第八章建筑钢材 土木工程材料.

本章学习目标了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影响因素熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。第7章建筑钢材建筑钢材钢结构用钢钢筋混凝土用钢17世纪70年代人类开始大量应用生铁作建筑材料，到19世纪初发展到用熟铁、软钢建造桥梁和房屋。19世纪中叶起，钢材的品种、规格、生产规模大幅度增长，钢材的强度不断提高，相应地其连接工艺技术也大为发展，为建筑结构向大跨重载方向发展奠定了重要基础。与此同时，钢筋混凝土的问世和20世纪30年代预应力混凝土的诞生，使近代建筑结构的型式和规模发生了飞跃性进展,随着钢的冶炼和加工技术的进步以及新型建筑结构对材料提出更高性能的要求，促使高强耐蚀的合金钢产量从60年代初开始大幅度增长。钢材及其与混凝土复合的钢筋混凝土和预应力混凝土，已成为现代建筑结构的主体材料。土木工程钢材的基本知识土木工程常用钢材其他金属材料铝及铝合金铜及铜合金铸铁钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。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、钢丝等。钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大.钢的冶炼将生铁在炼钢炉中冶炼，使碳的含量降低到预定的范围，其他杂质含量降低到允许的范围，经烧铸即得到钢锭，再经过加工工艺处理后、得到钢材。钢主要用三种方法冶炼：氧气转炉钢用纯氧吹入铁液中是碳和杂质氧化电炉钢主要用废钢返回熔炼活动各种特殊钢平炉钢以煤气或重油作燃料，原料为铁液、废钢铁和适量的铁矿石，利用空气或氧气和铁矿石中的氧使碳和杂质氧化钢的分类一、按化学成分碳素钢合金钢低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢二、按质量分普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢三、按用途分结构钢工具钢特殊性能钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等四、按冶炼方法分按炉的种类平炉钢转炉钢电炉钢按脱氧程度沸腾钢（F）镇静钢（z）半镇静钢（b）建筑用钢主要用普通碳素结构钢中的低碳钢和低合金钢承受动荷载的重要焊接结构，只能使用镇静钢焊接结构，不得使用沸腾钢钢的晶体组成和化学成分钢是一种多晶体材料。但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。纯铁的晶格类型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(见图2-15)。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。钢晶格的两种构架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。钢的基本晶体组织钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。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。片状珠光体（1000倍）针状和块状铁素体（100倍）钢材在常温下主要有三种显微组织：铁素体:钢材中的铁素体系碳在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％），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。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。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。此外，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。碳钢处于红热状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。化学成分对钢性能的影响除铁、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。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，其中硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。这些成分含量少，但对钢的性能影响很大。化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳（C）0.8%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅（Si）1%↑↓↓↓↓冷脆性↑锰（Mn）↑↑↑↑脱氧、硫剂钛（Ti）↑↑↑↓↑强脱氧剂钒（V)↑↑时效↓磷（P）↑↑↓↓↓偏析、冷脆↑↑氮（N）↑↑↓↓↓↓冷脆性↑硫（S）↑↓↓氧（O）↑↓↓化学元素对钢材性能的影响钢材的力学性能钢材的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等。抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显地分为以下四个阶段：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点相对应的应力为弹性极限。此阶段应力与应变成正比，即产生单位弹性应变时所需的应力大小。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。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。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。强化阶段(BC段)：当荷载超过屈服点以后，由了试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点C的应力，称为抗拉强度。工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢为0．65～0．75。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。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距Ll。标距的伸长值与原始标距(L0)的百分比称为伸长率。冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度(a)和弯心直径(d)为指标表示。钢材冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d(d=na)，弯曲到规定的角度(180或90)时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象，若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表明钢材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验，它能揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。将有缺口的标准试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值ak表示ak值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越多，则冲击韧性越好。钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击韧性能有明显的影响。例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊接中形成的微裂纹等，都会使冲击韧性显著降低。除此以外，钢的冲击韧性受温度的影响较大，冲击韧性随温度的下降而减小，当降到一定温度范围时，。ak值急剧下降，从而可使钢材出现脆性断裂．这种性质称为钢的冷脆性。所以，在负温下使用的钢材，特别是承受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击韧性。硬度:硬度是衡量钢的软硬程度的一个指标，它是表示钢材表面局部体积内，抵抗变形或破裂的能力，也即指抵抗其他更硬的物体压入钢材表面的能力。测定钢材硬度的方法很多，建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(mm)的硬质钢球,在规定荷载P(N)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸裁，量出压痕直径d(mm)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HD)，见图。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。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（如图所示）。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。钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中几种情况。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。焊接性能焊接是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。焊接是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。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。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25％时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定钢材的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。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25％时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。冷加工时效及其应用将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的。钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。冷拔是将6一8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。冷加工强化将经过冷拉的钢筋。于常温下存放15—20d，或加热到100—200并保持2～3h后，则钢筋强度将进，步提高，这个过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称为人工时效、通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。时效作用：屈服强度提高，抗拉强度提高，塑性、韧性降低，钢材利用率增加时效冷加工强化作用：屈服强度提高，塑性、韧性降低，钢材长度增加建筑工程用钢主要有钢结构用钢和钢筋混凝土用钢两类。主要钢种碳素结构钢国家标准GB700-88《碳素结构钢》中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195MPa、215MPa、235MPa、255MPa和275MPa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要求降低。碳素结构钢的牌号和化学成