土木工程材料第八章钢材

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1、,第八章 钢 材,主 讲：李 瑞 璟,钢结构建筑有许多优点，与钢筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出的一点是防火问题。美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖主义者袭击、倒塌，给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。,第一节 钢材的基本知识 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。 优点：品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可

2、焊接和铆接等优异性能。 缺点：易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大.,造假钢材,一、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,炼钢转炉,炼 钢,浇铸钢锭,炼钢筋,炼钢板,二、钢的分类,钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、焦炭(燃料)和石灰石(熔剂)等在高炉中经高温熔炼，从铁矿石中

3、还原出铁而得。生铁的主要成分是铁，但含有较多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质，杂质使得生铁的性质硬而脆、塑性很差，抗拉强度很低，使用受到很大限制。炼钢的目的就是通过生铁在炼钢炉内的高温氧化作用，减少生铁中碳和硫、磷等杂质含量，以显著改善其技术性能，提高质量。将生铁中的含碳量降至2以下，使磷、硫等杂质含量降至一定范围内即成为钢。,按化学成分分类,碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金，其含碳量为002一206。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为： 低碳钢(含碳量小于0.25)、 中碳钢(含碳量 为0.250.60) 高碳钢(含碳量大于0.60)

4、 。 合金钢。合金钢是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。 常用合金元素有：硅、锰、钦、钒、银、铬等。 按合金元素总含量的不同，合金钢可分为 低合金钢(合金元素总含量小于5)、 中合金铜(合金元素总含量为5一10) 高合金钢(合金元素总含量大于10)。,按冶炼时脱氧程度分类,沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全，这种钢水浇入锭模时，会有大量的CO气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状 ，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。 镇静钢。炼钢时采用

5、锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢；代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。 半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。,沸腾钢,镇静钢,从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般地建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，

6、基本无一氧化碳气泡产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载地重要结构。 此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量较好。,第二节 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。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起

7、，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。,纯铁的同素异晶转变,铁 的 冷 却 曲 线,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-Fe中的固溶

8、体，由于-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-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

9、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，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。冷脆性 硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低溶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，氧化物所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。热脆

10、性,第三节 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。（弹性模量和弹性极限） 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

11、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，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用s表示。,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，称为强度极限或抗拉强度b。 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

12、低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.580.63，合金钢为0.650.75。,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。,伸长率是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。 5和10分别表示l0=5d 和l0=10d 时的伸长率。对同一种钢材510。这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸

13、长量是不均匀的,颈缩处的伸长率较大，因此当原始标距l0与直径d 0之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算得的伸长率就愈小。某些钢材的伸长率是采用定标距试件测定的，如标距l0=100 mm或200 mm，则伸长率用100或200表示。,1) 若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用谁者更合适。 从、两条曲线比较可知，低碳钢的弹性模量E小于低碳钢，也就是说，低碳钢的抗变形能力不如低碳钢。对于变形要求严格的构件选用低碳钢更为合适。 2) 使用、两种钢材，哪一个安全性较高。 、两种低碳钢的屈服强度s相近，但低碳钢的抗拉强度b高于，即其屈服强度比s/b 较小。屈服强度比值越小，反映

14、钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。(当然，屈服比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，不合理。Q225钢材的屈服比为0.580.63，普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。),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

15、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。,钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。 ak值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时

16、， ak突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。,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