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1、第六章建筑金属材料 李庚英E mail gyli 电话 8367533汕头大学土木工程系 土木工程材料学 第一节建筑钢材基本知识 一 铁和钢的概念 一 铁铁分为白口铁和灰口铁 白口铁主要作为炼钢的原料 灰口铁可直接用于铸造 故称铸铁 二 钢将熔融的生铁进行氧化 使其中碳 硫 磷等杂质含量降低到允许范围内 这种碳含量低于2 的铁碳合金称为钢 二 钢的分类 按合金元素含量将钢分为非合金钢 低合金钢和合金钢三类 非合金钢又叫碳素钢 按含碳量不同又分为低碳钢 碳含量小于0 25 中碳钢 碳含量在0 25 0 60 和高碳钢 碳含量大于0 60 建筑工程中 主要使用非合金钢中的低碳钢及低合金钢加工产品
2、第二节建筑钢材的主要技术性质 一 力学性质二 工艺性能 一 力学性质 一 抗拉性能拉伸作用 是建筑钢材主要受力形式 所以 抗拉性能是表示钢材性质和选用钢材最重要的指标 钢材受拉直至破坏经历了四个阶段 1 弹性阶段 在此阶段 钢材的应力和应变成正比关系 此阶段产生的变形是弹性变形 2 屈服阶段 随着拉力的增加 应力和应变不再是直线关系 钢材产生了弹性变形和塑性变形 当拉力达到某一定值时 即使应力不再增加 塑性变形仍明显增长 钢材出现了屈服现象 此点对应的应力值被称为屈服点 或称屈服强度 屈服点是重要的指标 它表明钢材若在屈服点以上工作 虽然没有断裂 但会产生较大的塑性变形 因此 在结构设计时 屈
3、服点是确定钢材容许应力的主要依据 3 强化阶段 拉力超过屈服点以后 钢材又恢复了抵抗变形的能力故称强阶段 强化阶段对应的最高应力称为抗拉强度或强度极限 抗拉强度是钢材抵抗断裂破坏能力的指标 虽然在结构设计时不能利用 但却可以根据屈强比来评价钢材的利用率和安全工作程度 屈强比是屈服强度比抗拉强度 若屈强比小 钢材在偶而超载时不会破坏 但屈强比过小 钢材的利用率低 是不经济的 适宜的屈强比应该是在保证安全使用的前提下 钢材有较高的利用率 通常情况下 屈强比在0 60 0 75范围内是比较合适的 4 颈缩阶段 过了抗拉强度以后 钢材抵抗变形的能力明显降低 并在受拉试件的某处 迅速发生较大的塑性变形
4、出现颈缩现象 直至断裂 二 冲击韧性冲击韧性是指在冲击荷载作用下 钢材抵抗破坏的能力 钢的冲击韧性受下列因素影响 1钢材的化学组成与组织状态 钢材中硫 磷的含量高时 冲击韧性显著降低 细晶粒结构比粗晶粒结构的冲击韧性要高 2钢材的轧制 焊接质量 沿轧制方向取样的冲击韧性高 焊接钢件处的晶体组织均匀程度 对冲击韧性影响大 3环境温度 当温度较高时 冲击韧性较大 当温度降至某一范围时 冲击韧性突然降低很多 钢材断口由韧性断裂状转为脆性断裂状 这种性质称为低温冷脆性 发生低温冷脆性时的温度 范围 称脆性临界温度 范围 在严寒地区选用钢材时 必须对钢材冷脆性进行评定 此时选用钢的脆性临界温度应低于环境
5、最低温度 4时效 随着时间的进展 钢材机械强度提高 而塑性和韧性降低的现象称为时效 二 工艺性能 冷弯性能和可焊性是建筑钢材的重要工艺性能 一 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 钢材在弯曲过程中 受弯部位产生局部不均匀塑性变形 这种变形在一定程度上比伸长率更能反映钢的内部组织状况 内应力及杂质等缺陷 因此 也可以用冷弯的方法来检验钢的焊接质量 二 可焊性 建筑工程中 钢材绝大多数是采用焊接方法联结的 这就要求钢材要有良好的可焊性 可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下 在焊缝和附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向 焊接后接头强度是否与母体相近的性能 钢的可焊性主要受化学成分极其含量
6、的影响 含碳量小于0 3 的非合金钢具有良好的可焊性 超过0 3 焊接的脆硬倾向增加 硫含量高会使焊接处产生热裂纹 出现热脆性 杂质含量增加 会使可焊性降低 第三节建筑用钢的晶体组织与化学成分对钢性能的影响 本章主要了解化学成分对钢性能的影响 化学成分对钢性能的影响 1 碳的影响 碳是钢中重要元素 对钢的组织和性能有决定性影响 随含碳量增加 钢的硬度增大 塑性和韧性降低 可焊性降低 强度以含碳量为0 8 左右为最高 2 锰的影响 在炼钢过程中 锰起到脱氧去硫作用 提高了强度 克服由硫引起的热脆性 但当锰含量超过1 后 塑性和韧性有所下降 固溶在铁素体中的锰 使钢的强度 硬度和韧性都提高 锰在非
7、合金钢中含量为0 2 0 8 在低合金钢中含量一般为1 2 高锰钢的耐磨性明显提高 3 硅的影响 在钢中 硅大部分固溶于铁素体中 少量属于非金属夹杂物 硅含量在2 以内时 可提高钢的强度 对塑性和韧性影响不大 4 磷的影响 磷是铁原料中带入的杂质 磷使钢在常温下的强度和硬度增加 塑性和韧性显著降低 5 硫的影响 硫是有害成分 硫含量增加 显著降低了钢的热加工性能和可焊性 硫和磷一样 易于偏析 含量过高时 会降低钢的韧性 第四节钢材的冷加工和热处理 一 钢材的冷加工强化和时效处理二 钢材的热处理 一 钢材的冷加工强化和时效处理 一 冷加工强化在常温下 钢材经拉 拔 轧等加工 使其产生塑性变形 而
8、调整其性能的方法称为冷加工 冷加工后的钢材 屈服点和硬度提高 塑性降低 钢材得到强化 若冷拉后的钢材 立即受拉 我们发现虽然屈服点提高 但抗拉强度基本不变 塑性和韧性降低 弹性模量降低 冷加工强化的原因 是冷拉超过屈服点时 塑性变形造成滑移面内晶格扭曲 畸变加剧 阻碍了进一步滑移 提高了抵抗变形的能力 二 时效处理冷拉后的钢材 时效加快 若在常温下存放15 20天 可完成时效 称自然时效 若加热钢材至100 200度 则可以在更短时间内完成时效 称人工时效 经时效处理后的钢材 若再受拉 屈服点进一步提高 抗拉强度也提高 塑性和韧性进一步降低 弹性模量得到恢复 这种现象也称时效强化 建筑工地和混
9、凝土构件厂 常利用冷拉和冷拔并时效处理方法 对钢材进行处理 提高钢材的机械强度 降低塑性 从而达到节约钢材的目的 冷拉并时效处理后钢筋 同时也被调直和除锈 当再冷拉时 要控制冷拉率及冷拉应力 使冷拉后的钢材性能符合规范规定 二 钢材的热处理 热处理是将钢材按规定的温度制度 进行加热 保温和冷却处理 以改变其组织 得到所需要的性能的一种工艺 热处理的方法有淬火 回火 退火和正火 热处理的具体方法本书不做要求 第五节建筑钢材的技术标准 一 碳素结构钢 非合金结构钢 1 牌号国家标准规定 牌号由代表屈服点的符号 Q 屈服点值 195 215 235 255 275兆帕 质量等级 A B C D 和脱
10、氧程度 F b Z TZ 构成 其中A B为普通质量钢 C D为磷 硫杂质控制较严格的优质钢 脱氧程度以F代表沸腾钢 b代表半镇静钢 T和TZ分别代表镇静钢和特殊镇静钢 例如 Q235 A F 表示屈服点为235兆帕的质量为A级的沸腾钢 2 选用建筑工程中主要应用的碳素钢是Q235号钢 它之所以普遍应用 主要是它的机械强度 韧性和塑性及加工等综合性能好 而且冶炼方便 成本较低 Q215号钢机械强度低 塑性大 受力后变形大 经加工及时效处理后可代替Q235使用 在选用钢的牌号时 还必须熟悉钢的质量 一般的说 平炉钢和氧气转炉钢较好 质量等级为D C的钢优于B A级纲 特殊镇静钢和镇静钢优于平镇静
11、钢 更优于沸腾钢 二 低合金高强度结构钢 1 牌号这种钢的牌号由代表屈服点的Q 屈服点数值 质量等级符号 A B C D E 三个部分按顺序排列 2 性能低合金结构钢比碳素结构钢强度高 塑性和韧性好 尤其是抗冲击 耐低温 耐腐蚀能力强 并且质量稳定 可节省钢材 在钢结构中 常采用低合金结构钢轧制的型钢 钢板和钢管来建造桥梁 高层及大跨度钢结构建筑 在预应力钢筋混凝土中 二 三级钢筋即是由普通质量低合金钢轧制的 三 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝 主要了解热轧钢筋 1 热轧钢筋的级别和技术性能热轧钢筋按强度等级分为四个级别 其中一级钢筋为Q235 A B级 热轧光圆钢筋 二 三和四级钢筋符合施工用钢
12、筋的规范规定 2 轧钢筋的选用二三级钢筋属于普通质量低合金钢轧制的 适合用做非预应力钢筋和预应力钢筋 而四级钢筋是由优质合金钢轧制的 质量好 强度高 适宜做预应力钢筋 而一级钢筋宜做非预应力钢筋 随钢筋级别提高 钢筋的机械强度提高 塑性及冷弯性能均降低 当所选钢筋强度偏低 塑性偏大时 可以通过冷拉加时效处理的方法调整其性质 并达到节约钢材的目的 第六节建筑钢材的防锈 建筑钢材表面与周围环境接触时 往往会发生电化学腐蚀和化学腐蚀 使钢表面锈蚀 无论在堆放还是在使用过程中 钢材锈蚀后 都会造成应力截面减小 表面缺陷增多 承载力及冲击韧性降低 混凝土保护层遭受破坏 甚至造成脆性断裂 防止钢材锈蚀的根本方法是防止潮湿和隔绝空气 目前常采用表面涂漆的隔离方法 此外也可以采取渡锌后再涂塑料涂层等方法 对重要钢结构 还可以采取阴极保护的措施 在钢筋混凝土中 尤其对预应力承重结构的防锈 首先要严格控制钢筋 钢丝质量 其次要提高混凝土密实度 加大保护层厚度 严格控制氯盐掺量 必要时掺入阻锈剂来防止钢筋锈蚀
