钢材的力学与分类.doc

第三篇 金属材料第一章 钢 材内容：金属材料分类，建筑钢材的定义，分类，冶炼方式对钢材质量影响，建筑钢材的力学性能，冷弯、冲击、硬度、抗疲劳性；钢材的化学成分，晶体组织对钢材性能影响，钢材冷加工，时效及热处理，焊接、建筑钢材的技术标准及选用，各种钢筋的性能及应用，钢材的腐蚀及防止。基本要求：1了解建筑钢材的基本知识。32理解钢材化学成份,晶体组织及如何影响钢材性能。23掌握钢材的力学性能及影响其性能的因素。14弄清钢材冷加工、时效、焊接的工程应用意义。25掌握钢材技术标准及选用原则。1重点：结构用钢材的种类，性能及应用范围，钢材性能改善的途径及方法：钢材质量的评价。第一章 钢 材是由一种或一种以上的金属元素与非金属元素组成的合金的总称。金属材料可分为黑色金属和有色金属。黑色金属主要为铁和钢。钢材是土木工程中使用量最大的金属材料，包括用于钢结构工程中的各种型钢（角钢、槽钢、工资钢等）、钢板和用于钢筋混凝土结构工程中的各种钢筋及钢丝。钢材具有以下主要优点：l 质量均匀，性能可靠。l 强度、硬度高。l 塑性、韧性好。缺点：l 易锈蚀，维修费用高。l 耐火性差。第一节 钢材一钢的冶炼将生铁中的碳含量降至2.0以下，使硫磷等杂质含量降至一定范围内即成为钢。炼钢基本原理是除碳、造渣、脱氧。冶炼方法：平炉炼钢、氧气顶吹转炉、电炉钢。二钢的分类1按化学成分分类l 碳素钢：低碳钢（小于0.25）、中碳钢（0.250.60）、高碳钢（大于0.6）。l 合金钢：低合金钢（小于5.0）、中合金钢（510）、高合金钢（大于10）。2按杂质含量（S、P）分l 普通碳素钢l 优质碳素钢l 高级碳素钢。3按冶炼方式分l 平炉钢l 氧气转炉钢l 电炉钢。4按冶炼时脱氧程度分：l 沸腾钢：（代号F） 脱氧不充分，在浇铸钢锭时，钢液中有大量CO气体逸出，碳及其他元素的偏析现象较严重，钢材中成分不均匀，质量较差；l 镇静钢：（代号Z）脱氧完全，浇注钢时基本没有气体逸出，所以钢液平静冷却，钢材质量好；l 半镇静钢 ：（代号b） 脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间；l 特殊镇静钢：（代号TZ）脱氧相当完全，钢材质量最好。5按用途分：l 结构钢l 工具钢l 特殊钢土木工程中常用钢材主要是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。第二节 钢材的力学性能主要包括抗拉、冷弯、冲击韧性和疲劳特性等。一抗拉性能这是钢材的主要性能，在抗拉过程中主要测试屈服强度、抗拉强度、伸长率等技术指标。钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段四个阶段，见图。在第一阶段（OA段），应力与应变成正比例关系。如在此阶段去掉外力，钢才能恢复原状。弹性阶段的最高点（A点）所对应的应力称为比例极限或弹性极限，用p表示。应力与应变的比值为常数，称为弹性模量，反映钢材的刚度。Q235碳素结构钢的弹性模量E（2.02.1）105MPa。在第二阶段（AB段），应力与应变不再成正比例关系，应力的增长滞后于应变的增长，甚至会出现应力减小的情况，这一现象称为屈服。B上为屈服上限，B下为屈服下限。因B下点较稳定且容易测定，故常以屈服下限作为钢材的屈服强度，称为屈服点。用s表示。钢材到达屈服点后，尽管尚未断裂，但由于变形的迅速增长，已不能满足使用要求，故设计中一般以屈服现象不明显的钢材，取残余变形为0.2原标距长度时的应力作为屈服强度，称为0.2。第三阶段（BC段），当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶格扭曲，晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高，应力应变图由B下升至最高点C，C点为极限抗拉强度，用b表示。sb为屈强比，是评价钢材受力特征的一个参数，反映钢材超过屈服点工作的可靠度、安全度。该值越小，表明可靠度越大，安全度越高；但太小，则是利用率偏低，浪费钢材，一般该值在0.600.75。第四阶段（CD段），在试件某薄弱处的断面将显著减小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象而很快断裂，伸长率和断面收缩率用来表示钢材塑性变形的能力。二冷弯性能是钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材的工艺性能指标。弯曲角度，弯心直径d与试件直径（或厚度）a的比值表示，d/a越小，越大，说明试件受弯程度越高，对不同的钢材有相应的标准要求，试件受弯处不发生裂缝，断裂或起层，即认为冷弯性能合格。钢材的冷弯性能和伸长率均是塑性变形能力的反映，但伸长率是在试件轴向均匀变形条件下测定的，而冷弯性能则是在更严格条件下钢材局部变形的能力，它可揭示钢材内部结构是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷，还经常用冷弯来检验焊缝接头。三冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。单位面积上所消耗的功，k为其指标。冲击韧性对钢的化学成分，组织形态以及冶炼、轧制质量都较敏感，如钢中硫磷的含量较高，存在偏析，非金属杂质物或焊接形成的微裂纹等均会使冲击韧性显著降低。钢材的冷脆性：钢材在常温下并不现实脆性，但随着温度下降到一定程度则可以产生脆性断裂。冲击韧性随温度降低而下降的规律是开始下降缓慢，当达到一定温度时则突然下降，这时的温度范围称为脆性转变温度或脆性临界温度。随时间延长，钢材强度逐渐提高，塑性、韧性下降的现象称为“时效”。因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。四耐疲劳性钢材在交变荷载反复多次作用下，可在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。max越大，次数N越小。钢材的疲劳破坏是拉