6.模块六 钢材（课件）- 《建筑材料》同步教学（机械工业版）

建筑材料与检测 模块六 钢材 6 任务一 了解钢材 任务二 掌握钢材的性能 任务三 掌握钢材的种类 任务四 掌握钢材的腐蚀与防护 任务五 进行钢材性能检测 任务一 了解钢材 引导问题1：钢材的分类有哪些 任务一 了解钢材 国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。“鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，以巨大的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场，采用了当今先进的建筑科技，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，结构相当复杂，为国内外特有建筑。 钢 中碳钢 低合金钢 高碳钢 低碳钢 碳素钢 合金钢 中合金钢 高合金钢 C＜0.25% C=0.25%～0.60％ C＞0.60％ 合金总含量＜5% 5%～10％ ＞10％ 按化学成分分类 任务一 了解钢材 任务一 了解钢材 按用途分 分为结构钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。 按品质分 按S和P元素含量，分为普通质量钢、优质钢和高优质钢。 任务一 了解钢材 钢 理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。 含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为熟铁。 钢材的特点 强度高、塑性好及良好的韧性；易于加工、便于装配；但是，钢材易锈蚀、耐火性差、维修费用高。 任务一 了解钢材 引导问题2：常用钢筋分类有哪些 任务一 了解钢材 1.按外形和粗细分类 光圆钢筋 螺纹钢筋 2.按机械性能分类 热轧光圆钢筋 热轧带肋钢筋 3.按生产工艺分类 其中，热轧带肋钢筋和热轧光圆钢筋是在建筑工程中应用量最大的两种钢筋 任务一 了解钢材 引导问题3：型钢的分类有哪些 任务一 了解钢材 表7-1 型钢分类 型钢名称积分类 表示方法 表 例 标准名称 角钢 等边角钢 边宽和厚度（mm） L110×10 热轧等边三角钢品种 不等边角钢 长边、短边、厚度 L110×70×8 热轧不边三角钢品种 工字钢 普通工字钢 以其截面高度（cm）编号，和a、b、c三种不同腹板厚共同表示 136.b（cm） 热轧普通工字钢品种 轻型工字钢 宽翼缘工字钢（H型钢） 130.a（无b、c） H型钢标准 槽钢 普通槽钢 以其截面高度为号（mm） [28.b（cm） 热轧普通槽钢品种 轻型槽钢 和a、b、c不同腹板厚度表示 [24.a（无b、c） 扁钢 扁 钢 宽和厚（mm） －40×6 热轧扁钢品种 任务一 了解钢材 引导问题4：钢材的化学成分及其影响有哪些 任务一 了解钢材 钢材的化学成分及其影响有哪些？ 钢材 碳含量 硅含量 锰含量 硫含量 磷含量 氧含量 氮含量 氢含量 任务一 了解钢材 钢中所含的化学元素比较多，在碳素钢中除了含有碳、硅、锰主要元素外还有含有少量的硫、磷、氮、氧、氢等有害杂质，在合金钢中还含有钛、钒、铜、铬、镍等合金元素。这些元素在钢中的含量，是决定钢材质量和性能好坏的重要因素。为了保证钢的质量，国家标准对各种钢的化学成分都有规定，尤其是对有害杂质控制极严。 任务一 了解钢材 引导问题5：如何进行钢材的冶炼加工 任务一 了解钢材 钢材是用生铁冶炼而成的。生铁的冶炼过程是将铁矿石、燃料（焦炭）和溶剂（石灰石）等置高炉中熔炼，在约 1750° C高温下，石灰石与铁矿 石中的硅、锰、硫、磷等元素经过化学反应，生成铁渣，浮于铁液表面，铁渣和铁液分别从出渣口和出铁口排出。铁渣排出时用急速冷却的水淬取矿道，排出的铁液即为生铁。生铁的主要成分是铁，但含有较多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质，使得生铁硬而脆，塑性很差，抗拉强度很低，不能焊接、锻造、轧制，使用受到很大限制。炼钢的过程就是将生铁进行精炼，减少生铁中碳、硫、磷等杂质的含量，以显著改善其技术性能，提高质量。理论上，凡是碳含量在2%以下，含硫、磷等杂质较少的铁碳合金都可称为钢。 任务一 了解钢材 引导问题6：冷加工硬化、时效及热处理对钢材性质的影响有哪些 任务一 了解钢材 冷加工是在常温下进行的机械加工，包括冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷冲和冷压等各种方式。 凡是能产生冷塑性变形的各种冷加工过程，都会发生冷加工硬化现象。 工程中常利用这一性质冷拉或冷拔钢筋，提高屈服强度，以达到节约钢材的目的。 任务一 了解钢材 时效是另一种引起钢材强度、硬度提高，塑性、韧性降低的因素。 经过冷拉的钢筋在常温下存放15-20d，或加热到100-200℃并保持2h左右。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。 由于时效过程中内应力消减，故弹性模量可基本恢复。建筑上用的钢筋，经常利用冷加工后的时效作用来提高其屈服强度，以利节约钢材。 任务一 了解钢材 若将钢加热到临界温度以上，并保持一定时间后，以不同的速度冷却，则会形成完全不同的晶体组织。这种对钢进行加热、保温和冷却的综合操作工艺称为热处理。 钢的热处理有退火、正火、淬火、回火等形式。 任务二 掌握钢材的性能 引导问题1：钢材的力学性能有哪些 任务二 掌握钢材的性能 l0 A0 d0 l 头部 头部 工作段 1.力学性能--拉伸性能 低碳钢的拉伸性能 标准试件：按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。 非标准试件：不经过加工，直接在线材上切取的试件。 任务二 掌握钢材的性能 任务二 掌握钢材的性能 任务二 掌握钢材的性能 任务二 掌握钢材的性能 任务二 掌握钢材的性能 任务二 掌握钢材的性能 三个重要的指标 屈服强度σs 结构设计中钢材强度取值的依据 抗拉强度σb 钢材所能承受的最大应力—极限强度 屈强比 屈强比 ，利用率 ，安全可靠程度 伸长率δ 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好 ↑ ↑ ↓ 任务二 掌握钢材的性能 断面收缩率 L1 d0 L0 L0=5d0或10d0 A0、 An拉伸前后的截面积 δ5与10谁大 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%。 任务二 掌握钢材的性能 任务二 掌握钢材的性能 力学性能--冲击韧度 定义及指标 指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值αk表示。αk 越大，则冲击韧性越好。 αk是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。 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，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。 任务二 掌握钢材的性能 冲击韧性试验图 (a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机 力学性能--冲击韧性 任务二 掌握钢材的性能 引导问题2：钢材的工艺性能有哪些 任务二 掌握钢材的性能 耐疲劳性 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，这种现象称为疲劳破坏。 　 疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，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。 　 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。 工艺性能--耐疲劳性 任务二 掌握钢材的性能 工艺性能--冷弯性能 冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值 d/a； 弯曲角度（90°或180°）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯 合格。 任务二 掌握钢材的性能 冷弯的意义： 冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映； 伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力； 冷弯测试可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。 工艺性能--冷弯性能 任务二 掌握钢材的性能 工艺性能--焊接性能 可焊性 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。 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。 焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。 任务三 掌握钢材的种类 引导问题：建筑工程中的主要钢种有哪些 任务三 掌握钢材的种类 （1）普通碳素结构钢 牌号表示法 由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成； 如：Q235－AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸腾钢。 牌号 共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号。 技术要求 化学成分、力学性能、冷弯性能应符合表6-5和表6-6相关规定。 应用 Q195、Q215，含碳量低，强度低，塑性、韧性、加工性能和可焊性好，主要用于轧制薄板和盘条、制造铆钉、地脚螺栓等。 Q235，含碳适中，综合性能好，强度、塑性和焊接等性能得到很好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或钢筋，以及圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢等型钢，广泛地应用于建筑工程中。 Q255、Q275，强度、硬度较高，耐磨性较好，塑性和可焊性能有所降低。主要用作铆接与螺栓连接的结构及加工机械零件。 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 铆钉 套环 任务三 掌握钢材的种类 钢轨 任务三 掌握钢材的种类 （2） 优质碳素结构钢 分类 根据锰含量的不同，分为：普通锰含量钢和较高锰含量钢。 牌号表示法 由两位数字表示钢中平均碳的质量万分数；若数字后带有Mn则表示较高锰含量的钢，否则为普通锰含量钢，按脱氧程度再把F, b 依次写出； 如：35Mn－表示碳的质量分数为万分之35，含锰较高（0.7%~1%）。 任务三 掌握钢材的种类 法兰盘 曲轴 任务三 掌握钢材的种类 （3）低合金高强度结构钢 牌号表示方法 由代表屈服点的拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。 如Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。 牌号 共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。 技术要求 其化学成分、力学性能、冷弯性能应符合表8-4、8-5 的规定。 任务三 掌握钢材的种类 应用 Q295，钢中只含有极少量合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯、焊接及耐蚀性能。主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构。 Q345、Q390，综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。主要用于承受较高荷载的焊接结构。 Q420、Q460，强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能。主要用于大型工程结构及要求强度高、荷载大的轻型结构。 任务三 掌握钢材的种类 1 热轧钢筋 （1）牌号 《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB13013）和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499）规定，热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。牌号中HPB代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋，牌号中的数字表示热轧钢筋的屈服强度。其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆；热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。 任务三 掌握钢材的种类 (a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋 任务三 掌握钢材的种类 （2）技术要求 按照GB13013-1991和GB1499-1998规定，对热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能的要求如课本表6-7所示。 （3）选用 光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用做普通钢筋混凝土；HRB335，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋。 任务三 掌握钢材的种类 2 冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。 国标《冷轧带肋钢筋》（GB13789-2000）规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和钢筋的抗拉强度构成，分为CRB550，CRB650，CRB800，CRB970，CRB1170五个牌号，其中CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其它牌号为预应力混凝土用钢筋。 3 预应力混凝土热处理钢筋 冷轧带肋钢筋是用热轧中低合金钢筋，经淬火、回火调质处理的钢筋，直径有6mm、8.2mm、10mm三种。该种钢筋表面有通常的纵筋和均布的横筋，使用时按长度用机械切割，不能用电焊气割，不能焊接，以免引起强度降低。 任务三 掌握钢材的种类 4 冷拔低碳钢丝 指采用6.5mm及8mm的碳素结构钢盘条，在常温下经冷拔而制成的3mm 、4mm、5mm的圆截面的钢丝。用于小型预应力构件焊接或绑扎骨架、网片或箍筋。 5 预应力钢丝、刻痕钢丝、钢绞线 预应力钢丝以优质高碳钢盘条经等温淬火、拔制而成。直径2.5~5mm，抗拉强度可达1500~1900Mpa，甚至更高。 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 例1 从一批钢筋中抽样，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、42.8KN；抗拉极限荷载分别为62.0KN、63.4KN，钢筋公称直径为12mm，标距为60mm，拉断时长度分别为70.6mm和71.4mm，判断这批热轧钢筋的牌号。 任务三 掌握钢材的种类 例2 一钢材试件，直径为25㎜，原标距为125㎜， 做拉伸试验，当屈服点荷载为201.0KN，达到最大荷 载为250.3KN，拉断后测的标距长为138㎜，求该钢 筋的屈服点、抗拉强度及拉断后的伸长率。 任务三 掌握钢材的种类 钢结构用钢主要有钢板和型钢。 1 热轧型钢 主要有工字钢、H型钢和T型钢、槽钢、角钢。 注意：工字钢和H型钢的区分 翼缘宽度； 翼缘内表面有无斜度，上下表面平行； 材料分别形式上； 主要受力方向方式。 2 冷弯薄壁钢板 主要有结构用冷弯空心型钢 3 棒材、钢管和板材 任务三 掌握钢材的种类 h b d 1：6 t h——腰高 b——腿宽（翼缘宽） d——腰厚（腹板厚） t ——腿厚（翼缘厚度） 工字钢型号表示为： 腰高h×腿宽b×腰厚d 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务三 掌握钢材的种类 任务四 掌握钢材的腐蚀与防护 引导问题1：钢材腐蚀的原因是什么 任务四 掌握钢材的腐蚀与防护 1 化学锈蚀 钢材的化学锈蚀是由于大气中的氧和工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的。 2 电化学锈蚀 电化学锈蚀是由于金属表面形成原电池而产生的锈蚀。 任务四 掌握钢材的腐蚀与防护 引导问题2：如何进行钢材腐蚀的防护 任务四 掌握钢材的腐蚀与防护 1 保护层法 通常的方法是采用在表面施加保护层，使钢材与周围介质隔离。保护层可分为非金属保护层和金属保护层两类。 （1）非金属保护层法： 涂敷保护膜：使金属与周围介质隔离，既不能产生氧化锈蚀反应，也不能形成腐蚀原电池。 （2）金属保护层法：电化学防腐——电化学防腐包括阳极保护和阴极保护，适用于不容易或不能涂敷保护膜层的钢结构 2 制成合金钢 在钢中加入合金元素铬、镍、钛、铜，制成不锈钢，提高其耐蚀能力。 任务五 进行钢材性能检测 引导问题1：钢材性能检测的一般规定有哪些 任务五 进行钢材性能检测 建筑工程在使用钢材之前，必须要进行性能检测，经检测合格后，方可应用,对检测不合格的钢材不允许应用到工程中。 任务五 进行钢材性能检测 引导问题2：钢材检测如何进行取样 任务五 进行钢材性能检测 取样方法：拉伸检验：任选两根钢筋切取。两个试样，试样长500mm。　　冷弯检验：任选两根钢筋切取两个试样，试样长度按下式计算：　　L=1.55×（a+d）+140mm　　式中：L—试样长度　　a—钢筋公称直径　　d—弯曲试验的弯心直径 在切取试样时，应将钢筋端头的500mm去掉后再切取。 任务五 进行钢材性能检测 引导问题3：钢材性能检测的试验条件有哪些 任务五 进行钢材性能检测 （1）试验温度试验应在10-35℃的温度下进行，如温度超出这一范围，应在试验记录和报告中注明。（2）夹持方法应使用楔形夹头、螺纹夹头、套环夹头等合适的夹具夹持试样。 任务五 进行钢材性能检测 引导问题4：如何进行钢材的拉伸性能检测 任务五 进行钢材性能检测 引导问题5：如何进行钢材的弯曲性能检测 任务五 进行钢材性能检测 引导问题6：如何进行钢筋质量偏差的测定 任务五 进行钢材性能检测 测量钢筋重量偏差时，试样应从不同根钢筋上截取，数量不少于5支，每支试样长度不小于500mm。长度应逐支测量，应精确到1mm。测量试样总重量时，应精确到不大于总重量的1%。钢筋实际重量与理论重量的偏差按下试进行计算： 重量偏差 = ×100% 任务五 进行钢材性能检测 引导问题7：如何进行钢筋焊接性能检测 感谢聆听 $$