7.1～7.2-钢的冶炼和分类、钢材的主要技术性能（课件）- 《建筑材料》同步教学（哈尔滨工程大学出版社）

项目七 建筑钢材 目 录 CONTENT 行业PPT模板http:///hangye/ 1 2 3 4 钢的冶炼和分类 建筑钢材的主要技术性能 常用建筑钢材及其选用 建筑钢材的锈蚀与防护 5 钢筋性能检测 PART 01 钢的冶炼和分类 7.1.1 钢材的冶炼 钢材是将生铁在炼钢炉中进行冶炼,然后浇筑成钢锭,再用轧制、锻压、拉拔等压力加工工艺制成的材料。生铁性能脆硬,在建筑上难以使用。炼钢的原理就是把熔融的生铁进行精炼,使其中碳的含量降到2%以下,硫、磷等杂质的含量在规定范围内。理论上,含碳量在2%以下,含有害杂质较少的铁碳合金都可称为钢。 7.1.1 钢材的冶炼 根据炼钢设备的不同,钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢法、氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法。不同的冶炼方法对钢材质量有着不同的影响。 1.平炉炼钢法 平炉炼钢法是以固态或液态生铁、废钢铁或铁矿石做原料,以煤气或重油为燃料在平炉中进行冶炼。 2.氧气转炉炼钢法 氧气转炉炼钢法已成为现代炼钢法的主流。它以纯氧代替空气吹入炼钢炉的铁水中,能有效除去硫、磷等杂质,使钢的质量显著提高,冶炼速度加快而成本降低。 3.电弧炉炼钢法 电弧炉炼钢法以电为能源迅速加热生铁或废钢原料,熔炼温度高且温度可以自由调节,清除杂质容易,因此,其炼钢的质量最好,但成本较高,主要用于炼制优质碳素钢及特殊合金钢。 7.1.2 钢材的分类 1.按化学成分分类 钢材是以铁为主要元素,含碳量为0.02%~2.06%并含有其他元素的合金材料。钢材按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。 (2)合金钢。合金钢是指在碳素钢的基础上加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素(如锰、硅、矾、钛等)而炼成的钢。 (1)碳素钢。碳素钢是指含碳量为0.02%~2.06%的铁碳合金,其主要成分是铁,其次是碳,此外还含有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等微量元素。 7.1.2 钢材的分类 2.按脱氧程度分类 (1)沸腾钢(F)。沸腾钢一般用锰、铁脱氧,脱氧不完全,脱氧后钢液中还剩余一定量的氧化铁,和碳继续作用放出一氧化碳气体,引起钢液沸腾。 (2)镇静钢(Z)。镇静钢一般用硅脱氧,脱氧完全,钢液浇铸在钢锭模内呈静止状态。 (3)半镇静钢(b)。半镇静钢用少量的硅脱氧,脱氧程度和性能介于沸腾钢和镇静钢之间。 (4)特殊镇静钢(TZ)。特殊镇静钢脱氧充分完全,铸锭时钢水很平静,无沸腾现象,其质量和性能均优于镇静钢,成本也高于镇静钢,可用于特别重要的结构工程。 7.1.2 钢材的分类 3.按品质(杂质含量)分类 01 02 03 04 普通钢:含硫量不大于0.050%,含磷量不大于0.045%。 优质钢:含硫量和含磷量均不大于0.035%。 高级优质钢:含硫量不大于0.025%,含磷量不大于0.025%。 特级优质钢:含硫量不大于0.015%,含磷量不大于0.025%。 7.1.2 钢材的分类 4.按用途分类 结构钢(主要用于工程构件及机械零件) 工具钢(主要用于各种刀 具、量具、模具) 特殊钢(具有特殊物理、化学或机械性能,如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等,一般为合金钢) 7.1.2 钢材的分类 思政目标:培养学生不怕困难、勇往直前的职业精神,树立“不经磨砺,何以成才”的意志信念。 请看以下资料:钢铁生产工艺主要包括炼铁、炼钢、连铸、轧钢等流程,简要解释如下。 (1)炼铁:把烧结矿和块矿中的铁还原出来。焦炭、烧结矿、块矿连同少量的石灰石一起被送入高炉中冶炼成液态生铁(铁水),然后送往炼钢厂作为炼钢的原料。 (2)炼钢:把原料(铁水和废钢等)里过多的碳及硫、磷等杂质去掉并加入适量的合金成分。 (3)连铸:将钢水经中间罐连续注入用水冷却的结晶器内,待其凝成坯壳后,从结晶器中以稳定的速度拉出,再经喷水冷却、凝固后,切成指定长度的连铸坯。 (4)轧钢:连铸出来的钢锭和连铸坯以热轧的方式在不同的轧钢机中轧制成各类钢。 同学们,由钢材的生产过程可以看出,要想将钢材真正用于建设工程中,需要经历一系列环节。我们作为新时代中国特色社会主义的建设者,要想真正成为中国现代建设的有用之才,应该具有什么样的意志和精神? 思 政 课 堂 PART 02 建筑钢材的主要技术性能 7.2.1 力学性能 1.拉伸性能 由于拉伸是建筑钢材的主要受力形式,因此拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要指标。建筑钢材的拉伸性能可以通过低碳钢拉伸试验来测定,以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征,这些指标可通过低碳钢受拉时的应力-应变曲线来阐明,如图7-1所示。 7.2.1 力学性能 从图7-1中可以看出,低碳钢受拉经历了四个阶段:弹性阶段(OA)、屈服阶段(AB)、强化阶段(BC)、颈缩阶段(CD)。 (1)弹性阶段(OA)。当试件拉力在OA 范围内时,OA 是一条直线,应力与应变的比值为常数,如卸去拉力,试件将恢复原状,这种性质即为弹性,该阶段称为弹性阶段。与A 点对应的应力称为弹性极限,以σp 表示。应力与应变的比值为常数,称为弹性模量,用E 表示,即E=σ/ε。弹性模量反映钢材抵抗变形的能力,是计算结构受力变形的重要指标。 7.2.1 力学性能 (2)屈服阶段(AB)。当荷载增大,试件应力超过A 点后,应力与应变不再成正比关系,开始出现塑性变形。应力的增长滞后于应变的增长,当应力达到B上点后,瞬时下降至B下点,变形迅速增加,而此时外力则大致在恒定的位置上波动,直到B 点,这就是所谓的“屈服现象”,似乎钢材不能承受外力而屈服,所以AB 段称为屈服阶段。 7.2.1 力学性能 与B下点(此点比较稳定,易测定)对应的应力称为屈服点(屈服强度),用σs 表示。 式中,σs 为屈服强度(MPa);FB下为下屈服点对应的荷载(N);A 为试件拉伸前的横截面面积(mm2)。 钢材应力超过屈服点以后,虽然没有断裂,但会产生较大的塑性变形,已不能满足结构要求。因此,屈服强度是钢材设计强度取值的主要依据,是工程结构计算中非常重要的一个参数。 7.2.1 力学性能 (3)强化阶段(BC)。从图7-1中BC 段曲线逐步上升可以看出:试件在屈服阶段以后,由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变,阻止了晶格的进一步滑移,钢材得到强化,其抵抗塑性变形的能力重新提高,称为强化阶段。对应于最高点C 的应力称为极限抗拉强度,简称抗拉强度,即钢材受拉断裂前的最大应力,用σb 表示。 式中,σb 为抗拉强度(MPa);Fc 为试件拉断前的最大荷载(N);A 为试件拉伸前的横截面面积(mm2)。 7.2.1 力学性能 设计中一般不直接利用抗拉强度,但屈强比(σs/σb)却能反映钢材的利用率和结构安全可靠性。屈强比越小,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越强,因而结构的安全性越高。但屈强比太小,则反映钢材不能被有效利用,造成钢材浪费。建筑结构钢的合理屈强比一般为0.60~0.75。 7.2.1 力学性能 (4)颈缩阶段(CD)。试件受力到达最高点C 点后,其抵抗变形的能力明显下降,变形迅速发展,应力逐渐下降,试件被拉长,在有杂质或缺陷处,断面急剧缩小,产生颈缩现象而断裂,故称颈缩阶段。 除具有抗拉强度外,建筑钢材还应具有良好的塑性。通常用伸长率(δ)和断面收缩率(ψ)表示钢材塑性的好坏。 试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度(l1),并与试件原标距(l0)比较(图7-2),按式(7-3)计算出伸长率(δ)。 式中,l1 为试件拉断后标距部分的长度(mm);l0 为试件原标距(mm)。 7.2.1 力学性能 伸长率表征了钢材的塑性变形能力。δ 越大,钢材的塑性越好。钢材的塑性好,不仅利于各种加工,而且能保证钢材在建筑上的安全使用。由于塑性变形时颈缩处的变形最大,故原标距与试件的直径之比越大,则颈缩处的伸长值在整个伸长值中的相对比重越小,因而计算得到的伸长率也越小。通常以δ5 和δ10分别表示l0 =5d0 和l0 =10d0 时的伸长率,d0 为试件直径。对同一种钢材,δ5 应大于δ10。 7.2.1 力学性能 断面收缩率是试件拉断后颈缩处横截面面积的最大缩减量占横截面面积的百分率,按式(7-4)计算。 式中,A1 为试件断裂处的横截面面积(mm2);A0 为试件原横截面面积(mm2)。 伸长率(δ)与收缩率(ψ)都反映了钢材的变形性能。δ 和ψ 越大,表明钢材的塑性越好,钢材越易加工,且越易保证质量。一般以δ≥15%、ψ≥10%为宜。 中碳钢与高碳钢(硬钢)的拉伸曲线与低碳钢不同,屈服现象不明显,难以测定屈服点,因此规定产生残余变形为原标距长度的0.2%时所对应的应力值为硬钢的屈服强度,也称条件屈服点,用σ0.2表示,如图7-3所示。 7.2.1 力学性能 以摆锤冲击试件为例,将试件冲断时,在缺口处单位面积上所消耗的功作为钢材的冲击韧性指标,用αk(单位为J/cm2)表示。αk 值越大,表明钢材的冲击韧性越好。 2.冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过有刻槽的标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的,如图7-4所示。 7.2.1 力学性能 7.2.1 力学性能 3.硬度 钢材的硬度是指钢材表面抵抗重物压入而产生塑性变形的能力。 测定硬度的方法有布氏法和洛氏法,其中布氏法较常用。布氏法的硬度指标为布氏硬度值。布氏法是将直径为D(mm)的淬火钢球,以一定的荷载P(N)压入试件表面,经规定时间后卸除荷载,得到直径为d(mm)的压痕。以压痕表面积A(mm2)除荷载P,所得的应力值即为试件的布氏硬度(HB),以数字表示,不带单位。布氏法比较准确,但压痕较大,不适用于成品检验。 7.2.1 力学性能 各类钢材的布氏硬度与抗拉强度之间有较好的关系。材料的强度越高,塑性变形抵抗力越强,HB就越大。对于低碳钢,当HB<175时,σb≈0.36HB;当HB>175时,σb≈0.35HB。 根据这一关系,可以直接在钢结构上测出钢材的HB,并估算出该钢材的抗拉强度,而不破坏结构本身。 洛氏法的测定原理与布氏法相似,但以压头压入试件的深度来表示洛氏硬度(HR)。洛氏法产生的压痕很小,常用于判定工件的热处理效果。 7.2.1 力学性能 4.耐疲劳性 钢材在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。疲劳破坏的危险应力用疲劳强度(或称疲劳极限)来表示,它是指疲劳试验中试件在交变应力作用下,在规定的周期内不发生断裂所能承受的最大应力。一般将承受交变荷载达106~107 次时不发生破坏的最大应力,定义为疲劳强度。一般认为,钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的,抗拉强度越高,其疲劳极限也就越高。 7.2.2 工艺性能 1.冷弯性能 冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是钢材的重要工艺性能。建筑工程中常常要把钢板、钢筋等材料弯曲加工成要求的形状。钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度来表示。弯曲程度则用试件被弯曲角度(α)及弯心直径(d)对试件厚度(d0)或直径(a)的比值来表示,如图7-5所示。试验时采用的α越大,d 对d0(或a)的比值越小,表示对冷弯性能的要求越高。 7.2.2 工艺性能 BUSINESS REPORT 2.冷加工性能及时效处理 (1)冷加工强化处理。冷加工是指钢材在常温下进行的加工,常见的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。钢材经冷加工后产生塑性变形,从而提高其屈服强度,但塑性和韧性相应降低,这一过程称为冷加工强化处理。 7.2.2 工艺性能 one two 冷拉 冷拉是用冷拉设备对热轧钢筋进行加力,使之张拉伸长。 冷拔 将光面圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔,每次拉拔断面缩小应在10%以下。 7.2.2 工艺性能 (2)时效。将冷加工后的钢材在常温下存放15~20d,或加热到100~200℃并保持一段时间,其屈服强度、抗拉强度和硬度会提高,塑性和韧性会降低,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。一般强度较低的钢材采用自然时效,而强度较高的钢材则采用人工时效。 7.2.2 工艺性能 钢材经冷加工及时效处理后,其应力-应变关系的变化规律可在应力-应变图上明显反映出来,如图7-6所示。钢材的应力-应变曲线为OABCD,当钢材被拉伸至超过屈服强度的任意一点K 时,卸去荷载,此时由于试件已经产生塑性变形,所以曲线沿KO'下降,KO'大致与AO平行。若此时立即再拉伸,其应力-应变曲线将为O'KCD,新的屈服点K 比原屈服点B 提高,但伸长率降低。但如在K 点卸荷后进行时效处理再拉伸,则应力-应变曲线将成为O'K1C1D1,这表明冷拉时效后,屈服强度和抗拉强度均得到提高,但塑性和韧性相应降低。 7.2.2 工艺性能 焊接是把两块金属局部加热并使其接缝部位迅速呈熔融或半熔融状态,从而使其牢固地连接起来。焊接是各种型钢、钢板、钢筋的重要连接方式。焊件的质量主要取决于选择正确的焊接工艺和适当的焊接材料,以及钢材本身的可焊性。钢材的可焊性是指钢材在通常的焊接方法和工艺条件下获得良好焊接接头的性能。 7.2.3 化学性能 1.碳 碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随含碳量的增加,其强度和硬度相应提高,而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时,钢材的极限强度开始下降。土木工程建筑用钢材的含碳量不大于0.8%。此外,含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低钢的抗大气腐蚀性和可焊性。 2.硅 硅是炼钢时为了脱氧去硫而加入的化学元素,它是钢中的有益元素。当硅在钢中的含量较低(小于1%)时,可提高钢材的强度,但对塑性和韧性的影响不明显。 7.2.3 化学性能 3.锰 锰是炼钢时为了脱氧去硫而加入的化学元素,它是我国低合金钢中的重要合金元素。锰含量一般在0.8%~1.0%范围内,它的作用主要是提高钢材强度,几乎不降低塑性和韧性。锰还能消减硫和氧所引起的热脆性,改善钢材的热加工性质。 4.硫 硫是钢中的有害元素,多以FeS夹杂物的形式存在于钢中。FeS的熔点低,可使钢材内部在热加工过程中产生裂纹,引起断裂,形成热脆现象。硫的存在还会导致钢材的冲击韧性、可焊性及耐蚀性降低,因此应严格控制硫的含量。非金属硫化物具有强烈的偏析作用,如果其夹杂于钢中,会降低钢的机械性能。硫化物造成的低熔点易使钢在焊接时产生热裂纹,显著降低可焊性。 7.2.3 化学性能 5.磷 磷为钢中的有害元素。其含量提高,钢材的强度也提高,塑性和韧性下降,特别是温度越低,对韧性和塑性的影响越大。磷的偏析作用较严重,可使钢材的冷脆性增大,可焊性降低。但磷可以提高钢的耐磨性和耐腐蚀性,在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。 6.氧 氧为有害元素,主要存在于非金属夹杂物中,可降低钢的机械性能,特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用,氧化物造成的低熔点也会使钢的可焊性变差。 7.2.3 化学性能 7.氮 氮对钢材性质的影响与碳、磷相似,可使钢材的强度提高,塑性、韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性,降低可焊性。在有铝、铌、钒等元素的配合下,氮可作为低合金钢中的合金元素使用。 8.铝、钛、钒、铌 铝、钛、钒、铌均为炼钢时的强脱氧剂,适量加入可以改善钢的组织,提高钢材强度,改善钢材的韧性和可焊性。它们是常用的合金元素。 7.2.3 化学性能 思政目标:激发学生的爱国热情,培养学生爱岗敬业、无私奉献、吃苦耐劳、踏实肯干的工匠精神,增强学生责任担当、开拓创新的职业素养。 请看以下资料:手撕钢,厚度仅为0.02mm,是一张纸厚度的四分之一,却成了我国无法突破的难关,不得不高价进口,一张A4纸大小的手撕钢的售价高达400元人民币,花费上百亿元也买不到最好的0.02mm工艺的手撕钢。 两年时间里,技术人员攻克了75个设备难题、452个工艺难题,经历了711次试验失败,我国的手撕钢终于获得突破。0.02mm不再是梦,0.015mm也已实现,成为世界第一的背后是中国宝武太钢精密带钢公司夜以继日付出的努力。 关键核心技术是国之重器,是增强科技创新引领作用的重要抓手,是实现高水平科技自立自强的保证。历史和实践反复告诉我们,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。 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