建筑钢材

建筑钢材掌握：建筑钢材的主要性能。熟悉：建筑钢材的常用钢种及应用。了解：钢筋混凝土用钢材的品种及应用。本章教学目标本章内容第一节概述第二节建筑钢材的主要技术性能第三节建筑钢材的常用钢种第四节钢筋混凝土用钢材第一节钢的冶炼和分类一、建筑钢材的类型建筑钢材前言型材板材线材管材1.结构用的角钢2.I字钢（基础支撑）3.槽钢4.方钢5.吊车轨6.钢板桩1.薄板2.厚板1.钢筋2.钢丝3.钢绞线供水、供气（汽）管线等。二、建筑钢材的应用建筑钢材前言1.重型工业厂的屋架、吊车梁；2.大跨度房屋结构；3.大跨度桥梁；4.多层、高层房屋的梁架；5.移动式结构；6.轻型结构；7.在抗震要求比较高的地方。三、建筑钢材的特点建筑钢材前言优点缺点1.承载力高而重量较轻；2.材质均匀、致密，可靠性高；3.钢材的塑性和韧性好；4.加工性能好，便于安装；5.耐热性较好。1.易锈蚀；2.耐火性差；3.能耗大、成本高；特点建筑钢材钢的生产与分类四、钢的生产钢的生产钢的铸锭钢的压力加工钢的生产过程钢的生产方法铸锭脱氧处理化学偏析热加工冷加工1.氧气转炉法2.空气转炉法3.平炉炼钢法4.电炉炼钢法炼钢——生铁+氧生铁矿生铁FeO、Fe2O3钢Fe2O3高炉中高温、加C（燃料）、石灰石等溶剂Fe，含C、S、P等有害元素，硬而脆、塑性差、抗拉强度差。C+O2CO2S+O2SO2P+O2P2O5加氧脱氧C、S、P等元素含量减少，技术性能及质量比生铁好的多。钢的生产过程示意图返回比重较大，生成矿渣加Mn、Si建筑钢材钢的生产与分类五、钢的分类按化学成分按脱氧程度按有害物质含量按冶炼方法按用途1.碳素钢2.合金钢1.低碳钢2.中碳钢3.高碳钢1.低合金钢2.中合金钢3.高合金钢1.沸腾钢F——一般工程2.镇静钢Z——预应力砼3.半镇静钢B4.特殊镇静钢TZ——特别重要工程1.普通钢2.优质钢3.高级优质钢4.特级优质钢平炉、转炉、电炉结构钢、工具钢、特殊钢0.02%C2.06FeCSPf塑性韧性塑性韧性(1)沸腾钢(2)镇静钢(3)根据脱氧程度分为：名称脱氧程度质量沸腾钢不完全组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成分不均匀，质量较差，成本较低镇静钢充分组织致密，成分均匀，机械性能好，质量较好，成本较高半镇静钢均介于上二者之间二钢的分类电炉钢平炉钢转炉钢）按冶炼方法分（1镇静钢半镇静钢沸腾钢）按脱氧程度分（2冷加工钢材热加工钢材）按压力加工方式分（3）量＞高合金钢（合金元素总）～量中合金钢（合金元素总）量＜低合金钢（合金元素总合金钢％）高碳钢（含碳量＞）～中碳钢（含碳量％）低碳钢（含碳量＜碳素钢）按化学成分分（10%10%5%5%0.600.60%0.25%0.254）～，含磷量～高级优质钢（含硫量）～，含磷量～优质碳素钢（含硫量）～，含磷量～普通碳素钢（含硫量）按质量分（0.035%0.027%0.030%0.020%0.040%0.035%0.045%0.030%0.085%0.045%0.065%0.055%5磁钢等钢、耐热钢、耐磨钢、特殊钢：不锈钢、耐酸、量具、模具等工具钢：用于制作刀具机械制造用结构钢建筑工程用结构钢结构钢）按用途分（6第二节建筑钢材的主要技术性能钢的主要技术性能力学性能加工工艺性能抗拉性能冲击韧性耐疲劳性硬度冷弯性能冷加工性能时效强化焊接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3.弹性与弹性变形4.塑性与塑性变形0001LLLLLFFAΔLL0L1建筑钢材的抗拉性能一、钢材的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建筑钢材的抗拉性能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－应变图建筑钢材的抗拉性能一、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弹性极限建筑钢材的抗拉性能二、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。建筑钢材的抗拉性能强化。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建筑钢材的抗拉性能计算的指标：颈缩三个重要的指标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3.伸长率δ衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好bsbs↑AF0LLαOApACDBB上B下sbsbbs↑↓%100001LLL4．断面收缩率L10AAnd0L0L0=5d0或10d0A0、An前后的截面积δ5与δ10谁大中碳钢、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。二、冲击韧性钢材抵抗冲击荷载的能力。定义试件FAKk讨论与分析计算式测试方法演示ak↑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三、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。钢材疲劳曲线示意图四、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，当五、钢材的冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，试件被弯曲角度α、弯心直径与厚度的比值d/a定义指标试验演示弯曲角度α↑d/a，表示对冷弯性能要求越高。结论钢材的冷弯钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。六钢材的冷加工(一)钢材的冷加工及时效冷加工强化处理是指常温下对钢材进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形并提高屈服点。1、冷拉：常温下对钢材进行拉长，这时屈服点提高了，长度增加了，抗拉强度基本不变，塑性和韧性有所下降。时效：冷拉的钢筋，常温下存放一定时间。时效处理：一般常温下存放15～20天，用于Ⅰ级钢筋（自然时效）；加热100～200°并保持一定时间（2h），用于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋（人工时效）冷拉：屈服强度提高、抗拉强度不变、延伸率降低。时效：屈服强度进一步提高、抗拉强度提高、延伸率进一步降低。钢筋冷拉后屈服强度可提高15%-20%，冷拔后屈服强度可提高40%-60%。钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化2、冷拔：将钢筋通过比原来直径小的拔丝摸拔出，钢筋受挤压后更密实、均匀。效果：屈服强度和抗拉强度提高；塑性、韧性下降，脆性升高。在常受冲击荷载作用、低温的环境中，不宜采用冷拔钢筋。(二)焊接性能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。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。影响因素：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。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。某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36℃左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.23％～0.25％，含硫0.06％，焊接质量差。请分析事故原因。案例分析分析答案1.碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。七钢的化学成分对钢材性能的影响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2.硅、锰加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。3.硫、磷硫使钢材的热脆性增加，磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，使钢材的冷脆性增加。“热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达800～1000℃时，使钢材出现裂纹、变脆的现象。“冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下降的现象。4.氧、氮降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。5.铝、钛、钒、铌是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。第三节建筑钢材的常用钢种普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。一碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。(一)碳素结构钢的牌号表示方法随着牌号的增大钢的碳含量、抗拉强度增大，塑性、韧性、冷弯性能降低。质量等级代号：A、B、C、D屈服点数值（N/mm2）：195、215、235、255、275钢材屈服点代号：Q脱氧程度代号：F、b、Z、TZ，其中Z、TZ可以省略(二)碳素结构钢的技术要求(三)碳素结构钢的性能和应用低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%-30%，但成本并不很高。二低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号三部分按顺序组成,共有5个牌号。(一)低合金高强度结构钢的牌号表示方法质量等级代号：A、B、C、D、E屈服点数值（N/mm2）：295、345、390、420、460钢材屈服点代号：Q(二)低合金高强度结构钢的技术要求(三)低合金高强度结构钢的性能和应用注：低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢，C、D、E级属于特殊镇静钢。第四节钢筋混凝土用钢材热轧钢筋：由冶金工厂直接热轧成型；冷加工钢筋：主要是为了节约钢材而采用的，有冷拉钢筋、冷拔低碳钢丝；预应力砼用钢丝、钢绞线：用优质碳素钢条加工而成，分矫直回火钢丝、颗痕钢丝、冷拉钢丝；预应力砼热处理钢筋：一般经过淬火、回火处理，具有较好的塑性和强度。混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土