第7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 化学 成分 碳素钢 合金钢 低合金钢（合金元素总含量小于５％） 中合金钢（合金元素总含量为５％～10％） 高合金钢（合金元素总含量大于10％） 低碳钢（含碳量小于0.25％） 中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％） 高碳钢（含碳量大于0.60％） 脱氧 成度 沸腾钢F 镇静钢Z 半镇静钢b 特殊 镇静钢TZ 有害 杂质 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“Ｆ“。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。 炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“Ｚ”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“ｂ”。 比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。 普通刚 优质钢 高级优质钢 特级优质钢 磷含量不大于0.045％；硫含量不大于0.050%。 磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。 磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。 磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。 钢材的基础知识 拉伸性能 冲击性能 疲劳性能 硬 度 力学 性能 将低碳钢（软钢）制成标准试件，放在万能实验机上进行拉伸试验，可以绘出下图所示的应力——应变关系曲线。4个4---4个阶段、4个指标、4个性能、4个意义 低碳钢受拉至拉断，经历了四个阶段； 弹性阶段（O→A） 屈服阶段（A→B） 强化阶段（B→C） 颈缩阶段（C→D） ◆特点：抵抗变形的能力明显降低，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，直至断裂。 伸长率：图中当曲线到达Ｄ点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即δ=(L1-L0)/L0×100% 伸长率表征了钢材的塑性变形能力。 ◆特点：经过塑性变形后，钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一 步滑移，钢材得到强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高。 бb ：抗拉强度，对应于最高点C的应力值。 ◆意义: 1、屈强比= бs / бb：屈强比越小，其结构安全可靠程度越高，但屈服比过小，又说明钢材强度的利用率偏低造成钢材的浪费。 《规范》规定：бb实测/ бS实测≥1.25 , бS实测/fyk≤1.3 2、即将拉断时所能承受的最大拉力 3、即将断裂时所能承受的最大应力 ◆应用：工地现场调直、冷加工（如冷拉，冷拔或冷轧） ◆意义：钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计中钢材强度取值的依据，是工程结构计算中重要的参数。 ◆A→B：应力、应变不在成正比关系，开始出现塑性变形。应力增长滞后于应变的增长。钢材似乎不能承受外力而屈服。 ◆σs屈服强度，与B下点（此点较稳定，易测定）对应的应力。 ◆设计时一般以σs作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以0.2％残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。 意义：弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。 E=σ/ε ,E ——弹性模量，单位（ MPa ）б——弹性极限，即A点对应的应力ε——应变 特点：OA段是一条直线，应力和应变成正比，当撤去外力应变消失，说明此变形是弹性变形。 1、δ衡量钢材塑性的一个重要指标; 2、δ越大，说明钢材的塑性越好，而一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而钢材用于结构的安全性大。 提示： 由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以δ5和δ10分别表示L0=5d和 L0=10d（ｄ为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，δ5应大于δ10。 钢材的基础知识 弹性阶段： E = б/ε抵抗变形的能力，计算变形的重要指标 当б一定时，E增大， ε减小 当ε一定时，E增大， б减小 屈服阶段： σS—— 钢材强度取值的依据，结构设计的重要指标 强化阶段： σb——抗裂度计算的依据，变形验算的重要指标 σS/σb↑利用率↑，安全可结性↓ 《规范》规定： бb实测/ бS实测≥1.25 бS实测/fyk≤1.3 颈缩阶段： δ ——衡量钢材塑性的重要指标 δ↑，塑性↑ 小 结 拉伸性能 冲击性能 疲劳性能 硬 度 力学 性能 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标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（Ｊ/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。 影响冲击韧度的因素 （1）钢中的P、S含量较高，会降低冲击韧度。 （2）夹杂物以及焊接中形成的微裂纹会降低冲击韧度。 （3）钢的冲击韧度还受温度的影响。 （4）因时效作用，冲击性还将随时间的延长而下降。 时效敏感性越大钢材，经过时效后冲击韧度的降低就越显著。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选时效性敏感性小的钢材。 钢材的使用技术 拉伸性能 冲击性能 疲劳性能 硬 度 力学 性能 在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 影响疲劳性能的因素： （1）钢材的内部成分偏析。 （2）内部夹杂物的多少。 （3）最大应力处的表面粗糙度、加工损伤等 钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。 冷弯性能 焊接性能 钢材的冷加工 工艺性能 冷加工是指钢材在常温下进行的加工，建筑钢材常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。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。 可焊性的含义：钢材是否适应通常的方法与工艺进行焊接。→焊口处不易形成裂逢，气孔，夹渣 影响可焊性的因素：钢的化学成分。C、S、合金元素→硬脆性，热裂纹含;碳量超过0.3％，可焊性显著下降 焊接过程的特点：短时间内温度很高，熔化体积小而冷却快→易变形，内应力、裂缝 焊接应注意的问题：①冷拉前焊接 ②焊接部位除锈、熔渣、油污 ③应避免不同国家，进口与国产之间钢筋的焊接 冷弯性能是指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。 ①冷加工是在什么条件下进行 ②冷加工后钢材性质的变化 ③冷加工的目的（意义） 冷加工强化的原理是：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量Ｅ降低。 工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。 影响钢材性能的主要因素 化学成分 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。 晶体组织 （ 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 （ 2 ）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。 （３）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%～２％范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。 （４）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。 （５）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。磷可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。 （１）铁素体 钢材中的铁素体为Ｃ在α一Fe中的固溶体，由于α一Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含Ｃ量很少（小于0.02％），由此决定其塑性、韧性很好，但强度、硬度很低。 （２）奥氏体 奥氏体为Ｃ在γ一Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06％，低温时下降至0.8％。其强度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。 （３）渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C ，其含Ｃ量高（达6.67％），晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。 （４）珠光体 珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含Ｃ量较低（0.8％），层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。 （ 6 ）钛：钛是强脱氧剂。它能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。 （ 7 ）钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。 钢筋的标准及应用 热轧直条圆钢筋为Ⅰ级，强度等级代号为R235；热轧带肋钢筋的级别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，其强度等级代号为RL335、RL400、RL540； 将热轧钢筋，在常温下拉伸至超过屈服点的某一应力，然后卸荷，即制成了冷拉钢筋。冷拉可使屈服点提高17%~27%，材料变脆、屈服阶段变短，伸长率降低，冷拉时效后强度略有提高。 冷拔低碳钢丝是将直径为6.5~8mm的Q235（或Q215）圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。冷拔钢丝不仅受拉、同时还将受到挤压作用。 使用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。国标冷轧带肋钢筋代号用LL表示，并按抗拉强度等计划分为三级：CRB550、CRB650、CRB800其直径一般为5、6、7、8、10mm， 热轧钢筋 冷加工钢筋 冷拉钢筋 冷拔低碳钢丝 冷轧带肋钢筋 钢结构用钢材 碳 素 钢 Ｑ195、Q215、Q235、Q255和Q275 按其硫、磷含量由多至少分为Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四个质量等级 脱氧程度符号(F、B、Z、TZ) Q235-A.F 低合金高强钢 屈服点字母、屈服点数值、质量等级、脱氧程度 Q345-B Ｑ295、Q345、Q390、Q420和Q460 屈服点字母、屈服点数值、质量等级 热轧型钢 型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准号、型钢标准 三 、钢结构用型钢、钢板 ㈠ 热轧钢筋 工字钢、槽钢、角钢、T形钢等 ㈡冷弯薄壁型钢 ㈢钢板、压型钢板 压型钢板的特点：质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观 建筑钢材的锈蚀与防止 锈蚀的原因 化学锈蚀 电化学锈蚀 1、钢丝刷除锈 2、酸洗除锈 3、喷砂除锈 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 钢结构防火 防火涂料的分类及品种 防火涂料的阻火原理 防火涂料的选用原则 冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（Ｊ/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。 冲击韧度检测 钢材的检测 布氏法的测定原理是利用直径为Ｄ（ｍｍ）的淬火钢球，以P（Ｎ）的荷载将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得到直径为ｄ（ｍｍ）的压痕，以压痕表面积Ｆ（ｍｍ）除荷载Ｐ，所得的应力值即为试件的布氏硬度值ＨＢ，以数字表示，不带单位。 洛氏法测定的原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值，洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。 钢材的硬度检测 感谢聆听 $$