建筑钢材07-12-27

第二章建筑钢材目录2.1金属的微观结构概述2.2钢的冶炼和分类2.3钢材的化学组成2.4建筑钢材的主要力学性能2.5钢材的强化与加工2.6建筑钢材的品种与选用2.7钢材的腐蚀与防护小结2.1金属的微观结构概述2.1.1金属的晶体结构晶格：原子按等径球体最紧密堆积规律排列所形成的空间格子金属键的存在是金属材料具有强度和延展性的根本原因钢材的晶体结构铁-碳合金晶体图2-1钢晶格的两种构架钢材的晶体结构2.1金属的微观结构概述2.1.2金属晶体结构中的缺陷点缺陷线缺陷面缺陷产生的晶格畸变图2-2晶格中的点缺陷示意图图2-3在切应力作用下刃型位错的运动示意图图2-4晶界上的面缺陷示意图晶界的多少影响金属的力学性能晶粒的粗细决定晶界的多少2.1金属的微观结构概述2.1.3金属强化的微观机理改变微观晶体缺陷的数量和分布状态细晶强化增加单位体积中晶界面积固溶强化加入其他物质形成固溶体弥散强化散入第二相质点变形强化受力变形使缺陷密度增大2.2钢的冶炼和分类钢与生铁的区分含碳量为界：2.06%2.2.1钢的冶炼精炼—氧化过程脱氧脱氧的必要性氧会降低钢的力学性能，特别是韧性氧会促进时效倾向氧化物的低熔点将使钢的可焊性变差2.2.2钢的分类1.钢材按脱氧程度的分类沸腾钢镇静钢半镇静钢沸腾钢脱氧不完全，有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾镇静钢脱氧较完全，钢质均匀密实，品质好(A)沸腾钢(B)镇静钢图2-5两钢锭的纵剖面图2.2.2钢的分类2.按化学成分的分类碳素钢（低碳钢、中碳钢和高碳钢）合金钢（低合金钢、中合金钢和高合金钢）2.2.2钢的分类3.按品质（杂质含量）分类普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢2.3钢材的化学组成2.3.1钢材的主要成分基本成分：Fe、C合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V等钢材的杂质，主要有S、P、O、N等2.3.2钢材的主要元素对性能的影响1.碳含碳量增加，钢材的强度随之提高当含碳量超过0.3%时，钢的可焊性、塑性显著降低，而冷脆性和时效敏感性增加按Fe-C结合方式，钢的基本组织有铁素体、渗碳体、珠光体钢的基本组织铁素体：钢材中的铁素体系碳在α-Fe中的固溶体，含碳量很少（小于0.02％）；渗碳体：为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67％；珠光体：为铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8％)，铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系从图可见，随含碳量增加，珠光体含量增加，而铁素体则相应减少。故高碳钢的强度较高，而塑性、韧性相应较低。图2-6铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系2.3.2钢材的主要元素对性能的影响2.硅提高钢材的强度对塑性和韧性影响不明显低合金钢的主加合金元素2.3.2钢材的主要元素对性能的影响3.锰消减硫和氧所引起的热脆性改善钢材的热加工性质提高钢材的强度低合金钢的主加合金元素塑性、韧性影响不大2.3.2钢材的主要元素对性能的影响4.硫降低各种力学性能显著降低可焊性，产生热脆性。原因是由于硫化铁的熔点低，高温作用下会大大削弱晶粒间的结合力，使钢在热加工中产生裂纹。【案例2-1】钢桥热脆性断裂概况澳大利亚墨尔本的Kings大桥为焊接腰板多跨结构，在使用15个月后，于1962年7月当一辆载重为45t的大卡车驶过其中一跨时，突然破坏，下挠达300mm。请分析原因。【案例2-1】钢桥热脆性断裂分析裂缝是由加劲肋与下翼缘的接头处以及下翼缘的盖板母材上开始的，属于脆性断裂。且裂缝是起始于热影响区，顺着应力集中区和构件厚度突变处展开，横向发展。经检验，钢材含硫量高，热脆性差是钢桥断裂的主要原因。2.3.2钢材的主要元素对性能的影响5.磷强度提高塑性和韧性显著下降冷脆性显著增大显著降低可焊性【案例2-2】钢结构屋架坍塌某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。图2-7钢结构屋架原因分析钢材的选用不当中碳钢的塑性和韧性及可焊性差焊接裂纹中碳钢焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生焊接裂纹。2.4建筑钢材的主要力学性能2.4.1抗拉性能建筑钢材最重要的性能测得的钢材的四个重要技术性质指标：弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率图2-8低碳钢受拉应力-应变图相关的一些概念强屈比：抗拉强度与屈服强度的比值，即σb/σs硬钢的屈服点：产生残余变形达到原始标距长度0.2%时所对应的应力，用σ0.2表示，如图2-9图2-9硬钢的屈服点σ0.2塑性变形值（l１-l0）与原长l0的比率称为伸长率δδ5与δ10伸长率是塑性变形能力的表征值相关的一些概念图2-10伸长率的测量讨论：两种钢材的选用图2-11两种低碳钢的应力-应变曲线(1)若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用谁者更合适。(2)使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高。分析：低碳钢Ⅱ的弹性模量E小于低碳钢Ⅰ，故Ⅰ更为合适。Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的屈服强度бs相近，但低碳钢Ⅰ的抗拉强度бb高于Ⅱ，即其屈强比бs/бb较小，结构的安全性较高。冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时单位面积冲击吸收功。2.4.2冲击韧性图2-12冲击韧性试验低温冲击性能冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降平缓，当达到某一温度范围时，突然下降很多呈脆性，这种现象称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。脆性临界温度越低，钢材低温冲击性能越好。图2-13讨论：两种钢材低温冲击韧性的比较若在东北地区，应选用何种钢更有利？图2-14两种低合金钢冲击值-温度曲线【案例2-3】钢材冷脆性不好导致桥体断裂概况加拿大魁北克市的Duplessis大桥建于1947年，是全焊接结构。在使用27个月后，发现桥的东端有裂纹，采用新钢板焊补。1951年1月1日该桥在-35℃的低温下彻底断裂坠入河中。请分析原因。【案例2-3】钢材冷脆性不好导致桥体断裂分析经检测，钢材含碳量、含磷量高，夹杂物多，造成冲击韧性很低，冷脆性不好，导致Duplessis大桥在低温下断裂而坠入河中。受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏2.4.3耐疲劳性图2-15钢材疲劳曲线示意图钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中几种情况。2.4.3耐疲劳性【案例2-4】疲劳破坏导致石油平台倾覆1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基儿兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。原因分析受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；受冰载及流水随海潮对平台的冲击碰撞；直接原因：撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。钢材在常温下承受弯曲变形的能力通过试件弯曲处的不均匀塑性来实现的揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力、夹杂物、未熔合和微裂纹等缺陷反映了钢材的冶金质量和焊接质量2.4.4冷弯性能冷弯性能的检测检查弯曲处若没有无裂纹、断裂及起层等现象。则认为钢材的冷弯性能合格。图2-16钢材的冷弯讨论A、B两种钢材,A钢材δ5及δ10均略大于B钢材。但从图2-17所知，A钢材的冷弯性能却不如B钢材。请分析原因。图2-17分析伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。2.4.5焊接性能在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。2.4.6硬度硬度（hardness）是指钢材表面局部体积内抵抗硬物压入而产生塑性变形的能力。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法，较为常用的方法为布氏法和洛氏法。布氏法的测定原理是用一直径为的淬火钢球，以荷载将其压入试件表面，经规定的持续时间后将荷载卸除，即得直径为的压痕（图2.6）。试件单位压痕面积上所承受的荷载即为钢材的布氏硬度值，以HB表示2.5钢材的强化与加工2.5.1冷加工强化原理：使晶格缺陷增多，晶格畸变方式：冷拉、冷拔或冷轧效果：产生塑性变形，屈服强度提高，塑性韧性降低2.5.1冷加工强化(1)冷拉是将钢筋拉至其σ-ε曲线的强化阶段内任一点后缓慢卸去荷载，则屈服极限提高，而其塑性变形能力降低。2.5.1冷加工强化(2)冷拔是将盘条，通过拔丝机中钨合金做成的比钢筋直径小0.5～1.0mm的冷拔模孔，冷拔成比原直径小的钢丝。屈服点提高，塑性和韧性降低。2.5.1冷加工强化(3)冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，钢筋的纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性。2.5.2时效处理随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降，这种现象称为时效。时效敏感性：因时效而导致性能改变的程度。两个概念：2.5.2时效处理时效处理方法：自然时效在常温下存放15～20d适合用于低强度钢筋人工时效加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h）适合于高强钢筋讨论比较图2-18钢筋的应力—应变曲线，并讨论冷加工强化与时效处理的机理图2-182.5.3热处理热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理包括淬火、回火、退火和正火。⑴淬火将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温，然后投入水或矿物油中急冷。晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。图2-19钢的热处理工艺⑵回火将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下（150～650℃），保温后按一定制度冷却至室温。内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。图2-19钢的热处理工艺⑶退火将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却。消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。图2-20钢的热处理工艺⑷正火将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却。晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。图2-20钢的热处理工艺2.5.4钢材的焊接焊接占钢结构连接的90%以上主要方法：电弧焊（钢结构）电渣压力焊（钢筋）焊接质量与检测方法【案例2-5】钢材焊接质量低导致钢屋架倒塌概况1990年2月16日下午4时20分，某市某厂四楼会议室屋顶五榀梭形轻型钢屋架突然倒塌。当时有305人正在室内开会，造成42人死亡，179人受伤的特大工程质量事故。经济损失达430多万元，其中直接经济损失230多万元。请分析原因。【案例2-5】钢材焊接质量低导致钢屋架倒塌分析事故分析报告表明，导致事故的原因涉及设计、施工和管理各个方面。其中，焊接质量低劣（存在大量气孔、夹渣、未焊透、未融合现象）是造成事故发生的一个重要原因。2.6建筑钢材的品种与选用2.6.1建筑常用钢种⑴碳素结构钢塑性较好，化学性能稳定，对扎制、加热或骤冷的敏感性较小，常用于热轧钢筋碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。如Q235-BZ⑴碳素结构钢Q（屈服强度字母）+屈服强度数值（MPa）+质量等级（A、B、C、D）+脱氧程度（F、b、Z、TZ）。Z、TZ可以省略。其中：质量等级，A、B、C、D依次递增。Q235.A—静荷载钢结构Q23