实验手册_建筑钢材

７第2章筑钢学习指导本章着重阐述公路工程常用建筑钢材的技术标准和性质。通过本章的学习要求学生掌握钢材的技术性质和技术标准，并能按设计要求选用相应规格的钢材。金属材料包括黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，常用的黑色金属材料有钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好，因此，在土木工程中被广泛应用。2.1钢材的分类与结构112.1.1钢按化学成分分类钢材以铁为主要原素，含碳量为0.2％～2.06％，并含有其他的元素的合金材料。钢按化学成分分类可分为碳素钢和合金钢两大类。1.碳素钢碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳小于0.25%）、中碳钢（含碳0.25%～0.6%）、高碳钢（含碳大于0.6%）。2.合金钢合金钢中含有一种或多种特意加人或超过碳素钢限量的合金元素（如锰、硅、矾、钛等）。这些合金元素用于改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。低合金钢（合金元素总含量小于5%）；中合金钢（合金元素总含量为5%～10%）；高合金钢（合金元素总含量大于10%）。2.1.2按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类,可分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、和特殊镇静钢四类。1.沸腾钢如果炼钢时脱氧不充分,钢液终还有较多的金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾，因而这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。沸腾钢中碳和有害杂质在钢中分布不均匀，富集于某些区间的现象特别严重，钢的致密程度差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊接性较差，特别是低温冲级韧性的降低更显著。但从经济上比较，沸腾钢只消耗少量的脱氧剂，钢锭的搜索孔减少，成品效率高，故成本较低。2.镇静钢如果炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少或没有,在浇铸钢锭时钢液会平静的冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。镇静钢组织致密，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越。可用于受冲击荷载的结构和其他重要结构。3.半镇静钢。。。８半镇静钢是指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。4.特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。钢按压力加工方式分类，可分为热加工钢材和冷加工钢材。钢按用途分类，可分为钢结构用钢和混凝土结构用钢两种。2.1.3钢按主要质量等级（钢中有害杂质的多少）分类普通钢：含硫量≤0.050％，含磷量≤0.045％；优质钢：含硫量≤0.035％，含磷量≤0.035％；高级优质钢：含硫量≤0.025％，含磷量≤0.025％，高级优质钢的钢号后面加“高”字或“A”；特级优质钢：含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025％，特级优质钢后加“E”。2.2建筑钢材的技术性质2.2.1建筑钢材的物理力学性质1.抗拉性能抗拉性能是表示钢材性能的重要指标。由于拉伸是建筑钢材的主要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸试验测定，以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征。以低碳钢（软钢）受拉的应力-应变图2.1为例，可以较好地阐述这些重要的技术指标。从图中可以看出，低碳钢受拉经历了四个阶段：弹性阶段（O→A）、屈服阶段（A→B）、强化阶段（B→C）、颈缩阶段C→D）。（1）屈服强度当试件拉力在OA范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=σ/ε。该阶段被称为弹性阶段。弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，称屈服下限B下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做σS。设计时一般以σS作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0.2%残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。屈服强度可按式（2.1）计算。AFss（2.1）式中：s——屈服点，MPa；sF——屈服点荷载，N；A——试件的公称横截面积，mm2。（2）抗拉强度从图2.1中BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提图2.1低碳钢受拉应力-应变图图2.2钢材颈缩现象示意图９高，称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示。抗拉强度按式（2.2）计算。AFbb（2.2）式中：b——屈服点，MPa；bF——屈服点荷载，N；A——试件的公称横截面积，mm2。设计中抗拉强度不能利用，但屈强比σs/σb，却能反映钢材的利用率和结构安全可靠性。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈服比太小，则反映钢材不能有效地被利用，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。（3）伸长率图2.1中当曲线到达C点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂（如图2.2所示）。试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度L1（mm），L1与试件原标距L0（mm）比较，按式（2.3）可以计算出伸长率（δ）。100001LLL（2.3）式中：——伸长率，%；0L——试件原标距，mm；1L——试件拉断后测定出拉断后标距部分的长度，mm。伸长率表征钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的变形最大，故若原标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以δ5和δ10分别表示L0=5d0和L0=10d0时的伸长率，d0为试件直径。对同一种钢材,δ5应大于δ10。2.冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的，见图2.3。以摆锤冲击试件，以试件冲断时缺口处，单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标。用ak（J·cm-2）表示。ak值愈大，钢材的冲击韧性愈好。钢材的化学成分、内在缺陷、加工工艺及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。此时的温度称为临界温度。其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度低的钢材。由于时效作用，钢材随时间的延长，其塑性和冲击韧性下降。完成时效变化的过程可过数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时图2.3冲击韧性试验原理图１０效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。因此，对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，必须进行钢材的冲击韧性检验。3.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，是钢材的重要工艺性能。冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90°、180°）及弯心直径d对试件厚度（或直径）a的比值表示，如图2.4所示。钢材试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。冷弯试验能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物杂等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。4.硬度钢材的硬度是指其表面抵抗外物压入产生塑性变形的能力，测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。较常用的方法是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。布氏法是利用直径为D（mm）的淬火钢球，以一定的荷载P（N）将其压人试件表面，得到直径为d（mm）的压痕，如图2.5所示。以压痕表面积F（mm2）除荷载P，所得的应力值即为试件的布氏硬度值（HB），（不带单位）。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜成品检验。洛氏法测定的原理与布氏法相似，但以压头压入试件的深度来表示洛氏硬度值（HR）。洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。5.焊接性能钢材主要以焊接的形式应用于工程结构中。焊接的质量取决于钢材与焊接材料的可焊性及其焊接工艺。钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。一般，焊接结构用钢应注意选用含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对于高碳钢及合金钢，为了改善焊接性能，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。2.2.2化学成分对钢材性质的影响以生铁冶炼钢材，经过一定的工艺处理后，钢材中除主要含有铁和碳外，还有少量硅、锰、磷、硫、氧、氮等难以除净的化学元素。另外，在生产合金钢的工艺中，为了改善钢材的性能，还特意加入一些化学元素，如锰、硅、矾、钛等。这些化学元素对钢材的性能产生一定的影响。1.碳碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随含碳量的增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。土木工程中用钢材含碳量不大于0.8%。此外，含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。2.硅硅也是作为脱氧剂而存在于钢中的。硅的脱氧能力比锰还强。当硅的含量很低时，能显著地提高钢材的强度，但不明显的降低塑性和韧性。3.锰锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%～2%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。4.硫硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种图2.4钢材冷弯试验图2.5布氏硬度试验示意图１１机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。5.磷磷为有害元素。含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大。磷的偏析较严重，使钢材冷脆性增大，可焊性降低。但磷可以提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。6.氧氧为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。7.氮氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性、韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、铌、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。8.铝、钛、钒、铌均为炼钢时的强脱氧剂，能提高钢材强度，改善韧性和可焊性，是常用的合金元素。2.3建筑钢材的冷加工与热处理2.3.1冷加工冷加工是指钢材在常温下进行的加工，常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。冷加工强化的机理描述如下：金属的塑性变形是通过位错运动来实现的，位错是指源自行列间相互滑移形成的线状缺陷。如果位错运动受阻，则塑性变形困难，即变形抗力增大，因而强度提高。在塑性变形过程中，位错运动的阻力主要来自位错本身。因为随着塑性变形的进行，位错在晶体运动时可以通过各种机制发生增值，使位错密度不断增加，位错之间的距离越来越小并发生交叉，使位错运动的阻力增大，导致塑性变形抗力提高。另一方面，由于变形抗力的提高，位错运动阻力的增大，位错更容易在晶体中发生塞积，反过来使位错的密度加速增长。这相当于汽车通过一个十分拥挤，又没有指挥的十字路口。由于相互争强汽车新近十分困难。所以在冷加工时，依靠塑性变形时位错密度提高和变形抗力增大这两方面的相互促进，很快导致金属强度和硬度的提高，但也会导致其塑性降低。冷加工强化过程如图2.6所示。钢材的应力-应变曲线为OBCD，若钢材被拉伸至超过屈服强度的任意一点K时，放松拉力，则钢材将恢复至Oˊ点。如此时立即再拉伸，其应力—应变曲线将为OˊK1C1D1，新的屈服点K1比原屈服点B提高，但伸长率降低。在一定范围内，冷加工变形程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低得越多。建筑工程中大量