土木工程材料PPT课件 第2章建筑钢材

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1、第2章 建筑钢材 金属材料 黑色金属：铁、钢材等 有色金属：铝、铜、铅锌及其合金等 2 第2章 建筑钢材 2.1 钢材的分类与结构 2.2 建筑钢材的技术性质 2.3 建筑钢材的冷加工与热处理 2.4 钢材的锈蚀与防护 2.5 土木工程常用钢材 3 钢材的化学成分： 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： 2.1 钢材的分类与结构 4 2.1.1 钢材的分类 低碳钢： 0.6% 1) 钢按化学成分分类 （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

2、含量分： 低合金钢： 10% 按含碳量分： 5 2）按主要质量等级（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” 含硫量 含磷量 高 低 6 3）按冶炼时脱氧程度分 沸腾钢：脱氧不充分，代号“F” 半镇静钢：介于F与Z之间，代号“b” 镇静钢：脱氧充分，代号“Z” 特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ” 4）按用途分类 结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢） 混凝土结构用钢 :钢筋、钢丝、钢绞线 致密度 高 低 7 q2.1.2

3、 钢材的组织构造 q碳素结构钢 ：在强度较低而塑性较好的纯铁中加适 q 量的碳来提高强度的。 q合金结构钢：在碳素结构钢的基础上，添加适量的合 q 金元素，来改善钢材的性能。 q铁素体：碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体 q 钢的主要成分。99%。 q渗碳体 ：铁和碳的化合物 q珠光体 ：铁素体与渗碳体的机械混和。 8 2.2 建筑钢材的技术性质 力学性质：强度、弹性、塑性、韧性、硬度、 工艺性质（可加工性）：冷弯性能、可焊性 9 2.2.1 建筑钢材的物理力学性质 1）抗拉性能是建筑钢钢材最重要的力学性能。 10 拉伸过程分四个阶段： OA：弹性阶段 测定弹性模量； AB：屈服阶段 测定屈服强

4、度 BC：强化阶段 测定抗拉强度。 CD：颈缩阶段 测定伸长率 11 拉伸性能指标： 屈服强度、抗拉强度、伸长率 Fs 屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力),N； A 钢材的原始截面积，mm2。 （1）屈服强度（屈服点） 结构设计时取值依据。 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。 12 有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等 硬钢），应采用产生残余变形为0.2%原标距长度 时的应力作为屈服点（称条件屈服点）。 注 意 硬钢应力-应变图 记为0.2 13 （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，

5、一般以钢材出现颈缩为准。 屈强比一般为0.60-0.75 可靠性参数 注意：屈强比(强屈比)的概念 屈强比= 值越小,可靠性越高,安全性越高, 但利用率降低，浪费增大。 14 （3）伸长率：塑性指标。 意义： 值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏； 加工性增强，安全性增强。 值有两种：5表示L0=5d0 d0钢材直径 10L0=10d0 Lo试件原始标距长度，mm ； L1试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。 15 2)冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力。 试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验。 冲击韧性试验原理图 指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作k,J/cm2。 k值愈大

6、，钢材的冲击韧性愈好。 韧性与成分、缺陷，加 工工艺，试验温度有关 16 3）冷弯性能常温下承受弯曲变形的能力 冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90、180） 判定指标：角度越大，d/a越小；抗弯性能越好。 标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层， 认为冷弯性能合格。 装好的试件 弯曲180 弯曲90 17 冷弯试验意义： 1.能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材 是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。 2.也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能 揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物 等缺陷。 18 q 4) 硬度 q表面抵抗外物压入产生塑性变形的能力 q试验方法：布氏

7、硬度、洛氏硬度 D球体直径，mm q P规定荷载，N q d压痕直径，mm q F被试金属表面 q 压痕面积，mm2 q布氏硬度压痕单位球体面积上所承受的荷载大小,MPa 。 布氏硬度试验原理图 19 5）焊接性能 焊接要求： 焊接处（焊缝及其附近过热区） 不产生裂缝及硬脆倾向。 硬脆倾向小，不易形成裂纹，气孔、加渣 等缺陷。焊接处性能与母材一致,即力学性 能、工艺性能应合格，特别是强度不低于 原钢材强度。(拉伸试验、冷弯试验) 影响因素：碳、合金元素及杂质元素越多，可焊性越小。 焊接方式：电弧焊 接触对焊 20 碳：炼钢氧化过程中生成，主要以渗碳体Fe3C存在。 2.2.2 化学成分对钢材性

8、质的影响 含碳量 强度、硬度 塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性 硅：脱氧剂，强度 可焊性、冷加工性 锰：脱氧、去硫，具有很强的脱氧、硫能力。 消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工 性质改善 。使强度提高 。 21 有 害 元 素 硫：以非金属硫化物夹杂物存在于钢中 。使 低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹， 可焊性。 磷：来自炼铁原料 强度 塑性和韧性 可焊性 氧：常以FeO的形式存在。 韧性 可焊性 22 氮：来自空气，影响与碳、磷相似。 钢的强度、硬度塑性、韧性、可焊性 钢中加入少量合金元素Al、Ti、Nb等,改善性能 铝、钛、钒、铌 ：强脱氧剂，强度 改善 韧性和可焊性 常用的合金元素。 2

9、3 2.3 建筑钢材的冷加工与热处理 良好的工艺性能可以保证钢材能够顺利地 通过各种处理而无损于制品的质量。 2.3.1 冷加工 指钢材在常温下进行的加工。 常见的冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、 刻痕等。 特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其 屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。 24 1.冷 拉 冷拉是将钢筋拉至应力-应变曲线的强化阶段 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%。 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 26 3.冷 轧 将圆钢在冷

10、轧机上轧成断面形状规则的钢筋。 27 4. 冷轧扭 对热轧圆盘条,经冷轧扁和冷扭转,制成冷轧扭钢筋。 要求： 28 冷加工的特点： 提高屈服强度，但塑性变形降低。 冷加工的目的： 经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构 设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约 钢材的目的。具有明显的经济效益。 注意：冷拔钢丝屈强比较大，相应的安全储备较小。 总 结 29 将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d， 或加热到100200，并保持一段时间， 这个过程称为时效处理。 自然时效 作用: 钢筋冷拉以后再经过时效 处理，其屈服点进一步提 高，抗拉强度也有提高， 塑性、韧性有所降低。 时效过程中应力

11、的消减， 弹性模量可基本恢复。 人工时效 2.3.2 时效(处理) 30 q2.3.3 热处理 q将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以获得需 q 要性能的一种工艺过程。 q1.退火 q加热（基本组织改变温度以下（低温退火）或以 q 上（完全退火） 保温 缓慢冷却 q结果：消除内应力，减少缺陷及晶格畸变，使钢的塑 q 性和韧性。 31 q2.正火 q加热（基本组织改变温度以上） 冷却（在空 q 气中） q结果：晶格细化，钢的强度 而塑性 q3.淬火 q加热（基本组织改变温度以上） 保温 急冷 （水或矿物油中） q结果：使晶粒细化，碳的固容量增加 q 强度和硬度 ，塑性和韧性 32 q4.回火 q

12、加热（基本组织改变温度以下（150 q 650） 保温 冷却（按一定速度） q 室温 q结果：内应力消除，硬度 塑性和韧性 33 2.4 钢材的锈蚀与防护 2.4.1 钢材的锈蚀 钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏， 称为钢材的锈蚀。 化学锈蚀 电化学锈蚀 钢材直接与周围介质发生化学反应产生 锈蚀,多数是由氧化作用在钢材表面形成 疏松氧化物。干燥环境缓慢，温湿度高， 发展迅速。 钢材本身组成和杂质的存在,在表面介质的 作用下,各成分电极电位不同,形成微电池， 铁元素失去了电子成为Fe2+进入介质溶液， 与溶液中的OH-离子结合生成Fe(OH)2。 34 锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松

13、的氧化物，使 钢结构断面减小，降低钢材的性能， 因而承载力降低。 35 三个方面：从改变钢材本身的易腐蚀性、隔离环境中的 侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程。 （1）采用耐候钢（耐大气腐蚀钢） 加入合金元素铬、 镍、钛、铜 （2）金属覆盖电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。 （3）非金属覆盖在钢材表面用非金属材料做为保护膜, 如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。 （4）混凝土用钢筋的防锈提高砼密实度； 钢筋砼保护层厚度； 限制使用含Cl-的外加剂； 钢筋涂覆环氧树脂或镀锌。 2.4.2 钢材的防护 36 q2）钢材的防火 q标准：以失去支持能力为标准 q 超过300以后，弹性模量、屈服点和极限抗压 q 强

14、度均开始显著下降，应变急剧增大，达到 q 600时已失去支撑能力。 q防火保护的基本原理 q采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢 q 结构的升温速率。 37 2.5 土木工程常用钢材 2.5.1 钢结构用钢 2.5.2 混凝土结构用钢 38 2.5.1 钢结构用钢 1）碳素结构钢一般结构钢和工程用热轧板、管、带、 型、棒材等 。 （1）碳素结构钢的牌号 表示按顺序：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、 质量等级（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235

15、MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。 39 q（2）技术要求 q依据屈服点Q的数值大小划分为四个牌号。 qQ195，Q215 , Q235, Q275 q化学成分及含量应符合表21的要求 q力学性能应符合表22的要求 q冷弯性能规定列于表23 40 （3）碳素结构钢的选用 1.碳素结构钢依牌号增大，含碳量和锰量 强度和硬度 塑性和韧性 冷弯性能 2.建筑工程中主要应用Q235号钢。 特点：具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性 及可加工等综合性能好,且冶炼方便,成本较低， 因此，广泛用于一般钢结构。 其中，C、D级可用在重要的焊接结构。 41 3.Q195

16、、Q215号钢材 特点：强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工， 可制作铆钉、钢筋等。 4.Q275号钢材 特点：强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于 钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。 5.受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构， 不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。 42 2）优质碳素结构钢 对有害杂质含量控制更严格（S0.035%，P0.035%） （1）牌号 三部分表示：含碳量、含锰量标著、脱氧程度代号。 前两位数字表示平均含碳量的万分数；有“含锰量标著 ” 指较高含锰量，无“含锰量标著”指普通含锰量；大部分为 镇静钢。如果是沸腾钢，则在数字后加注“F” 如：45Mn 表示平均含碳量为0.45%，较高含锰量的镇静钢。 15F 表示含碳量为0.15的沸腾钢。 43 （2）优质碳素结构钢的性能 含碳量高，强度、硬度高，但塑性、韧性低。 （3）优质碳素结构钢的选用 3045号钢：用于重要结构的钢铸件、高强度螺栓。 45号钢：用作预应力混凝土锚具。 6580号钢：用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。 44 3）低合金高强度结构钢 （1）低合金高强度钢的牌号 共有五个牌号，每