建材 第8章 建筑钢材课件

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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

2、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%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

3、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：

4、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）

5、分： 普通钢：S0.05%，P0.045% 优质钢： S0.035%，P0.035% 高级优质钢A：S0.025%，P0.025% 特级优质钢E：S0.015%，P0.025%,第八章 第一节,第一节 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

6、。,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2

7、1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6500mm，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

8、）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

9、 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

10、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

11、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、

12、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

13、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

14、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-F

15、e：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：9101390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

16、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，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