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1、钢材试验与检测,任务目标：,掌握建筑钢材的主要技术性质； 了解化学成分对钢材性能的影响； 熟悉常用建筑钢材的标准与选用； 熟悉钢材的常用防护措施； 具有对钢筋混凝土结构常用钢筋质量检测的能力,主 要 内 容,金属材料包括黑色金属与有色金属两大类，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steel和生铁ferrum 。,1 概述,三大建材之一,土木工程中所用的钢材是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢板和钢管以及钢筋混凝土用的各种钢筋和钢丝等。,钢材广泛应用于铁路、桥梁、房屋建筑等各种工程中，是土木工程用量最大的金属材料。,2 用途及分类,2.1型钢
2、(structural steel) 简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等； 复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。,槽钢,钢轨,工字钢,等边角钢,低合金高强度结构钢,2.2 线材(钢筋、钢丝等） (steel、steel wire）,2.3 管材 （无缝钢管、焊接钢管等） （Steel tube）,2.4 板材（光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。） (Steel plate),压型彩钢板,时间：1999年1月4日 原因：建桥使用的钢筋质量有严重问题。 后果：死亡49人,重庆市綦江县虹桥坍塌,1.1 钢材质量引发的工程事故,韩国首尔桑苏大桥坍塌,时间：1994年10月21日 原因：
3、大桥在维护过程中出现的焊接失误及大桥的设计缺陷和施工建筑期间的种种问题导致大桥坍塌。 后果：31人死亡。,美国明尼苏达桥梁倒塌,如何检测钢筋的质量？,3. 钢筋质量检测,任务1：工地新进一批光圆钢筋，假若你负责验收及检测，请各小组讨论，说说你的验收步骤是什么？你会从哪些方面检测？ 请用“关键词”把检测内容在A3白纸上写下来。 （6min）,2、同一炉罐号、同一牌号、同规格、交货状态分 批检验和验收，每批质量不大于60t。,1、钢筋应有出厂证明书或试验报告单。,3、外观检查从每批钢筋中抽取5%进行； 机械性能试验从每批钢筋中任意抽取两根。,3.1 验收方法,3.2 检测流程,抽样,（ GB149
4、9-2007）,取样,检测,外观质量,机械性能,化学分析,拉力试验,冷弯试验,屈服强度、抗拉强度、伸长率,机械性能试验从每批钢筋中任意抽取两根，与每根钢筋任意一端切去500mm，然后各取一套试样（两根试件），在每套试件中取一根作拉力试验，另一根作冷弯试验。,3.3 取样方法,外观检测是？,钢筋表面不得有裂纹、结疤、折叠、油污、颗粒状或片状老锈；钢筋表面允许有凸块，但其总高度不得超过横肋的高度，钢筋表面上其它缺陷的深度或高度也不得大于所在部位尺寸的允许偏差；钢筋每1m内弯曲度不应的大于4mm。,3.4 检测,机械性能,1、拉力试验,3.4 检测,2、冷弯试验,机械性能试验包括拉力试验和冷弯试验两
5、个项目，两个项目中如有一个项目不合格，该批钢筋就是不合格品。,机械性能检测是？,3.4.1 拉力试验,GB-T228.1-2010-金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法,1）拉力试验反映钢材的抗拉性能 1、弹性阶段(elastic stage)：p 2、屈服阶段(yield stage)：s 3、强化阶段(strengthening stage) ： b s b 4、颈缩阶段(necking stage)：,钢材拉伸应力应变图,试件拉伸前和断裂后标距的长度,2）拉力试验还能反映钢材的塑性 钢材的塑性通常用伸长率（extension percentage）或断面收缩率（ percentag
6、e reduction in area）来表示 。,3）拉力试验结果评定,在拉力试验的两根试件中，如其中一根试件的屈服点、抗拉强度和伸长率三个指标中有一个指标达不到标准中规定的数值，应再抽取双倍（4根）试件重做试验，如仍有一根试件的一个指标达不到标准要求，则不论这个指标在第一次试件中是否达到标准要求，拉力试验项目也作为不合格。,思考题,5和10分别表示L0=5d 0和L0=10d 0时 的伸长率。对同一种钢材5与10 的关系是？,答案,对同一种钢材5大于10。这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的,颈缩处的伸长率较大。,请观察图中、两种低碳钢的应力应变曲线的差异。讨论下述问题：,(1
7、) 若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用谁者更合适。,(2) 使用、两种钢材，哪一个安全性较高。,思考题,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。,(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。,、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，即其屈强比s/b 较小。屈强比值越小，反映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，屈强比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，不合理。）,(2) 使用、两种钢材，哪一个安全性较高。,小作业,思考型钢如何检测拉伸性能？,
8、画出钢筋拉伸试验检测详细步骤图。（30min）,注意断口位置！,3.4.2冷弯性能(cold bending properties),1)冷弯是指钢材在常温下承受规定弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度和 弯心直径d对试件厚度（或直径）的比值来表示的。 2）钢材的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,n为整数），弯曲到规定的角度时（180或90），,冷弯,金属材料弯曲试验方法GB.T232-2010,检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。,钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好 。,冷弯试验中，如有一
9、根试件不符合标准要求，应同样抽取双倍钢筋，制作双倍试件重做试验，如仍有一根试件不符合标准要求，冷弯试验项目即为不合格。,3）冷弯试验结果评定,当发现钢筋脆断、焊接性能不良或力学性能显著不正常等现象时 ,应对该批钢筋进行化学成分检验或其他专项检验（冲击韧性、疲劳强度、焊接性能等）。,3.4.3、其他性能检测,（1）钢材的冲击韧性（impact toughness）是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时冲击吸收功。钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。,韧性材料断口,脆性材料断口,（2）受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆
10、性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏（fatigue failure）。,疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。,1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥中段50 m长的桥体象刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一东亚建设产业公司于1979建成。,事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面：a.东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32 t，建成后
11、交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为43.2 t。,原因分析,(3) 焊接性能（welding performance） 焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。,钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。,钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关
12、规定。,某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.230.25，含硫0.06，焊接质量差。请分析事故原因。,原因之一是所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材要求，即含碳不超过0.22，含硫量不超过0.055 。硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏部位。 原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接结构处有应力集中现象，助长了此衍架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤，夹杂缺陷，焊接质量差。,原因分析,它是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定
13、 ，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。,（4）硬 度（hardness）,一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。所以，工程中有时用硬度来间接推算材料的强度。,4 钢材的化学性能,（1）含碳量对建筑钢材力学性能的影响 随着含碳量的增加，强度、硬度明显提高，塑性、韧性显著降低。同时还将使钢的冷弯、焊接及抗腐蚀等性能降低，并增加钢的冷脆性和时效敏感性。,（2）（硅1%以内）、（锰1%以内）、钛、钒、铌等为合金元素。 （有益元素）,磷（P）是矿石带到钢中的，以Fe3P存在，能使钢的塑性和韧性显著降低，在低温表现更明显,即冷脆现象。 (有害元素
14、）,（3）常存杂质对碳素钢性能的影响 主要杂质：磷、氮、硫、氧。,硫（S）的影响：矿料、燃料带入杂质，以FeS形式存在，在钢的热加工时引起钢的脆裂，即热脆性。(有害元素）消除S的有效方法：增加锰的含量形成硫化锰，消除“红脆现象”。,化学元素对钢材性能的影响表,5.1 冷加工方法及作用,5.1.1 冷加工（cold-working strengthening）： 在常温下进行加工，使其产生一定的塑性变形，钢材的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。（亦称加工硬化，或冷作强化）。,5 钢材的冷加工及时效强化,5.1.2 作用： （1）屈服强度提高，抗拉强度不变。 （2）节约钢材。 （3）除锈、调
15、直。,三冷作业：冷拉、冷拔、冷轧。,钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高2030，可节约钢材10% 20%。钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。,（1）冷拉,冷拉是将热轧钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长。,钢筋冷拉夹具,预应力筋张拉与钢筋冷拉有何区别？,思考题,（1）钢筋冷拉是为了提高钢筋的设计强度，节省钢材。冷拉是将钢筋拉至其-曲线的强化阶段内任一点处,然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，其屈服极限将有所提高。 （2）预应力筋的张拉是利用钢筋的弹性力对受拉区混凝土建立预应力，以提高结构的抗裂性、刚度和耐久性。,答案,冷拔是将光圆钢筋通过拔丝机中硬质合金做成的比钢筋直径小 0.51.0
16、 mm的冷拔模强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在10%以下。经过一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，其屈服点可提高4060。,（2）冷拨,冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压作用。,区别,硬质合金拉丝模,拔丝模,冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可以提高其强度及与混凝土的粘接力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性。,（3）冷轧,冷加工的经济效益,经过冷加工的钢材可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材、降低成本的目的。钢筋的冷拉还有利于简化施工工序。但冷拔钢丝的屈强比较大，相应的安全储备较小。,1、时效：钢材在长时间的搁置中，尤其在经冷加工后，会自发地呈现强度和硬度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象。,5.2 时效强化,人工时效：将经过冷加工的钢筋加热到100C 200 C 并保持
