大工13秋《建筑材料》辅导资料十四

大连理工大学网络教育学院第1页共6页建筑材料辅导资料十四主题：第六章第三、四节“建筑钢材的技术性质”，“主要钢种及其应用”辅导资料学习时间：2013年12月30日－2014年1月5日内容：我们这周将继续学习本门课的第六章，建筑钢材的相关知识。希望通过下面的内容，能够增加同学们对建筑钢材技术性质及应用方面知识的理解。一、学习要求1、重点掌握建筑钢材的主要技术性质。掌握钢材受拉经历的四个阶段，弹性极限、弹性模量、条件屈服强度、屈强比、伸长率等概念。重点掌握抗拉性能与屈服强度的概念及其作用。掌握冲击韧性的概念；冲击韧性的影响因素；低温冷脆性的概念。了解硬度的概念及常用的测定方法；2、掌握二种主要的工艺性能；冷弯性能的概念及其作用；影响钢材可焊性的主要因素，改善可焊性的措施；3、了解纯铁及其同素异品转变；碳原子与铁原子之间三种基本结合类型；钢的四种基本组织形式。掌握共析钢、亚共析钢、过共析钢的概念及其对钢材性质的影响。掌握冷脆性、热脆性的概念。了解其它有害杂质与合金元素对钢材的影响；4、了解钢材冷加工的概念，冷加工强化的原因、时效强化的概念。掌握淬火、回火、退火、正火的概念及其对钢材的影响；5、掌握碳素钢牌号的表示方法，了解低合金结构钢的性能及应用。了解钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。了解沸腾钢的限制使用条件；6、掌握低合金结构钢牌号的表示方法，了解低合金结构的性能及应用。了解钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。了解钢筋的防锈措施；7、了解钢的锈蚀原因及钢材防锈的主要措施。对铝及铝合金这节内容只要求一般了解。重点掌握内容：1．重点：建筑钢材的主要技术性能。2．难点：建筑钢材的标准与选用。二、主要内容（一）建筑钢材的技术性质力学性质：抗拉强度、弹性、塑性、冲击韧性、冷脆性、硬度；工艺性质：冷弯、可焊性、热处理、冷加工及时效；耐久性：锈蚀。1、力学性质可用低碳钢受拉时的应力——应变图来阐明，图中明显地分为四个阶段：大连理工大学网络教育学院第2页共6页图1低碳钢受拉时应力-应变曲线弹性阶段(OA段)在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为比例极限。此阶段应力与应变成正比。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标屈服阶段(AB段)当荷载增大，试件应力超过A时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形，塑性应变急剧增加，曲线出现波动的小平台，这种现象称为屈服。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，故—般以B下点对应的应力作为屈服点бs。强化阶段(BC段)当荷载超过屈服点以后，由试件内部组织结构发生变化，晶粒重新排列，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。钢材受拉断裂前的最大应力值称为极限抗拉强度бb。颈缩阶段(CD段)当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。（1）抗拉强度1）屈服强度：钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。2）屈强比屈强比(σs/σb)：屈服强度和抗拉强度的比值。在工程上很有意义，此值越小，结构的可靠性越高，即防止结构破坏的潜力越大。但此值太小时，钢材的强度有效利用率太低，合理的屈强比，一般在0.6～0.75之间（Q225钢材的屈服比为0.58～0.63，普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。)。所以屈服强度和抗拉强度是钢材力学性质的主要检验指标。大连理工大学网络教育学院第3页共6页（2）疲劳强度1）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。2）疲劳强度在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图示）。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。3）破坏原因分析：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。（3）弹性钢材在静荷载作用下受拉开始阶段，应力和应变成正比，这一阶段称为弹性阶段，具有这种变形特征的性质称为弹性。这个阶段的最大应力称为比例极限бp。应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力称为弹性极限бe。事实上，бp与бe相当接近。（4）塑性钢材的塑性通常用伸长率或断面收缩率指标来表示。（5）冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。（6）冷脆性图2钢材的冲击韧性与温度的关系（7）硬度硬度是指在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。2、工艺性质定义：工艺性质为建筑钢材某种工艺过程中表现出的性质。内容：冷弯；可焊性；热冷加工；时效。（1）冷弯定义：冷弯性质是指在常温条件下，承受弯曲变形的能力。（2）可焊性定义：可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后的力学性能，特别是强度不得低于原钢材的性质。焊接是钢大连理工大学网络教育学院第4页共6页结构的主要连接形式。可焊性影响因素：可焊性主要受化学元素及其含量的影响；含碳量高将增加焊接的硬脆性，含碳量小于0.5%的碳素钢具有良好的可焊性。加入合金元素如硅、锰、钒、钛等，也将增大焊接的硬脆性，降低可焊性。特别是硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。（3）热处理定义：热处理是指将钢材按一定规则加热保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种工艺。热处理的方法有：正火、退火、淬火和回火。1）正火钢材经过加热至相变温度以上变为奥氏体之后，置于空气中冷却，通过这种处理，可使钢材晶粒细化，调整碳化物大小和分布，其结晶可使内部应力除掉，对于经过压延难于除掉的应力和淬火回火有困难的大型钢件，特别是铸钢件，是重要的热处理工艺。正火后，钢材的强度提高而塑性降低。含碳量低的钢常用正火的方法提高其强度2）退火有低温退火和完全退火等之分。低温退火的加热温度在相变温度以下，其目的是利用加热使原子活跃，从而使加工中产生的缺陷减少，晶格畸变减轻和内应力的消除；完全退火的加热温度高于基本组织转变温度，经保温后以适当的速度缓冷，从而达到改变组织并改善性能的目的。如含碳量较高的高强钢筋，焊接时容易形成很脆的组织，故必须紧接进行完全退火，以消除这一不利的转变，保证焊接质量。3）淬火将钢由奥氏体区域急冷，使晶粒变细，组织致密，碳的固溶量增加，硬度增大的热处理工艺。淬火的效果依冷却速度的不同而不同。4）回火淬火后的钢是硬而脆的，为了消除内部应力，调整硬度，改善韧性等需要进行回火。回火是将淬火后的钢，再加热至相变点以下的温度，经保温后按一定速度冷却至室温。（4）冷加工及时效1）冷加工：钢材在结晶温度以下进行的加工叫冷加工，一般都是在常温下进行的。建筑钢材常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，但降低了塑性、韧性，这个过程称为冷加工强化处理。2）时效定义：钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降的现象叫时效。钢材在自然条件下时效的过程是非常缓慢的，如经冷加工或使用中经常受到振动、冲击荷载作用时，时效将迅速的发展。钢材经冷加工后，在常温下搁置15～20（称为自然时效）天或加热至100～200℃保持2h以内（称为人工时效），钢的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低。时效敏感性：大连理工大学网络教育学院第5页共6页定义：因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经时效后，其冲击韧性、塑性改变较大。因此承受振动、冲击荷载作用的重要性结构(如吊车梁、桥梁等)，应选用时效敏感性小的钢材。3、耐久性钢材的耐久性主要是指钢材的腐蚀或锈蚀。定义：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。（1）钢材的腐蚀类型根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀电化学腐蚀1）化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。2）电化学腐蚀钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水)存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。引起的腐蚀称为电化学腐蚀。（2）钢材防腐的措施１）改变钢材本身的易腐蚀性；２）隔离环境中的侵蚀性介质；３）改变钢材表面的电化学过程。（四）主要钢种及其应用碳素结构钢优质碳素结构钢低合金高强度结构钢三、典型习题（一）单项选择题1、在进行设计时，作为钢材强度依据的是钢材的（）。A．极限强度B．屈服强度C．抗拉强度D．疲劳强度答案：B2、钢材的屈服强度要（）抗拉强度。A．大于B．等于C．小于D．无关于答案：C3、对于钢材在常温下经过冷拉处理后的性能改变情况的论述，错误的是（）。大连理工大学网络教育学院第6页共6页A．屈服强度提高B．塑性降低C．韧性降低D．可焊性提高答案：D（二）填空题1、钢材的塑性通常用（）和（）指标来表示。答案：伸长率，断面收缩率。2、根据钢材与环境介质的不同作用，腐蚀可分为（）和（）两类。答案：化学腐蚀，电化学腐蚀。3、“Q235-B•TZ”表示（）为235MPa的（）。答案：屈服点，B级特殊镇静钢。（三）简答题1、低碳钢承受拉力时，其应力应变关系分为那几个阶段？答：低碳钢承受拉力时，其应力应变关系分为：①弹性阶段②屈服阶段③强化阶段④颈缩阶段2、什么是钢材的冷弯性能？它的表示方法及实际意义是什么？答：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能，常用弯曲的角度、弯心直径d与直径（或厚度）a的比值来表示。弯曲角越大，d/a越小，说明试件受弯程度越高。当按规定的弯曲角度和d/a值对试件进行冷弯时试件受弯处不发生裂缝、断层或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯性能表示钢材在常温下易于加工而不被破坏的能力。其实质反映了钢材内部组织状态、含有内应力及杂质等缺陷的程度。因此，可以利用冷弯的方法，使得焊口处受到不均匀变形，来检验建筑钢材各种焊接接头的焊接质量。3、什么叫做钢材的热处理？钢材热处理的方法有那几种？热处理是将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种综合工艺。热处理的方法有：正火、退火、淬火和回火。