土木工程材料(第3章建筑材料)

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1、土木工程材料,朱 凯 (上海应用技术学院 城建学院),第三章 建筑钢材,金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属元素与某些非金属元素组成的合金的总称。 金属材料一般分为黑色金属和有色金属两大类。 黑色金属是以铁元素为主要成分的金属及其合金，钢和铁都是铁碳合金。 有色金属是除黑色金属以外的其他金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金。,建筑工程上用的钢材包括各类钢结构用的型钢（如圆钢、角钢、槽钢和工字钢等）、钢板和钢筋混凝土用钢筋、钢丝等。 钢材强度高、品质均匀，具有一定的弹性和塑性变形能力，能够承受冲击、振动等荷载作用；钢材的加工性能良好，可以进行各种机械加工，可以通过切割、铆接或焊接等方式的

2、连接，进行现场装配。,第一节 钢材的冶炼和分类,钢是含碳量为0.06%2.0%，并含有某些其他元素的铁碳合金。 钢的生产分为两步：一是铁矿石经过冶炼形成铁水，这一过程叫做炼铁；二是铁经过精炼形成钢，这一过程叫做炼钢。钢在强度、韧性等方面都比铁有了较大幅度的提高，在建筑工程中大量使用的都是钢材。,1 钢的冶炼,（1）按冶炼设备分类 按冶炼设备不同，钢分为转炉钢、平炉钢和电炉钢三大类。,（1）转炉炼钢法 转炉炼钢法又分空气转炉炼钢法和氧气转炉炼钢法两种。 空气转炉法：由转炉底部或侧面吹入高压热空气至熔融状态的铁水中，铁水中的杂质与空气中的氧起氧化作用而被除去。 空气转炉法已淘汰，逐渐被氧气转炉法所

3、取代。,氧气转炉法：以纯氧代替空气吹入炼钢炉内铁水中，克服了空气转炉法的一些缺点，能有效地除去磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高，可以炼制优质的碳素钢和合金钢。 氧气转炉法是现代炼钢的主流方法。,（2）平炉炼钢法 平炉钢的冶炼：以固体或液体生铁、废钢铁或铁矿石作原料，用煤气或重油为燃料在平炉中加热冶炼，杂质靠铁矿石或废钢中的氧起氧化作用而除去。 平炉熔炼时间长，有利于化学成分的精确控制，杂质含量少，成品质量高，可用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。缺点是能耗大、冶炼时间长、成本高。,（3）电炉炼钢法 以生铁和废钢为原料，用电力作能源的冶炼方法。其熔炼温度高，温度可以控制，清除杂质容易

4、彻底。 电炉钢的质量最好，但成本高。它适合产冶炼优质特殊质量的特种钢。,2 钢的分类,一按照化学成分分类 （1）碳素钢 低碳钢：含碳量小于0.25% 。 中碳钢：含碳量在0.25% 0.60% 之间。 高碳钢：含碳量大于0.60%。 优质碳素结构钢：保证钢的化学成分和力学性能。,（2）合金钢 低合金钢：合金元素总含量小于5% 。 中合金钢：合金元素总含量在5% 10% 之间。 高合金钢：合金元素总含量在10% 以上。,二按照冶炼时脱氧程度分类 沸腾钢（F）：脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体逸出，引起钢液剧烈沸腾，称为沸腾钢。 此种钢的碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的致

5、密程度较差，故冲击韧性和焊接性能较差，特别是低温冲击韧性的降低更显著。 沸腾钢成本低，被广泛应用于建筑结构。 其代号为“F”。,镇静钢（Z）：浇铸时，钢液平静地冷却凝固，是脱氧较完全的钢。 镇静钢钢锭的组织致密度大，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越，用于承受冲击荷载或其他重要结构。 代号为“Z”。 半镇静钢（b）：指脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。 其质量较好。 代号为“b”。,特殊镇静钢（TZ）：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好。 适用于特别重要的结构工程。 代号为“TZ”。,三按照质量分类（有害杂质） 普通碳素钢：含硫量0.045% 0.050% ；含磷量

6、0.045% 。 优质碳素钢：含硫量0.035% ；含磷量0.035% 。 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%。 特级优质钢：含硫量0.015% ，特级优质钢后加“E”；含磷量0.025% 。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。,四按照用途分类 根据用途不同，钢可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。建筑工程上常用的钢材是碳素钢中的低碳钢（普通碳素结构钢）和合金钢中的低合金钢（低合金结构钢）。,第二节 钢材的技术性质,1 抗拉性能,抗拉性能是建筑钢材的重要性能。由拉力试验测得的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材

7、的重要技术指标。,建筑钢材的抗拉性能，见软钢受拉的应力应变图（见图2.1）。 软钢拉伸发展的全过程可分为四个阶段： （）弹性阶段（）屈服阶段（）强化阶段（）颈缩阶段。每个阶段都各有其特点。,图2.1 低碳钢受拉时应力应变曲线图,图2.1中的 B上点是这一阶段的最高点，称为屈服上限（ s上）； B下点相应的应力称为屈服下限（s下），又称屈服点或屈服强度，用s表示。 伸长率,伸长率是衡量钢材塑性的一个指标，它的数值愈大，表示钢材塑性愈好。 伸长率与标距有关。通常钢材拉伸试验标距取l0= 10d0和 l0= 5 d0，伸长率分别以10和5表示。对同一钢材5大于10。 2冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗

8、冲击荷载而不破坏的能力。是以试样缺口处单位横截面所吸收的功（J/cm2）来表示，即冲击韧性值，其符号为k。,冲击韧性的金属夏比试验,冲击韧性值K：冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面面积所得的商。单位为焦耳/厘米2（J/cm2）。即 K= W/A 式中 A试样缺口处的截面积，cm2。 W冲击吸收功，具有一定形状和尺寸的金属试样，在冲击负荷作用下折断时所吸收的功。单位为焦耳（J）。 AK（或K）值越大，表示冲断时所吸收的功愈多，钢材的冲击韧性愈好。,冲击韧性还随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度。它的数值

9、愈低，钢材耐低温冲击性能愈好。 由于脆性临界温度的测定工作较复杂，规范中通常规定20 或40 的负温冲击值作为指标。,3耐疲劳性 钢材在交变荷载反复多次作用下，可以在远低于抗拉强度的情况下突然破坏。这种破坏称为疲劳破坏。 一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应力定义为疲劳强度或疲劳极限。 4硬度 钢材硬度系指比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的性能。测定硬度的方法很多，按压头和压力不同有布氏法和洛氏法。常用的是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。,布氏硬度试验原理图,5冷弯性能 冷弯性能，指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。 建筑钢材的冷弯，一般用弯曲角度（及弯心直径

10、d相对于钢材厚度a的比值）来表示。 试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。,钢材冷弯试验,（c）弯曲180,（d）弯曲至两面重合,（a）试件安装,（b）弯曲90,碳（C）： 当含碳量小于 0.8% 的碳素钢，随着含碳量的增加，钢的抗拉强度（b）和硬度（HB）增加，而塑性和韧性则相应降低。 当含碳量大于 0.8% 时（如高碳钢），随着含碳量的增加，钢的抗拉强度（b）反而下降。,第三节 钢的化学成分对钢材性能的影响,硅（Si）： 炼钢时为了脱氧去硫而加入硅，少量的硅对钢是有益的。通常碳素钢含硅量小于 0.3%，低合金钢含硅量小于 1.8%. 当

11、含硅量小于 1%时，能显著提高钢的强度，对塑性和韧性影响不大，还可提高抗腐蚀能力，改善钢的质量。 当硅含量大于 1%时，可焊性变差，冷脆性增加。,锰（Mn）： 锰加入钢中起脱氧和去硫作用，加入锰能显著提高钢材的强度和硬度，消除钢的热脆性，改善热加工性，几乎不降低塑性和韧性。 但含锰量大于1.0时，将降低钢的塑性、韧性和可焊性。,磷（P）： 磷是钢中的有害元素。对钢材起强化作用，可使钢的屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性显著降低，特别在低温下的增大钢的冷脆性，并降低可焊性。 磷的含量应严格控制，建筑用钢一般不超过0.045%。 硫（S）： 硫也是钢中的有害元素。硫使钢材在热加工过程中引起断裂，形

12、成热脆现象，称为热脆性，硫将大大降低钢的热加工性、可焊性、冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性。 硫是极有害的杂质，含量应严格控制，一般不得超过 0.045%。,氧（O）： 氧常以 FeO 的形式存在于钢中，它将降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能以及强度，并显著降低疲劳强度，增加热脆性。 氧是钢中有害杂质，在钢中其一般不得超过 0.03%。但氧有促进时效性的作用。 氮（N）： 氮虽可以提高钢的屈服点、抗拉强度和硬度，但使塑性，特别是韧性显著下降，并增大钢的时效敏感性和冷脆性，降低焊接性能，冷弯性能。 故钢的含氮量不应超过0.008。,钛（Ti）、钒（V）： 都是较强的脱氧剂。是加入钢中的合金元素，

13、可改善组织结构，使晶体细化，显著提高钢的强度，改善钢的韧性。,第四节 钢材的冷加工强化与时效处理,冷加工强化处理 钢材在常温下通过冷拉、冷拔、冷轧产生塑性变形，从而提高屈服强度和硬度，但塑性、韧性降低，这个过程称为冷加工强化处理。 冷拉：将热轧后的小直径钢筋，用拉伸设备予以拉长，使之产生一定的塑性变形，使冷拉后的钢筋屈服强度提高，钢筋的长度增加（约410），从而节约钢材。,冷拔：将钢筋或钢管通过冷拔机上的孔模，拔成一定截面尺寸的钢丝或细钢管。孔模用硬质合金钢制成（图7.4）。,冷拔,冷轧：将热轧钢筋或钢板通过冷轧机，可以轧成一定规律变形的钢筋或簿钢板。,时效 冷加工后的钢材，随着时间的延长，钢

14、材的屈服强度、抗拉强度与硬度提高，塑性、韧性降低的现象称为时效。 时效处理有两种方法。 自然时效：将经冷加工的钢材在常温下放置1520d，称为自然时效，它适用于强度较低的钢材。 人工时效：对强度较高的钢材，自然时效效果不明显，可将经冷加工的钢材后的钢材加热至100200，保持12h，这称为人工时效。,钢筋冷拉前后应力-应变图的变化,第五节 钢材的热处理与焊接,1钢材的热处理 将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得需要性能的加工工艺，总称为钢的热处理。 热处理方法有： （1）淬火 将钢材加热至基本组织转变温度（如当含碳量大于0.8时，为723）以上时（一般为900 ），保温

15、使组织完全转变。随即故人冷却介质（盐水、冷水或矿物油）中急冷的处理过程称为淬火。 淬火使钢的硬度、强度、耐磨性提高。,（2）回火 经淬火处理的钢，再加热临界温度下某一温度、保温一定时间，再在空气中或油中冷却的处理过程称为回火。 回火的温度低于723。 回火处理可消除淬火产生的内应力，适当降低淬火钢件的硬度并提高其韧性。 （3）退火 将钢材加热至基本组织转变温度以上30一60，保温后以适当的速度缓慢冷却的处理过程称为退火。 退火可降低钢材原有的硬度，改善其塑性及韧性。,（4）正火 将钢材加热至基本组织转变温度以上40一60，保温后在空气中缓慢冷却的处理过程称为正火。 正火后的钢材，硬度较退火处理

16、者高，塑性也差，但由于正火后钢的结晶较韧且均匀，故强度有所提高。,2焊接性能 保证焊接质量，要求焊缝及附近过热区不产生裂缝及变脆倾向，焊接后的力学性能，特别是强度不低于原钢材的性能叫可焊性。 可焊性与钢材所含化学成分及含量有关，含碳量高，或含较多的硫，钢材的可焊性都变差。,第六节 建筑标准常用钢材,1 钢结构用钢材 一普通碳素结构钢 普通碳素结构钢简称为普通碳素钢，包括一般结构钢和工程用热轧用型钢、钢板、钢带。建筑钢材可分为钢结构用钢材和钢筋混凝土结构用钢筋、钢丝等，水工钢结构主要有钢闸门和压力管道等。,（1）牌号的表示方法 普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。 Q是钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母； 其中屈服点数值共分195、215、235、255和275（MPa）共五种； 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别由A、B、C、D四个质