普通建筑材料_07建筑钢材

第七章建筑钢材基本要求7.1概述7.2基本知识7.3技术性质7.4冷加工和时效7.5技术标准及选用目录基本要求本章学时讲课3实验0.5主要内容建筑钢材的特点、分类及应用建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能建筑钢材的冷加工及时效强化常用建筑钢材的标准及选用重点建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能常用建筑钢材的标准及选用Back基本要求§7.1概述定义分类特点应用意义Back指用于工程建设的各种钢材，包括：型钢钢板钢丝钢筋定义钢筋型钢钢板钢丝Back概述分类金属材料有色金属黑色金属铜、铝及合金钢结构钢筋生铁(c2.06%)按化学成分可分为:黑色金属和有色金属Back优点比强度高塑性好、韧性好能承受冲击和振动荷载加工性好特点缺点易锈蚀维护费用大Back建筑钢材可用于:大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房应用钢桥Back建筑钢材是建筑中常用的材料钢材的品种多，性质差别大，为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的了解。本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗拉性能）、技术标准和选用。意义Back§7.2基本知识钢材的冶炼过程及其对钢材质量的影响冶炼原理炉种的影响分类按化学成份分按质量分按结构用途分Back将熔融的生铁水或焦炭及铁矿石加入炼钢炉中精炼，使炭及其它杂质氧化而挥发或变成氧化物进入渣内，降低炭及其它杂质的含量。冶炼原理钢材的冶炼过程及其对钢材质量的影响Back过程高炉熔融生铁精炼氧化还原钢铸锭钢锭建筑钢材图7.2.1钢材的冶炼过程炉种的影响及氧化程度炉种的影响及氧化程度见表7.2.1和表7.2.2。表7.2.1炉种的影响炉型原料吹入气体冶炼时间钢材质量成本应用氧气转炉熔融铁水氧气15-30分钟好低优质碳素钢及合金钢平炉生铁、铁矿石等空气5-12小时好高同上及特殊用途的钢电炉废钢、生铁空气短最好高同上冶炼中为除去杂质而进行的氧化部分铁不可避免的被氧化使钢锭内生成许多气泡降低了钢的质量为了使FeO和Fe2O3还原为Fe,在炼钢的后阶段必须脱氧。脱氧程度的影响表7.2.2脱氧程度及钢材质量钢种脱氧程度冷却情况钢材质量沸腾钢不充分浇筑时有大量CO逸出差半镇静钢介于二者之间好镇静钢充分平静冷却，无CO逸出组织致密、成分均匀、机械性能好特殊镇静钢最充分最好Back1.碳素钢低碳钢C0.25%√中碳钢C=0.3～0.55%高碳钢C0.6%2.合金钢低合金钢5%√中合金钢=5～10%钢合金钢10%按化学成分分类分类表7.2.3碳素结构钢的化学成分（GB700—88）牌号等级化学成分%脱氧方法CMnSiSP≤Q1950.06~0.120.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.0450.045F、b、ZBQ235A0.14~0.220.30~0.650.300.0500.045F、b、ZB0.12~0.200.30~0.700.045C≤0.180.35-0.800.0400.040ZD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045ZB0.045Q2750.20~0.380.50~0.800.350.0500.045Z按质量分普通钢P≯0.045%,S≯0.055%优质钢P≯0.035-0.04%,S≯0.04%高级优质钢P≯0.025%,S≯0.025%分类按结构用途分结构钢各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢工具钢刀具、模具特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢Back§7.3建筑钢材的技术性质拉伸性能低碳钢的应力－应变图强度塑性冲击韧性冷弯性能Back工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中的钢材的基本性能有：机械性能拉伸性能冲击韧性疲劳强度工艺性能冷弯性能焊接性能Back拉伸性能录像拉伸性能是建筑钢材的主要性能钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力—应变图来反映。屈服强度抗拉强度伸长率拉伸性能低碳钢的应力应变图见图7.3.1σBCDAδσbσSUσPσSLε弹性阶段σ/ε=Eσp--弹性极限屈服阶段△ε＞△σ产生塑性变形B—上屈服点B′—下屈服点σs—屈服强度强化阶段：内部组织变化，恢复部分强度σb--抗拉强度颈缩阶段：过C点后，试件抵抗变形的能力下降，变形集中在某局部进行，产生颈缩破坏0图7.3.1低碳钢的应力应变图Back定义屈服强度是指钢材开始丧失随变形的抵抗能力,并开始产生大量变形的能力。意义是弹性变形转变为塑性的转折点当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材内部的应力自动分配至低应力部位所以说，屈服点是确定钢结构容许应力值的依据屈服强度公式0AFss屈服强度σs－屈服强度Fs－屈服应力Ao－试件截面积对屈服不明显的钢,规定以产生0.2%残余变形时的应力f02作为屈服强度σ02，见图7.2.3σε0.2%O图7.3.2低碳钢的应力应变图定义σb是指钢材能承受的最大拉应力.意义当外力大于抗拉强度时，钢材完全丧失对变形的抵抗能力而断裂因此，在结构设计中不能应用拉伸强度定义σs/σb反映了钢材的可利用率和安全性的大小意义屈强比对钢材的可利用率和安全性来说是重要的。(表7.3.1,图7.3.3)合理屈强比：碳素钢0.58—0.63低碳合金结构钢0.65—0.75屈强比（σs/σb）σbσs2σs1σε图7.3.3屈强比的意义Backσs/σb低σs/σb高可利用率小大安全性大小表7.3.1钢材的屈强比、可利用率及安全性之间的关系指钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。定义塑性伸长率指标和公式101LLLnδn—伸长率L0—the原标点间距L1—拉断后标点间距n=5dor10dd—钢筋直径δ5＞δ10d0L0L1图7.3.4伸长率的测定断面收缩率010AAAΨ—断面收缩率A0—原断面面积A1—拉断后断面面积指标和公式指标和公式说明伸长率是表示钢材塑性变形能力的重要指标钢结构一般在弹性范围内工作但在应力集中处，应力可能超过屈服点,有一定的塑性变形因此可以保持应力重新分布，从而避免结构破坏Back冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力定义试验方法用摆锤打击有槽口的标准试件，直到试件破坏单位面积所消耗的功Back冲击韧性Ak—试件破坏时的冲击功A—试件槽口处截面积公式AAkk/Flash-冲击韧性试验冲击韧性αk与温度有关(图7.3.5)温度较低时，发生脆性断裂的现象发生脆性断裂时的温度为脆性断裂温度温度较低时，冷脆性好冷脆性冲击韧性韧性断裂脆性断裂Tep：脆性临界温度范围TAk图7.3.5脆性断裂、韧性断裂及脆性临界温度范围指钢材在常温下承受弯曲变形的能力如果钢材承受弯曲变形的程度大，那么钢材的冷弯性好定义指标弯曲角度α及弯心直径/（钢板厚度或直径）(d/a)冷弯性能Back试验以规定的α和d/a进行弯曲检查受弯部位如不裂纹、不起层或断裂，则为合格冷弯性能录像冷弯性能冷弯是通过弯曲处的塑性变形来实现的，因此它也是反映钢材在静荷载下塑性的一个指标。在拉伸试验中，钢材试件的塑性变形则是局部不均匀变形.冷弯试验常常能反映钢材内部组织的均匀程度，存在内应力和夹杂物等缺陷因此可以用冷弯性来检查钢材的质量，如焊接质量说明Back冷弯性能将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称之为冷拉钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度冷拉F图7.3.6冷拉示意图Back冷弯性能将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉、而且受挤压以提高强度。每次冷拔断面缩小应为10%以下，可多次冷拔在这个过程中，强度可提高40-60%，效果好与冷拉冷拔Back冷弯性能§7.4建筑钢材的冷加工与时效冷加工与时效的定义冷加工与时效强化原理冷加工与时效强化的意义Back冷加工指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷轧处理冷加工强化钢材经冷加工后强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象时效经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效可分为两类：分为自然时效和人工时效Back时效1.自然时效处理经冷拉的钢材在常温下存放15-20天其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象2.人工时效处理经冷拉的钢材在加热至100-200℃，并保持一段时间这将使时效加速时效敏感性因时效而导致性能改变的程度大，导致塑性、韧性降低。故动荷载重要结构，敏感性好。说明有些钢材即使没有经过冷加工处理，长时间过后也会出现时效，但不如冷加工后表现明显。Back冷加工时效强化的原理由于钢材在加工时产生塑性变形所至，当晶体在外力作用下，在弹性阶段金属原子偏离平衡位置产生的变形，在外里去除后可以恢复---弹性变形；当外力继续增大，使晶格的歪曲程度超过弹性变形之后，晶格产生滑移，造成永久性变形。由于晶粒表面的畸变及滑动平面的细小碎屑，使晶体在该平面上继续滑动产生困难，抵抗变形的能力增大，因而屈服极限及硬度提高。由于塑性变形后钢材可能产生滑移的区域几乎均已滑动，因此塑性降低。Back时效强化的原理在高温下固溶在α-Fe中的氮和氧的原子，在温度降低后溶解度下降，但未完全析出，在存放过程中逐渐析出并扩散到晶粒缺陷处，形成固体微粒，阻碍晶粒发生滑移，而提高了对塑性变形的抵抗能力。σεOO1BD1CDC1K1K未冷拉屈服点B冷拉屈服点:σs变大塑性和韧性降低时效σs,σν变大塑性和韧性降低图7.4.1冷加工和时效强化示意图建筑钢材的冷加工与时效可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。可节约钢材20-30%。对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感小的钢材。Back§7.5建筑钢材的技术标准与选用钢结构用钢材碳素结构钢低合金高强度结构钢钢筋混凝土结构用钢材热轧钢筋冷轧带肋钢筋冷拔低碳钢丝Back建筑钢材的技术标准与选用建筑钢材包括：型钢钢管钢板钢丝钢筋常用的钢材品种为：碳素钢与低合金钢二大类。Back钢结构用钢材我国钢结构用的钢材主要有碳素结构钢低合金钢指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧钢板、型钢等。现行国家标准为《碳素结构钢》（GB700-88）Back牌号及其表示方法如flash中所示Q235-AF:屈服强度是235MPa,A级,沸腾钢钢结构用钢材请点击右键选择“播放”观看Flash动画碳素结构钢的技术要求技术要求包括：化学成分力学性质冶炼方法交货状态表面质量下面重点介绍前两个性质。化学成分各种不同牌号的碳素结构钢的化学成分应符合GB700-88的要求。表7.5.1碳素结构钢的化学成分（GB700-88）牌号质量等级化学成分（%）CMnSiS不大于Q195—0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045Q215AB0.09～0.150.25～0.550.300.0500.0450.045Q235ABCD0.14～0.220.12～0.20≤0.18≤0.170.35～0.800.300.0500.0450.0400.0350.0450.0450.0400.035Q255AB0.18～0.280.40～0.700.300.0500.0450.045Q275—0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045碳素结构钢的拉伸和冲击试验指标应符合下表规定：碳素结构钢的力学性能指标（GB700-88）力学性能冷弯试验碳素结构钢的冷弯试验指标（GB700-88）表7.5.2碳素结构钢的力学性能（GB700—88）牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点(N/mm)抗拉强度σb(N/mm)伸长率（%）温度（℃）V型冲击功（纵向）J钢材厚度（直径）mm钢材厚度（直径）mm≤16＞16~40≤16＞16~40≥≥≥Q195—(195)(185)315~3903332——Q215AB215205335~4103130—20—27Q235ABCD23522