPa 2、屈服强度 屈服阶段的应力与应变不再成比例，试件开始产生明显的塑性变形，而且应变增加很快，而应力基本保持不变。这种现象称为屈服。 图中B上点是这一阶段的应力出现首次下降前的最高应力，称为上屈服强度（新标准用ReH表示）； B下点是指不计初始瞬时效应时屈服阶段中的最低应力σs，称为下屈服强度（新标准用ReL表示）。 屈服强度的实际意义： 钢材受力达到屈服强度后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服强度作为钢材容许应力取值的依据。 常用低碳钢的s为185 ~ 235MPa。 有些钢材用上屈服强度（ReH）作为屈服强度的标准值（如碳素结构钢），而有些钢材用下屈服强度（ReL）作为屈服强度的标准值（如热轧钢筋） 。 预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点：抗拉强度高，无明显的屈服阶段，伸长率小。 图3-4 规定非比例延伸强度（Rp）示意图 这类钢材由于没有明显的屈服阶段，故可采用规定非比例延伸强度（即非比例延伸率等于规定的引伸计标距百分率时的应力，以Rp表示）作为该钢材的屈服强度值，通常称为条件屈服强度。例如冷轧带肋钢筋的屈服强度值为Rp0.2（即非比例延伸率等于0.2%时的应力） 。 3、极限强度（抗拉强度） 当荷载超过屈服强度后，因塑性变形使其内部的组织结构得到调整，抵抗变形的能力有所增强，－曲线又开始上升，称为强化阶段。 曲线最高点Ｃ所对应的应力b称为极限强度（或抗拉强度），用Rm表示。常用低碳钢的Rm为375～500MPa。 强屈比——抗拉强度与屈服强度之比。 意义：强屈比愈大，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，因而结构的安全性愈高，不易发生脆性断裂和局部超载引起的破坏。但强屈比太大，反映钢材性能不能被充分利用。通常情况下，钢材的强屈比应大于1.2（1.3 ～ 1.7）。 4、疲劳强度（疲劳极限） 疲劳破坏——钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏的现象。 疲劳破坏的危险应力用疲劳强度来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。疲劳强度是衡量钢材耐疲劳性能的指标。设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应测定钢材的疲劳极限。 钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳强度也较高。 4、疲劳强度（疲劳极限） 实验证明，交变应力越大，则钢材断裂时所受的交变应力循环作用的次数就越少，反之越多。 通常取交变应力循环次数为107次（1千万次)时试件不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。 图3-5 钢材的疲劳曲线 二、塑性 塑性——表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，是钢材的重要性能。评定指标： 拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距L1，则其残余伸长值（L1－L0）与L0之比的百分率称为断后伸长率A 图3-5 钢材拉断前后的试件 （原始标距为L0，对比例试样，通常L0=5.65 ，S0为平行长度的原始横截面积） 试件原始截面积S0减去试件拉断处截面积S1的差值（最大缩减量）与S0之比的百分率称为断面收缩率Z， 原始标距与原始横截面积（或直径）的比值愈大，颈缩处的伸长值在整个试件残余伸长值中所占的比重会愈小，因而计算的断后伸长率就愈小。因此，如果不是采用比例系数为5.65的比例试样（即L0=5.65 ），则A应按照标准的规定进行标注,如:A11.3、A80mm。 二、塑性 断后伸长率和断面收缩率反映了钢材断裂前经受塑性变形的能力，断后伸长率越大或者断面收缩率越高，表示钢材的塑性越好。 在工程中具有重要意义：塑性良好的钢材，偶尔超载时，由于产生较大的塑性变形，会使内部应力重新分布，能避免产生应力集中而发生脆断。钢材在塑性破坏前，有明显的变形和变形持续时间，便于发现和补救。 三、冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力， 通常用冲击韧性值αk来表示： m——摆锤质量（kg）； g——重力加速度，数值为9.81 （m/s2） H、h——摆锤冲击前后的高度（m）； A——试件缺口处的截面积（cm2）。 意义：对于重要的结构以及承受动荷载作用的结构，特别是处于低温条件下的结构，为了防止脆性破坏，应保证钢材具有一定的冲击韧性。 冷脆性——当温度降低到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性的现象。这时的温度范围称为脆性转变温度。脆性转变温度越低，钢材的低温冲击韧性越好，越能在低温下承受冲击荷载。 韧性 脆性 四、硬度 硬度——表示钢材表面局部体积内，抵抗外物压入产生塑性变形的能力，是衡量钢材软硬程度的一个指标。 布氏硬度：使用一定的压力把淬火钢球压入钢材表面，将压力除以压痕面积即得布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。 洛氏硬度：在洛氏硬度机上根据压头压入试件的深度来计算硬度值。 感谢聆听 $$