大工13秋《建筑材料》辅导资料十三

大连理工大学网络教育学院第1页共5页建筑材料辅导资料十三主题：第六章第一、二节“钢材的生产、组成与分类”辅导资料学习时间：2013年12月23日－12月29日内容：我们这周将学习本门课的建筑钢材的相关内容，希望通过本周的学习，能使同学们对钢材的生产、组成及分类等内容有一定的理解。一、学习要求1、了解钢材料的优、缺点及其适用条件。了解生铁、白口铁、灰口铁及铸铁的概念及其适用条件；2、掌握钢的概念、影响其质量和性能的主要因素；钢材按主要化学成分、按质量等级、按用途不同的分类；建筑工程中主要使用的钢材；3、了解钢的冶炼方法对钢质量的影响。掌握钢按脱氧程度的分类及其对质量的影响；建筑工程中主要用的种类；重点掌握内容：1．重点：建筑钢材的概念、影响其质量和性能的主要因素；钢材按主要化学成分、按质量等级、按用途不同的分类；建筑工程中主要使用的钢材；2．难点：建筑钢材的概念、影响其质量和性能的主要因素。二、主要内容（一）概述1、钢材的基本概念钢与生铁的区分在于含碳量的大小。钢：含碳量小于2.06％的铁碳合金。生铁：含碳量大于2.06％的铁碳合金。土木工程钢材土木工程钢材是指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、钢绞线等。2、钢材的特点强度高；材质均匀，性能可靠；优点：具有一定的塑性和韧性；具有承受冲击和振动荷载的能力；便于装配：焊接、铆接或螺栓连接；缺点：耐久性差、易锈蚀；维修费用大；耐火性差。（二）钢材的生产、组成与分类生产基本过程：冶炼、铸锭、压力加工大连理工大学网络教育学院第2页共5页1、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，其它杂质含量降低到允许的范围，经浇铸即得到钢锭，再经过加工工艺处理后得到钢材。2、铸锭概念：冶炼后的钢水一般要注入锭模，浇铸成柱状的钢锭(坯)供加工使用。化学偏析：在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀。其中尤以硫、磷偏析最为严重，偏析对钢的质量有很大的影响。脱氧处理：在熔炼过程中不可避免地使部分氧化铁残留在钢水中，降低了钢材的质量。因此，在铸锭过程中要进行脱氧处理。由于脱氧方法的不同，钢的内部状态和性能也就不同。因此，又可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢(半脱氧钢)。（1）沸腾钢概念：仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，是脱氧不完全的钢。由于钢水中残存的FeO与C化合生成CO，在注锭时有大量气泡外逸，状似水沸故而得名。特点：其组织不够致密，气泡含量较多，化学偏析较大，故质量较差；但成品率高、成本低。所以在一般建筑结构中应用较广泛。（2）镇静钢概念：用必要数量的硅、锰和铝等脱氧剂进行彻底脱氧。由于脱氧充分，在注锭时钢水平静地凝固，故而得名。特点：组织致密，化学成分均匀，性能稳定，质量较好，但是在凝固时，头部会产生收缩孔，加工时必须除去，因而降低了钢的产率，成本较高。应用：因此，适用于承受振动冲击荷载或重要的焊接钢结构中。（3）半镇静钢其脱氧程度及钢的质量介于上述二者之间。3、压力加工由于在铸锭过程中往往出现偏析、缩孔、气泡及组织不致密等缺陷，在工业上使用的钢材需经过压力加工后使部分气泡得到闭合，部分缺陷得以消除。压力加工可分为热加工和冷加工：热加工是将钢锭加热至一定的温度使钢锭呈塑性状态，施加压力使其改变形状，通过热加工不仅获得了要求的形状，同时克服了许多缺陷，提高了钢的强度和质量，一般加工次数越多，强度提高越大；冷加工是指在常温下进行的压力加工。如冷拉、冷拔等。钢材的分类（需要重点掌握）1、按化学成分分类（1）碳素钢（非合金钢）低碳钢：含碳量0.25%中碳钢：含碳量为0.25%—0.60%高碳钢：含碳量为0.60%（2）合金钢低合金钢：合金元素总含量5%中合金钢：合金元素总含量5%—10%高合金钢：合金元素总含量10%大连理工大学网络教育学院第3页共5页注：建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，合金钢亦有少量应用。2、按品质（杂质含量）分类（1）普通钢：含硫量≤0.045%—0.050%含磷量≤0.045%（2）优质钢：含硫量≤0.035%含磷量≤0.035%（3）高级优质钢：含硫量≤0.025%含磷量≤0.025%（4）特级优质钢：含硫量≤0.015%含磷量≤0.025%3、按生产方法分类按炉种分转炉平炉电炉按脱氧程度镇静钢特殊镇静钢沸腾钢半镇静钢4、按用途分钢结构用钢：型钢、钢板、钢管；钢筋混凝土结构用钢：钢筋、钢丝、钢绞线。微观组成与结构钢是一种多晶体材料。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。1、钢材的晶体结构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。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。2、钢材的基本晶体组织铁和碳原子结合有三种基本形式：固溶体：铁为溶剂，碳为溶质所形成的固体溶液；化合物：铁和碳化合成碳化三铁(Fe3C)其晶格与原来的晶格不同；机械混合物：上述固溶体与化合物混合而成的。钢的组织：大连理工大学网络教育学院第4页共5页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。①铁素体铁素体系碳在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％），塑性、韧性好；但强度、硬度低。②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。③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。④奥氏体钢材在温度高于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。钢材的成分对性能的影响（需要重点理解）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。钢材的成分对性能有重要影响。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。合金元素：硅、锰、钛、钒硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1％时，可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在1％～2％之间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。钛是强脱氧剂，钒、铌是碳化物和氮化物的形成元素，三者皆能细化晶粒，增加强度，在建筑常用的低合金钢中，三者为常用合金元素。杂质元素：磷、氮、硫、氧磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响更大，磷的偏析倾向强烈。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与C、P相似。硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低溶点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。三、典型习题（一）单项选择题1、下列元素中，是钢中有害杂质的是（）。A．硫B．锰C．铜大连理工大学网络教育学院第5页共5页D．钛答案：A2、钢与生铁的区分在于（）的大小。A．含氮量B．含氧量C．含碳量D．含锰量答案：C（二）简答题1、钢材如何按化学成分分类？答：钢材按化学成分可以分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢可以分为：低碳钢（含碳质量分数小于0.25%），中碳钢（含碳质量分数为0.25%-0.6%），高碳钢（含碳质量分数大于0.6%）。合金钢可以分为：低合金钢（合金元素总含量小于5.0%），中合金钢（合金元素总含量为5.0%-10%），高合金钢（合金元素总含量大于10.0%）。