建筑材料课件第02-建筑钢材

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1、建筑钢材,（1） 概 述,（1）钢材的定义： 钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料； （2）钢材的优点以及缺点： 优点： （1）抗拉、抗压、抗冲击性能好； （2）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便； 缺点：易锈蚀；,切割,焊接,铆接,（2）建筑钢材,建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。 建筑钢材主要包括： 钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等）； 板材（如钢板等）； 混凝土用各种钢筋、钢丝和钢绞线等；,钢板,钢结构用各种型材示意图,扁钢,混凝土用各种钢筋,圆钢,混凝土用各种钢筋,螺纹钢,钢丝,钢

2、绞线,(4)、按化学成分分类,分类：（1）碳素钢；（2）合金钢 （1）碳素钢： 指含碳量小于2%的钢，一般又分为以下三种： 碳素钢分为：低碳钢、中碳钢、高碳钢 （2）合金钢： 为改善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或几种合金元素；如硅、锰和镍等； 合金钢分为低合金钢、中合金钢、高合金钢、中碳钢、高碳钢。,（5）、按主要质量等级分类,（1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢； （6）、 钢材按用途分为三大类： （1）结构钢：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢； （2）工具钢：用于各种切削工具的钢； （3）特种钢：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等；,

3、（7）、 建筑钢材按用途分类,1、钢结构用钢； 2、混凝土结构用钢； 总结：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢；,1、 钢材的分类,1、 钢材的分类,一、 钢的冶炼和分类,钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。 生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。 钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。,1、 钢的冶炼,1、 按冶炼方式分类,分类三大类:（1）转炉钢（2）平炉钢（3）电炉钢； （1）转炉钢： 以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入

4、高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢； 转炉钢的缺点： 吹炼时易混入空气中的氮、氢等杂质，故建筑中常用的是氧气转炉钢； 熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；,炼钢方法 氧气转炉,（2）平炉钢： 以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做平炉钢； 平炉钢的特点： 熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较转炉钢高；,1、 按冶炼方式分类,炼钢方法 平炉,速度慢、脱磷效果差、能耗高,（3）电炉钢： 用电热进行高温冶炼而得到的钢； 一般用高压电弧作为热源，故熔炼的温度高，且温度可以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最好； 电

5、炉钢的特点： 熔炼温度可自由调节，清除杂质彻底，因此质量最好，但成本最高；,（1）、 按冶炼方式分类,炼钢方法 电炉,2.钢的铸锭,（1）沸腾钢；（2）镇静钢；（3）半镇静钢 （1）沸腾钢的特点： 含杂质较多，质量较差，致密性差，但成本低； （2）镇静钢 镇静钢的特点： 结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量较好的钢种，但是产品率低，且成本较高； （3）半镇静钢： 半镇静钢的特点： 脱氧程度以及钢的质量介于沸腾钢和半镇静钢之间；,按脱氧的方式分类,3.压力加工和热处理,按压力加工方式分类 (1）热加工钢材： 是将钢锭加热到一定温度，使得钢锭成呈塑性状态进行的压力加工，如热轧、热锻 （2）冷加工钢

6、材： 指在常温下进行加工的钢材； 压力加工的目的：排掉冶炼、铸锭过程中钢材结构的不均匀、气泡等缺点；,热轧,热锻,钢材的冷加工,钢材的冷加工是指在常温下通过机械加工是钢材达到变形,拉直,除锈等效果的一种加工方式;从实际方法上,与热加工相对应，冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺，如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等。冷加工变形抗力大，在使金属成形的同时，可以利用加工硬化提高工件的硬度和强度。,钢筋冷拉加工,3.压力加工和热处理,热处理（P42) 热处理是按照一定的工艺对钢材进行加热、保温、冷却，以使钢材的性能按要求而改变的过程。 正火 退火 淬火 回火,2.2钢的晶体组织和化

7、学成分,（一）钢的晶体组织 （1）铁素体：是碳在-Fe中的固溶体。其晶格原子间空隙较小，溶入碳少，滑移面较多，晶格畸变小，所以受力时强度低而塑性好。抗拉强度约为250MPa，伸长率约为50%。 铁素体的显微组织,铁素体不锈钢,（2）渗碳体：是铁和碳组成的化合物（Fe3C）。含碳量6.67% ，晶体结构复杂，性质硬而脆，抗拉强度很低。,（3）珠光体：是铁素体和渗碳体的机械混合物。含碳量0.8% ，其强度较高，塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间。 建筑钢材的含碳量不大于0.8% ，其基本组织为铁素体和珠光体。含碳量增大时，珠光体的相对含量随之增大，铁素体则相应减小。因而，强度随之提高，但塑性和韧性则

8、相应下降。,（二）钢的化学成分对钢材性能的影响,1.碳 建筑钢材含碳量不大于0.8%。当碳含量提高，钢中的珠光体随之增多，故强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低。碳是显著降低钢材可焊性元素之一，含碳量超过0.3%时钢的可焊性显著降低。碳还增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。 2.硅 硅在钢中除少量呈非金属夹杂物外，大部分溶于铁素体中。当含量较低（小于1%）时， 可提高钢材的强度，对塑性和韧性影响不明显。硅是我国钢筋用钢材中的主加合金元素。,（二）钢的化学成分对钢材性能的影响,3.锰 锰溶于铁素体中。锰能消减硫和氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。锰溶于铁素体中使其强化，并

9、起到细化珠光体作用，使强度提高。锤是我国低合金结构钢的主加合金元素，含量一般在1%2%范围内。 4.磷 磷是碳钢中的有害杂质。主要溶于铁素体起强化作用。含量提高，钢材的强度提高， 塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大。磷在钢中的偏析倾向强烈，一般认为：磷的偏析富集，使铁素体品格严重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因。磷使钢材变脆的作用，使它显著降低钢材的可焊性。 磷可提高钢的耐磨性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。,钢的化学成分对钢材性能的影响,5.硫 硫是很有害的元素。呈非金属的硫化物夹杂物存在于钢中，降低各种力学性能。硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时

10、易于产生热裂纹，显著降低可焊性。硫亦有强烈的偏析作用，增加了危害性。 6.氧 氧是钢中的有害杂质，主要存在于非金属夹杂物内，少量溶于铁素体中。非金属夹杂物降低钢的力学性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。 7.氮 氮主要嵌溶于铁素体中，也可呈化合物形式存在。氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。 在建筑常用的低合金钢中，还常用钛、铌、矾等作为合金元素。,2.3钢材的力学与工艺性能,2.3.1拉伸性能 2.3.1.1 低碳钢的拉伸过程,（1） 、拉伸试验,低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段 弹性阶段（I）：测定弹性模

11、量； 屈服阶段（II）：测定屈服强度。 强化阶段（III）：测定抗拉强度。 颈缩阶段（IV）：测定伸长率。,钢筋的拉伸实验,2.3.1.2高碳钢的拉伸特点,无明显屈服阶段,钢筋的拉伸性能指标,(1)屈服强度和极限强度 2.1 2.2公式,钢筋的拉伸性能指标,伸长率：试件拉段后，标距长度的增量与原标距长度之比 ； 断面收缩率：是指断面口处的面积收缩量与原面积之比； 2.4公式 冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲的能力。冷弯曲实验一般是把钢材按规定的角度（90或180度）与n(n=弯心直径d/钢材的厚度或直径a)进行弯曲。,屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s值；

12、 屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度； 伸长率（）:表示钢材的塑性变形能力。 钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。,例：为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？,硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。 布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2

13、)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。 HB HV HR,2.3.2 硬度,图2.4 布氏硬度测定示意图,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载而不变形的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以k表示(J/cm2)。k值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图2.10)。 影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。,2.3.3冲击韧性,图2.3 冲击韧性试验图,(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机,1摆锤；2试件；3试验台；4刻度盘；5指针,冷脆性 时效 时效

14、敏感性,钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。（铁丝折断） 疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。,2.3.4 疲劳强度,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。 钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要

15、求愈高。如图2.14所示 钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。,2.3.5 冷弯性能,图2.14 钢材冷弯,(a)试样安装；(b)弯曲90；(c)弯曲180；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心,2.3.6可焊性,焊接后的力学性能（强度等）不受影响。 主要受化学成分及其含量的影响 焊前预热与热处理,铁轨焊前预热,焊前预热 （鸟巢工程图片）,焊前预热（电加热器系列 保温被）,四、钢材的强化和加工,2.4.2钢材的冷加工及时效强化 冷加工：指的是钢材在常温下进行的加工，常见的有冷拔、冷拉、冷轧，冷扭、刻痕等； 时效：钢材随着时间的延长，强度和硬度提高，而塑性、韧性下降的现象； 在冷加工状

16、态下，时效性特别明显。 分为自然时效和人工时效两种。 以钢筋的冷拉为例(图2.15)，图中OBCD为未经冷拉时的应力-应变曲线。 一般建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强度。,钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化,在建筑工地和混凝土预制厂，经常对比使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。,补充知识,钢筋冷拉后屈服强度可提高15%20%，冷拔后屈服强度可提高40%60%。 冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低。,冷加工在工程中的应用,冷拔模孔,2.4.2热处理,2.4.3金属强化的微观机理,金属材料的微观强化机理可以分为许多种。以钢铁材料为例，其强化机理可以分为： 1）弥散强化； 2）固溶强化； 3）