土木工程材料-建筑钢材课件

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1、第七章,建筑钢材,基本要求7.1 概述7.2 基本知识7.3 技术性质 7.4 冷加工和时效7.5 技术标准及选用,目 录,基 本 要 求,本章学时讲课3实验0.5 主要内容 建筑钢材的特点、分类及应用 建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能,建筑钢材的冷加工及时效强化常用建筑钢材的标准及选用 重点 建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能 常用建筑钢材的标准及选用,Back,基 本 要 求,7.1 概 述,定义 分类 特点 应用 意义,Back,指用于工程建设的各种钢材，包括： 型钢 钢板 钢丝 钢筋,定义,Back,概 述,分类,金属材料,有色金属,黑色金属,铜、铝及合金,钢 结 构,钢 筋

2、,生铁 (c2.06%),按化学成分可分为: 黑色金属和有色金属,Back,优点 比强度高 塑性好、韧性好 能承受冲击和振动荷载 加工性好,特点,缺点 易锈蚀 维护费用大,Back,建筑钢材可用于: 大跨度结构 多层及高层结构 受动荷载作用的工业厂房,应用,钢桥,Back,建筑钢材是建筑中常用的材料 钢材的品种多，性质差别大，为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的了解。 本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗拉性能）、技术标准和选用。,意义,Back,7.2 基本知识,钢材的冶炼过程及其对钢材质量的影响 冶炼原理 炉种的影响 分类 按化学成份分 按质量分 按结构用

3、途分,Back,将熔融的生铁水或焦炭及铁矿石加入炼钢炉中精炼，使炭及其它杂质氧化而挥发或变成氧化物进入渣内，降低炭及其它杂质的含量。,冶炼原理,钢材的冶炼过程 及其对钢材质量的影响,Back,过程,焦炭,铁矿石,生铁,高炉 熔融,生铁,精炼,氧化 还原,钢,铸锭,钢锭,建筑钢材,图7.2.1 钢材的冶炼过程,炉种的影响及氧化程度,炉种的影响及氧化程度见表7.2.1 和表7.2.2。,表7.2.1 炉种的影响,冶炼中为除去杂质而进行的氧化 部分铁不可避免的被氧化 使钢锭内生成许多气泡 降低了钢的质量 为了使 FeO 和 Fe2O3 还原为Fe, 在炼钢的后阶段必须脱氧。,脱氧程度的影响,表7.2

4、.2 脱氧程度及钢材质量,Back,碳素钢 低碳钢 C0.6% 合金钢 低合金钢 10%,按化学成分分类,分 类,表7.2.3 碳素结构钢的化学成分 （GB70088）,按质量分,普通钢 P0.045%,S0.055% 优质钢 P0.035-0.04%, S0.04% 高级优质钢 P0.025%,S0.025%,分 类,按结构用途分,结构钢 各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢 工具钢刀具、模具 特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢,Back,7.3 建筑钢材的技术性质,拉伸性能 低碳钢的应力应变图 强度 塑性 冲击韧性 冷弯性能,Back,工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中的钢材的基本性能有：,机

5、械性能 拉伸性能 冲击韧性 疲劳强度 工艺性能 冷弯性能 焊接性能,Back,拉伸性能录像,拉伸性能是建筑钢材的主要性能 钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力应变图来反映。 屈服强度 抗拉强度 伸长率,拉伸性能,低碳钢的应力应变图见 图7.3.1,弹性阶段 /=E p-弹性极限,屈服阶段 产生塑性变形 B上屈服点 B下屈服点 s屈服强度,强化阶段：内部组织变化，恢复部分强度 b-抗拉强度,颈缩阶段：过C点后，试件抵抗变形的能力下降，变形集中在某局部进行，产生颈缩破坏,0,图7.3.1 低碳钢的应力应变图,Back,定义屈服强度是指钢材开始丧失随变形的抵抗能力,并开始产生大量变形的能力。

6、意义 是弹性变形转变为塑性的转折点 当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材内部的应力自动分配至低应力部位 所以说，屈服点是确定钢结构容许应力值的依据,屈服强度,公式,屈服强度,s屈服强度 Fs屈服应力 Ao试件截面积,对屈服不明显的钢,规定以产生0.2%残余变形时的应力f02作为屈服强度02，见图7.2.3,图7.3.2 低碳钢的应力应变图,定义b 是指钢材能承受的最大拉应力. 意义 当外力大于抗拉强度时，钢材完全丧失对变形的抵抗能力而断裂 因此，在结构设计中不能应用,拉伸强度,定义 s/b反映了钢材的可利用率和安全性的大小 意义 屈强比对钢材的可利用率和安全性来说是重要的。(表7.3.

7、1, 图7.3.3) 合理屈强比： 碳素钢 0.580.63 低碳合金结构钢 0.650.75,屈强比（s/b）,图7.3.3 屈强比的意义,Back,表7.3.1 钢材的屈强比、可利用率及安全性之间的关系,指钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。,定义,塑 性,伸长率,指标和公式,n伸长率 L0the 原标点间距 L1 拉断后标点间距 n=5d or 10d d钢筋直径510,图7.3.4 伸长率的测定,断面收缩率,断面收缩率 A0原断面面积 A1拉断后断面面积,指标和公式,指标和公式,说明 伸长率是表示钢材塑性变形能力的重要指标 钢结构一般在弹性范围内工作 但在应力集中处，应力可能超

8、过屈服点,有一定的塑性变形 因此可以保持应力重新分布，从而避免结构破坏,Back,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力,定义,试验方法,用摆锤打击有槽口的标准试件，直到试件破坏 单位面积所消耗的功,Back,冲击韧性,Ak试件破坏时的冲击功 A试件槽口处截面积,公 式,Flash- 冲击韧性试验,冲击韧性,k 与温度有关 (图7.3.5) 温度较低时，发生脆性断裂的现象 发生脆性断裂时的温度为脆性断裂温度 温度较低时，冷脆性好,冷 脆 性,冲击韧性,图7.3.5 脆性断裂、韧性断裂及脆性临界温度范围,指钢材在常温下承受弯曲变形的能力 如果钢材承受弯曲变形的程度大，那么钢材的冷弯性好,定义,指标,

9、弯曲角度及弯心直径/（钢板厚度或直 径）(d/a),冷 弯 性 能,Back,试验,以规定的和d/a进行弯曲 检查受弯部位 如不裂纹、不起层或断裂，则为合格,冷弯性能录像,冷 弯 性 能,冷弯是通过弯曲处的塑性变形来实现的，因此它也是反映钢材在静荷载下塑性的一个指标。 在拉伸试验中，钢材试件的塑性变形则是局部不均匀变形.冷弯试验常常能反映钢材内部组织的均匀程度，存在内应力和夹杂物等缺陷 因此可以用冷弯性来检查钢材的质量，如焊接质量,说明,Back,冷 弯 性 能,将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称之为冷拉 钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度,冷拉,图7.3.6 冷拉示意图,

10、Back,冷 弯 性 能,将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉、而且受挤压以提高强度。每次冷拔断面缩小应为10%以下，可多次冷拔 在这个过程中，强度可提高40-60%，效果好与冷拉,冷拔,Back,冷 弯 性 能,7.4 建筑钢材的冷加工与时效,冷加工与时效的定义 冷加工与时效强化原理 冷加工与时效强化的意义,Back,冷加工 指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷轧处理 冷加工强化 钢材经冷加工后强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象 时效 经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效 可分为两类：分为自然时效和人工时效,Back,定义,时效 自然时效处理 经冷拉的钢材在

11、常温下存放15-20天 其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象 人工时效处理 经冷拉的钢材在加热至100-200，并保持一段时间 这将使时效加速,定义,时效敏感性 因时效而导致性能改变的程度大，导致塑性、韧性降低。 故动荷载重要结构，敏感性好。 说明 有些钢材即使没有经过冷加工处理，长时间过后也会出现时效，但不如冷加工后表现明显。,Back,定义,冷加工时效强化的原理 由于钢材在加工时产生塑性变形所至，当晶体在外力作用下，在弹性阶段金属原子偏离平衡位置产生的变形，在外里去除后可以恢复-弹性变形； 当外力继续增大，使晶格的歪曲程度超过弹性变形之后，晶格产生滑移，造成永久性变形。由于晶粒表面的畸变

12、及滑动平面的细小碎屑，使晶体在该平面上继续滑动产生困难，抵抗变形的能力增大，因而屈服极限及硬度提高。 由于塑性变形后钢材可能产生滑移的区域几乎均已滑动，因此塑性降低。,原 理,Back,时效强化的原理在高温下固溶在-Fe中的氮和氧的原子，在温度降低后溶解度下降，但未完全析出，在存放过程中逐渐析出并扩散到晶粒缺陷处，形成固体微粒，阻碍晶粒发生滑移，而提高了对塑性变形的抵抗能力。,原 理,未冷拉 屈服点 B,冷拉 屈服点: s 变大 塑性和韧性降低,时效 s, 变大塑性和韧性降低,图7.4.1 冷加工和时效强化示意图,建筑钢材的冷加工与时效,可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后

13、还可使抗拉强度提高。 可节约钢材20-30%。 对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感小的钢材。,意义,Back,7.5 建筑钢材的技术标准与选用,钢结构用钢材 碳素结构钢 低合金高强度结构钢 钢筋混凝土结构用钢材 热轧钢筋 冷轧带肋钢筋 冷拉低碳钢丝,Back,建筑钢材的技术标准与选用,建筑钢材包括： 型钢 钢管 钢板 钢丝 钢筋,常用的钢材品种为： 碳素钢与低合金钢二大类。,Back,钢结构用钢材,我国钢结构用的钢材主要有 碳素结构钢 低合金钢,碳素结构钢,指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧钢板、型钢等。 现行国

14、家标准为碳素结构钢（GB700-88）,Back,牌号及其表示方法如flash中所示 Q235-AF: 屈服强度是 235 MPa, A 级, 沸腾钢,钢结构用钢材,碳素结构钢的技术要求,技术要求包括： 化学成分 力学性质 冶炼方法 交货状态 表面质量,下面重点介绍前两个性质。,化学成分,各种不同牌号的碳素结构钢的化学成分应符合GB700-88的要求。,表 7.5.1碳素结构钢的化学成分（GB700-88）,碳素结构钢的拉伸和冲击试验指标应符合下表规定： 碳素结构钢的力学性能指标（GB700-88）,力学性能,冷弯试验,碳素结构钢的冷弯试验指标（GB700-88）,表 7.5.2 碳素结构钢的

15、力学性能 （GB70088）,Tab.7.5.3 碳素结构钢抗弯试验指标(GB700-88),各类牌号钢材的性能,牌号与性能的关系 根据国家标准GB700-88的规定，碳素结构钢按屈服点分为五个牌号 如表 7.5.1 和表 7.5.2所示，当牌号增大时，钢材的含碳量提高，伸长率降低，冷弯性能也降低。 质量等级：取决于钢材内有害杂质S、P的含量，钢材的质量与好，其焊接性能和低温抗冲击性能也提高。,各类牌号钢材的性能,碳素结构钢的选用 建筑钢结构中最常用的牌号为Q235(综合性能符合建筑工程的要求)。 因为Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能满足一般

16、钢结构用钢的要求。 Q235的C级和D级钢，其S和P的含量低，所以主要作重要的焊接结构。 尤其适用于低温条件下，受冲击荷载作用的焊接钢结构。,各类牌号钢材的性能,碳素结构钢的选用 Q195及Q215：强度低，但塑性和韧性好，易冷加工，在轧制、焊接加工成受冲击、偶然荷载等情况下，能保证安全使用。 Q255及Q275：强度高，但塑性和韧性差，可焊接差，不易冷加工；可用作砼配筋和钢结构中的构件及螺栓（在机械零件及工具中常用之）。 选用钢材，主要根据工程结构的重要性、荷载类型、焊接要求及使用环境温度等条件选择。,Back,定义 在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的结构钢。 常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。 牌号及其表示方法 现行国家标准低合金结构钢（GB1591-94）共有5个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。,