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1、第八章 钢材,钢的冶炼和分类 建筑钢材的主要技术性能 钢的化学成分对钢性能的影响 钢材的冷加工和热处理 建筑用钢 钢结构用钢材 钢筋混凝土用钢材,钢材,可用作主要的结构材料、也可以用作 连接材料、围护材料和饰面材料等。 优点：品质均匀 塑性和韧性好 高的抗拉强度 易于加工成板材、型材和线材 良好的焊接和铆接性能 缺点：易锈蚀、维护费用高 耐火性差 生产能耗大,8.1 钢的冶炼和分类,钢的冶炼 钢和铁的主要成分是铁和碳。合碳量大于2.06的为生铁，含碳量为0.02%2.06的为钢 第一步：生铁的冶炼是将铁矿石、石灰石、焦碳和少量锰矿石在高炉内，在高温的作用下进行还原反应和其他的化学反应，铁矿石中
2、的氧化铁形成金属铁，然后再吸收碳而成生铁。原料中的杂质则和石灰石等化合成熔渣。 铁矿石 铁水矿渣,冶炼,8.1 钢的冶炼和分类,钢的冶炼 第二步：钢的冶炼是以铁水或生铁作为主要原料，在转炉、平炉或电炉中冶炼。与生铁的冶炼相反，是用氧化的方法来除去铁中的碳及部分杂质. 铁水或铁块、废钢 钢水钢渣,冶炼,炼钢生产工艺示意图,钢材的分类 碳素钢（非合金钢）按照碳的含量分 (1)低碳钢 含碳量小于0.25； (2)中碳钢 含碳量为0.250.6； (3)高碳钢 含碳量大于0.6。 合金钢按照掺入合金元素(一种或多种)的总量分 (1)低合金钢 合金元素总含量小于5； (2)中合金钢 合金元素总含量为51
3、0； (3)高合金钢 合金元素总含量大于10。,按冶炼时的脱氧程度分: 沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢,镇静钢,沸腾钢,8.2 钢材的技术性质,力学性能 强度 塑性 韧性 耐疲劳性 工艺性能 冷弯性能 焊接性能,强度,四个阶段： 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段, 弹性阶段（OA段）,弹性极限，用p表示。 此阶段应力与应变成正比，其比值为常数，即弹性模量，用E表示， / = E。弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。 常用低碳钢的弹性模量E=(2.02.1)105 MPa，p=180200MPa。, 屈服阶段（AB段）,应力超过p后，应变增加
4、很快，而应力基本保持不变。这种现象称为屈服。 此时应力与应变不再成比例，试件开始产生塑性变形。曲线上开始发生屈服的点，称为屈服点，这时的应力称为屈服极限，用s表示。 钢材受力达到屈服点后，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的依据。 常用低碳钢的s为185235MPa。,预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点：抗拉强度高，无明显的屈服阶段，伸长率小。这类钢材由于没有明显的屈服阶段，不能测定屈服点，故常用发生残余变形0.2% 时的应力作为规定的屈服极限，用 0.2表示。, 强化阶段,当荷载超过屈服点后，因塑性变形使其内部的组织结构得到调整
5、，抵抗变形的能力有所增强，曲线又开始上升，称为强化阶段。 曲线最高点所对应的应力称为抗拉强度，用b表示。常用低碳钢的b为375500MPa。 屈强比（s/b）屈强比越小，钢材在受力超过屈服点时的可靠性越大，结构越安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用低碳钢的屈强比为0.580.63，合金钢为0.650.75。0.630.75 范围最合适。, 颈缩阶段,应力超过b后，试件的变形开始集中于某一小段内，使该段的横截面面积显著减小，出现颈缩现象，曲线开始下降，直至点，试件被拉断。,力学性能,塑性 表示钢材在外力作用下产生塑性 变形而不破坏的能力，是钢材的重要 性能指标 伸长率 断
6、面收缩率,力学性能,塑性 伸长率反映了钢材塑性大小情况，在工程中具有重要意义。塑性良好的钢材，偶尔超载、产 生塑性变形，会使内部应力重新分布，不致由于应力集中而发生脆断。钢材在塑性破坏前，有明显的变形和变形持续时间，便于发现和补救。,力学性能,韧性 韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力, 通常用冲击韧性值来表示.,力学性能,韧性 对于重要的结构以及承受动荷载 作用的结构,特别是处于低温条件下, 为了防止脆性破坏,应保证钢材具有一 定的冲击韧性。 冷脆性: 当温度降低到一定程度时, 冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性, 这一现象称为冷脆性。,钢材的冲击韧性与温度的关系,影响冲击韧性的因素,钢材的冲击
7、韧性对钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都比较敏感。如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。 K值还与试验温度有关。某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，K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。K剧烈改变的温度区间称为脆性转变温度。 时效，冷加工和动力加载情况下时效敏感。 承受动荷载、负温结构等需检验钢材的冲击韧性。,耐疲劳性,钢材在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。 实验证明，钢材承受的交变应力越大
8、，则钢材至断裂时经受的交变应力循环次数N越少，反之越多。当交变应力降低至一定值时，钢材可经受无限次交变应力循环而不发生疲劳破坏。 通常取交变应力循环次数N=107时，试件不发生破坏的最大应力n作为其疲劳极限。,钢材的疲劳曲线,疲劳破坏的原因,钢材的疲劳破坏一般由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，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。 钢材内部的组织结构、成分偏析及其它缺陷，是决定其疲劳性能的主要因素。 钢材的截面变化、表面质量及内应力大小等造成应力集中的因素，都与其疲劳极限有关。如钢筋焊接接头和表面微小的腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。 当疲劳条件与腐
9、蚀环境同时出现时，可促使局部应力集中的出现，大大增加了疲劳破坏的危险性。,工艺性能,冷弯性能 冷弯性能指在常温条件下，钢材受弯变形的能力。 一般用弯曲角度 、弯心直径相对应钢材的厚度或直径的比值来表 示。,钢材的冷弯示意图,冷弯性能意义 钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检验。 它能揭示钢材内部组织的均匀性，以及存在内应力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中，这些缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映不出来。 在工程实践中，冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量的一种手段，
10、能揭示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物 。,工艺性能,焊接性能 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向。焊接后的力学性能特别是强度不得低于原钢材的性质。 可焊性主要受化学元素及其含量的影响，含碳量高将增加焊接的硬脆性含碳量小于 0.25的碳素钢具有良好的可焊性。 硫、磷及气体杂质会使可焊性降低，加入过多的合金元索，如硅、锰、钒、钛等，也将降低可焊性。,焊接示意图,8.3钢的化学成分对钢性能 的影响,碳 影响钢材性能的主要 元素之一，在碳素钢中随着 含碳量的增加，其强度和硬 度提高，塑性和韧性降低。 当含碳量大于1后，脆性 增加，硬度增加，强度下降。 含
11、碳量大于0.3时钢的可焊 性显著降低。此外，含碳量增 加，钢的冷脆性和时效敏感性 增大，耐大气锈蚀性降低。,8.3钢的化学成分对钢性能的影响,硅 硅含量在1以内时，可提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧 化性，对塑性和韧性影响不大，但对可焊 性和冷加工性能有所影响。硅可作为合金元素，用以提高合金钢的强度。 锰 锰可提高钢材的强度、硬度 及耐磨性。能消减硫和氧引起的热脆 性，改善钢材的热加工牲能。锰可作为 合金元素，提高合金钢的强度。但含量过高也影响可焊性。,8.3钢的化学成分对钢性能的影响,硫 硫是碳索钢中的有害杂质。 在焊接时，易产生脆裂现象，称为热脆 性，显著降低可焊性。含硫过量还会降低
12、钢的韧性、耐疲劳性等机械性能及耐腐蚀性能。 磷 磷是碳素钢中的有害杂质。 常温下能提高钢的强度和硬度，但塑性 和韧性显著下降，低温时更甚，即引起所 谓“冷脆性”。也影响可焊性，但磷可提高钢的耐磨性和耐 腐蚀性能。,8.3钢的化学成分对钢性能的影响,氧 氧是碳素钢中的有害杂质。含氧量增加，便钢的机械强度降低、塑性和韧性 低，促进时效作用，还能使热脆性增加，焊接性能变差。 氮 氮能使钢的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮还会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差,8.4钢材的冷加工和热处理,冷加工 冷加工是在常温下进行机械加工，包括冷拉、 冷拔、冷扭、冷冲和冷压等各种方式。,8.4钢材的冷加工
13、和热处理,冷加工强化处理 冷加工强化钢材经过冷拉、冷拔或冷轧，其屈服点提高而抗拉强度基本不变，塑性和韧性相应降低的现象称为冷加工强化。 冷加工时效处理 钢材经冷加工后，随着时间的延长，钢的屈服强度和强度极限逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象，称为时效。 分人工时效和自然时效。,OKCD: 冷加工强化处理,OK1C1D1: 冷加工时效处理,冷加工的工程效益,钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%25%，冷拔钢丝的屈服点可提高40%60%。 由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减少混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。 钢筋冷拉还有利于简化施工工序。冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；冷拉直
14、条钢筋则可与矫直、除锈等工序一并完成,8.4钢材的热处理,淬火 加热至显微组织转变温度以上，使其微组织发生转变后冷却。 强度和硬度可以提高，塑性和韧性下降。 回火 对淬火处理的钢材再加热至显微组织转变温度以下，后冷却。使显微组织更加稳定，使其韧性和塑性得到一定恢复。,8.5 建筑钢材,碳素结构钢 低合金高强度结构钢 优质碳素钢,碳素结构钢,碳素结构钢是碳素钢中的一类，可加工成各种型钢、钢筋和钢丝。适用于一般结构和工 程。构件可进行焊接、铆接和栓接。 牌号 钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号等四个部分按顺序组成。 如：Q235AF 屈服点等级：Q195、 Q215
15、、 Q235、 Q275 技术技能 见表 用途 Q235钢，强度适中，有良好的承载性，有具有较好的塑性和韧性，可焊性和加工性也好，是钢结构常用的牌号。,低合金高强度结构钢,在碳素结构钢的基础上加入总量小于5的合金元素而形成的钢种。加入合金元素的 目的是提高钢材强度和改善性能。常用的合金元索有硅、锰、钛、钒、铬、镍和铜等。大多数合金元素不仅可以提高钢的强度和硬度，还能改善塑性和韧性。 牌号 由代表屈服点的字母、屈服点数值和质量等级符号三个部分按顺序组成，如Q345A 屈服点等级：Q295、 Q345、 Q390、 Q420、 Q460 技术技能 参表 用途 Q345钢的综合性能较好，是钢结构常用
16、的牌号，Q390也是推荐使用的牌号，,优质碳素钢,优质碳素结构钢对有害杂质含量(S0.035，P0.035)控制严格、质量稳定，性能 优于碳素结构钢。 屈服强度高，抗冲击性能、低温性能、可焊性均较好。,8.6 钢结构用钢材,热轧型钢 热轧普通工字钢 广泛用于各种建筑结构和桥梁，主要用于承受横向弯曲的杆件，但不宜单独用作轴心受压构件或双向弯曲的构件 热轧H型钢 H型钢截面形状经济合理，力学性能好，常用于要求承裁力大、截面稳定性好的大型建筑(如高层建筑)。 热轧等边型钢和不等边型钢,各类钢材,8.6 钢结构用钢材,冷弯薄壁型钢: 重量轻，用钢少，适于作轻型钢结构的承重构件和在建筑构造上的使用,8.6 钢结构用钢材,棒材 热轧六角钢 和八角钢: 加工 螺栓 热轧扁钢: 做房架结构、扶 梯、桥梁和栅栏 热轧圆钢和 方钢：很少使用， 圆钢可用于轻型 结构
