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第二章建筑钢材土木工程材料学习目标通过本章的学习：（1）掌握钢材力学性能的几个指标参数：抗拉、冷弯、冲击韧性、耐疲劳和硬度等；（2）理解抗拉变形过程中的几个阶段和对应的应力指标；（3）由抗拉曲线得到钢材弹塑性评价的几个指标参数；（4）了解影响钢材性能的化学成分因素。本章内容2.1建筑钢材基本知识2.1.1建筑钢材概述2.1.2钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响2.1.3钢的分类2.1.4钢材的加工2.2建筑钢材的主要技术性能2.2.1力学性能2.2.2工艺性能2.3建筑钢材的技术标准及应用2.3.1碳素结构钢2.3.2优质碳素结构钢2.3.3低合金高强度结构钢2.4常用建筑钢材超柔性大跨度高耸细长复杂大悬空原因之一：船体钢板材料缺陷，造船工程师只考虑到要增加钢的强度．没有想到要增加其韧性。在“泰坦尼克号”沉没地点的水温中，发现了钢材的冷脆性，即在-40℃~0℃的温度下，钢材的力学行为由韧性变成脆性，从而导致灾难性的脆性断裂。原因之二：连接船体各部分的固定铆钉，是用掺有矿渣的劣质金属制成的。其中的矿渣含量竟然超过了标准钢材的2倍。根据冶金学理论，这种过量的不纯物质使得铆钉在剧烈的撞击过程中很容易发生断裂。经典案例：凄美悲壮的浪漫故事-“泰坦尼克号”沉没事故2.2建筑钢材的主要技术性能2.2.1建筑钢材的力学性能?标准试件按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件，消除断部尺度效应影响。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?2.2.1.1抗拉性能?2.2.1.1抗拉性能（低碳钢）?一条曲线的故事：应力-应变拉伸曲线。?拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。从低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。?通过对钢材进行抗拉试验所测得的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标。εσ?E式中：ε——材料的应变;σ——材料的应力;E——材料的弹性模量应力与应变2.2建筑钢材的主要技术性能2.2.1建筑钢材的力学性能1.应力：物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力。2.应变：用以描述一点处变形的程度的力学量FFAΔLL0L10001LLLLL?????AFAN???注：1）这种应力计算公式代表的是荷载作用界面平均应力，对于复杂界面或者孔洞存在应力集中和分布不均情况需计算局部应力分布；2）应变的这种计算同样是测试范围L0的平均应变，可以直接从应力应变曲线得到，对于均值连续几何形态统一规则适用性较好，否则需要用用引伸计等手段测试局部应变。?2.2.1.1抗拉性能（低碳钢）1）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。:p????tgE??α0LL???OAF??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?2.2.1.1抗拉性能（低碳钢）2）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）点对应的应力下BAFss??0LL????图形的特点：?试件的特点：?计算的指标：αOAF??低碳钢受拉的应力－应变图p?ACDBB上B下:s?s?屈服。?2.2.1.1抗拉性能（低碳钢）BB上B下A弹塑性塑性阶段3）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:b?AFbb???图形的特点：?试件的特点：?计算的指标：0LL???αOAF??低碳钢受拉的应力－应变图p?ACDBB上B下s?b?C点对应的应力。强化。?2.2.1.1抗拉性能（低碳钢）4）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：%100001???LLL??图形的特点：?试件的特点：AF??0LL???αOp?ACDBB上B下s?b?L1L0?计算的指标：颈缩?2.2.1.1抗拉性能（低碳钢）1）硬钢-高碳钢：强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度σ0.2来代替屈服强度。2）条件屈服点σ0.2：使硬钢产生残余变形达到原始标距0.2%变形时的应力作为规定屈服极限。3）代表性的材料：预应力高强度钢筋和高强钢丝。σεoA0.2%aboa——总变形。ba——弹性变形99.8%。ob——塑性变形0.2%。?2.2.1.1抗拉性能（高碳钢）1）杨氏模量：E=tan(α)杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的物理量,定义在胡克定律适用的范围内，单轴应力和单轴形变之间的比。2）屈服强度:σs结构设计中钢材强度取值的依据3）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4）伸长率:衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好bs???bs??%100001???LLL?↑AF??0LL???αOp?ACDBB上B下s?b?s?b?b?s?↑↓?2.2.1.2钢材力学性能的评价指标(1）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。σp与σb差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，结构的安全性高。(2）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，屈强比越大，结构零件的可靠性越高，屈强比越小，强度储备大。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。评价钢材拉伸性能的指标(3）伸长率：指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比，伸长率按试棒长度的不同分为：试棒的标距等于5倍直径，短试棒求得的伸长率，代号为δ5；试棒的标距等于10倍直径，长试棒求得的伸长率，代号为δ10。伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力。δ——试件的伸长率，%；l0——拉伸前的标距长度；l1——拉断后的标距长度；l0——拉伸前的标距长度；l1——拉断后的标距长度。00001100???lll?(4）断面收缩率：是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最大缩减量占横截面的百分率。在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永久变形的能力，以ψ表示。评价钢材拉伸性能的指标?2.2.1.2冲击韧性1）定义：钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。2）冲击韧性实验：当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消耗的功αk来表示。3）αk值影响因素：试验温度有些材料在常温时冲击韧性并不低。但当试验温度低于某值时，αk突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。?硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。?内部组织缺陷、冶金和轧制焊接质量等关系大。?失效敏感性越大钢材，时效后冲击韧性和强度降低迅速。?对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。?2.2.1.2冲击韧性4）影响冲击韧性的因素注：泰坦尼克号沉没事故是钢材低温冷脆和杂质成分造成脆性破坏所致。钢板冲击荷载脆断塑性变形?2.2.1.3疲劳强度1）疲劳破坏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。2）钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起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。3）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。4）疲劳影响因素疲劳受内部组织和表面质量双重那个影响。钢材疲劳曲线示意图1）定义：硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。是材料弹性、塑性、变形强化率、强度和韧性等参数的综合指标。2）计算方法：荷载P除以压痕表面积。3）测定方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。4）硬度影响因素：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。?2.2.1.4钢材的硬度D—钢球直径/mm；d—压痕直径/mm；p—加在钢球上的实验力/N；h—压痕深度/mm；布氏法冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材重要的工艺性能。1)冷弯试验的指标弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90°或180°）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。2)冷弯试验更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。也反映钢材冶金质量和焊接质量。?2.2.1.5钢材的冷弯性能αa2d?2.2.1.5钢材的冷弯性能αad2V模具形弯曲装置adldlaa支辊式弯曲装置虎钳式弯曲装置滑块耳轴翻板aad0°翻板式弯曲装置钢筋类别公称直径（mm）屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率(%)冷弯低碳钢热轧圆盘条Q215/≥215≥375≥27d=0冷弯180°,无裂纹d=弯心直a=试样直径Q235/≥235≥410≥23d=0.5a钢筋砼用热轧光圆钢筋8～20≥235≥370≥23d=a钢筋砼用热轧带肋钢筋HRB3356～2528～50≥335≥490≥16d=3ad=4aHRB4006～2528～50≥400≥570≥14d=4ad=5aHRB5006～2528～50≥500≥630≥12d=6ad=7a冷带肋钢筋CRB550//≥550≥8d=3a冷弯180°无裂纹CRB650//≥650反复弯曲4次，无裂纹注；a=4时，弯心半径=10；a=5时，弯心半径=15a=6时，弯心半径=15CRB800//≥800CRB970//≥970CRB1170//≥1170冷轧扭钢筋///≥580≥4.5d=3a冷弯180°无裂纹冷拔螺旋钢筋LX550//≥550≥8d=3a冷弯180°无裂纹LX650//≥650≥4d=4aLX800//≥800≥4d=5a拉伸强度及弯曲试验性能指标应符合各项要求?2.2.1.5钢材的冷弯性能?2.2.1.6钢材的焊接性能1）焊接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。2）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。3）影响因素：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。4）选择焊接结构用钢，选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对高碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。（1）有益元素1）碳（C）。碳是形成钢材强度的主要成分，是钢材中除铁以外最主要的元素。含碳量高，则钢材强度高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。因此，建筑钢材对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22﹪，在焊接结构中还应低于0.20﹪。2）硅（Si）。硅是强脱氧剂，是制作镇静钢的必要元素。硅适量时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。在碳素镇静钢中硅的含量为0.12﹪～0.3﹪，在低合金钢中为0.2﹪～0.55﹪。过量时会恶化钢材的可焊性及抗锈蚀性。3）锰（Mn）。锰是有益元素，它能显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。同时还可以消除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向。锰是低合金钢中的主要合金元素，含量一般为1.2﹪～1.6﹪，过量时会降低钢材的可焊性。4）钒（V）。钒是钢中合金元素，能提高钢材的强度和抗锈蚀性，又不显著降低塑性。?2.2.1.6化学元素对钢材力学性能影响（2）有害元素1）硫（S）是有害元素，属杂质。硫在钢材温度达到80