第2章建筑钢材

第2章建筑钢材河南理工大学土木工程学院道路与桥梁工程系主讲：徐平12345钢材的化学组成建筑钢材的主要力学性能钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接钢材的防火和防腐蚀建筑钢材的品种与选用目录（contents）一.钢材的优点1.质量均匀，性能可靠。适合于铸造、锻造、切割、压力加工、冷加工或热处理；也可用铆接和焊接等多种连接方式进行装配式施工。钢材的特点2.强度、硬度高。适合于制作各种承载较大的构件和结构，以及钢轨和机械加工用的切割工具。一.钢材的优点钢材的特点3.塑性、韧性好。常温下能承受较大的塑性变形，便于冷拉、冷拔、冷轧等各种工冷加工；良好的韧性，使得钢材在常温下可以承受较大的冲击作用，适合于制作吊车梁等承受动荷载的结构和构件。钢材的特点一.钢材的优点二.钢材的缺点1.易锈蚀。2.维修费用高。3.耐火性差。钢材的特点建筑钢材的常见种类钢结构工程用型钢（角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和钢管等。钢筋混凝土结构工程用钢筋及钢丝。钢结构网架槽钢工字钢建筑钢材的常见种类角钢H型钢钢管建筑钢材的常见种类带肋钢筋冷轧带肋钢筋钢绞线建筑钢材的常见种类第一节钢材的化学成分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。1.钢材的分类：按化学成分分低碳钢（含碳量小于0.25％）碳素钢中碳钢（含碳量0.25％～0.6％）高碳钢（含碳量大于0.6％）低合金钢（合金元素小于5％）合金钢中合金钢（合金元素5％～10％）高合金钢（合金元素大于10％）按钢的化学成分分类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，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。按钢的化学成分分类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％，高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”；含磷量≤0.025％。(4)特级优质钢：含硫量≤0.015％，特级优质钢后加“E”；含磷量≤0.025％。按钢的化学成分分类钢材的成分对性能的影响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。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。其中硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。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。化学元素对钢材性能的影响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。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低熔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，氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳（C）1%↑↑↑↓↓↓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）↑↓↓热脆性氧（O）↑↓↓第二节钢材的力学性质抗拉性能冷弯性能冲击性能耐疲劳性能硬度第二节钢材的力学性能一.抗拉性能1.主要测试指标：屈服强度抗拉强度伸长率（断面收缩率）等2.钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括：弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段第二节钢材的力学性能3.相关知识点回顾（1）应力（2）应变（3）弹性与弹性变形（4）塑性与塑性变形0001LLLLL第二节钢材的力学性能低碳钢的受拉过程分为四个阶段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－应变图第二节钢材的力学性能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弹性极限第二节钢材的力学性能屈服阶段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。屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。0LLαOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下sAFss第二节钢材的力学性能强化阶段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AFbbbC点对应的应力。强化。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颈缩第二节钢材的力学性能三个重要的指标屈服强度σs结构设计中钢材强度取值的依据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，安全可靠程度强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25。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L100AAAnd0L0L0=5d0或10d0A0、An前后的截面积δ5与δ10谁大第二节钢材的力学性能2.0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。1第二节钢材的力学性能二.冷弯性能1.定义：冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。2.弯曲测试：弯心直径d与试件直径（或厚度）a的比值d/a越小，弯曲角度α越大，说明试件受弯程度越高，对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格。第二节钢材的力学性能第二节钢材的力学性能第二节钢材的力学性能3.冷弯的意义：钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。第二节钢材的力学性能三.冲击韧性1.定义：是指钢材抵抗冲击荷载的能力。2.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。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（Ｊ/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。第二节钢材的力学性能冲击试验冲击实验第二节钢材的力学性能3.冷脆性：钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷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。发生冷脆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为低的钢材。第二节钢材的力学性能第二节钢材的力学性能四.耐疲劳性1.定义：钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。若σmax越大，则次数N越小。第二节钢材的力学性能2.疲劳破坏的原因：钢材的疲劳破坏是拉应力引起的，首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹逐渐扩展直至疲劳断裂。钢材内部的晶体结构、成分偏析以及最大应力处的表面光洁程度等因素均会明显影响疲劳强度。第二节钢材的力学性能五.硬度1.定义：是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。第二节钢材的力学性能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，当随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年，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。第二节钢材的力学性能第三节钢材的强化、热处理及焊接一.钢材的冷加工1．钢材的冷加工、时效冷加工的主要目的：提高屈服强度，节约钢材，但往往会导致塑性、韧性及弹性模量的降低。形式：冷拉、冷拔、冷轧。第三节钢材的强化、热处理及焊接冷拉是降低碳钢丝从孔略小于钢丝直径的拔丝模中强力拔出，使断面减小，长度伸长的工艺过程。冷轧是使低碳钢丝通过硬质杂辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。冷拔、冷轧后的钢丝，强度和硬度明显提高，塑性和韧性则显著下降。第三节钢材的强化、热处理及焊接冷加工强化的原理：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量Ｅ降低。第三节钢材的强化、热处理及焊接2．冷加工在工程中的应用（1）冷加工具有明显的经济效益（2）简化施工工艺，使盘条钢筋的开盘、矫直、冷拉三道工序合为一道，直条钢筋则可使矫直、除锈、冷拉合为一道工序。（3）冷加工和时效一般同时采用，通过试验确定冷拉控制参数和时效。第四节钢材的强化与连接3．时效处理：将经过冷拉的钢筋于常温下存放15～20ｄ，或加热到100～200度并保持一段时间，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。第四节钢材的强化与连接钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化第三节钢材的强化、热处理及焊接冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。第三节钢材的强化、热处理及焊接钢材产生时效的主要原因：溶于α一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。第三节钢材的强化、热处理及焊接二．钢筋的热处理按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。第三节钢材的强化、热处理及焊接图钢的热处理工艺图钢的热处理工艺热处理的几种基本方法：(１)淬火。将钢材加热至723℃（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。第三节钢材的强化、热处理及焊接(２)回火。将淬火后的钢材重新加热到723℃以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和