土木材料第2章建筑钢材.ppt

土木工程材料第二章金属材料张德思教授主讲 第一节钢材的分类1 按化学成分分类 碳素钢 碳素钢的化学成分主要是铁 其次是碳 故也称铁一碳合金 其含碳量为0 02 2 06 此外尚含有极少量的硅 锰和微量的硫 磷等元素 碳素钢按含碳量又可分为 低碳钢 含碳量小于0 25 中碳钢 含碳量为0 25 0 60 高碳钢 含碳量大于0 60 合金钢 是指在炼钢过程中 有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种 常用合金元素有 硅 锰 钛 钒 铌 铬等 按合金元素总含量的不同 合金钢可分为低合金钢 合金元素总含量小于 中合金钢 合金元素总含量为 10 高合金钢 合金元素总含量大于10 2 按冶炼时脱氧程度分类 沸腾钢 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧 则脱氧不完全 这种钢水浇入锭模时 会有大量的 气体从钢水中外逸 引起钢水呈沸腾状 故称沸腾钢 代号为 沸腾钢组织不够致密 成分不太均匀 硫 磷等杂质偏析较严重 故质量较差 但因其成本低 产量高 故被广泛用于一般建筑工程 镇静钢 炼钢时采用锰铁 硅铁和铝锭等作脱氧剂 脱氧完全 且同时能起去硫作用 这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固 故称镇静钢 代号为 镇静钢虽成本较高 但其组织致密 成分均匀 性能稳定 故质量好 适用于预应力混凝土等重要的结构工程 半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间 为质量较好的钢 其代号为 特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢 故其质量最好 适用于特别重要的结构工程 代号为 TZ 3 按有害杂质含量分类接钢中有害杂质磷 和硫 S 含量的多少 钢材可分为以下四类 普通钢 磷含量不大于0 045 硫含量不大于0 050 优质钢 磷含量不大于0 035 硫含量不大于0 035 高级优质钢 磷含量不大于0 025 硫含量不大于0 015 特级优质钢 磷含量不大于0 025 硫含量不大于0 015 第二节钢材的技术性质1 抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质 其技术指标为由拉力试验测定的屈服点 抗拉强度和伸长率 低碳钢 软钢 受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标 见图2 低碳钢受拉时的应力一应变图 屈服点 当试件拉力在 范围内时 如卸去拉力 试件能恢复原状 应力与应变的比值为常数 因此 该阶段被称为弹性阶段 当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段 时 称屈服下限 下所对应的应力为屈服强度或屈服点 记做 s 设计时一般以 s作为强度取值的依据 对屈服现象不明显的钢材 规定以0 2 残余变形时的应力 0 2作为屈服强度 抗拉强度 从图2 中 曲线逐步上升可以看出 试件在屈服阶段以后 其抵抗塑性变形的能力又重新提高 称为强化阶段 对应于最高点 的应力称为抗拉强度 用 b表示 设计中抗拉强度虽然不能利用 但屈强比 s b有一定意义 屈强比愈小 反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大 因而结构的安全性愈高 但屈强比太小 则反映钢材不能有效地被利用 3 伸长率 图2 中当曲线到达 点后 试件薄弱处急剧缩小 塑性变形迅速增加 产生 颈缩现象 而断裂 量出拉断后标距部分的长度Ll 标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率 即 伸长率表征了钢材的塑性变形能力 由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大 故当原始标距与试件的直径之比愈大 则颈缩处伸长中的比重愈小 因而计算的伸长率会小些 通常以 5和 10分别表示L0 5d0和L0 10d0 0为试件直径 时的伸长率 对同一种钢材 5应大于 10 2 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 是钢材的重要工艺性能 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度 90 180 及弯心直径 对试件厚度 或直径 a的比值 a 区分的 试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验 试件弯曲处的外表面无裂断 裂缝或起层 即认为冷弯性能合格 3 冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力 冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的 以摆锤打击试件 于刻槽处将其打断 试件单位截面积上所消耗的功 即为钢材的冲击韧性指标 用冲击韧性ak cm2 表示 ak值愈大 冲击韧性愈好 钢材的化学成分 组织状态 内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性 试验表明 冲击韧性随温度的降低而下降 其规律是开始下降缓和 当达到一定温度范围时 突然下降很多而呈脆性 这种脆性称为钢材的冷脆性 发生冷脆时的温度称为临界温度 其数值愈低 说明钢材的低温冲击性能愈好 所以在负温下使用的结构 应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材 随时间的延长而表现出强度提高 塑性和冲击韧性下降的现象称为时效 完成时效变化的过程可达数十年 但是钢材如经受冷加工变形 或使用中经受震动和反复荷载的影响 时效可迅速发展 因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性 对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材 4 硬度钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力 常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法 布氏法的测定原理是利用直径为 的淬火钢球 以P 的荷载将其压入试件表面 经规定的持续时间后卸除荷载 即得到直径为 的压痕 以压痕表面积 除荷载 所得的应力值即为试件的布氏硬度值 以数字表示 不带单位 洛氏法测定的原理与布氏法相似 但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值 洛氏法压痕很小 常用于判定工件的热处理效果 5 耐疲劳性在反复荷载作用下的结构构件 钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂 这种现象称为钢材的疲劳破坏 疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示 它是指疲劳试验中 试件在交变应力作用下 于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力 一般认为 钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的 因此 钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关 一般抗拉强度高 其疲劳极限也较高 由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的 故钢材的疲劳极限不仅与其内部组织有关 也和表面质量有关 6 焊接性能钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度 影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量 如硫产生热脆性 使焊缝处产生硬脆及热裂纹 又如 含碳量超过0 3 可焊性显著下降等 第三节钢材的化学成分及晶体组织1 钢材的化学成分及对性能的影响钢材的化学成分主要是指碳 硅 锰 硫 磷等 在不同情况下往往还需考虑氧 氮及各种合金元素 1 碳 土木工程用钢材含碳量不大于0 8 在此范围内 随着钢中碳含量的提高 强度和硬度相应提高 而塑性和韧性则相应降低 碳还可显著降低钢材的可焊性 增加钢的冷脆性和时效敏感性 降低抗大气锈蚀性 2 硅 当硅在钢中的含量较低 小于1 时 可提高钢材的强度 而对塑性和韧性影响不明显 锰 锰是我国低合金钢的主加合金元素 锰含量一般在1 范围内 它的作用主要是使强度提高 锰还能消减硫和氧引起的热脆性 使钢材的热加工性质改善 硫 硫是很有害元素 呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中 具有强烈的偏析作用 降低各种机械性能 硫化物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 磷 为有害元素 含量提高 钢材的强度提高 塑性和韧性显著下降 特别是温度愈低 对韧性和塑性的影响愈大 磷在钢中的偏析作用强烈 使钢材冷脆性增大 并显著降低钢材的可焊性 磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性 在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用 氧 为有害元素 主要存在于非金属夹杂物内 可降低钢的机械性能 特别是韧性 氧有促进时效倾向的作用 氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差 氮 氮对钢材性质的影响与碳 磷相似 使钢材的强度提高 塑性特别是韧性显著下降 氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性 降低可焊性 在有铝 妮 钒等的配合下 氮可作为低合金钢的合金元素使用 钛 钛是强脱氧剂 它能显著提高强度 改善韧性和可焊性 减少时效倾向 是常用的合金元素 钒 钒是强的碳化物和氮化物形成元素 能有效提高强度 并能减少时效倾向 但增加焊接时的淬硬倾向 2 钢材的晶体组织钢是铁碳合金晶体 晶体结构中各个原子是以金属键相结合的 这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础 原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不同的晶格 如体心立方晶格是原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点而构成的空间格子 面心立方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心而构成的空间格子 铁和碳两种元素可以不同的形态存在 这种形态称为晶体组织 2 2钢的基本晶体组织碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中 其Fe和 有以下三种结合形式 固溶体 铁 Fe 中固溶着微量的碳 C 化合物 铁和碳结合成化合物Fe3 机械混合物 固溶体和化合物的混合物 以上三种形式的Fe 合金 于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体 称为钢的组织 在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像 故也称显微组织 钢的基本组织主要有以下几种 铁素体钢材中的铁素体为 在 一Fe中的固溶体 由于 一Fe体心立方晶格的原子间空隙小 溶碳能力较差 故铁素体含 量很少 小于0 02 由此决定其塑性 韧性很好 但强度 硬度很低 奥氏体奥氏体为 在 一Fe中的固溶体 溶碳能力较强 高温时含碳量可达2 06 低温时下降至0 8 其强度 硬度不高 但塑性好 在高温下易于轧制成型 渗碳体渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C 其含 量高 达6 67 晶体结构复杂 塑性差 性硬脆 抗拉强度低 珠光体珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物 含 量较低 0 8 层状结构 塑性较好 强度和硬度较高 第4节 钢材的冷加工和热处理1 钢材的冷加工将钢材在常温下进行冷拉 冷拔或冷轧 使产生塑性变形 从而提高屈服强度 这个过程称为钢材的冷加工强化 冷加工强化的原理是 钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多 而缺陷的晶格严重畸变 对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用 故钢材的屈服点提高 塑性和韧性降低 由于塑性变形中产生内应力 故钢材的弹性模量 降低 工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理 对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工 以提高屈服强度 将经过冷拉的钢筋于常温下存放15 20 或加热到100 200 并保持一段时间 这个过程称为时效处理 前者称为自然时效 后者称为人工时效 冷拉以后再经过时效处理的钢筋 其屈服点进一步提高 抗拉强度稍见增长 塑性继续有所降低 由于时效过程中应力的消减 故弹性模量可基本恢复 钢材产生时效的主要原因是 溶于 一Fe中的碳 氮原子 向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快 这将使滑移面缺陷处碳 氮原子富集 使晶格畸变加剧 造成其滑移 变形更为困难 因而强度进一步提高 塑性和韧性则进一步降低 而弹性模量则基本恢复 2 钢材的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 钢材的热处理通常有以下几种基本方法 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 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 退火 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 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 第五节建筑钢材的技术标准1 建筑钢材的主要钢种 1 碳素结构钢按国家标准GB700 88规定 我国碳素结构钢分五个牌号 即 195 Q215 Q235 Q255和Q275 各牌号钢又按其硫 磷含量由多至少分为 四个质量等级 碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母 Q 屈服点数值 mm2 质量等级符号 A B C D 脱氧程度符号 F B Z TZ 等四部分组成 例如Q235 A F 它表示 屈服点为235N 2的平炉或氧气转炉冶炼的 级沸腾碳素结构钢 当为镇静钢或特殊镇静钢时 则牌号表示 与 Z 符号可予以省略 碳素结构钢的力学性能指标规定见表2 1 土木工程材料 P36表2 2 所示 国家标准对碳素结构钢的化学成分 包括C Si Mn S P五大元素 按质量等级及脱氧方法也分别提出了要求 2 低合金结构钢在碳素钢的基础上 加入总量小于 的合金元素炼成的钢 称为低合金高强度结构钢 简称低合金结构钢 常用的合金元素有硅 锰 钛 钒 铬 镍 铜等 按照 低合金高强度结构钢 GB T1591 1994 规定共分20个钢号 牌号由代表钢材屈服强度的字母 屈服强度数值 质量等级符号 三个部分按顺序组成 例如 Q295A 表示屈服强度为不小于295MPa 质量等级为 级的低合金结构钢 2 钢筋混凝土结构用钢 1 热轧钢筋根据表面特征不同 热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋 根据强度的高低 热轧钢筋又分为不同的强度等级 各强度等级热轧钢筋的技术标准见表2 2 土木工程材料 P39表2 6 我国热轧钢筋标准 按屈服强度 抗拉强度等力学性能分为I IV级 四个强度等级的钢筋中 除I级钢筋为低碳钢外 其余三级热轧带肋钢筋均为低合金钢 其牌号由HRB和规定屈服强度最小值构成 分别为热轧 肋 钢筋的英文名称的第一个字母 2 钢筋混凝土用冷拉钢筋为了提高钢筋的强度及节约钢筋 工地上常按施工规程 控制一定的冷拉应力或冷拉率 对热轧钢筋进行冷拉 冷拉钢筋的力学性能应符合规范规定的要求 冷拉后不得有裂纹 起层等现象 3 预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋是用 8 10 的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调质处理而成 代号为 预应力混凝土用热处理钢筋的优点是 强度高 可代替高强钢丝使用 配筋根数少 节约钢材 锚固性好 不易打滑 预应力值稳定 施工简便 开盘后钢筋自然伸直 不需调直及焊接 主要用于预应力钢筋混凝土轨枕 也用于预应力梁 板结构及吊车梁等 4 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材 经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋 冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品 是一种新型高效建筑钢材 冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5级 其代号为CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 和CRB1170 CRB为Coldrollingribbedsteelbar 后面的数字表示钢筋抗拉强度等级数值 冷轧带肋钢筋的公称直径范围为 12 冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合表2 7 P40 的要求 5 冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是将直径为6 5 8 的Q235热轧盘条钢筋经冷拔加工而成 冷拔低碳钢丝分为甲 乙两级 甲级丝适用于作预应力筋 乙级丝适用于作焊接网 焊接骨架 箍筋和构造钢筋 其力学性能应符合有关规定 6 预应力混凝土用钢丝及钢绞线大型预应力混凝土构件 由于受力很大 常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力钢筋 预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢盘条 经酸洗 冷拉或再经回火处理等工艺制成 钢铰线是由 根直径为2 5 5 0 的高强度钢丝 铰捻后经一定热处理清除内应力而制成 铰捻方向一般为左捻 预应力混凝土用钢丝分为冷拉钢丝 代号 矫直回火钢丝 代号 和矫直回火刻痕钢丝 代号JK 三种 前二种其公称直径有 三种 它们的抗拉强度 b达1500MPa以上 屈服强度 0 2可达1100MPa以上 预应力混凝土用钢绞线直径有9 0 12 0 和15 0 三种 整根破坏负荷可达220kN 屈服负荷可达187kN 钢绞线主要用于大跨度 大负荷的后张法预应力屋架 桥梁和薄腹梁等结构的预应力筋 第六节建筑钢材的锈蚀与防止1钢材的锈蚀钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏 根据锈蚀作用的机理 钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种 化学锈蚀化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀 这种锈蚀多数是氧化作用 使钢材表面形成疏松的氧化物 电化学锈蚀电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触而产生电流 形成微电池而引起的锈蚀 潮湿环境中的钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖 而钢材是由铁素体 渗碳体及游离石墨等多种成分组成 由于这些成分的电极电位不同 首先 钢的表面层在电解质溶液中构成以铁素体为阳极 以渗碳体为阴极的微电池 在阳极 铁失去电子成为Fe2 进入水膜 在阴极 溶于水膜中的氧被还原生成 随后两者结合生成不溶于水的Fe OH 2 并进一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈Fe OH 3 由于铁素体基体的逐渐锈蚀 钢组织中的渗碳体等暴露出来的越来越多 形成的微电池数目也越来越多 钢材的锈蚀速度愈益加速 2防止钢材锈蚀的措施钢结构防止锈蚀的方法通常是采用表面刷漆 常用底漆有红丹 环氧富锌漆 铁红环氧底漆等 面漆有调和漆 醇酸磁漆 酚醛磁漆等 薄壁钢材可采用热浸镀锌等措施 混凝土配筋的防锈措施 根据结构的性质和所处环境条件等 主要是保证混凝土的密实 保证足够的保护层厚度 限制氯盐外加剂的掺加量和保证混凝土一定的碱度等 还可掺用阻锈剂 钢材的组织及化学成分是引起钢材锈蚀的内因 通过调整钢的基本组织或加入某些合金元素 可有效地提高钢材的抗腐蚀能力 例如 炼钢时在钢中加入铬 镍等合金元素 可制得不锈钢 例2 1从一批钢筋中抽样 并截取两根钢筋做拉伸试验 测得如下结果 屈服下限荷载分别为42 4 42 8kN 抗拉极限荷载分别为62 0kN 63 4kN 钢筋公称直径为12 标距为60 拉断时长度分别为70 6和71 4mm 评定其级别 说明其利用率及使用中安全可靠程度如何 解 1 钢筋试样屈服点为 钢筋试样抗拉强度为 b 548 561 2 555N mm2 钢筋试样伸长率为 17 7 19 0 2 18 4 查表2 2知 s1 s2均大于335N mm2 b1 b2均大于490N mm2 钢筋试样伸长率均大于16 故该钢筋为II级钢 2 该钢筋的屈强比为 s b 385 555 0 69该II级钢筋的屈强比在0 65 0 75范围内 表明其利用率较高 使用中安全可靠度较好 例2 2为什么说屈服点 s 抗拉强度 b 和伸长率 是建筑工程用钢的重要技术性能指标 解屈服点 s 是结构设计时取值的依据 表示钢材在正常工作时承受应力不超过 s值 屈服点与抗拉强度的比值 s b 称为屈强比 它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度 伸长率 表示钢材的塑性变形能力 钢材在使用中 为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断 要求其塑性良好 即具有一定的伸长率 可以使缺陷处应力超过 s时 随着发生塑性变形使应力重分布 而避免结构物的破坏 例2 3简述碳元素对钢材基本组织和性能的影响规律 解碳素钢中基本组织