钢材的基本知识

钢与铁钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。钢材的特性钢材是在严格的技术控制条件下生产的，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大.土木工程所用钢材主要有：用于钢结构的各种型钢、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线、锚夹具等。钢的冶炼将生铁在炼钢炉中冶炼，使碳的含量降低到预定的范围，其他杂质含量降低到允许的范围，经烧铸即得到钢锭，再经过加工工艺处理后、得到钢材。钢主要用三种方法冶炼：氧气转炉钢用纯氧吹入铁液中将碳和杂质氧化电炉钢主要用废钢返回熔炼得到各种特殊钢平炉钢以煤气或重油作燃料，原料为铁液、废钢铁和适量的铁矿石，利用空气或氧气和铁矿石中的氧使碳和杂质氧化钢的分类钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、焦炭(燃料)和石灰石(熔剂)等在高炉中经高温熔炼，从铁矿石中还原出铁而得。生铁的主要成分是铁，但含有较多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质，杂质使得生铁的性质硬而脆、塑性很差，抗拉强度很低，使用受到很大限制。炼钢的目的就是通过生铁在炼钢炉内的高温氧化作用，减少生铁中碳和硫、磷等杂质含量，以显著改善其技术性能，提高质量。将生铁中的含碳量降至2％以下，使磷、硫等杂质含量降至一定范围内即成为钢。一．按化学成分分类碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金，其含碳量为0．02％一2．06％。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢(含碳量小于0．25％)、中碳钢(含碳量为0．25％一0．60％)和高碳钢(含碳量大于0．60％)三种。其中低碳钢在建筑工程中应用最多。合金钢。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、钦、钒、银、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为低合金钢(合金元素总含量小于5％)、中合金铜(合金元素总含量为5％一10％)和高合金钢(合金元素总含量大于10％)。低合金钢为建筑工程中常用的主要钢种。二．按冶炼时脱氧程度分类炼钢时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通常可分为以下四种：沸腾钢。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。镇静钢。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结构工程。半镇静钢。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”。钢的晶体组成和化学成分钢是一种多晶体材料。但晶体具有各向异性的特征，而多晶体则为各向同性。钢的宏观力学性能由其内部晶体结构和化学成分所决定。纯铁的晶格类型钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁-碳合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格(见图2-15)。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。钢晶格的两种构架钢材的晶格并不都是完好无缺的规则排列，而是存在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远比理论强度小的根本原因。其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。钢的基本晶体组织钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图象，故也称显微组织。片状珠光体（1000倍）针状和块状铁素体（100倍）钢材在常温下主要有三种显微组织：铁素体:钢材中的铁素体系碳在α-Fe中的固溶体，由于α-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少（小于0.02％），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67％，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8％)，层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。此外，钢材在温度高于723℃时，还存在奥氏体。奥氏体为碳在γ-Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06％，低温下降至0.8％。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。化学成分对钢性能的影响除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。这些成分含量少，但对钢的性能影响很大。化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳（C）1%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅（Si）1%↑↑↑↓↓↓↓冷脆性↑、脱氧锰（Mn）↑↑↑↑脱氧、硫剂钛（Ti）↑↑↑↓↑强脱氧剂钒（V)↑↑时效↓磷（P）↑↑↓↓↓偏析、冷脆氮（N）↑↑↓↓↓↓冷脆性↑时效硫（S）↑↓↓热脆性氧（O）↑↓↓热脆性↑时效↑化学元素对钢材性能的影响αk(J/cm2)120010008006004002000σb(MPa)605040302010HB2402001601208040300250200150100ψ,δ(%)HB含碳量(%)00.20.40.60.81.01.21.4bk硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。钢材的力学性能钢材的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等。抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显地分为以下四个阶段：动画演示低碳钢受拉应力:弹性阶段(OA段)：在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为弹性极限。此阶段应力与应变成正比，即产生单位弹性应变时所需的应力大小。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。屈服阶段(AB段)：当荷载增大，试件应力超过A时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，故—般以B下点对应的应力作为屈服点。钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。强化阶段(BC段)：当荷载超过屈服点以后，由了试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点C的应力，称为抗拉强度。工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢为0．65～0．75。颈缩阶段(CD段)当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距Ll。标距的伸长值与原始标距(L0)的百分比称为伸长率。主要指标：1.屈服强度：2.抗拉强度：ssfAbbfAsb屈强比＝屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢为0．65～0．75。3.伸长率：100LLL50100L=5dL=10d同一钢材的大于。主要原因是颈缩不均匀。hL0al0=10a(或5a)L=l0+2h+2h1(或5a)h1AOBCD位移l1(位移后的)l1(实际的)(a)510冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度(a)和弯心直径(d)为指标表示。钢材冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d(d=na)，弯曲到规定的角度(180⁰或90⁰)时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象，若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。90o°d+2.5ad(a)(b)(c)钢筋冷弯试验装置a.试样安装就绪b.弯曲180c.弯曲90Lh钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表明钢材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验，它能揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值表示,值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越多，则冲击韧性越好。kW=A影响冲击韧性的因素：1.化学成分及冶炼、加工质量。如：钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊接中形成的微裂纹等，冲击韧性显著降低。2.温度。随温度的下降而减小，当降到一定温度范围时，韧性急剧下降，有可能出现脆性断裂－－冷脆性。所以，在负温下使用的钢材，特别是承受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击韧性。硬度:硬度表示钢材表面抵抗变形或破裂的能力。硬度的测定方法很多，建筑钢材常用洛氏法或布氏法，所测硬度称为洛氏硬度或布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(mm)的硬质钢球,在规定荷载P(N)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸裁，量出压痕直径d(mm)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HD)，见图。洛氏硬度以压入深度表示。疲劳强度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。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图所示）。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，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。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。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。焊接性能焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，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。影响焊接质量的主要因素：钢材的化学成分焊接工艺焊条质量冷加工时效及其应用将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的。冷拉：在常温下将其拉至应力超过屈服点，但小于抗拉强度时即卸荷。冷加工时效：将经过冷拉的钢筋。于常温下存放15—20d，或加热到100—200℃并保持2～3h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称为人工时效、通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。CD1C1K1KBOODσε经冷拉时效后未冷拉动画演示冷拔冷拔：是将6一8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径