第七章 建筑钢材（课件）- 《建筑材料（第4版） 》同步教学（机械工业版）

第七章 建筑钢材 第七章 建筑钢材 定义：建筑钢材是主要的建筑材料之一，是指建筑工程中使用的各种钢材，包括钢结构用各种 型材（如圆钢、角钢、工字钢、槽钢、管钢等）、板材，以及混凝土结构用钢材（如钢筋、 钢丝等）。 钢材有如下的优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受 冲击和振动荷载的能力，可切割、焊接、朗接或螺栓连接，便于装配；其缺点是：易锈蚀, 维修费用高，耐火性差。 1.型钢 简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等； 复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。 2.线材 如钢筋、钢丝等。 3.管材 无缝钢管、焊接钢管等。 压型彩钢板 4.板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。 6 第7章 建筑钢材 国家体育场鸟巢 思政元素：同学们知道我们的国家体育场鸟巢是什么结构的建筑吗？“鸟巢”是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材，钢板厚度达到110毫米，在中国材料史上绝无仅有，在国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米，以前这种钢一直依靠进口，但是，作为北京2008年奥运会开幕式的体育场馆，作为中国国家体育场，其栋梁之材显然只能由中国人自己生产！为此，中国的科研人员经历了漫长的科技攻关，经过无数次的研发与探索，经过多次反复试制，从无到有直至刷新国标，终于，自主创新、具有知识产权的国产Q460钢材，撑起了“国家体育场”的钢骨脊梁。 教学目标 任务导入 知识学习 知识能力拓展 总结评价 任务实施 第7章 建筑钢材 能力目标： 1. 通过学习，应达到熟练运用建筑钢材的机械性能、标准或规范的技术性质要求； 2.正确地选择建筑结构用钢和合理地使用建筑钢材。 知识目标： 1.了解钢材的冶炼方法及对钢材质量的影响； 2.钢材的分类及建筑钢材的类型。 3.熟悉钢材的化学成分、晶体组织及与钢材性能的关系 4.建筑钢材的标准及类型； 5.建筑钢材防火、防腐的原理及方法； 6.掌握建筑钢材的机械性能(拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性)； 7.冷加工时效的原理、目的及应用。 教学目标 任务导入 1、钢筋冷加工强化拉伸性能哪个阶段有关？ 2、屈服比有什么实际意义？ 第7章 建筑钢材 知识学习 7-1 钢的冶炼与分类 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%，称为工业纯铁。 钢的特点 具有强度高，塑性好，具有良好的韧性；工艺性能良好，易于加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差。 知识学习 7-1 钢的冶炼与分类 一、 钢的冶炼 白口铁 液态生铁 吹入空气或氧气 钢 浇注成钢锭 脱 氧 熔融 知识学习 7-1 钢的冶炼与分类 二、钢的分类 钢 转炉钢 沸腾钢 电炉钢 平炉钢 按冶炼方法分 按脱氧程度分 半镇静钢 镇静钢 特殊镇静钢 按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢 1.按冶炼方法分 2.按质量分 按S和P元素含量，分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。 知识学习 7-1 钢的冶炼与分类 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％ 3.按化学成分分 4.按用途分 分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。 知识学习 7-1 钢的冶炼与分类 建筑工程中最常用的是： 普通碳素结构钢和普通低合金结构钢 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 拉伸性能 冲击韧性 疲劳强度 硬 度 冷弯性能 冷加工性能 焊接性能 建筑钢材的技术性能 力学性能 工艺性能 化学性能 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 一、 力学性能 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 标准试件 按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。 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 1.低碳钢的拉伸性能 （一）、拉伸性能 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 σ ε 0 钢材拉伸过程的σ-ε图 OB—弹性阶段 BC—屈服阶段 CD—强化阶段 DE—颈缩阶段 A 0 B C B 0 D C E D F E C上 上屈服点 C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 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 σ ε 0 钢材拉伸弹性阶段示意图 A B 0 弹性阶段 σp—比例极限，MPa。 σp σB σB—弹性极限，MPa。 注：由于A、B两点相距较近，一般认为σp=σB 。 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 σ ε 0 钢材拉伸屈服阶段示意图 A B 0 C下 C上 C B C下 C上 C 屈服阶段 放大后 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 σ ε 0 钢材拉伸强化阶段示意图 A B 0 C下 C上 C D D D D 强化阶段 σb σb—— 抗拉强度或强度极限。 D C 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 σ ε 0 E 钢材拉伸颈缩阶段示意图 A B 0 C下 C上 C D DE——颈缩阶段 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 强度指标 屈服强度： 抗拉强度： 塑性指标 伸长率： （2）拉伸过程的参数 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 二、冲击韧性 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。 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 （三）疲劳强度 钢材承受交变荷载反复作用时，可能在远低于屈服强度时突然发生破坏，这种破坏叫疲劳破坏 (四)、钢材的硬度 硬度――是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。 方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 （一）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。 通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。 二、工艺性能 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 （二）冷加工性能及时效强化 1.冷加工强化 冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。 建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等 。 对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 （二）冷加工性能及时效强化 2.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。 知识学习 7-2 建筑钢材的主要性能 （三）焊接性能 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。 知识学习 7-3 影响钢材性能的主要因素 1. 钢材的化学成分及对性能的影响 钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。 （1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8％。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。 知识学习 7-3 影响钢材性能的主要因素 （2）磷、硫 磷与碳相似，能使钢的塑性和韧性下降，特别是低温下冲击韧性下降更为明显。常把这种现象称为冷脆性。 硫在钢材中以FeS形式存在，在钢的热加工时易引起钢的脆裂，称为热脆性。硫的存在还使钢的冲击韧度、疲劳强度、可焊性及耐蚀性降低。因此，硫的含量要严格控制。 知识学习 7-3 影响钢材性能的主要因素 （3）氧、氮 氧、氮也是钢中的有害元素，显著降低钢的塑性和韧性，以及冷弯性能和可焊性。 （4）硅、锰 硅和锰是在炼钢时为了脱氧去硫而有意加入的元素。硅是钢的主要合金元素，含量在1%以内，可提高强度，对塑性和韧性没有明显影响。但含硅量超过1%时，冷脆性增加，可焊性变差。锰能消除钢的热脆性，改善热加工性能。显著提高钢的强度。但其含量不得大于1%，否则可降低塑性及韧性，可焊性变差。 知识学习 7-3 影响钢材性能的主要因素 （5）铝、钛、钡、铌 以上元素均是炼钢时的强脱氧剂。适时加入钢内，可改善钢的组织，细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。 知识学习 7-4 建筑钢材的标准及应用 一、热轧钢筋 主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制的带肋钢筋。热轧带肋钢筋的牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成。 H、R、B分别为热轧（Hotrolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词的英文首位字母。热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。 知识学习 7-4 建筑钢材的标准及应用 二、冷加工钢筋 将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，这个过程称为钢材的冷加工强化。 （一）冷拉钢筋 作用：冷拉、除锈、调直 （二)冷拔低碳钢丝 冷拔低碳钢丝是将直径为6.5～8㎜的Q235热轧盘条钢筋经冷拔加工而成。冷拔低碳钢丝分为甲、乙两级，甲级丝适用于作预应力筋，乙级丝适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。其力学性能应符合有关规定。 知识学习 7-4 建筑钢材的标准及应用 （三）冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋。冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。 冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5级，其代号为CRB550、CRB650 、CRB800 、CRB970 、和CRB1170，（CRB为Cold rolling ribbed steel bar)，后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值。 知识学习 7-5 钢结构用钢材 一、普通碳素结构钢 1.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。 2.牌号 共有Q195、Q215、Q235、Q275四个牌号。 3.技术要求 化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB700规定。 知识学习 4.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。 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。 7-5 钢结构用钢材 知识学习 1.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。 2.技术要求 其化学成分、力学性能、冷弯性能应符合GB/T1591--2008 的规定 7-5 钢结构用钢材 二、低合金高强度结构钢 知识学习 7-5 钢结构用钢材 三、钢结构用型钢、钢板 （1）热轧型钢 热轧型钢有H形钢、部分T形钢、工字钢、槽钢、Z形钢、U形钢等。 用于大跨度、承受动荷载的钢结构中。 热轧型钢的标记方式为一组符号，包括型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准号及钢号与钢种标准等。例如，用碳素结构钢Q235—A轧制的，尺寸为160mm×16mm的等边角钢，其标识为： （2）冷弯薄壁钢 由薄钢板冷弯式模或模压而成 适用于轻型钢结构 （3）钢板 热轧：＞4mm（厚板）0.35～4mm（薄板） 冷轧：薄板 0.2～4mm 知识学习 7-6 建筑钢材的的锈蚀与防止 1 钢材的锈蚀 钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。 根据锈蚀作用的机理，钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种： （１）化学锈蚀 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。这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。 （２）电化学锈蚀 电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。 知识学习 7-6 建筑钢材的的锈蚀与防止 2 防止钢材锈蚀的措施 钢结构防止锈蚀的方法通常是采用表面刷漆。常用底漆有红丹、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。薄壁钢材可采用热浸镀锌等措施。 混凝土配筋的防锈措施，根据结构的性质和所处环境条件等，主要是保证混凝土的密实、保证足够的保护层厚度、限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度等，还可掺用阻锈剂。 钢材的组织及化学成分是引起钢材锈蚀的内因。通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素，可有效地提高钢材的抗腐蚀能力。例如，炼钢时在钢中加入铬、镍等合金元素，可制得不锈钢。 知识学习 7-6 建筑钢材的防火 一、建筑钢材的耐火性 建筑钢材遇火后，力学性能的变化体现为： 1.强度的降低 2.变形的加大 二、钢结构防火涂料 1、品种 2、防火涂料作用原理 ①受热、释放气体式水蒸汽 ②避免火直接作用于钢材、覆盖 ③受热膨胀、隔热 思考并讨论 1.钢有哪几种分类方法？ 2.低碳钢受拉时的应力一应变图中，分为哪几个阶段？各阶段的特征及指标如何？ 3.什么是屈强比？其在工程中的实际意义是什么？ 4.建筑钢材的力学性质包括哪些？如何检验？ 5.钢材中的化学成分对其性能有何影响？ 6.钢材的锈蚀原因及防腐措施有哪些？ 7.为什么钢材需要防火？防火应采取哪些措施？ 任务实施 总结评价 知识能力拓展 1、钢结构的建筑有哪些优点？ 感谢聆听 $$