第六章_建筑钢材

第6章建筑钢材一、钢材的种类钢结构工程用型钢（角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和钢管等。钢筋混凝土结构工程用钢筋及钢丝。钢结构网架槽钢工字钢角钢H型钢钢管带肋钢筋冷轧带肋钢筋钢绞线建筑用钢筋螺纹钢线材制作并绑扎好的钢筋二、钢材的优点1.质量均匀，性能可靠。适合于铸造、锻造、切割、压力加工、冷加工或热处理；也可用铆接和焊接等多种连接方式进行装配式施工。2.强度、硬度高。适合于制作各种承载较大的构件和结构，以及钢轨和机械加工用的切割工具。3.塑性、韧性好。常温下能承受较大的塑性变形，便于冷拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；良好的韧性，使得钢材在常温下可以承受较大的冲击作用，适合于制作吊车梁等承受动荷载的结构和构件。三、钢材的缺点1.易锈蚀。2.维修费用高。3.耐火性差。5.1钢材的分类5.1.1脱氧程度按冶炼时脱氧程度分为:镇静钢特殊镇钢沸腾钢半镇静钢镇静钢（Z）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”。特点:成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。用途:预应力混凝土等重要的结构工程。5.1钢材的分类沸腾钢（F）炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全，浇铸后在钢液冷却时有大量CO气体外逸，引起钢液剧烈沸腾，故称沸腾钢，代号为“F”。特点:内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不均匀，强度低、冲击韧性和可焊性差，但成本低。用途:一般建筑结构工程。5.1钢材的分类5.2.2按化学成分分类1.碳素钢：低碳钢（含碳量＜0.25%）中碳钢（含碳量0.25%～0.60%）高碳钢（含碳量＞0.60%）5.1钢材的分类2.合金钢——是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量＜５%）中合金钢（合金元素总含量５%～10%）高合金钢（合金元素总含量＞10%）5.1.3其他分类按杂质含量（S、P）分类优质碳素钢（硫、磷含量不高于0.035%）高级碳素钢（硫、磷含量不高于0.030%）特优碳素钢（硫含量不大于0.020%，磷含量不大于0.025%）按用途分类结构钢：碳素结构钢、合金结构钢工具钢：碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢轴承钢：合金钢特殊钢：桥钢、钢轨钢等建筑用钢主要是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。5.2钢材的主要技术性能强度塑性冲击韧性硬度5.2.1力学性能1.强度——是指钢材在外力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。主要测试指标：屈服强度抗拉强度伸长率（断面收缩率）等测试方法：拉伸试验，应力—应变关系反映钢材的主要力学特征5.2.1力学性能钢材（低碳钢）的抗拉试验主要包括：弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段相关知识点回顾（1）应力（2）应变（3）弹性与弹性变形（4）塑性与塑性变形0001LLLLL5.2.1力学性能低碳钢的受拉过程分为四个阶段0LLOAF弹性阶段OA屈服阶段AB强化阶段BC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力－应变图5.2.1力学性能弹性阶段OA一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。A点对应的应力。tgEα:p0LLOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pE1＞E2图形的特点：试件的特点：计算的指标：ABCD弹性极限5.2.1力学性能屈服阶段AB一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。0LL图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下:s下BsAFss屈服。5.2.1力学性能强化阶段BC一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高——抗拉强度图形的特点：试件的特点：计算的指标：0LLαOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下sAFbbbC点对应的应力。强化。5.2.1力学性能颈缩阶段CD一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——，直到断裂。伸长率δ：图形的特点：试件的特点：计算的指标：AF0LLαOApACDBB上B下sb%100001LLLL1L0计算的指标：颈缩5.2.1力学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bsbs↑AF0LLαOApACDBB上B下sbsbbs↑↓%100001LLL5.2.1力学性能2.0中碳钢、高碳钢的应力－应变图规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为非比例延伸应力，用σ0.2表示。15.2.1力学性能4）疲劳强度疲劳破坏——钢材在交变应力（反复荷载）反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏的现象。疲劳强度——钢材在交变应力的反复作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。通常以一千万次不发生破坏的最大应力作为疲劳强度，作为设计计算值。疲劳破坏的原因：钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲劳断裂。影响因素：钢材内部的晶体结构、成分偏析以及最大应力处的表面光洁程度等因素均会明显影响疲劳强度。2.塑性塑性——钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。伸长率σ——表示钢材塑性，其值越大，塑性越好3、冲击韧性定义：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。5.2.1力学性能冲击实验5.2.1力学性能影响冲击韧性的因素：钢材的化学成分组织状态冶炼质量环境温度试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，冷脆性——当达到一定温度范围时，冲击韧性突然下降，钢材的断裂呈脆性，这一性质称为钢材的冷脆性。5.2.1力学性能5.2.1力学性能发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。5.2.1力学性能4.硬度定义：指钢材表面局部体积内抵抗硬物压入的能力，是衡量钢材软硬程度的指标。主要测定方法：布氏法：用HB表示，适用于HB＜450的钢材，特点是压痕大。与抗拉强度相关性好。洛氏法：特点是压痕小，用于判断机械零件的热处理效果。5.2.2钢材的工艺性能1、冷弯性能定义——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。用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲试验：弯心直径d与试件直径（或厚度）a的比值d/a越小，弯曲角度α越大，说明试件受弯程度越高，冷弯性能合格——试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，5.2.2钢材的工艺性能冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但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，它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。5.2.2钢材的工艺性能2、焊接性能1).焊接连接是钢结构的主要连接方式，在钢筋混凝土工程中，焊接则是广泛应用于钢筋接头、钢筋网、钢筋骨架和预埋件的焊接，以及装配式构件的安装。因此，要求钢材具有良好的可焊性。2).影响可焊性的因素:主要是其化学成分及含量的影响。5.2.2钢材的工艺性能冷加工强化冷加工—指钢材在再结晶温度下(一般是常温)进行的机械加工形式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、冷冲结果：产生塑性变形，屈服点提高，塑性、韧性降低，弹性模量下降。主要目的：提高屈服强度，节约钢材。3.冷加工强化与时效强化冷拉是降低碳钢丝从孔略小于钢丝直径的拔丝模中强力拔出，使断面减小，长度伸长的工艺过程。冷轧是使低碳钢丝通过硬质杂辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。冷拔、冷轧后的钢丝，强度和硬度明显提高，塑性和韧性则显著下降。3.冷加工强化与时效强化冷加工强化的原理：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。3.冷加工强化与时效强化时效强化：将经过冷加工处理后的钢筋于常温下存放15～20ｄ，或加热到100～200℃并保持一段时间（2～3h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性、韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，适用于低强度钢筋；后者称为人工时效，适用于高强钢筋。3.冷加工强化与时效强化时效:随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。时效敏感性:完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。3.冷加工强化与时效强化钢材产生时效的主要原因：溶于α一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。3.冷加工强化与时效强化4、钢材的热处理按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。热处理的几种基本方法：１)淬火：将钢材加热至基本组织改变温度（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。结果：淬火使钢材晶粒细化、碳的固熔量增加，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。２)回火：将比较硬脆、存在内应力的钢材，重新加热到基本组织改变温度以下（150～650℃），保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。结果：回火消除内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。钢材的热处理３）退火。是指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，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，均匀组织，使钢材的塑性和韧性得到改善。４）正火。是将钢材加热到基本组织改变温度以上，然后在空气中缓慢冷却，使晶格细化，钢材正火后强度和硬度提高，塑性有所降低。钢材的热处理5.3钢材的技术标准与应用5.3.1常用建筑钢种1．碳素结构钢1）牌号:按GB/T700-2006规定由代表屈服强度的字母、屈服强度数值、质量等级符号和脱氧程度符号组成。分四个牌号：Ｑ195、Q215、Q235、和Q275。2）技术要求，见GB/T700－2006.5.3钢材的技术标准与应用2．优质碳素结构钢S≤0.035%P≤0.035%质量稳定,综合性能好分二组:普通含锰量(0.35～0.80%)较高含锰量(0.70～1.20%)标准：GB/T699—1999牌号:如15F、45Mn3．低合金高强度结构钢1）