土木工程材料第11章建筑钢材课件

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1、建筑钢材,土木工程材料,建筑工程学院 刘 静,2,教学目标,通过本章的学习，（1）了解铁和钢的概念、钢的分类、钢的冶炼加工及其对钢质量的影响；（2）掌握建筑钢材的主要技术性质（力学性质、工艺性能）及其对钢材性能的影响；（3）掌握主要建筑钢材的性质及应用；（4）了解钢的锈蚀、钢材防锈的要点。,本章内容,11.1 建筑钢材基本知识 11.1.1 建筑钢材概述 11.1.2 钢的冶炼加工及其对钢 材质量的影响 11.1.3 钢的分类 11.1.4 钢材的加工 11.2建筑钢材的主要技术性能 11.2.1 力学性能 11.2.2 工艺性能 11.3 建筑钢材的技术标准及应用 11.3.1 碳素结构钢1

2、1.3.2 优质碳素结构钢 11.3.3 低合金高强度结构钢 11.4 常用建筑钢材,3,11.1.1 概述,定义：建筑钢材主要是指用于钢结构中各种型材（如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等）、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。,性能及应用：建筑钢材有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载，易于加工和装配，可以焊接或者铆接，便于装配广泛应用于建筑工程中。 缺点：易锈蚀，耐火性差。,11.1 建筑钢材基本知识,4,5,6,7,11.1.2 钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响,冶炼原理：将生铁在1700左右熔融，进行氧化，使碳的含量降低到一定的限度，同时把其他杂质含量

3、降低到允许范围内。,碳素钢含碳量在0.02%2.06%，含有害杂质较少的铁碳合金。,生铁硬而脆，无塑性和韧性，不能进行焊接、锻造、轧制等加工，在建筑中很少应用。,炼钢方法：大规模的炼钢方法主要有转炉法、平炉炼钢法和电弧炼钢法三种。 钢材交货时，必须对所用炉种以规定的代号做出标志，脱氧状态也是钢质标志的内容之一。,8,9,10,顶吹氧气转炉,11,11.1.3 钢的分类,按化学成分分类碳素钢：低碳钢：含碳量 0.60合金钢：低合金钢：合金元素总含量 10 按质量（杂质含量）分类 普通钢：含硫量0.0550.065；含磷量0.045 优质钢：含硫量0.03 0.045；含磷量0.035 高级优质钢

4、：含硫量0.02 0.03；含磷量0.027 按用途分类 结构钢：建筑工程用结构钢、机械制造用结构钢 工具钢：用于制作道具、量具、模具等 特殊钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等 建筑工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。,12,根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为:沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,脱氧程度不同的三种钢锭的比较,13,建筑钢材的产品一般分为型材、板材、线材和管材等几类。型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、轨道钢等。线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢铰线等。板材包括用于水利水电工程金属结构、房屋、桥梁及建筑机械的中厚钢板；用于屋面、墙面、楼板

5、等的薄钢板。管材主要用于钢桁架和供水、供气（汽）管线等。,14,11.1.4 钢材的加工,冶炼生产的钢，除极少量直接用作铸件外，绝大部分都是先浇铸成钢锭，然后再加工制成各种钢材。 将钢锭加热到11501300后进行热轧，所得的产品为热轧钢材。将钢锭先热轧，经冷却至室温后再进行冷轧的产品为冷轧钢材。一般建筑钢材以热轧为主。钢管是用钢板加工焊制而成的。无缝钢管是对实心钢坯进行穿孔，经热轧、挤压、冷轧、冷拔等工艺而制得。,15,钢材热轧具有良好的塑性，容易成型。成型后钢材没有内应力，便于工序加工。如建筑用的钢筋，用来进行冲压的钢板，要进行机械加工和热处理的钢材。 钢材冷轧具有冷加工硬化的特性，由于冷

6、轧具有较好的机械性能，很多直接使用的钢材都使用冷轧钢材。如冷轧钢丝，冷轧钢板，冷轧扭钢筋。,16,17,18,19,20,21,22,以下为沸腾钢（A）与镇静钢（B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。,观察与讨论,讨论,(B)镇静钢,(A)沸腾钢,(A)沸腾钢,23,讨论：,从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般地建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气泡产生,

7、是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载地重要结构。此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量较好。,24,某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。,案例分析,分析答案,钢结构屋架坍塌,钢结构屋架,25,分析：,首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中

8、的低合金高强度结构钢。,26,11.2 建筑钢材的主要技术性能,11.2.1.1 抗拉性能 拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。从低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。 通过对钢材进行抗拉试验所测得的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标。,11.2.1 建筑钢材的力学性能,式中 材料的应变; 材料的应力; E材料的弹性模量,应力与应变,27,1.应力 2.应变,A,建筑钢材的抗拉性能,28,建筑钢材的抗拉性能,一、弹性阶段OA 一条通过原点 的直线，应力与应变成正比。 弹性 弹性模量 E值的大小反映了

9、钢材抵抗 弹性变形的能力。 A点对应 的应力。,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,E1 E2,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,弹性极限,29,建筑钢材的抗拉性能,二、屈服阶段AB 一条波动的曲 线，应力增加很小，而应变增加 很大。 所能承受的拉 力增加很小，而塑性变形迅速 增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点） 点对应的应力。,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,O,A,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,屈服。,30,三、强化阶段BC 一段上升的曲线。 抵抗塑性变形的能力又重新 提高 抗拉强度,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,O,A,低碳钢受拉的应力应

10、变图,A,C,D,B,C点对应的应力。,建筑钢材的抗拉性能,强化。,31,四、颈缩阶段CD 一段下降的曲线。 变形迅速发展，在有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。 伸长率：,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,建筑钢材的抗拉性能,计算的指标：,颈缩,32,三个重要的指标 1.屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据 2.抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率 ，安全可靠程度 3.伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好,O,A,A,C,D,B,33,钢材的e和s越高，表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力

11、就越大。e与b差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，结构的安全性高。 屈强比（s/b） 钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。它也代表了钢材强度储备的大小，屈强比越大，结构零件的可靠性越低；屈强比越小，强度储备大，可靠性高，但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低。一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75,合金结构钢为0.84-0.86。,34,伸长率 指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比，伸长率按试棒长度的不同分为：试棒的标距等于5倍直径，短试棒求得的伸长率，代号为5；试棒的标距等于10倍直径，长试棒求得的伸

12、长率，代号为10，。 伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力,式中 试件的伸长率，%； 拉伸前的标距长度，mm； 拉断后的标距长度，mm。,35,断面收缩率 塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永久变形的能力。以表示 。 断面收缩率是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最大缩减量占横截面的百分率。 在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。,36,11.2.2.2 冲击韧性,钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。 冲击韧性实验当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消耗的功k 来表示。

13、,钢材的冲击韧性试验,k值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低。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。,37,钢的化学成分; 例：S、P冲击韧性 冶炼及轧制质量 质量冲击韧性 温度 温度，冲击韧性,ak,影响冲击韧性的因素,38,11.2.2.3 疲劳强度,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性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。 钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，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。 疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，

14、所以危害极大，往往造成灾难性的事故。,钢材疲劳曲线示意图,39,硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。 方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。,定义,测定方法,11.2.2.4 钢材的硬度,40,讨论与分析,材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。,41,冷弯性能 定义：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度和 弯心直径d为指标表示。 检验：按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或漆层，即认为冷弯性能合格。,11.2.2 建筑钢材的工艺性能,钢材的冷弯,42,焊接性能,焊接：把两

15、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。 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。 影响因素：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。 选择：焊接结构用钢，选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对高碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。,43,11.2.3 影响钢材性能的主要因素 11.2.3.1 化学成分 （1）有益元素 1）碳（C）。碳是形成钢材强度的主要成分，是钢材中除铁以外最主要的元素。含碳量高，则钢材强度高，但同时钢材的塑

16、性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。因此，建筑钢材对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22，在焊接结构中还应低于0.20。 2）硅（Si）。硅是强脱氧剂，是制作镇静钢的必要元素。硅适量时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。在碳素镇静钢中硅的含量为0.120.3，在低合金钢中为0.20.55。过量时会恶化钢材的可焊性及抗锈蚀性。 3）锰（Mn）。锰是有益元素，它能显著提高钢材的强度而不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。同时还可以消除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向。锰是低合金钢中的主要合金元素，含量一般为1.21.6，过量时会降低钢材的可焊性。 4）钒（V）。钒是钢中合金元素，能提高钢材的强度和抗锈蚀性，又不显著降低塑性。,4