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1、建筑材料 第八章建筑钢材 扬州大学水利学院 第八章建筑钢材 第一节概述第二节力学性能与工艺性能第三节铁碳合金的晶体结构第四节化学元素的影响第五节压延加工与热处理第六节建筑钢材的牌号与应用第七节腐蚀与防护 第一节概述 一 定义钢铁材料 包括生铁和钢材 是应用最广 产量最大的金属材料 又称为黑色金属材料 生铁 铁矿石在高炉内通过焦炭还原得到的铁碳合金 其含碳量大于2 并含有较多Si Mn S P等杂质 生铁又分为炼钢生铁和铸造生铁 铸铁 铸铁又分为可段铸铁 球墨铸铁和合金铸铁等 第八章第一节 第一节概述 一 定义钢 将生铁在熔融状态下氧化 除去过多的碳和杂质 再经脱氧得到的以铁元素为主 含碳量在2
2、 以下 并含有微量其他元素的材料 建筑钢材 包括各种钢板 钢管 用于钢结构的型材 圆钢 角钢 槽钢 工字钢等 和用于钢筋混凝土的线材 钢筋 钢丝 等 第八章第一节 第一节概述 各类钢材 第八章第一节 第一节概述 各类钢结构 第八章第一节 第一节概述 各类钢结构 第八章第一节 第一节概述 二 特点纯铁质软 易加工 但强度低 几乎不能用于工业 生铁抗拉强度低 塑性差 尤其是炼钢生铁硬而脆 不易加工 难以使用 铸铁虽然可加工 但冲击韧性差 使用范围有限 钢材则强度高 韧性 塑性好 质量均匀 性能可靠 加工性好 应用极为广泛 但易锈蚀 高温时易丧失强度 第八章第一节 第一节概述 三 分类1 按冶炼方法
3、分 空气转炉炼钢法 成本低 质量差氧气转炉炼钢法 质量较好 常用方法平炉炼钢法 质量好 成本较高 常用方法电炉炼钢法 质量最好 成本高 多用于冶炼合金钢 第八章第一节 第一节概述 三 分类2 按脱氧程度分 沸腾钢F 脱氧不充分 组织不致密 气泡多 化学成分偏析较严重 不均匀 质量较差 但成本低 产量高 故被广泛用于一般建筑工程 半镇静钢b镇静钢Z 脱氧充分 S含量低 组织致密 成分均匀 性能稳定 质量好 多用于重要结构 受冲击荷载结构或焊接结构 特殊镇静钢TZ 彻底脱氧 质量最好 适用于特别重要的结构工程 第八章第一节 第一节概述 三 分类3 按化学成分分 碳素钢 非合金钢 碳素钢的化学成分主
4、要是铁 其次是碳 故也称铁碳合金 含碳量为0 02 2 06 此外尚含极少量的Si Mn和微量的S P等元素 低碳钢 C0 6 第八章第一节 第一节概述 三 分类3 按化学成分分 2 合金钢在炼钢过程中 有意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 Si Mn V Ti Nb Al Cr等 低合金钢 合金元素总含量10 第八章第一节 第一节概述 三 分类4 按质量 有害杂质含量 分 普通钢 S 0 05 P 0 045 优质钢 S 0 035 P 0 035 高级优质钢A S 0 025 P 0 025 特级优质钢E S 0 015 P 0 025 第八章第一节 第一
5、节概述 三 分类5 按使用特性分 结构钢 包括碳素结构钢 优质碳素结构钢 低合金高强度结构钢 合金结构钢等 其中碳素结构钢 低合金高强度结构钢是制作建筑钢材的常用品种 工具钢 一般含碳量高 硬度高 便于热处理 主要用于制作钻头 刀具 磨具 钢钎等工具 特殊性能钢专门用途钢 有耐候钢NH 高耐候钢GNH或GNHL 桥梁用钢q 压力容器用钢R 低温压力容器用钢DR 铁道用钢 船舶用钢等 第八章第一节 第一节概述 三 分类6 按加工工艺分 压钢 用热轧 冷轧 冷拔等工艺制得的各种钢材 工程中应用最广泛 锻钢 经捶打或锻压成型的钢材 锻打工艺可改善钢材组织结构 提高质量 用于重要结构 铸钢 用钢液直接
6、浇注成型的钢材 其化学成分可调节 机械性能高 但铸钢件必须进行热处理 消除内应力 第八章第一节 第一节概述 水压机 第八章第一节 1962年 上海江南造船厂制造的1 2万吨压力的自由锻造水压机 是我国第一台万吨级水压机 2006年12月30日 由中国一重自行设计制造的世界上吨位最大 技术最先进的15000吨重型自由锻造水压机试车成功 2008年2月21日 由中国二重自主设计制造安装调试的目前世界最大自由锻160MN水压机 进入试生产 到10月13日 成功锻制重量达到340t的超大型支承辊和直径达到5860mm的超大型滚圈 这台世界最大水压机不仅能够锻制600t超大型钢锭 而且锻件最大直径可达6
7、500mm 投产后将能实现MkW核电低压转子锻件 重型核电容器锻件 超大型支承辊及其他大型锻件的国产化 极大提升我国重型装备制造业的制造能力 从而在国民经济建设和国防建设中发挥重要作用 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能1 抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质 其技术指标为屈服点 抗拉强度和伸长率 第八章第二节 低碳钢 软钢 的应力 应变 图 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能1 抗拉性能抗拉性能的技术指标由拉力试验测定 曲线可分为四阶段 弹性阶段OB 屈服阶段BC 强化阶段CD 颈缩阶段DE 各阶段对应的应力指标如下 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能1 抗拉
8、性能屈服强度 s当拉伸进入塑性变形的屈服阶段BC时 称屈服下限C下所对应的应力值为屈服强度或屈服点 记做 s 设计时一般以 s作为强度取值的依据 对屈服现象不明显的钢材 规定以0 2 残余变形时的应力作为屈服强度 记作 0 2 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能1 抗拉性能极限强度 b最高点 的应力值称为抗拉极限强度或强度 记作用 b 屈强比 s b设计中极限强度虽然不能利用 屈强比愈小 反映钢材受力超过屈服点后的可靠性愈大 安全性愈高 但屈强比太小 则说明钢材不能被有效利用 浪费较多 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能1 抗拉性能伸长率 试件拉断后 标距部
9、分的伸长量 L 与原始标距L0的比值称为伸长率 伸长率表征了钢材的塑性变形能力 由于在塑性变形时颈缩处的伸长量较大 故试件越短 则计算出的 越大 即 5应大于 10 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能2 硬度硬度指材料抵抗外物压入其表面 产生塑性变形的能力 硬度指标及反映了钢材的软硬程度 又可估算钢材的强度 还可检验钢材热处理效果 一般情况下 硬度越高 强度越高 耐磨性越好 但脆性越大 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能2 硬度常用的硬度测定方法有两种 布氏法的测定原理是利用直径为D mm 的淬火钢球或合金球 以P N 的荷载将其压入试件表面 经规定的持续时
10、间后卸除荷载 得到直径为d mm 的压痕 用荷除P以载压痕表面积F mm2 即为试件的布氏硬度值HB 无单位 洛氏法测定的原理与布氏法相似 但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值 洛氏法压痕很小 常用于判定工件的热处理效果 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能3 冲击韧性冲击韧性是指材料抵抗冲击荷载的能力 钢材的冲击韧性指标是通过夏比 V形缺口标准试件 试验确定的 冲击韧性akv表示单位面积上所吸收的冲击功 akv值愈大 冲击韧性愈好 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能3 冲击韧性钢材的冲击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 例如P S
11、含量较高 存在偏析 非金属杂物和加工中形成微裂纹等都会使冲击韧性显著降低 冲击韧性还与试验温度有关 冲击韧性随温度的降低而下降 当试验温度低于某值时 冲击韧性会突然大幅度下降 材料发生脆性断裂 这种脆性称为钢材的冷脆性 承受动荷载 负温的结构必须检验钢材的冲击韧性和冷脆性 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 一 力学性能4 耐疲劳性在反复荷载作用下 钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂 这种现象称为钢材的疲劳破坏 一般认为 钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的 因此 钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关 一般抗拉强度高 其疲劳极限也较高 由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的 故钢材的疲劳极限不仅与
12、其内部组织有关 也和表面质量有关 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 二 工艺性能1 可焊性指焊接后焊缝处的性质与母材性质的一致程度 焊接过程中 由于高温和焊后的急速冷却 会使焊缝及附近的钢材发生组织构造变化 产生内应力 局部变形 变硬变脆 甚至产生微裂缝 降低了钢材质量 影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量 如含碳量超过0 3 可焊性显著下降 杂质及其他元素增加 可焊性下降 特别是硫S 会使焊缝处产生硬脆及热裂纹 称热脆性 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 二 工艺性能2 冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力 试件按规定的弯曲角和弯心直径进行冷弯试验 试件弯曲处的外表面无裂
13、断 裂缝或起层现象 即认为冷弯性能合格 钢材中C P含量较高或曾经经过不正常热处理 其冷弯性能往往不合格 第八章第二节 第二节力学性能与工艺性能 二 工艺性能2 冷弯性能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 冷弯试验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 能揭示焊件表面存在的未熔合 微裂纹和夹杂物等缺陷 第八章第二节 第
14、三节铁碳合金的晶体结构 一 纯铁的晶体组织纯铁的晶体组织是形成铁碳合金的基础 对钢铁性能有一定影响 随温度不同 纯铁的晶体组织有两种晶格形式 体心立方晶格 Fe 723 以下时 铁原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点 面心立方体晶格 Fe 910 1390 时 铁原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心 Fe比 Fe具有更好的塑性 第八章第三节 第三节铁碳合金的晶体结构 二 铁碳合金的晶体组织钢是铁碳合金晶体 晶体结构中各个原子是以金属键相结合的 这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础 铁和碳两种元素可以不同的形态存在 这种形态称为晶体组织 碳素钢在冷却过程中 其铁Fe和碳C有三种结合形
15、式 固溶体 Fe中固溶着微量的C或其他元素化合物 Fe和C结合成化合物Fe3C机械混合物 固溶体和化合物的混合物 第八章第三节 第三节铁碳合金的晶体结构 二 铁碳合金的晶体组织三种形式的铁碳合金 在一定条件下能形成具有一定形态的聚合体 称为钢的金相组织 也称显微组织 钢的基本组织主要有以下几种 1 铁素体 固溶体钢材中的铁素体为C在 Fe中的固溶体 由于 Fe晶格的原子间隙小 溶碳能力较差 故铁素体含C量很少 小于0 02 因此铁素体的塑性 韧性很好 但强度 硬度很低 第八章第三节 第三节铁碳合金的晶体结构 二 铁碳合金的晶体组织2 奥氏体 固溶体奥氏体为C在 Fe中的固溶体 Fe溶碳能力较强
16、 高温时含碳量可达2 06 低温时也有0 8 奥氏体的强度 硬度较高 塑性 韧性好 在高温下易于轧制成型 3 渗碳体 化合物含C量高达6 67 晶体结构复杂 塑性差 性硬脆 抗拉强度低 但耐磨性好 第八章第三节 第三节铁碳合金的晶体结构 二 铁碳合金的晶体组织4 珠光体 机械混合物珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物 含C量0 8 较低 通常为层状结构 性能介于铁素体和渗碳体之间 塑性较好 强度 硬度较高 5 莱氏体 机械混合物当温度高于723 时 莱氏体是奥氏体与渗碳体的机械混合物 当温度低于723 时 莱氏体是珠光体与渗碳体的机械混合物 含C量4 3 性能介于珠光体和渗碳体之间 第八章第三节 第四节化学元素的影响 一 碳C碳是钢材中的重要元素 以固溶物 化合物 机械混合物形式存在 建筑钢材一般含碳量不大于0 8 在此范围内 随着含碳量的提高 强度和硬度提高 而塑性和韧性则降低 大于0 8 时 硬度继续提高 塑性和韧性继续降低 但强度则变为降低 碳还可显著降低钢材的可焊性 增加钢的冷脆性和时效敏感性 降低抗大气锈蚀性 第八章第四节 第四节化学元素的影响 二 硅Si以固溶形式存在 硅起着
