第九章建筑钢材.

第九章建筑钢材第一节概述上海宝钢一、钢及其特性钢理论上，凡是把含碳量小于2.11%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。含碳量超过2.11%，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。南京长江大桥钢材部分进口武汉长江大桥钢材全部进口九江长江大桥钢梁用国产15MnVNq钢各类钢材二、建筑钢材的主要品种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。二、建筑钢材的主要品种2.线材如钢筋、钢丝等。二、建筑钢材的主要品种3.管材无缝钢管、焊接钢管等。二、建筑钢材的主要品种4.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。压型彩钢板三、钢的冶炼方法简介按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为：1.空气转炉炼钢法一般炼制普通碳素钢。2.氧气转炉炼钢法炼制优质碳素钢和合金钢。3.平炉炼钢法用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。4.电炉炼钢法白口铁液态生铁吹入空气或氧气钢浇注成钢锭脱氧熔融四、钢的分类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。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根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为：沸腾钢（F）：脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体逸出，引起钢液剧烈沸腾，称为沸腾钢。此种钢的碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的致密程度较差，故冲击韧性和焊接性能较差，特别是低温冲击韧性的降低更显著。沸腾钢成本低，被广泛应用于建筑结构。其代号为“F”。镇静钢（Z）：浇铸时，钢液平静地冷却凝固，是脱氧较完全的钢。镇静钢钢锭的组织致密度大，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越，用于承受冲击荷载或其他重要结构。代号为“Z”。半镇静钢（b）：指脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。其质量较好。代号为“b”。特殊镇静钢（TZ）：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好。适用于特别重要的结构工程。代号为“TZ”。27以下为沸腾钢（A）与镇静钢（B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。观察与讨论讨论(B)镇静钢(A)沸腾钢(A)沸腾钢(B)镇静钢(A)沸腾钢四、钢的分类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。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％按用途分类结构钢：工程结构用钢内蒙古博物馆的钢结构工程工具钢：量具钢、刃具钢、模具钢特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢、电工用钢耐热钢耐磨钢磁钢第二节建筑钢材的主要性能建筑钢材的技术性能力学性能工艺性能化学性能抗拉性能冲击韧性疲劳强度硬度冷弯性能1.应力2.应变0001LLLLLFFAΔLL0L1一、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。l0A0d0l•非标准试件不经过加工，直接在线材上切取的试件。头部头部工作段一、拉伸性能1.低碳钢的拉伸性能一、拉伸性能钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0ΔL1ΔL2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－应变图一、拉伸性能一、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σp—比例极限，MPa二、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。三、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:bAFbbbC点对应的应力。强化。四、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1.屈服强度σs结构设计中钢材强度取值的依据2.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bsbs↑AF0LLαOApACDBB上B下sbsbbs↑↓四个重要的指标衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好3.伸长率δ4．断面收缩率L100AAAnA0、An前后的截面积一、拉伸性能%100001LLL57钢材的σp和σs越高，表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力就越大。σb与σs差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，结构的安全性越高。屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。它也代表了钢材强度储备的大小，屈强比越小，结构零件的可靠性越高，强度储备越大。但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低。一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75,合金结构钢为0.84-0.86。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=5d0和L0=10d0（ｄ0为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，δ5应大于δ10。d0L0L0=5d0或10d0δ5与δ10谁大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，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。1一、拉伸性能2、冲击韧性钢材抵抗冲击荷载的能力。定义试件图冲击韧性试验图(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机1—摆锤；2—试件；3—试验台；4—刻度盘；5—指针AWk讨论与分析计算式ak↑冲击韧性↑。2、冲击韧性钢的化学成分;例：S、P↑冲击韧性↓冶炼及轧制质量质量↑冲击韧性↑温度温度↓，冲击韧性↓ak影响冲击韧性的因素2、冲击韧性钢材冲击韧性的影响因素包括钢的化学成分、内部组织状态、冶炼轧制质量、环境。例如钢材内硫、磷含量高时，存在化学偏析时，含有非金属夹杂物，焊接形成裂缝时，冲击韧性都会降低。冲击韧性随温度的降低而下降，称为钢材的冷脆性，此时的温度为脆性临界温度。其数值越低，钢材的低温冲击性能越好。所以，在负温下使用且直接承受冲击荷载的结构，应选用脆性临界温度较使用温度低的钢材，并满足规范所规定的-20℃或-40℃下冲击韧性指标的要求。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。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。（3）疲劳强度钢材疲劳曲线示意图4、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。定义测定方法演示布氏硬度试验原理图讨论与分析材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。HBb6.3175HB，当HBb5.3175HB，当4、钢材的硬度二、工艺性能冷弯性能，指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。建筑钢材的冷弯，一般用弯曲角度及弯心直径d相对于钢材厚度a的比值来表示。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层，即认为冷弯性能合格。1、钢材的冷弯性能70钢材冷弯试验dP(c)(d)Pd。ddαd+2.1d。L（a）(b)PP（a）试件安装（b）弯曲90°（c）弯曲180°（d）弯曲至两面重合712．钢材的冷加工及时效处理①冷加工强化处理钢材在常温下通过冷拉、冷拔、冷轧产生塑性变形，从而提高屈服强度和硬度，但塑性、韧性降低，这个过程称为冷加工强化处理。冷拉：将热轧后的小直径钢筋，用拉伸设备予以拉长，使之产生一定的塑性变形，使冷拉后的钢筋屈服强度提高，钢筋的长度增加（约4~10％），从而节约钢材。二、工艺性能72冷拔：将钢筋或钢管通过冷拔机上的孔模，拔成一定截面尺寸的钢丝或细钢管。孔模用硬质合金钢制成。模具冷拔钢丝P冷拔冷轧：将热轧钢筋或钢板通过冷轧机，可以轧成一定规律变形的钢筋或簿钢板。7374②时效冷加工后的钢材，随着时间的延长，钢材的屈服强度、抗拉强度与硬度提高，塑性、韧性降低的现象称为时效。时效处理有两种方法。自然时效：将经冷加工的钢材在常温下放置15~20d，称为自然时效，它适用于强度较低的钢材。人工时效：对强度较高的钢材，自然时效效果不明显，可将经冷加工的钢材后的钢材加热至100~200℃，保持1~2h，这称为人工时效。钢筋的冷拉O未经冷拉时ABCD钢筋的应力－应变图冷拉过程O′冷拉后未经时效结论1：钢筋经过冷拉后未经时效处理，也就是立即拉伸，则其屈服强度、硬度得到了提高，但是塑性、韧性降低了。钢筋的冷拉O未经冷拉时ABCD钢筋的应力－应变图冷拉过程O′冷拉后未经时效冷拉后经时效处理结论2：冷拉后的钢材再经时效后，屈服强度、硬度进一步提高，抗拉强度也得到提高，而塑性和韧性进一步降低。二、工艺性能(3)冷加工在建筑工程中的应用工程中常对钢筋进行冷拉和对盘条进行冷拔的方法，以采用达到节约钢材的目的。钢筋冷拉后屈服强度可提高15%~20%，盘条冷拔后屈服强度可提高40%~60%。对于承受冲击、振动荷载的钢材，不得采用冷加工钢材。二、工艺性能3.焊接性能．保证焊接质量，要求焊缝及附近过热区不产生裂缝及变脆倾向，焊接后的力学性能，特别是强度不低于原钢材的性能叫可焊性。影响钢材可焊性的因素：化学成分及其含量。碳、硫、合金元素、杂质等含量↑，可焊性↓。钢材的可焊性焊接材料焊接工艺钢材焊接的质量取决于79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。案例分析分析答案钢结构屋架坍塌钢结构屋架三、钢的化学成分对钢材性能的影响(一)碳（C）含碳量对热轧碳素钢性质的影响σb—抗拉强度；αk—冲击韧性；HB—硬度；δ—伸长率；φ—面积缩减率三、钢的化学成分对钢材性能的影响(二)硅（Si）、锰（Mn）——有益元素起到脱氧、降硫的作用；硅的含量常在1%以内，可提高钢材的强度，对塑性和韧性没有明显影响；锰含量为0.8％~1%时，可显著提高钢的强度和硬度，几乎不降低塑性及韧性。三、钢的化学成分对钢材性能的影响(三)硫（S）、磷（P）——有害元素1）硫（S）硫在钢材温度达到800～1000℃时生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，易出现裂缝，称为热脆。硫还会降低钢材的冲击韧性、可焊性、疲劳强度及抗锈蚀能力。因此，对硫的含量必须严加控制，一般不超过0.045﹪～0.05﹪，Q235的C级与D级钢要求更严。2）磷（P）可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力，但却