学习情景2 建筑钢结构用钢材

学习情景2建筑钢结构用钢材知识点：本项目讲述了结构用钢材的分类及其化学成分、力学性能，建筑钢材的品种、规格以及材质的检验和验收。教学目标：通过学习，了解钢材的品种、熟悉钢材的性能、掌握钢材的选用，能够根据施工的需要、设计的要求合理选择钢材，以保证正常施工。一、钢材的冶炼从铁矿石开始到最终产品的钢材为止，钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。1、炼铁矿石中的铁是以氧化物的形态存在的，要用与氧的亲和力比铁更大的物质——一氧化碳与碳等还原剂，通过还原作用从矿石中除去氧，还原出铁。同时，为了使砂质和粘土质的杂质（矿石中的废石）易于熔化为熔渣，常用石灰石作为熔剂。所有这些作用只有在足够的温度下才会发生，因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行。2、炼钢含碳量在2.06％以下的铁碳合金称为碳素钢。因此，当用生铁制钢时，必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。这一作用也要在高温下进行，称为炼钢。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。由于不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低。平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。3、钢材的浇注和脱氧按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，在将钢液浇注入钢锭模时，会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象。沸腾钢在铸模中冷却很快，凝固后在钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。随着冶炼技术的不断发展，用连续铸造法生产钢坯（用作轧制钢材的半成品）的工艺和设备已逐渐取代了笨重而复杂的铸锭—开坯—初轧的工艺流程和设备。连铸法的特点是：钢液由钢包经过中间包连续注入被水冷却的铜制铸模中，冷却后的坯材被切割成半成品。连铸法的机械化、自动化程度高，可采用电磁感应搅拌装置等先进设施提高产品质量，生产的钢坯整体质量均匀，但只有镇静钢才适合连铸工艺。因此国内大钢厂已很少生产沸腾钢，若采用沸腾钢，不但质量差，而且供货困难，价格并不便宜。钢材冶炼的几个名词含义如下：（1）退火-annealing将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。（2）正火正火是将工件加热到Ac：或Acm以上30～50℃，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却的一种热处理工艺。（3）淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于临界冷却速度（Vc）冷却，以得到马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。（4）回火回火是将淬火钢加热至A1点以下某一温度保温一定时间后，以适当方式冷到室温的热处理工艺。它是紧接淬火的下道热处理工序，同时决定了钢在使用状态下的组织和性能，关系着工件的使用寿命，故是关键工序。二、钢材的组织构造和缺陷1、钢材的组织构造(图2.1)碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25％。低合金结构钢则是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5％的其它合金元素，来改善钢材的性能。a.碳素钢多晶体结构示意图b.铁的体心立方晶格图2.1钢的组织结构2、钢材的铸造缺陷当采用铸模浇注钢锭时，与连续铸造生产的钢坯质量均匀相反，由于冷却过程中向周边散热，各部分冷却速度不同，在钢锭内形成了不同的结晶带（图2.2）。靠近铸模外壳区形成了细小的等轴晶带，靠近中部形成了粗大的等轴晶带，在这二部分之间形成了柱状晶带。这种组织结构的不均匀性，会给钢材的性能带来差异。钢材的组织构造和缺陷，均会对钢材的力学性能产生重要的影响。1-表面细晶粒层；2-柱状晶粒区；3-心部等轴晶粒区图2.2负锭组织示意图三、钢材的加工钢材的加工分为热加工、冷加工和热处理三种。将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为热处理。1、热加工将钢锭或钢坯加热至一定温度时，钢的组织将完全转变为奥氏体状态，奥氏体是碳溶入面心立方晶格的γ铁的固溶体，虽然含碳量很高，但其强度较低，塑性较好，便于塑性变形。因此钢材的轧制或锻压等热加工，经常选择在形成奥氏体时的适当温度范围内进行。选择原则是开始热加工时的温度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止热加工时的温度也不能过低，以免钢材塑性差，引发裂纹。一般开轧和锻压温度控制在1150～1300℃。钢材的轧制是通过一系列轧辊，使钢坯逐渐辊轧成所需厚度的钢板或型钢，图2.3是宽翼缘H型钢的轧制示意图。钢材的锻压是将加热了的钢坯用锤击或模压的方法加工成所需的形状，钢结构中的某些连接零件常采用此种方法制造。图2.3宽翼缘H型钢轧制示意图热加工可破坏钢锭的铸造组织，使金属的晶粒变细，还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材的强度按板厚分组就是这个缘故。热加工使金属晶粒沿变形方向形成纤维组织，使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，即使其各向异性增大。因此对于钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄片无法被焊合，会出现分层现象。分层使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化，在焊接连接处沿板厚方向有拉力作用（包括焊接产生的约束拉应力作用）时，可能出现层状撕裂现象（图2.4），应引起重视。图2.4因焊接产生的层状撕裂2、冷加工在常温或低于再结晶温度情况下，通过机械的力量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺称为冷加工。冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。冷轧卷板和冷轧钢板就是将热轧卷板或热轧薄板经带钢冷轧机进一步加工得到的产品。在轻钢结构中广泛应用的冷弯薄壁型钢和压型钢板也是经辊轧或模压冷弯所制成。组成平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳等的基本材料——高强钢丝，就是由热处理的优质碳素结构钢盘条经多次连续冷拔而成的。钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，但却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。冷拔高强度钢丝充分利用了冷作硬化现象，在悬索结构中有广泛的应用。冷弯薄壁型钢结构在强度验算时，可有条件地利用因冷弯效应而产生的强度提高现象。但对截面复杂的钢构件来说，这种情况是无法利用的。相反，钢材由于冷硬变脆，常成为钢结构脆性断裂的起因。因此，对于比较重要的结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。3、热处理钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺，用其可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能；消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；为进一步的热处理作好准备。淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中冷却。在极大的冷却速度下原子来不及扩散，因此含有较多碳原子的面心立方晶格的奥氏体，以无扩散方式转变为碳原子过饱和的铁固溶体，称为马氏体。马氏体是一种不稳定的组织，不宜用于建筑结构。回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却。将淬火后的钢材加热至500～650℃，保温后在空气中冷却，称为高温回火。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。四、钢材的主要性能1、钢材的破坏形式钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏（ductilefracture）和脆性破坏（brittlefracture）。钢结构所用的钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。钢材存在的两种破坏形式与其内在的组织构造和外部的工作条件有关。试验和分析均证明，在剪力作用下，具有体心立方晶格的铁素体很容易通过位错移动形成滑移，即形成塑性变形；而其抵抗沿晶格方向伸长至拉断的能力却强大得多，因此当单晶铁素体承受拉力作用时，总是首先沿最大剪应力方向产生塑性滑移变形（图2.5）。图2.5铁素体单晶体的塑性滑移实际钢材是由铁素体和珠光体等组成的，由于珠光体间层的限制，阻遏了铁素体的滑移变形，因此受力初期表现出弹性性能。当应力达到一定数值，珠光体间层失去了约束铁素体在最大剪应力方向滑移的能力，此时钢材将出现屈服现象，先前铁素体被约束了的塑性变形就充分表现出来，直到最后破坏。显然当内外因素使钢材中铁素体的塑性变形无法发生时，钢材将出现脆性破坏。2、钢材在单向一次拉伸下的工作性能钢材的多项性能指标可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得。试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20℃左右。图2.6给出了相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。图2.6钢材的单调拉伸应力—应变曲线由低碳钢和低合金钢的试验曲线看出，在比例极限（proportionallimit）σp以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点（yieldpoint或yieldstrength）fy后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2（见图2.6）。钢材的单调拉伸应力－应