lecture12-建筑钢材.ppt

,第七章 土木工程用的钢材和铝合金,这是什么？ 它有什么用？ 它是用什么材料制成的？,关键点：钢铁制成的！,钢与铁的区别,钢与铁的区别,钢系由生铁再炼而行，有较高的机械强度和韧性，还具有耐热、耐腐蚀、耐磨等特殊性能。,2010年至2015年期间，全世界钢需求量的年增长速度为4.2%。国内市场对钢铁产品的需求将继续呈现适度、稳定增长态势,钢铁联合企业的生产工艺流程,钢铁冶炼技术的发展简史,海绵铁,液态生铁,钢铁分为二步冶炼法,炼钢方法的发展状况,海绵铁（固） 液态生铁 钢铁分为二步冶炼法 ,有平炉炼钢法 氧气转炉炼钢法 电弧炉炼钢法-利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉,现代主要炼钢方法,目前世界上最主要的炼钢方法是氧气转炉炼钢法（氧气顶吹转炉和氧气顶底复合吹炼转炉炼钢法,转炉示意图,平炉：1864年德国人西门氏和法国人马丁同时发明平炉（又称马丁炉），平炉炼钢法成为二十世纪前期的主要炼钢方法。,观看平炉结构录像,平炉结构示意图,电弧炉：1897年产生于德国。1899年，法国人海劳尔特发明了电弧炉。,现代钢铁生产工艺流程,钢铁材料的冶炼工艺流程图定义：钢铁材料的生产不是一步可以完成的，分为若干个阶段。各阶段过程间的联系及其所获得的产品（包括中间产物）间流动线路图就称为钢铁材料的冶炼工艺流程图。,氧气顶吹转炉炼钢方法简介,诞生的背景及简称 1856年，英国人贝塞麦发明了底吹酸性空气转转炉炼钢法。,将空气吹入铁水，使铁水中硅、锰、碳高速氧化，依靠这些元素氧化放出的热量将液体金属加热到能顺利地进行浇注所需的温度，从此开创了大规模炼钢的新时代。 早在1856年贝塞麦就提出利用纯氧炼钢的设想，由于当时工业制氧技术水平较低，成本太高，氧气炼钢未能实现。,二十世纪40年代初，制氧技术得到了迅速发展，给氧气炼钢提供了物质条件。1952年在林茨（Linz）城，1953年在多纳维茨（Donawltz）城先后建成了30t氧气顶吹转炉车间并投入生产，称为LD法。,由于氧气顶吹转炉反应速度快，生产率及热效率很高，可使用约2030的废钢以及便于自动化控制，又克服了空气吹炼时钢质量差、品种少的缺点，使它成为冶金史上发展最迅速的新技术。,各种精炼炉的炼钢效率 1- 碱性转炉炼钢法，2- 纯氧顶吹转炉炼钢法；3- 氧气侧吹转炉炼钢法，4- 平炉（氧气使用量1040Nm3t）， 5- 电炉，6- 平炉,与平炉、电炉炼钢法相比，氧气转炉炼钢法具有生产率高、钢中气体含量低、钢的质量好等特点。 顶吹氧气转炉炼钢法的小时产钢量为平炉炼钢法的68倍，是效率极高的炼钢方法。,各种炼钢法和气体含量,注： （a）吹氩法， （b）普通法； （c）矿石法,氧气转炉钢具有钢中气体含量少 的特点,氧气转炉炼钢法的特点,吹炼速度快，生产率高 品种多，质量好 原材料消耗少，热效率高，成本低 基建投资少，建设速度快 容易与连续铸钢相匹配,现代冶炼厂面貌,炼钢的任务,7.1 钢材的分类 钢材的化学成分,生产钢不可避免元素：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,7.1.1 分类 1.按化学成分分类,低碳钢：含碳量0.6%,（1）碳素钢 （碳钢）,（2）合成钢 专门加入合金元素,按合金元素含量分,低合金钢：合金元素总含量10%,2按杂质含量（品质）分类,普通钢：含硫量 0.050%，含磷量0.045% 优质钢：含硫量 0.035%，含磷量0.035% 高级优质钢：含硫量 0.025%，含磷量0.025%， 牌号后加“高”或“A” 特级优质钢：含硫量 0.015%，含磷量0.015%， 后加“E”,3.按冶炼时脱氧程度分,沸腾钢：脱氧不充分，代号“F” 镇静钢：脱氧充分，代号“2” 半镇静钢：脱氧程度介于“F”与“2”之间，代号“b” 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） 工具钢：各种工具（高碳钢） 特殊钢：不锈钢（具有各种特殊的物理化学性质）,7.1.2 钢材中的常存杂质,硫：来自矿石燃料，生成FeS，钢材加工时易裂缝，热脆性。 磷：来自矿石燃料，生成Fe3P，脆性很大。 耐磨性和耐腐蚀性 碳：炼钢氧化过程中存于缸中，害处大于益处，故归于有害元素。 锰：炼钢时脱氧、硫残留钢中，具有很强的脱氧、硫能力，大大改善 钢材加工性能。 硅：脱氧剂，较锰强。 两面性（界限：1）：硅很低时，强度增加；硅很高时，其他性能降低。 氧：与碳、磷相似。,有 害 元 素,P1,P2,(a),钢筋混凝土的一般概念和特点,概念： 由钢筋和混凝土结合在一起共同工作的材料，该材料可充分利用混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能。 特点： 与砖木结构相比强度高； 钢材用量少； 耐久性好； 耐火性好；,可模性好； 整体性好； 材料来源广泛,图1素混凝土和钢筋混凝土波怀情况对比,7.2 钢材的主要技术性能,力学性质：强度、弹性、塑性、耐磨性 工艺性质（可加工性）：冷弯、可焊性,软刚和硬刚钢筋的强度和变形性能主要由单向拉伸测得的应力 应变曲线来表征。试验表明，钢筋的拉伸应力 应变曲线可分为两类：有明显的流幅的钢筋（也称为软钢）见图1.2，没有明显流幅的钢筋（也称为硬钢）见图1.3。,比例极限 有明显流幅的钢筋应力 应变曲线，轴向拉伸时，在达到比例极限a点之前，材料处于弹性阶段，软钢应力与应变的比值为常数，即为钢筋的弹性模量Es ，a为应力应变成比例的极限状态，它所对应的应力称为比例极限。,a,b,c,d,e,屈服极限 当应力达到b点后，材料开始屈服，b点称屈服的上限点，过点后，应力与应变曲线出现上下波动，形成一个明显的屈服台阶，屈服台阶的下限c点所对应的应力称为“屈服强度。,力学性质钢筋的强度和变形,极限强度 当钢筋屈服塑流到一定程度，即到达点以后，应力 应变曲线又开始上升，抗拉能力有所提高，随着曲线上升到最高点d，相应的应力称为钢筋的极限强度，cd段称为钢筋的强化阶段。过了d点以后，钢筋在薄弱处的断面将显着缩小，发生局部颈缩现象，变形迅速增加，应力随之下降，直到e过点时试件被拉断 。,图2,0.85 b,b,0.2%,条件屈服强度（硬刚） 高碳钢与低碳钢不同，见图1.3，它没有明显的屈服台阶，塑性变形小，延伸率亦小，但极限强度高。通常用残余应变为0.2%的应力，约0.85b作为假想屈服点(或称条件屈服点)，用0.2表示， 0.85b 作为条件屈服强度。 b 极限抗拉强度值。,图3,屈服强度（屈服点） 上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服强度：不计初始瞬时效应时的最小强度，即屈服点,Fs 屈服阶段最小应力(首次回针所对应的力),N； Ao 钢材的截面积，mm2。,注意：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）,记为0.2或者P0.2。,抗拉强度：钢材所能承受的最大强度。,Fb为最大应力，N。,相反，值越大，可靠性越低，安全性越低。 因此，屈强比一般不低于0.84，抗震结构一般不低于0.8。,可靠性参数,值得注意：强屈比的概念,值越小可靠性越大，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。,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。 指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作ak,J/cm2。 ak值愈大，钢材的冲击韧性愈好。,3.耐疲劳性 疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象。 危害极大,冲击韧性试验原理图,钢筋的伸长率 除强度指标外，钢筋还应具有一定的塑性变形能力。反映钢筋塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯性能。所谓伸长率即钢筋拉断后的伸长值与原长的比率：,1-1,式中： 伸长率（%） L-试件受力前的标距长度（有5d、10d、100d） L1-试件拉断后的标距长度 伸长率越大的钢筋塑性越好，即拉伸前有足够的伸长，使构件的破坏有预兆；反之构件的破坏具有突发性而呈现脆性。,断面收缩率：塑性指标。,AO试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A1表示钢材的原始截面积，mm2。 伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。,冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。 焊接性能：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性非常重要。,7.2.2 工艺性能,钢筋的冷弯性能 为了使钢筋在加工成型时不发生断裂，要求钢筋具有一定的冷弯性能。冷弯是将直径为d的钢筋绕某一规定直径为D的钢辊进行弯曲，在达到规定的冷弯角度（1800）时钢筋不发生裂纹、鳞落或断裂，就表示合格。见表1-1,表1-1 各种钢筋伸长率及冷弯试验要求,5 _表示试件长度为5d的钢筋的伸长率,冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90、180）。,冷弯试验意义：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。 冷弯试验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。,判定标准：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。,（1）冷弯性能,（2）焊接性能,焊接方式：搭接、对接 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。 焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度 不低于原钢材强度。 影响因素：碳、合金元素等杂质元素越多，可焊性越小。,7.3 钢材的强化与加工 7.3.1 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。,钢筋的冷拉和冷拔,(1)冷拉 冷拉是将钢筋拉到超过钢筋屈服强度的某一应力值，以提高钢筋的抗拉强度，达到节约钢材的目的。冷拉能提高钢筋抗拉强度，但不能提高抗压强度。冷拉能使钢筋伸长，能节省钢材，调直钢筋，自动除锈，检查焊接质量的作用。 (2)冷拔 冷拔是将68的HPB235级钢筋，用强力从直径较小的硬质合金拔丝模拔出使它产生塑性变形，拔成较细直径的钢丝，以提高其强度的冷加工方法。冷拔后钢筋的强度得到了较大的提高，但塑性却有较大的降低。经过冷拔加工的低碳钢丝，须逐盘检验，分为甲、乙两级，甲级用作预应力钢筋，乙级用作非预应力钢筋。,k,k,l,k,k,d,e,冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，故不宜用作受压钢筋；而冷拔可同时提高抗拉和抗压强度。 必须指出，上述冷加工钢筋以大幅度牺牲延性来换取强度的有限提高，终究不是提高结构性能的有效途径，近年来，强度高、性能好的钢筋（钢丝、钢绞丝）在我国已可充分供应，故冷拉钢筋和冷拔钢丝不在列入新d的混凝土规范，但并不是不允许使用这些钢筋。当应用这些钢筋时，应符合专门规程的规定。,7.3.2 时效处理 将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d，或 加热到100200并保持2-3h,这个过程称为时效处理。,自然时效,人工时效,钢筋的形式,(b),(a),(c),(d),光面钢筋 (a):HPB235 带肋钢筋 (b)_(d): (b)螺纹钢筋 (c)人字纹钢筋 (d) 月牙形钢筋 我国带肋钢筋的外形目前生产的是月牙形。HRB335表面有阿拉伯数字“2”， HRB400表面有阿拉伯数字“3”。,7.4 钢材的锈蚀与防护,7.4.1 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。在干燥环境中反应缓慢，但温度和湿度较高，锈蚀则发展迅速。,钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，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。,锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小， 降低钢材的性能，因而承载力降低。,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） （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,7.4.2 钢材的防护,7.5.1 钢结构用钢 7.5.2 混凝土结构用钢,7.5 土木工程常用钢材,7.5.1 钢结构用钢 1.碳素结构钢 （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235MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。,碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。 建筑工程中主要应用Q235号钢,可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。 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。,（2）碳素结构钢的选用,Q195、Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。Q225、Q275号钢材强度高，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。 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。,（1）低合金高强度钢的牌号 共有5个牌号 牌号由三部分表示：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位 数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加 入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表示其平均含量在 1.5%以下；如附有数字“2”,表示其平均含量在1.5%2.5%之间 最后如附有“b”，表示为半镇静钢，否则为镇静钢。 例如：16Mn 表示平均含碳量为0.16%， 平均含锰量低于1.5%的镇静钢。,2.低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工，因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料。 与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。,（2）低合金高强度钢的选用合金元素低于5,当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金金属的表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。 不锈钢具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺点是温度变化时膨胀性较大。 不锈钢既可以作为承重构件，又可以作为建筑装饰材料。,建筑结构对钢筋的要求及选择原则,要 求 强度要求、塑性要求、可焊性要求、与混凝土的粘结力 选择的原则 在实际工程应用中，基于混凝土对钢筋性能的要求，确定的选用原则为： 钢筋混凝土结构以HRB400级热轧带肋钢筋为主导钢筋； 实际工程中，普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级及RRB400级钢筋。 预应力混凝土结构以高强、低松弛钢丝、钢绞线为主导钢筋； 预应力钢筋宜采用预应力钢丝、钢绞线，也可采用热处理钢筋。 各种形式的冷加工钢筋应整顿市场、加强管理、保证质量、提高性能，通过市场竞争优化或淘汰。 购买钢筋应要求厂家提供三项力学性能（抗拉强度、屈服强度、伸长率）、两项化学性能（磷、硫含量）,1.热轧钢筋 （1）牌号 热轧钢筋分为R235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。 牌号意义：R代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋， 其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆； 热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。 牌号中的数字：表示热轧钢筋的屈服强度。,7.5.2 混凝土结构用钢,光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛 用做普通钢筋混凝土。 HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好， 广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。 HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应 力钢筋。,（2）热轧钢筋的选用,为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对 热轧钢筋进行冷拉。 冷拉热轧钢筋分为：冷拉级、冷拉级、 冷拉级、冷拉级,2.冷拉热轧钢筋,冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋。 冷拉、级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土结构 的预应力筋。 由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断，因此，冷拉 钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。,（3）冷拉热轧钢筋的选用,冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。 冷轧带肋钢筋代号为CR，按抗拉强度分为三级：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。 冷轧带肋钢筋提高了钢筋的握裹力，可广泛用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件，也可用于焊接钢筋网。,3.冷轧带肋钢筋,加工：冷轧扭钢筋由低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机 调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节 距的连续螺旋状钢筋。 分类：按其截面形状不同分为I型(矩形截面)和型(菱形 截面)两种类型。代号为LZN。 应用：冷轧扭钢筋可适用于钢筋混凝土构件. 特点：冷轧扭钢筋与混凝土的握裹力与其螺距大小有直接关 系。螺距越小,握裹力越大,但加工难度也越大,因此, 应选择适宜的螺距。冷轧扭钢筋在拉伸时无明显屈服 台阶，为安全起见，其抗拉设计强度采用0.8b。,4.冷轧扭钢筋,加工：热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理 而成的。代号为RB150。 种类：按螺纹外形可分为有纵肋和无纵肋两种。 牌号：热处理钢筋有40SiMn、48Si2Mn和45Si2Cr等三个牌号。 应用：目前主要用于预应力混凝土轨枕，用以代替高强度钢丝， 配筋根数减少,制作方便,锚固性能好,建立预应力稳定。 也用于预应力混凝土板、梁和吊车梁，使用效果良好。 热处理钢筋系成盘供应（每盘长约20mm），开盘后能自 然伸直，不需调直、焊接，故施工简单，并可节约钢材。,5.热处理钢筋,（1）预应力钢丝 分类：按交货状态分为冷拉钢丝及消除应力钢丝两种；按外形 分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋钢丝三种；按松驰能力 分为I级松驰和级松驰两级。 代号：RCD（冷拉钢丝）、S（消除应力钢丝）、SI（消除应力 刻痕钢丝）、SH（消除应力螺旋肋钢丝）。 （2）预应力钢绞线 分类：按捻制结构分为三类：用两根钢丝捻制的钢绞线（表示 为1