土木工程材料第7章_钢材.ppt

第七章钢材 各类钢材 第七章钢材 定义 建筑工程中使用的各种钢材 包括钢结构用的型钢 钢板和钢筋混凝土用的钢筋 钢丝等以及钢门窗和各种建筑五金等 优点 强度高易于加工成板材 型材和线材良好的焊接和铆接性能缺点 易锈蚀 维护费用高耐火性差生产能耗大 冶炼1T钢耗煤1 66T 水48 6m3 主要内容 钢的冶炼和分类建筑钢材的主要力学性能钢的化学成分对钢材性能的影响钢材的加工与焊接建筑钢材的品种与选用钢材的防火和防腐蚀 7 1钢材的冶炼和分类 1 钢的冶炼钢 含碳量在0 06 2 0 并含有某些元素的铁碳合金 生铁 含碳量为2 11 6 67 且杂质含量较多的铁碳合金 性脆硬 建筑上难以应用 工业纯铁 含碳量小于0 04 的铁碳合金 2 钢的生产过程 1 炼铁 将铁矿石内氧化铁还原成铁的过程 2 炼钢 将熔融的生铁进行氧化 使碳的含量降低到2 0 以下 同时把磷 硫等其它杂质的含量也降低到容许的范围内 主要炼钢方法 转炉炼钢法 氧气 空气 平炉炼钢法电炉炼钢法 3 钢材的分类 按化学成分分 低碳钢 含C量0 60 低合金钢 合金元素总量10 按质量分 普通碳素钢 含硫量 0 055 0 065 含磷量 0 045 0 085 优质碳素钢 含硫量 0 03 0 045 含磷量 0 035 0 04 高级优质钢 含硫量 0 02 0 03 含磷量 0 027 0 035 按用途分 结构钢 工具钢 特殊钢 依据脱氧程度 沸腾钢 F 半镇静钢 b 镇静钢 Z 特殊镇静钢 TZ 建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢 7 2建筑钢材的主要力学性质 内容提纲 拉伸性能冲击韧性冷弯性能疲劳强度硬度 一 拉伸性能 四个阶段 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段 弹性阶段 OA段 弹性极限 用 p表示 此阶段应力 与应变 成正比 其比值为常数 即弹性模量 用E表示 E 弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力 它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标 常用低碳钢的弹性模量E 2 0 2 1 105MPa p 180 200MPa 屈服阶段 AB段 应力超过 p后 应变增加很快 而应力基本保持不变 这种现象称为屈服 此时应力与应变不再成比例 试件开始产生塑性变形 曲线上开始发生屈服的点 称为屈服点 这时的应力称为屈服极限 用 s表示 钢材受力达到屈服点后 变形即迅速发展 尽管尚未破坏但已不能满足使用要求 故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据 常用低碳钢的 s为185 235Mpa 强化阶段 BC段 当荷载超过屈服点后 因塑性变形使其内部的组织结构得到调整 抵抗变形的能力有所增强 曲线又开始上升 称为强化阶段 曲线最高点 所对应的应力称为抗拉强度 用 b表示 常用低碳钢的 b为375 500MPa 屈强比 s b 屈强比越小 钢材在受力超过屈服点时的可靠性越大 结构越安全 但如果屈强比过小 则钢材有效利用率太低 造成浪费 常用低碳钢屈强比为0 58 0 63 合金钢为0 65 0 75 颈缩阶段 CD段 应力超过 b后 试件的变形开始集中于某一小段内 使该段的横截面面积显著减小 出现图所示的颈缩现象 曲线开始下降 直至 点 试件被拉断 塑性指标 A 伸长率 B 截面收缩率 与 值越大 说明材料的塑性越好 硬钢的屈服点 预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点 抗拉强度高 无明显的屈服阶段 伸长率小 这类钢材由于没有明显的屈服阶段 不能测定屈服点 故常用发生残余变形0 2 l0时的应力作为规定的屈服极限 用 0 2表示 二 冲击韧性 冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力 钢材的冲击韧性用冲断试样时缺口处单位面积上所消耗的功 冲击功钢材的冲击韧性值用 K来表示 K的单位为J cm2 K越大表示钢材抗冲击的能力越强 冲击韧性试验示意图 影响冲击韧性的因素 化学成分 组织状态 以及冶炼 轧制质量如钢中磷 硫含量较高 存在偏析 非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低 K值还与试验温度有关 某些材料在常温时冲击韧性并不低 破坏时呈现韧性破坏特征 但当试验温度低于某值时 K突然大幅度下降 材料无明显塑性变形而发生脆性断裂 这种性质称为钢材的冷脆性 K剧烈改变的温度区间称为脆性转变温度 承受动荷载 负温结构等需检验钢材的冷脆性 钢材的冲击韧性与温度的关系 三 耐疲劳性 钢材在交变荷载的反复作用下 往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏 这种现象称为钢材的疲劳破坏 实验证明 钢材承受的交变应力 越大 则钢材至断裂时经受的交变应力循环次数N越少 反之越多 当交变应力降低至一定值时 钢材可经受无限次交变应力循环而不发生疲劳破坏 通常取交变应力循环次数N 107时 试件不发生破坏的最大应力 n作为其疲劳极限 钢材的疲劳曲线 疲劳破坏的原因 钢材的疲劳破坏一般由拉应力引起的 首先截面变化 在局部开始形成细小裂纹 随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大 直至突然发生瞬时疲劳断裂 钢材内部的组织结构 成分偏析及其它缺陷 是决定其疲劳性能的主要因素 钢材的表面质量也是造成应力集中的因素 都对其疲劳极限有影响 如钢筋焊接接头和表面微小的腐蚀缺陷 都可使疲劳极限显著降低 当疲劳条件与腐蚀环境同时出现时 可促使局部应力集中的出现 大大增加了疲劳破坏的危险性 四 硬度 硬度 是金属材料抵抗硬物压入表面的能力 亦即材料表面抵抗塑性变形的能力 强度 硬度 材料的强度越高 硬度值越大 硬度指标布氏硬度 HB 洛氏硬度 HR 维氏硬度 HW 五 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 是以试验时的弯曲角度 和弯心直径d为指标表示 下图 钢材的冷弯试验 通过直径 或厚度 为a的试件 采用标准规定的弯心直径d d na 弯曲到规定的角度时 180 或90 检查弯曲处有无裂纹 断裂及起层等现象 若无则认为冷弯性能合格 钢材冷弯时的弯曲角度越大 弯心直径越小 则表示其冷弯性能越好 钢材的冷弯示意图 冷弯检验的意义 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 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新分布而反映不出来 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 7 3钢的化学成分对钢材性能的影响 碳 碳含量对钢的强度 塑性 韧性和焊接性有决定性的影响 随着含碳量增加 钢的抗拉强度和屈服强度上升 但其塑性 冷弯性能和冲击韧性降低 焊接性也变差 锰 能提高钢材的屈服强度和抗拉强度 而又不过多地降低塑性和冲击韧性 锰能显著改善钢材的冷脆性能 锰还能消减硫和氧导致的热脆性 改善钢材的热加工性能 锰是低合金结构钢的主加元素 含量一般在1 2 范围内 它可细化晶粒 提高钢材的强度 硅 其含量较低 1 时 可提高钢材的强度 对塑性和韧性影响不明显 硫和磷 是钢中十分有害的元素 硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹 显著降低可焊性 硫还将降低钢材的塑性与冲击韧性 磷将使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏 磷也降低钢材的可焊性 钛 钒 铌等低合金钢中常用的合金元素可细化晶粒 有效地提高强度 7 4 钢材的加工与焊接 钢材的冷加工强化和时效强化钢材的热处理钢材的焊接 冷加工强化定义 将金属材料于常温下进行冷拉 冷拔或冷轧 使之产生一定的塑性变形 其强度可明显提高 塑性和韧性有所降低 这个过程称为金属材料的冷加工强化 7 4 1钢材的冷加工强化和时效强化 A 冷拔 冷拔 是强力拉拔钢筋通过截面小于钢筋截面积的拔丝模 冷拔作用比纯拉伸的作用强烈 钢筋不仅受拉 而且同时受到挤压作用 经过一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳钢丝 其屈服点可提高40 60 但失去软钢的塑性和韧性 而具有硬质钢材的特点 冷加工强化示意图 B 冷轧 冷轧 是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋 可提高其强度及与混凝土的粘接力 钢筋在冷轧时 纵向与横向同时产生变形 因而能较好地保持其塑性和内部结构的均匀性 冷加工的工程效益 钢筋经冷拉后 一般屈服点可提高20 25 冷拔钢丝的屈服点可提高40 60 由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面 或减少混凝土中配筋数量 从而达到节约钢材的目的 钢筋冷拉还有利于简化施工工序 冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序 冷拉直条钢筋则可与矫直 除锈等工序一并完成 时效强化 定义 将经过冷加工后的钢材于常温下存放15 20天 自然时效 或加热到100 200 并保持一定时间 人工时效 这一过程称为时效处理 自然时效 一般对强度较低的钢筋 人工时效 一般对强度较高的钢筋 7 4 2钢材的热处理 一 定义 是指将钢材按一定规则加热 保温和冷却 以改变其组织 从而获得所需要的性能的一种措施 其方法有退火 正火 淬火和回火 二 有关钢的热处理的名词 1 退火 将钢材加热到一定温度并保温一段时间 然后使它慢慢冷却 随炉冷却 的一种热处理工艺 目的 细化晶粒 改善组织 降低硬度 提高塑性 消除组织缺陷和内应力 防止开裂 变形 2 正火 是退火的一种特例 两者仅冷却速度不同 正火是在空气中自然冷却的热处理工艺 与退火相比 正火后钢的硬度 强度较高 而塑性减少 目的 细化晶粒 消除组织缺陷等 3 淬火 是将钢材加热到相变临界温度以上 900 保温一段时间 然后很快放入淬火剂中 使其温度骤然降低的一种热处理操作 淬火中常用的淬火剂有 水 油 淬火能增加钢的强度和硬度 但减少其塑性与韧性 4 回火 将已经淬火的钢重新加热到一定温度 在相变温度以下 保温后在空气中冷却的热处理工艺 目的 消除淬火产生的内应力 降低脆性 改善机械性能等 7 4 3 焊接性能 钢结构中焊接用的电弧焊 基体金属 焊缝金属 钢筋连接用的电渣压力焊 无焊条 高温机械压力电流局部熔化接口熔合 焊接示意图 焊接缺陷 1 焊缝金属的缺陷主要有裂纹 气孔 夹杂物等 2 基体金属热影响区的缺陷主要有裂纹 晶粒粗大和析出脆化 C N等原子在焊接过程中形成碳化物和氮化物 于缺陷处析出 使晶格畸变加剧所引起的脆化 焊接质量的检测方法 取样试件试验原位非破损检测 7 5建筑钢材的品种与选用 建筑用钢 碳素结构钢 GB700 88 低合金高强度结构钢 GB1591 94 常用的建筑钢材 钢筋 热轧 冷加工 冷拉 冷拔钢丝 热处理钢筋 高强钢丝和钢绞线等 型钢 热轧型钢 冷弯薄壁型钢 钢板 钢材的选用原则 7 5 1建筑用钢 一 碳素结构钢 GB700 88 1 牌号 根据屈服点等级划分为五个牌号 表示方法 屈服点等级 质量等级 脱氧程度屈服点等级 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275质量等级 A级 B级 C级 D级脱氧程度 F b Z TZ例 Q235 BZ 2 用途 二 低合金高强度结构钢 GB1591 94 是一种在碳素结构钢的基础上添加总量小于5 合金元素的钢材 具有强度高 塑性和低温冲击韧性好 耐锈蚀等特点 1 牌号 根据屈服点等级为主划分为五个牌号 表示方法 屈服点等级 质量等级屈服点等级 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460质量等级 A级 B级 C级 D级 E级 低合金钢与碳素钢相比 具有较高的强度 综合性能好 但其价格稍贵 所以在相同使用条件下 可比碳素钢节省用钢15 25 这对减轻结构自重十分有利 低合金钢具有良好的塑性 韧性 可焊性 耐低温性及抗腐蚀等性能 有利于延长结构使用寿命 低合金钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中 特别适用于大型结构 重型结构 高层建筑 桥梁工程和大跨度结构等 7 5 2建筑用钢 1 钢筋 1 低碳钢热轧圆盘条由Q215和Q235碳素结构钢经热轧而成 缺点 强度低优点 塑性好 伸长率高便于弯折成形 容易焊接 应用 用作中 小型钢筋混凝土结构的受力钢筋以及作为冷加工 冷拉 冷拔 冷轧 的原料 2 钢筋混凝土热轧带肋钢筋 HRB 由低合金钢热轧而成 横截面通常为圆形且表面带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋 其牌号有HRB335 HRB400 HRB500三种 优点 1 较强的强度2 塑性和可焊性也较好 3 表面有纵肋和横肋加强了钢筋与混凝土之间的紧握力 应用 钢筋混凝土结构中的受力钢筋及预应力钢筋 3 冷轧带肋钢筋 CRB 由热轧盘条经冷轧而成 表面带有沿长度方向均匀分布的两面或三面的月牙肋 其牌号有CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170五种 优点 强度明显提高缺点 塑性随之降低 应用 中 小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件 冷轧带肋钢筋 4 预应力混凝土热处理钢筋 由热轧中碳低合金钢钢筋经淬火 回火调质处理的钢筋 为增强与混凝土的粘结力 钢筋表面常轧有通长的纵筋和均匀的横肋 优点 以弹性盘条供应 开盘后可自行伸直 使用时按长度切割 缺点 不能用电焊或氧气切割 也不能焊接 以免引起强度下降或脆断 5 预应力混凝土用钢丝与钢绞线 由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 按外形可分为光面钢丝和刻痕钢丝 钢绞线 由两根 三根 七根圆形断面的钢丝捻成一束 预应力钢丝与钢绞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 盘条状供应 松开后可自行弹直 可按要求长度切割 应用 用于大荷载 大跨度及需曲线配筋的预应力混凝土结构 2 型钢 型钢有热轧及冷轧两种 1 热轧型钢包括角钢 工字钢 槽钢 T形钢 H形钢 Z型钢等 2 钢板和压型钢板 7 5 3钢材的选用原则 依据 荷载性质 使用温度 连接方式 钢材厚度 结构重要性 7 6钢材的防腐蚀和防火 钢材的防腐蚀钢材的防火 7 6 1钢材的防腐蚀 金属的腐蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏 金属材料若遭到腐蚀 将使受力面积减小