[工学]第7章 建筑钢材.ppt

2020 2 15 1 第7章建筑钢材 本章目的要求 1 掌握钢材主要性质及其实用意义 2 了解钢中元素对钢性能的影响 3 熟悉钢的分类 4 掌握钢材的技术标准及选用 2020 2 15 2 定义 土木工程中使用的各种钢材及制品 钢结构用 型钢 钢板 包括钢筋混凝土结构用 各种钢筋 钢丝和钢绞线 围护结构和装修工程用 深加工钢板和复合板 特点优点 强度高 塑性韧性好 能承受冲击和振动荷载 易于加工和装配 钢结构安全可靠 构件自重小 因此被广泛用于工业与民用建筑结构中 缺点 易生锈 耐火性差 维护费用大 钢铁区别 生铁 C 2 的铁碳合金 杂质多 硬脆钢 0 06 C 2 的铁碳合金 杂质少 强度高 塑性好纯铁 C 0 04 的铁碳合金 2020 2 15 3 碳素钢 低碳钢 中碳钢 高碳钢按化学成分分类合金钢 低合金钢 中合金钢 高合金钢沸腾钢F按冶炼时脱氧程度分半镇静钢b镇静钢Z 特殊镇静钢TZ普通钢按杂质含量 品质 分类优质钢高级优质钢特级优质钢结构钢按用途分类工具钢特殊钢 7 1钢材的分类 2020 2 15 4 7 1 1按化学成分分类 低碳钢 含碳量0 6 1 碳素钢 碳钢 2 合金钢 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 2020 2 15 5 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 7 1 2按杂质含量 品质 分类 2020 2 15 6 定义 脱氧彻底 充分 钢水浇入锭模时 平静的冷却凝固 镇静钢 Z 特性 钢质均匀密实 品质好 可用于承受振动冲击荷载的重要结构和重要的焊接钢结构中 但成本高 定义 脱氧不彻底 充分 钢水浇入锭模时 会有大量的CO气 沸腾钢 F 体从钢水中溢出 引起钢水呈沸腾状 故名沸腾钢 特性 组织不够致密 成分不太均匀 S P等杂质偏析较严重 冲击韧性和可焊性差 但成本低 产量高 质量和性能可满足一般工程需要 因此 在建筑结构中应用较广泛 7 1 3按冶炼时脱氧程度分 半镇静钢 b 脱氧程度 质量及成本均介于二者之间 特殊镇静钢 TZ 脱氧彻底 质量和性能均高于镇静钢 使用于特别重要的结构工程 建筑工程中 主要使用沸腾钢 半镇静钢和镇静钢 2020 2 15 7 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 2020 2 15 8 强度一 力学性能塑性 机械性能 冲击韧性钢材性能硬度耐疲劳性冷弯性能二 工艺性能焊接性能 可焊性 冷加工及热处理 7 2建筑钢材的主要技术性能 2020 2 15 9 拉伸过程分四个阶段 OA 弹性阶段AB 屈服阶段BC 强化阶段CD 颈缩阶段 7 2 1抗拉性能 建筑钢材最重要的力学性能 0 2 硬钢 曲线 低碳钢单轴拉伸 曲线 0 2 2020 2 15 10 拉伸性能指标主要有 屈服点 抗拉强度和伸长率等 1 屈服强度 屈服点 s 结构设计中 钢材强度取值依据 软钢 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 硬钢条件 名义 屈服点 0 2 产生0 2 l0残余 永久 塑性 变形时的应力 记为 0 2l0 原始标距长度 2020 2 15 11 2 抗拉强度 b 钢材强度极限值 是钢材抵抗断裂破坏能力的重要指标 Fb 为最大应力 N 可靠性参数 值得注意 屈强比的概念 能反映结构安全可靠程度及钢材利用率 s b小 钢材受力超过屈服点工作时的可靠度越大 结构安全性越高 但强度利用率低 浪费材料 s b大 则相反 通常情况下 屈强比在0 60 0 75范围是比较合适的 因此 强屈比一般不低于1 2 抗震结构一般不低于1 25 2020 2 15 12 3 伸长率 意义 值越大 表示钢材塑性好 可避免结构过早破坏 加工性增强 安全性增强 值有两种表示方法 5 10 5 10表示l0 5d0 10d0时的伸长率 d0 钢材直径 对于同种钢材 5与 10之间的关系为 5 10 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 2020 2 15 13 7 2 2冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力 1 指标 冲击韧性 k试验方法 标准试件的弯曲冲击韧性试验 试件缺口处单位截面积上所消耗的功 计作 J cm2 k值愈大 钢材的冲击韧性愈好 冲击韧性试验原理图 2 冲击韧性的影响因素 钢材的化学成分 组织状态 环境温度 时效 钢材的冷脆性温度对冲击韧性有重大影响 当温度降到一定程度时 冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性 这一现象称为冷脆性 这一温度范围称为脆性转变温度或脆性临界温度 时效 随着时间的延长 钢材机械强度提高 而塑性和韧性降低的现象称为时效 2020 2 15 14 7 2 3耐疲劳性疲劳破坏 交变荷载反复作用下的构件 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 影响因素 1 材料内部的缺陷 成分偏析 过大的内应力 构件截面延长度方向的急剧变化 构件受力最大处及表面不光滑等 2 应力循环特征值 min max 应力循环次数N 应力集中程度 2020 2 15 15 7 2 4硬度钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力 常用布氏法和洛氏法两种方法测定 2020 2 15 16 洛氏硬度测量原理图 2020 2 15 17 1 冷弯性能 建筑钢材的重要工艺性能1 定义 钢材在常温下承受弯曲变形的能力 2 指标 弯曲角度 弯心直径 d na 3 合格标志 弯曲处无裂纹 断裂及起层现象 4 冷弯性能 与伸长率一样 也是反映钢材在静荷载作用下的塑性性能 但 伸长率 反映钢材在均匀变形下的塑性性能 冷弯性能 反映钢材在不利变形条件下的塑性性能 7 2 5工艺性能 2020 2 15 18 5 测试冷弯性能的意义 揭露钢材内在缺陷 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 评定塑性好坏 评定焊接接头质量 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 2020 2 15 19 钢材冷弯试验示意图 2020 2 15 20 2 焊接性能 可焊性 1 可焊性定义 钢材在一定焊接工艺条件下 在焊接及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向 焊接后焊缝处性质应尽可能与母材相同 影响因素 碳 合金元素 锰 钒 杂质元素越多 可焊性越小 硫含量高会使焊接处产生热裂纹 出现热脆性 2020 2 15 21 2 焊接方法电弧焊 钢结构焊接用 是工业生产中应用最广泛的焊接方法 它的原理是利用电弧放电 俗称电弧燃烧 所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝 从而获得牢固接头的焊接过程 电渣压力焊 钢筋的连接用 是将两钢筋安放成竖向对接形式 利用焊接电流通过两钢筋间隙 在焊剂层下形成电弧过程和电渣过程 产生电弧热和电阻热 熔化钢筋 加压完成的一种压焊方法 2020 2 15 22 3 焊接质量的检验方法 取样试件试验 原位非破损检验两类 钢材的可焊性试验 2020 2 15 23 7 3钢材的化学成分对钢材性能的影响C 随含碳量增大 钢强度和硬度增大 塑性和韧性降低 含碳量大于1 随含碳量增大 钢强度降低 Si 小于1 时 提高强度和硬度 对塑性和韧性影响不大 大于1 后 显著降低塑性和韧性 并使可焊性变差 2020 2 15 24 Mn 含量小时有益 超过1 后 将降低钢的塑性韧性和可焊性 S 有害 热脆性增大 P 有害 冷脆性增大 O 有害 N 降低塑性韧性 增大时效敏感性和冷脆性 H 显著降低塑性和韧性 使脆性增大 Ti V 显著提高强度 细化晶粒改善韧性 合金钢的常用微量元素 2020 2 15 25 7 4钢材的冷加工与热处理 7 4 1冷加工强化 定义 冷加工强化是钢材在常温下 以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工 建筑钢材常用的冷加工有冷拉 冷拔 冷轧 刻痕等 作用 s明显提高 b不变 而塑性 韧性及弹性模量明显降低 塑性变形中产生了内应力 2020 2 15 26 7 4 2 冷加工 时效处理 强化 定义 将经过冷加工的钢筋 于常温下存放15 20d 自然时效 或加热到100 200 并保持一定时间 人工时效 此过程称为时效处理 强化 作用 s进一步提高 b略有提高 而塑性 韧性进一步降低 弹性模量得以恢复 时效过程中应力的消减 图7 9钢筋经冷拉时效后应力 应变图的变化 2020 2 15 27 7 4 3热处理 按照一定的制度 将钢材加热到一定的温度 在此温度下保持一定的时间 再以一定的速度和方式进行冷却 以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变 或者消除钢中的内应力 从而获得人们所需求的机械力学性能 这一过程就称为钢材的热处理 常用的热处理方法 退火 正火 淬火及回火等 2020 2 15 28 1 退火是指将钢材加热至723 以上某一温度 保持相当时间后 在退火炉中缓慢冷却 退火能消除钢材中的内应力 细化晶粒 均匀组织 使钢材硬度降低 塑性和韧性提高 2 正火是将钢材加热到723 以上某一温度 并保持相当长时间 然后在空气中缓慢冷却 则可得到均匀细小的显微组织 钢材正火后强度和硬度提高 塑性较退火为小 2020 2 15 29 3 淬火将钢材加热至723 相变温度 以上某一温度 并保持一定时间后 迅速置于水中或机油中冷却 这个过程称钢材的淬火处理 钢材经淬火后 强度和硬度提高 脆性增大 塑性和韧性明显降低 4 回火将淬火后的钢材重新加热到723 以下某一温度范围 保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温 这一过程称为回火处理 回火可消除钢材淬火时产生的内应力 使其硬度降低 恢复塑性和韧性 回火温度愈高 钢材硬度下降愈多 塑性和韧性等性能均得以改善 若钢材淬火后随即进行高温回火处理 则称调质处理 其目的是使钢材的强度 塑性 韧性等性能均得以改善 2020 2 15 30 7 5钢材的标准和选用 1 碳素结构钢1 牌号及其表示方法 1 牌号 依据屈服强度划分为4个牌号 即Q195 Q215 Q235 Q275 2 质量等级 依据冲击韧性 即S P含量 划分4级 即A B C D 含量由多到少 3 脱氧程度 F b Z TZ 特殊镇静钢 注 Z TZ通常省略 4 牌号表示方法 4个要素屈服点代号屈服点数值 MPa 质量等级 脱氧程度例如 Q235 A F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢 Q235 B表示屈服点为235MPa的B级镇静钢 2020 2 15 31 2 技术性能碳素结构钢 尤其是Q235 既有较高的强度 又有良好的塑性和韧性 可焊性也好 适宜于各种加工 广泛用于制作钢结构用钢 钢筋和钢板等 随钢号的增大 含碳量增加 强度和硬度相应提高 而塑性和韧性则降低 碳素结构钢的化学成分 力学性能 冷弯性能应符合表7 1 表7 3 P134 135 的规定 2020 2 15 32 3 碳素结构钢的选用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 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 2020 2 15 33 钢材选用原则应根据钢结构的工作条件 荷载类型 连接方式 环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用 2020 2 15 34 2 优质碳素结构钢1 牌号 共31个牌号2 特性 对S P等有害杂质含量控制更严格 且大部分为镇静钢 质量稳定 性能优于碳素结构钢 但成本较高 2020 2 15 35 3 低合金高强度结构钢 1 牌号定义 是一种在碳素结构钢基础上添加了小于5 合金元素的钢材 牌号 依据屈服强度划分为8个牌号 即Q345 Q390 Q420 Q460 Q500 Q550 Q620 Q690 质量等级 依据冲击韧性 即S P含量 划分5个等级 即A B C D E 含量由多到少 牌号表示方法 3个要素 注 低合金高强度结构钢均为镇静钢 即屈服点代号屈服点数值 MPa 质量等级例如 Q345 D表示屈服强度为345MPa的D级低合金结构钢 2020 2 15 36 2 技术性能与应用化学成分与力学性能见表7 4 7 7 P137 140 GB T700 2006 特性 与碳素结构钢相比 低合金高强度结构钢具有较高的强度 又有较好的塑性 低温冲击韧性 可焊性 耐腐蚀性及冷加工性 是一种综合性能较为理想的建筑钢材 应用 广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中 尤其是大型结构 重型结构 大跨度结构 高层建筑 桥梁工程 承受动荷载和冲击荷载的结构 2020 2 15 37 7 5 2钢结构用钢材 钢结构用钢材主要是热轧成型的钢板和型钢等 薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢 圆钢和小角钢等 钢材所用母材主要是碳素结构钢和低合金高强度结构钢 一 热轧型钢主要有 工字钢 H型钢 T型钢 槽钢 等边角钢 不等边角钢等类型 二 冷弯薄壁型钢主要有 结构用空心冷弯型钢 通用冷弯开口型钢等两大类 2020 2 15 38 三 棒材主要有 热轧六角钢和八角钢 热轧扁钢 热轧圆钢和方钢等三大类 四 钢管主要有 结构用无缝管 焊接钢管等两大类 五 板材主要有 厚 薄 钢板 花纹钢板 建筑用压型钢板 彩色涂层钢板等四大类 2020 2 15 39 7 5 3混凝土结构用钢 混凝土抗压强度高 但抗拉强度很低 而钢筋抗拉和抗压强度均很高 将二者复合成钢筋混凝土 可以充分发挥各自的特长 此外混凝土的碱性环境保护钢筋不锈蚀 目前混凝土结构用钢主要有 热轧钢筋 冷拉热轧钢筋 冷拔低碳钢丝 冷轧带肋钢筋 热处理钢筋和预应力混凝土用钢丝及钢绞线 2020 2 15 40 1 热轧钢筋热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋 其外形分光圆和带肋两种 参照表7 8 P143 144 热轧钢筋等级 性能和用途注 H 热轧 P 光圆 R 带肋 B 钢筋 2020 2 15 41 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 HRB335 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 2020 2 15 42 2020 2 15 43 解 由题知 A 82 s F A 72 2 103 82 359 1MPa b F A 104 5 103 82 519 74MPa l1 l0 l0 100 94 4 80 80 100 18 查表7 8知该钢筋属热轧 级钢筋 即HRB335 屈强比 s b 359 1 519 74 0 69 例题 直径为16mm的热轧钢筋 取样作拉伸实验 达到屈服点的荷载为72 2kN 极限时的荷载为104 5kN 试件标距长度为80mm 拉断后的长度为94 4mm 问 该钢筋属哪级 该钢筋的屈强比是多少 2020 2 15 44 2 冷轧带肋钢筋 GB13788 2008 1 定义 采用普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条 经冷轧或冷拔减径后在其表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋 2 牌号 按抗拉强度最小值分为CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170五个牌号 C R B分别代表冷轧 带肋 钢筋 其中数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值 3 应用冷轧带肋钢筋是采用冷加工方法强化的典型产品 冷轧后强度明显提高 但塑性也随之降低 但屈强比增大 CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋 其它牌号为预应力混凝土用钢筋 2020 2 15 45 3 预应力混凝土用热处理钢筋 1 定义 热处理钢筋是钢厂用热轧的低合金带肋钢筋 经淬火和回火的调质处理而成的 2 牌号 热处理钢筋有40SiMn 48SiMn和45SiCr三个牌号 公称直径分别为 6 8 2 10mm 屈服点 s 1325MPa 抗拉强度 b 1470MPa 10 6 2020 2 15 46 3 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20m 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 2020 2 15 47 4 预应力混凝土用钢丝和钢绞线 1 预应力钢丝GB T5223 2002 预应力混凝土用钢丝 1 定义 采用优质碳素钢或其他性能相应的钢种 经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强度钢丝 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 2 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 2020 2 15 48 2 预应力钢绞线预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除应力的热处理而制成 根据钢丝的股数分为1 2 1 3和1 7三种类型 其中1表示以一根钢丝为芯 2 3 7分别表示其周围围绕的钢丝数量为2 3和7根 按应力松驰能力分为I级松驰和 级松驰两种 2020 2 15 49 3 预应力钢丝和钢绞线的应用a 预应力钢丝 钢铰线均属于冷加工强化及热处理钢材 拉伸试验时没有屈服点 但抗拉强度远远超过热轧钢筋和冷轧钢筋 并具有较好的柔韧性 应力松弛率低 b 盘条供应 松卷后可自行弹直 可按长度切割 c 适用于大荷载 大跨度及需要曲线配筋的预应力混凝土结构 2020 2 15 50 钢筋的选用1 普通受力钢筋宜采用HB235 HRB335 HRB400级热轧钢筋和CRB550级冷轧带肋钢筋 2 预应力钢筋宜采用预应力混凝土用钢丝 钢绞线和热处理钢筋 2020 2 15 51 7 6钢材的腐蚀与防护 7 6 1钢材的腐蚀 锈蚀 定义 钢材表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到侵蚀的过程 钢材锈蚀会显著降低其强度 塑性和韧性等力学性能 影响因素 环境湿度 侵蚀性介质性质及数量 钢材材质及表面形状等 分类 按钢材与环境介质的作用原理分为化学腐蚀和电化学腐蚀 2020 2 15 52 1 化学腐蚀钢材直接与环境介质发生化学作用而产生的腐蚀 多数为氧化作用 在钢材表面形成疏松的铁氧化物 腐蚀的速度与环境温度和湿度有关 干燥环境 腐蚀速度缓慢 温度高和湿度大时 腐蚀速度加快 2 电化学腐蚀钢材与电解质溶液接触形成微电池所致 钢材的腐蚀受化学腐蚀和电化学腐蚀的共同作用 其中以电化学腐蚀为主 2020 2 15 53 外部介质通过混凝土保护层裂隙达到钢筋表面引起钢筋锈蚀 2020 2 15 54 2020 2 15 55 2020 2 15 56 钢筋锈蚀产生的裂缝 使钢筋产生锈蚀的原因有 骨料中含氯化盐 外部进入氯化盐 混凝土碳化 保护层不足 过大的裂缝宽度 钢筋锈蚀产生体积膨胀可达原体积的数倍 使钢