教学第六章钢材概要

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1、,第七章,钢材,steels,土木工程中使用的各种钢材：型钢、钢板、钢筋钢丝、钢门窗、 建筑五金 特点： 1.强度高，塑性、韧性好，能承受冲击和 振动荷 载，易于加工和装配。 2.易锈蚀，耐火性差。,7.1 钢的冶炼和分类,7.1.1 钢的冶炼,钢：含碳量为0.062.0%并含有某些其它元素的铁碳合 金。 钢的生产分两步：（1）炼铁 （2）炼钢 钢的冶炼过程： 氧化：把熔融的生铁进行氧化，使碳含量降低到预定 范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。 脱氧：精炼后的钢液中还留有一定量的氧化铁，使钢 的质量降低。为了消除它的影响，在精练结束 后加入脱氧剂以去除钢液中的氧。 钢的冶炼方法：转炉炼钢法

2、，平炉炼钢法，电弧炉炼 钢法,7.1.2 钢的分类,（1）碳素钢：高、中、低碳钢； （2）合金钢：高、中、低合金钢。,7.1.2.1 按化学成分分类,建筑钢材,碳素钢,合金钢,高碳钢 C 0.6,中碳钢 C 0.25%0.6,低碳钢 C 0.25,中合金钢 合金元素 5 10,低合金钢 合金元素 5,高合金钢 合金元素 10,7.1.2.2 按冶炼时脱氧程度分类,7.1.2.3 按品质(杂质含量)分类,7.1.2.4 按用途分类,（1）镇静钢；（2）沸腾钢；（3）半镇静钢。,（1）普通质量钢；（2）优质钢； （3）高级优质钢; （4）特级优质钢。,（1）结构钢；（2）工具钢；（3）轴承钢。 建

3、筑上常用的是普通碳素结构钢（低碳钢）和普 通低合金结构钢。,7.2 钢材的主要技术性能,7.2.1 力学性能,钢材的机械性能，钢材最重要的使用性能。,7.2.1.1 强度,强度：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能 力。在 建筑结构中，对承受静荷载的钢材， 要求具有一定力学强度，并要求产生的变形 不影响正常工作和安全使用。,抗拉强度是钢材强度的特征值，测定钢材强度的主要方法是拉伸试验。钢材受拉时，在产生应力的同时相应地产生应变，应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。, = L/L,b,e,S,P,P/A,f,0,p,s,b,低碳钢受拉力的应力应变图,（1）弹性模量（E）和比例极限（p） （

4、2）弹性极限（e） （3）屈服强度（s），条件屈服强度（0.2） （4）极限强度（或抗拉强度）b，屈强比 （5）疲劳强度,e,S,硬 钢 的 屈 服 点 0.2,0,0.2,b 极限强度：钢材受拉断裂前的最大应力，称强度极限或 抗拉强度。,S/b 屈强比：屈服点与抗拉强度之比。屈强比小， 结构 安全度大，屈强比大，不能充分发挥钢材 强度水平。0.60.75范围较合适。,S 屈服极限,P 比例极限：弹性阶段的最大应力。,S 上屈服点：屈服阶段最大应力；,S 下屈服点：屈服阶段最小应力， 数值稳定，称为屈服 点或屈服强度。 屈服点是钢材力学性质最重要的指 标，是结构设计确定钢材容许应力的 主要依据

5、。,e 弹性极限：不产生残留塑性变形的最大应力。,7.2.1.2 塑性,钢材在外力作用下产生塑像变形而不破坏的能力。 是钢材的一个重要性能指标。通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。 （1）伸长率（）,l0 = 5d0 或 10d0 d0试件原始直径，。,l0试件原始标距长度，； l1断裂试件拼合后标距的长度，。,do,l0,l1,试件断后标距的测量,（2）断面收缩率 （） ：,A0 试件原始截面积；,A1 试件拉断后颈缩处的截面积。,伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越高表示钢材塑性越大。钢材塑性越大，不仅便于加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。

6、,7.2.1.3 韧性,30,R=2.5 ,40,冲击韧性试验示意图,钢材抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性值度量。冲击韧性值 以摆锤冲断V型缺口试件时单位面积所消耗的功来表示。,冲击韧性值越大，钢材冲击韧性越好，其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。,冲击韧性,式中 A 为试样缺口处截面积,钢 材 的 冲 击 试 验,1. 摆锤； 2. 试件,温度对钢材的冲击韧性有重大影响。 冲击韧性随温度的降低而下降，开始下降缓和，当温度降到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称为钢材的冷脆性，这一温度范围称为脆性转变温度。 转变温度越低，说明钢的低温冲击韧性越好。,脆性转变温度一

7、般为 20 60,160,120,80,0,40,-80,-40,0,40,t ,含锰低碳钢 ak值与温度的关系,7.2.1.4、硬度,钢材硬度指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。是衡量钢材软硬程度的一个指标。,常用的硬度测定方法 ： 布氏法(HBW)：压入法，指标为布氏硬度HBW，数值越大表示钢材越硬。用于厚钢。 洛氏法(HR)：刻痕法，指标为洛氏硬度HR，数值 越小表示钢材越硬。用于薄钢。 维氏硬度法（HV),7.2.1.4、耐疲劳性,疲劳破坏指钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生的突然破坏。,疲劳破坏的危险应力用疲劳极限或疲劳强度表。 疲劳强度的概念：指在交变荷

8、载作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 影响钢材耐疲劳性能的因素有： （1）内部组织；（2）成分偏析；（3）各种缺陷；（4）钢材表面质量；（5）截面变化和受腐蚀程度。,7.2.2 工艺性能,工艺性能指钢材承受各种冷热加工的能力。 包括：铸造性、切削加工性、焊接性、可锻性、冲压性、冷弯性、热处理工艺性等。,7.2.2.1 冷弯性能,概念：钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 弯曲程度或冷弯性能指标是通过弯曲角度及弯心直径d对 试件厚度a或直径的比值来衡量。弯曲角度愈大，弯心直 径对试件厚度或直径的比值愈小则钢材的冷弯性能愈好。,7.2.2.2 焊接性能（可焊性）,可焊性良好的钢材

9、，焊缝处的性质应与钢材尽可能相同，焊接才牢固可靠。 影响焊接性能的因素： 钢的化学成分、冶炼质量和冷加工。碳质量分数小于0.25%碳素钢可焊性良好；碳质量分数超过0.3%，可焊性变差。硫、磷及气体杂质和过多的合金元素也可降低可焊性。,7.3 钢的化学成分对钢性能的影响,7.3 钢的化学成分对钢性能的影响,7.3.1 碳,7.3.2 有益元素,决定钢材性能的主要元素。含量增加，强度、硬度大，塑性、韧性降低，可焊性、耐蚀性降低，冷脆性和时效倾向增大。含量超过1.0%时，强度反而下降。,（1）硅 提高强度、硬度、耐蚀性，对塑性和冲击 韧性无明显影响。 （2）锰 提高强度、硬度，略微降低塑性和韧性。,

10、（1）硫 降低强度、韧性和疲劳强度，产生热裂。偏析最严重的杂质之一。 （2）磷 偏析倾向严重，显著降低塑性和韧性，特别是降低低温冲击韧性，产生冷脆性。使焊接性能变差。 （3）氮、氧、氢 显著降低钢材的塑性和韧性。氮含量增加，塑性、韧性大大降低，焊接性能变坏；氧化物存在使强度、塑性和可焊性降低；氢会引起白点和内部裂纹。,7.3.3 有害杂质,7.4 钢材的冷加工与热处理,7.4.1 冷加工,冷加工：指钢材在常温下进行的机械加工。有冷 拉、冷轧、冷拔、冷扭和冷冲等加工形 式。 冷加工对钢材性能的影响：提高屈服强度；降低塑性和韧性。 冷加工强化： 钢材经冷加工后，产生塑性变形，屈服点明显 提高，而塑

11、性、韧性和弹性模量明显降低的现象。,7.4.2 时效处理： 时效：钢材经冷加工后，屈服强度和抗拉强度随时间延长而提高，塑性和冲击韧性逐渐降低而弹性模量基本恢复的现象。 自然时效：经过冷拉后的钢筋在常温下存放1520 天； 人工时效：经过冷拉后的钢筋加热到100200C并 保持一定时间。,7.4.3 热处理,热处理：将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷 却，以改变其金相组织和显微结构组 织，从而获得需要性能的一种综合工艺。 热处理的方法：褪火、正火、淬火和回火。 （1）褪火 加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷 却的一种热处理工艺。 目的：改善组织，降低 硬度， 提高塑性，消 除组织缺陷和内 应 力

12、，防止变形、开裂。,（2）正火 加热到一定温度，保温后在空气中 缓慢冷却。 目的：细化晶粒、消除组织缺陷；硬度、 强度提高，塑性减小。 （3）淬火：淬火的加热温度在基本组织转变温 度以上，保温使组织完全转变，马 上投入选定的冷却介质（如水火 矿物油等）中急冷，使之转变为 不稳定的组织的一种热处理操作。,目的：得到高强度和高硬度的组织。 （4）回火：淬火结束之后，随后进行回火，加热温度在转变温度以下（150650内选定），保温后按一定速度在空气中冷却至室温的一种热处理操作。 目的：促进不稳定组织转变为需要的组织； 消除淬火产生的内应力，降低脆性， 改善机械性能。,7.5 土木工程用钢,（1）牌号

13、,碳素结构钢的牌号由4个要素组成：,脱氧程度代号，F代表沸腾钢；,b代表半镇静钢；Z代表镇静钢；,TZ代表特殊镇静钢,质量等级代号分A、B、C、D4级,钢材屈服点数值,钢材屈服点代号，以“ 屈”字汉语拼音首位字母“ Q”表示,7.5.1 碳素结构钢（）,(195),(185),33,32, 16,1640,拉 伸 试 验,屈服点 s (N/mm),钢材厚度 (直径) (mm),抗拉强度,b,(N/mm),伸 长 率 5 (%),钢材厚度 (直径) (mm),冲击试验,温度,(),V型冲击功,(纵向),J,牌号,等级,40 60,60100,100150,150, 16,1640,40 60,6

14、0100,100150,150,315390,375460,B,A,B,A,B,C,D,A,Q195,Q215,Q235,Q255,Q275,235,225,215,205,195,185,26,25,24,23,22,21,20,0,-20,335410,215,205,195,185,175,165,31,30,29,28,27,26,20,410510,255,245,235,225,215,205,24,23,22,21,20,19,490610,275,265,255,245,235,225,20,19,18,17,16,15,20,27,27,碳素结构钢的机械性能,（2）技术性能

15、随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。 （3）用途 不同牌号的碳素结构钢有不同的用途。,7.5.2 优质碳素钢（）,性能：主要取决含碳量。含碳量高，强度高， 但塑性和韧性降低。 用途：用作钢铸件、高强度螺栓、预应力混凝 土锚具、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,7.5.3 低合金高强度结构钢（）,（1）牌号 低合金钢牌号由三个要素组成,质量等级符号分： A，B，C，D，E5级,屈服点数值,屈服点代号“ Q”,（2）技术性能与应用 在碳素结构钢的基础上添加总量小于5%合金元素的钢材。强度高，塑性和低温冲击韧性好，耐锈蚀。 由于合金元素的强化作用，低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。 广泛应用于钢结构和钢