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第八章建筑钢材 南华大学杨建明教授 Page 2 金属材料包括黑色金属和有色金属建筑钢材包括钢结构用的型钢 钢板 钢筋混凝土用钢筋 钢丝和钢铰线 Page 3 8 1钢材的冶炼与分类 一 钢材的冶炼钢和铁的主要成分是铁和碳 含碳量大于2 06 的为生铁 小于2 06 的为钢 钢是由铁冶炼而成 生铁是由铁矿石 焦炭和少量石灰石等在高温作用下形成 冶炼方法 氧气转炉法 电炉法和平炉法 炼钢过程中脱氧 加入MnO SiO2 Al2O3 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 Page 4 8 1钢材的冶炼与分类 二 钢材的分类1 按冶炼方法分类按生产的炉型平炉钢转炉钢电炉钢按脱氧程度分类沸腾钢镇静钢特殊镇静钢半镇静钢 Page 5 8 1钢材的冶炼与分类 2 按化学成分分类碳素钢含碳量0 02 2 06 的铁碳合金低碳钢 0 25 中碳钢0 25 0 6 高碳钢 0 6 合金钢低合金钢 5 中合金钢5 10 高合金钢 10 Page 6 8 1钢材的冶炼与分类 根据钢中磷 硫等杂质含量的不同 碳素钢可分为 普通碳素钢 其中磷的含量不大于0 045 硫的含量不大于0 050 优质碳素钢 其中磷和硫的含量均不大于0 035 高级优质碳素钢 其中硫和磷含量均不在于0 025 特级优质碳素钢 硫含量 0 025 磷含量 0 015 Page 7 8 1钢材的冶炼与分类 3 按用途分类结构钢低 中碳钢工具钢高碳钢特殊钢不锈钢 Page 8 8 2钢材的力学性能与工艺性能 力学性能 抗拉性能 冲击韧性 疲劳强度和硬度 和工艺性能 冷弯性能 焊接性能和热处理性能 Page 9 8 2钢材的力学性能与工艺性能 一 力学性能1 抗拉性能通过拉伸试验可以测得屈服强度 抗拉强度和伸长率 图8 1 1 弹性阶段低碳钢弹性模量E 2 0 105 2 1MPa 弹性极限 P 180MPa 200MPa2 屈服阶段用 S表示 常用低碳钢 S为195MPa 300MPa 图8 1低碳钢受拉时应力 应变图 Page 11 8 2钢材的力学性能与工艺性能 3 强化阶段抗拉强度 用 b表示 低碳钢 b385 520MPa 屈强比 S b0 58 0 63 碳素钢 0 65 0 75 合金钢 4 颈缩阶段塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力 Page 12 8 2钢材的力学性能与工艺性能 采用伸长率和断面收缩率表示 A 伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力 B 断面收缩率是试件拉断后缩颈处横断面的最大缩减量占横截面积的百分率 中碳钢 高碳钢 无明显屈服现象 脆性破坏 采用名义屈服点 0 2 Page 13 8 2钢材的力学性能与工艺性能 2 冲击韧性m 摆锤质量A 试件槽口处断面积 cm2 规范中通常是根据负温条件规定 20 或 40 负温冲击值指标 Page 14 8 2钢材的力学性能与工艺性能 3 疲劳强度钢材在交变荷载反复作用下 可在远小于抗拉强度的情况下突然破坏 这种破坏称为疲劳破坏 用疲劳强度或疲劳极限表示 它是指试件在交变应力下 作用107周次 不发生疲劳破坏的最大应力值 Page 15 8 2钢材的力学性能与工艺性能 4 硬度布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度1 布氏硬度根据国家标准压头用淬火钢球 符号为HB压头用硬质合金钢时 符号为HB2 洛氏硬度金刚石圆锥体或钢球初始试验力 F0 总试验力F F F0 主试验力F1 h1 h0 Page 16 8 2钢材的力学性能与工艺性能 二 工艺性能冷弯 冷拉 冷拔及焊接性能1 冷弯性能弯曲角度 和弯心直径 d 2 焊接性能碳含量 0 25 可焊性好 0 3 可焊性差 Page 17 8 2钢材的力学性能与工艺性能 3 冷加工性能及时效处理1 冷加工强化与时效处理存放15d 20d自然时效或加热100 200 保持2h 3h 人工时效2 常见冷加工方法 1 冷拉屈服强度提高20 30 节约钢材10 20 2 冷拔40 60 3 钢材冷加工强化与时效处理的机理 Page 18 8 2钢材的力学性能与工艺性能 4 钢材的热处理1 退火是将钢材加热到一定温度 保温后缓慢冷却 随炉冷却 的一种热处理工艺 2 正火是退火的一种特例 正火在空气中冷却 两者仅冷却速度不同 3 淬火是将钢材加热到基本组织转变温度以上 一般为900 以上 保温使组织完全转变 即放入水或油等冷却介质快速冷却 使之转变为不稳定组织的热处理 4 回火是将钢材加热到基本组织转变温度以下 150 650 内选定 保温后在空气中冷却的一种热处理工艺 Page 19 8 3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响 一 钢的组织及其对钢材性能的影响1535 1394 912 液态铁 Fe Fe Fe体心立方晶体面心立方晶体体心立方晶体固溶体化合物机械混合物 Page 20 8 3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响 二 钢的化学成分对钢材性能的影响1 碳钢材由铁素体 都好 渗碳体 抗拉强度低 很耐磨 珠光体 介于渗碳体和铁素体 2 硫热脆性 0 045 3 磷对塑性和韧性影响更大 0 045 冷脆性4 锰脱氧 硫5 硅 Page 21 8 3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响 6 氧 0 03 7 氮与碳 磷相似 0 018 Page 22 8 4建筑钢材的锈蚀与防护 一 钢材锈蚀机理1 化学锈蚀FeO保护膜2 电化学锈蚀阳极阴极总反应水和氧的存在 Page 23 8 4建筑钢材的锈蚀与防护 二 钢筋混凝土中钢筋锈蚀埋于混凝土中的钢筋 因系处于碱性介质条件 新浇混凝土的PH值为12 5或更高 而氧化保膜为碱性 故不致锈蚀 在碱性环境中 阴极过程难于进行 即使原电池存在 生成的Fe OH 2也能存在 成为钢筋保护膜 钢筋混凝土中钢筋锈蚀主要原因有 1 混凝土不密实 2 混凝土保护层厚度小或发生严重碳化 3 混凝土内Cl 含量过大 4 预应力钢筋存在微裂缝 混凝土配筋防锈措施 主要根据结构和所处环境条件等 考虑混凝土的质量要求 即限制水灰比和水泥用量 并加强施工管理 以保证混凝土的密实性 经及保证足够的保护层厚度和限制氯盐外加剂的掺用量 Page 24 8 4建筑钢材的锈蚀与防护 三 钢材锈蚀的防止1 表面刷漆钢结构防止锈蚀的方法通常采用表面刷漆 底漆红丹 环氧富锌漆中间漆红丹 铁红面漆灰铅 酚醛磁漆2 表面镀金属薄壁钢材可采用热浸镀锌后加涂塑料 3 采用耐候钢 Page 25 8 4建筑钢材的锈蚀与防护 四 钢的防火无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限0 25h 钢梁0 25h200 基本不变300 下降400 急剧降低600 弹性模量 屈服点和极限强度接近于零 1 防火涂料包裹法2 不燃性板材包裹法防水板 石膏板 蛭石板 珍珠岩板3 实心包裹法采用混凝土 Page 26 8 5建筑钢材的品种与选用 钢结构用钢 钢筋混凝土用钢一 碳素结构钢1 牌号及其表示方法碳素结构钢有Q195 Q215 Q235 Q255 Q275表示方法如下 屈服点等级 质量等级 脱氧程度质量等级 A B C D脱氧程度 F b Z TZ2 力学性能及工艺性能表8 13 特性及应用 Page 27 表8 1碳素结构钢的机械性能 Page 28 8 5建筑钢材的品种与选用 二 低合金高强度结构钢所加元素有锰 硅 钒 钛 铌 铬 镍及稀土元素1 牌号及其表示方法Q295 Q345 Q390 Q460其表示方法如下 屈服点等级 质量等级质量等级 A B C D E2 力学性能表8 23 特性及应用Q345 Page 29 表8 2低合金高强度结构钢的力学性质 Page 30 8 5建筑钢材的品种与选用 三 优质碳素结构钢GB T699 199931牌号牌号表示方法 平均含碳量的万分数 含锰量标识 脱氧程度 Page 31 8 6常用建筑钢材 一 钢筋1 热轧钢筋主要用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋 如表8 3 8 41 热轧光圆钢筋R2352 热轧带肋钢筋HRB335 HRB400 HRB5002 低碳钢热轧圆盘条3 冷轧带肋钢筋4 预应力混凝土用热处理钢筋5 预应力混凝土用钢丝和钢绞线 Page 32 表8 3热轧光圆钢筋力学性能和工艺性能要求 Page