《土木工程材料 教学课件 ppt 作者 周爱军第7章 建筑钢材 第7章 建筑钢材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土木工程材料 教学课件 ppt 作者 周爱军第7章 建筑钢材 第7章 建筑钢材（96页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 建筑钢材,土木工程材料,本 节 内 容,【本章内容导读】,讲述内容,本章主要讲述建筑钢材的冶练与分类、钢材的主要技术性能、钢材的冷加工与热处理、钢材的品种与选用及腐蚀与防止；重点讲述建筑钢材的主要技术性能及钢材的冷加工与热处理，讲述钢材的化学成分及其对钢材性能的影响 。,学习重点 和要求,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。要求学生重点掌握建筑钢材的主要技术性能，熟悉钢材的冷加工及热处理工艺。建议学生在弄清钢材分类的同时，对其主要技术性能做全面的掌握，并熟悉各种钢材在工程上的应用范围和选用原则 。,建筑钢材是现代土木工程
2、中重要的结构材料，包括钢结构用钢材（如钢板、型钢、钢管等）和钢筋混凝土用钢材（如钢筋、钢丝等） 。土木工程所用的钢材产品一般分为 ： 型材 板材 线材 管材,易锈蚀 维护费用大 耐火性差,钢材的特点,强度高 塑性和韧性好 可焊接和铆接 能承受冲击和振动荷载,优点,缺点,目前钢结构主要用于桥梁、大跨结构、高层建筑、厂房、塔桅结构、 板壳结构、海洋平台和一些轻型结构等,钢材的主要化学成分：,不可避免的元素：Si、Mn、P、S、N 专门加入的合金元素： Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素,铁：主要元素 碳：0.02%2.06% 其他元素：,7.1 钢材的冶炼与分类,7.1.1 钢材的冶炼,焦
3、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,钢材的冶炼过程示意图,常用的钢材冶炼方法,1氧气转炉炼钢法 2平炉炼钢法 3电炉炼钢法,冶炼方法的特点和应用,1.按化学成分分类,低碳钢： 0.6%,（1）碳素钢 （碳钢）,（2）合金钢 专门加入一定量的合金元素,按合金元素总含量分：,低合金钢： 10%,按含碳量分：,7.1.2 钢材的分类,2.按有害杂质含量分类,普通钢： 0.050%，0.045% 优质钢： 0.035%，0.035% 高级优质钢：0.025%，0.025%， 牌号后加“高”或“A” 特级优质钢：0.015%，0.015%， 牌号后加“E”,含
4、硫量 含磷量,3.按冶炼时脱氧程度分,沸腾钢：脱氧不充分，硫、磷等杂质偏析 较严重，代号“F” 半镇静钢：介于F与Z之间，代号“b” 镇静钢：脱氧充分，同时去硫，代号“Z” 特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”,密致度,4.按用途分类,结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢） 工具钢：各种工具如刃具、模具、量具等。 （高碳钢） 特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性质，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢（多为高合金钢）,力学性质：抗拉、抗冲击、硬度、耐疲劳性 工艺性质（可加工性）：冷弯性能、可焊性,7.2 钢材的主要技术性能,1.抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。,7.2.1 力学性能,拉伸试件： 标准试件
5、： 按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。,非标准试件：不经过加工，直接在线材上切取的试件。,拉伸试验录像,低碳钢拉伸的应力应变图分四个阶段：,OA：弹性阶段 AB：屈服阶段 BC：强化阶段 CD：颈缩阶段,图7-1 低碳钢受拉的应力应变图,拉伸性能指标： 屈服点、抗拉强度、伸长率、断面收缩率。,Fs 屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力),N； Ao 钢材的原始截面积，mm2。,（1）屈服强度（屈服点）,上屈服点（B上）：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服点（B下）：不计初始瞬时效应的最小应力， 即屈服点。,屈服强度是指钢材开始丧失对变形的抵抗能力,并开始产生大量变形。 意义 是弹性变
6、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 钢结构的强度设计值一般都取用屈服强度,屈服强度,（2）抗拉强度：钢材所能承受的最大拉应力。,Fb最大拉力，N。 试验时，一般以钢材出现颈缩为准。,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,颈缩,屈强比,屈强比：屈服强度与抗拉强度的比值。 反应钢材的利用率和结构的安全可靠程度。屈强比越小，结构的可靠性越高，但太小，则钢材强度的有效利用率太低。 一般情况下，建筑结构钢合理的屈强比为0.600.75。Q235钢的屈强比为
7、0.580.63；普通低碳钢的屈强比为0.650.75 。,（3）伸长率：塑性指标。,伸长率的意义：，伸长率越大，钢材塑性越好 ，可避免结构过早破坏； 加工性增强，安全性增强。 值分为：5表示L0=5d0 d0钢材直径 10L0=10d0,Lo试件原始标距长度，mm ； L1试件拉断后标距间的长度（mm） 。,510,中、高碳钢受拉应力-应变图,O,0.20%,硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。 条件屈服点0.2 ：使硬钢产生0.2%残余变形时的应力值。,中碳钢和高碳钢受拉的应力应变曲线,2.冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力
8、。 试验方法：,用摆锤打击有槽口的标准试件，直到试件破坏,图7-4 冲击韧性试验示意图,指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功，记作k, k值愈大，钢材的冲击韧性愈好。,图7-5 钢材的脆性转变温度,影响冲击韧性的因素,硫、磷含量高，脱氧不完全，存在化学偏析，含非金属夹杂物及焊接形成裂纹，均会降低冲击韧性。 冲击韧性随温度降低而下降，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为临界温度。 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。,3. 耐疲劳性,疲劳破坏：钢材在交变荷载反复作用下，常常在远低于抗拉强度的情况下而突然破坏 。,一般由拉应力引
9、起，危害极大。,疲劳破坏指标用疲劳强度来表示。它是指试件在多次反复交变荷载的作用下，不发生疲劳破坏时的最大应力。疲劳强度是表明钢材耐疲劳性的指标。通常取交变应力循环次数N=107。,钢材疲劳曲线示意图,4. 硬度,硬度是在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。相应的硬度试验指标为布氏硬度和洛氏硬度。,D,P,d,试件,较常用的方法是布氏法。,布氏硬度HB:,7.2.2 工艺性能,1冷弯性能,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是土木工程用钢的重要工艺性质。 将直径（或厚度）为a的试件，置于冷弯机上，采用标准规定的弯心内径d（d=na，n
10、为自然数），弯曲到规定的角度（180或90）时，检查弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，则认为冷弯性能合格 以试件的弯曲角度和弯心直径为指标。,冷弯试验录像,钢材冷弯试验示意图,弯心直径,弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（直径）比值d/ a越小，则表示钢材的冷弯性能越好。,冷弯检验的意义： l 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。 l 它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。
11、 l 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，能揭示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物 。,2焊接性能,钢材的可焊性是指钢材焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。,焊接结构质量取决于焊接工艺、焊接材料及钢材本身的焊接性能。 可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。,7.3 钢材的化学成分及其对性能的影响,1碳 C 0.8%： C强度、硬度提高，塑性韧性下降 C1%: C 强度降低 C 0.3%：可焊性显著降低 含碳量过高，还会增加冷脆性和时效敏感性，使钢的耐大气锈蚀能力下降
12、。,2硅 Si是主要合金因素，其含量在1以内，会提高强度，对塑性和韧性没有明显影响。但超过1时，冷脆性增加，可焊性降低。,3锰 Mn为主要合金因素，含量一般在12，锰能消除钢的热脆性，改善热加工性能，同时提高强度和硬度。,4磷 P为有害因素。从炼铁的原料中带来的，使塑性和韧性下降，特别是低温下的冲击韧性显著下降，具有冷脆性。并是可焊性降低。但可提高钢材的耐磨性和耐蚀性。 建筑用钢一般要求含磷量小于0.045。,5硫 S是极其有害的元素，是从炼铁原料中带入，易使钢材在热加工或焊接时形成裂纹，引起钢材断裂，具有热脆性。 建筑用钢一般要求含硫量小于0.050。,6氮 N对钢材的影响与C、P相似，使钢
13、材的强度提高，塑性、韧性降低，可焊性变差、冷脆性加剧。,7氧 O为有害因素。以氧化亚铁残留，使钢材的纵向和横向的力学性能降低，焊接和冷弯性能变坏，热脆性加大，疲劳强度降低，时效敏感性加大。 建筑用钢一般要求含氧量小于0.03。,8钛、钒、铌 强脱氧剂。适量加入钢内，可改善钢的组织、细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。,常见的冷加工方式：冷拉、冷拔,7.4 钢材的冷加工及热处理,7.4.1 钢材的冷加工,将钢材在常温下进行冷加工（如冷拉、冷拔或冷轧），使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，但钢材的塑性、韧性及弹性模量则会降低，这个过程称为冷加工强化处理,1.冷 拉 冷拉是将钢筋拉至应力-应变曲线的强
14、化阶段 内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，当再度加载时， 其屈服点将有所提高，塑性变形能力将有所降低。 钢筋经冷拉后， 一般屈服点可 提高20%25%。,2.冷拔 是将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。,拉拔模孔,钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用 。 如：经过一次或多次的冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，屈服点可提高40%60%，塑性大大降低，具有硬钢的性质 。,7.4.2 钢材的时效,时效：自然时效和人工时效两种。 将经过冷拉的钢材，于常温下存放15d20d，或加热到100200并保持2h3h后，则钢材强度将进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。 一般
15、建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强度。,7.4.3 钢材的热处理,1淬火 2回火 3退火 4正火,7.5.1 土木工程常用钢种 1普通碳素结构钢 （1）牌号及表示方法 表示按顺序：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、 质量等级符号（有A、B、C、D 4级，逐级提高）和脱氧方法（F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢。 牌号表示时Z、TZ可省略）。 例如：Q235AF 表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。,7.5 钢材的品种与选用,国家标准GB 700-2006碳素结构钢规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母
16、、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa和275 MPa四种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号（ A、B、C、D 4级，逐级提高）表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。,（2）碳素结构钢的技术要求,碳素结构钢的化学成分、力学性能及冷弯性能应分别符合表7-1、表7-2、表7-3的规定。,表7-1 碳素结构钢的化学成分（GB/T 700-2006）,表7-2 碳素结构钢的力学性能（GB/T 700-2006）,牌
