土木工程材料：建筑钢材

土木工程材料 土木工程建筑钢材2009年版 第1页 共61页 1钢的冶炼和分类 1 1钢的冶炼1 炼铁炼钢3 脱氧4 轧钢 问 与钢材相比含碳量高是铁 还是含碳量低是铁 第2页 共61页 1 钢材的分类 按脱氧程度分类沸腾钢其代号为 F 缺点 沸腾钢中碳和有害杂质磷 硫等的偏析较严重 钢的致密程度较差 优点 成品率较高 故成本较低 镇静钢其代号为 Z 优点 组织致密 气泡少 偏析程度小 各种力学性能比沸腾钢优越 半镇静钢其代号为 b 特殊镇静钢 第3页 共61页 1 2钢的分类 按化学成份分类碳素钢 含碳量为0 02 11 的铁碳合金碳素钢根据含碳量可分为 低碳钢 含碳小于0 25 中碳钢 含碳0 25 0 6 高碳钢 含碳大于0 6 合金钢碳素钢中加入一定量的合金元素则称为合金钢 合金元素 硅 Si 锰 Mn 等合金钢按合金元素的总含量可分为低合金钢 合金元素总含量小于5 中合金钢 合金元素总含量为5 10 高合金钢 合金元素总含量大于10 第4页 共61页 1 2钢的分类 按品质 杂质含量 分类普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢 第5页 共61页 1钢的基本晶体结构及对钢材性能的影响 1 纯铁的晶格类型钢的基本晶体组织 1 铁素体 2 渗碳体 3 珠光体 第6页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 碳碳是决定钢材性质的主要元素 碳含量提高 强度和硬度相应提高 而塑性和韧性则相应降低 碳是显著降低钢材可焊性元素之一 含碳量超过0 3 时钢的可焊性显著降低 含碳量增加还增加钢的冷脆性和时效敏感性 降低抗大气锈蚀性 第7页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 硅硅含量在2 以内 可提高钢材的强度 疲劳极限 耐腐蚀性及抗氧化性 对塑性和韧性影响不明显 硅是我国钢筋用钢的主加合金元素 主要用于提高钢材的强度 第8页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 锰锰对氧和硫的结合力大于铁对氧和硫的结合力 因此锰能使有害的FeO FeS分别形成MnO MnS而进入钢渣中 因而 锰能消减硫和氧所引起的热脆性 使钢材的热加工性质和可焊性改善 多余的锰溶于铁素体中 可提高钢材的强度 锰是我国低合金结构钢的主加合金元素 锰含量一般在l 2 范围内 第9页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 磷磷是碳素钢中的有害杂质 它可使钢材的强度提高 但塑性和韧性显著下降 同时使钢材冷脆性显著增大 磷在钢中的偏析倾向强烈 显著降低钢材的可焊性 焊接时焊缝容易产生裂纹 第10页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 硫硫是钢中很有害的元素 热脆性 硫往往形成低熔点硫化铁FeS 夹杂在钢材中 钢材在红热状态下进行加工或焊接时 FeS已熔化 使钢的内部产生裂纹 这种在高温下产生裂纹的特性称为热脆性 硫所引起的热脆性大大降低了钢材的热加工性和可焊性 硫偏析较严重 降低了钢材的冲击韧性 疲劳强度和抗腐蚀性 第11页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 氧氧是钢中的有害杂质降低钢的机械性能 特别是韧性 氧有促进时效倾向的作用 氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏 第12页 共61页 2化学成分对钢性能的影响 氮氮可使钢材的强度提高 但塑性特别是韧性显著下降 溶于铁素体中的氮 有向晶格的缺陷处移动 集中的倾向 故可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性 降低可焊性 第13页 共61页 工程实例分析 1钢的分类 某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成 使用一段时间后 屋架坍塌 第14页 共61页 首先是因为钢材的选用不当 中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差 其次是焊接性能较差 焊接时钢材局部温度高 形成了热影响区 其塑性及韧性下降较多 较易产生裂纹 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 1钢的分类 第15页 共61页 3建筑钢材的主要力学性能 本节介绍抗拉性能冷弯性能冲击韧性硬度耐疲劳性 第16页 共61页 3 1抗拉性能 拉伸性能是建筑钢材的重要性能 拉伸试验中的重要技术指标屈服点抗拉强度伸长率 第17页 共61页 3 1抗拉性能 弹性阶段弹性极限屈服阶段屈服点 S强化阶段极限抗拉强度 b颈缩阶段 第18页 共61页 3 1抗拉性能 第19页 共61页 例题 问题 低碳钢拉伸过程中屈服阶段的特点是 A 随荷载的增加应力和应变成比例增加B 荷载不增加情况下仍能继续伸长C 荷载增加 应变才相应增加 但应力与应变不是直线关系D 应变迅速增加 应力反而下降 直至断裂 答案 B 第20页 共61页 3 1抗拉性能 屈强比定义屈强比指钢材拉伸时的屈服强度和抗拉强度的比值 用 S b表示 屈强比的工程意义屈强比越小 反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性大 因而结构的安全性高 但屈强比太小 反映钢材不能有效地被利用 屈强比大 钢材的强度利用较为充分 但钢材受力超过屈服点工作时的可靠性差 第21页 共61页 例题 问题 下列关于钢材的屈强比的叙述中 合理的是 屈强比越高 结构越安全 且钢材利用率也较高 屈强比越高 结构越安全 但钢材利用率不高 屈强比越高 结构越不安全 但钢材利用率较高 屈强比越高 结构越不安全 且钢材利用率较低 答案 C 第22页 共61页 3 1抗拉性能 伸长率试样拉断后 标距的增量 L 与原始标距 L0 之比 称为伸长率 以 表示 按下式计算伸长率 第23页 共61页 3 1抗拉性能 5与 10标距与直径之比越大 则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越小 通常以 5和 10分别表示L0 5d0和L0 10d0时的伸长率 d0为试件的原直径 对于同一钢材 5大于 10 第24页 共61页 3 1抗拉性能 中 高碳钢拉伸特点抗拉强度高 伸长率小 没有明显的屈服阶段 屈服极限 点 确定故常以发生残余变形0 2 时的应力作为屈服强度 称为条件屈服强度 用 0 2表示 中 高碳钢拉伸时应力 应变图 第25页 共61页 3 2冷弯性能 冷弯性能定义指钢材在常温下承受弯曲变形的能力钢材的冷弯性能指标 弯曲程度 是通过试件被弯曲的角度和弯心直径与试件厚度 或直径 的比值确定的 第26页 共61页 3 3冲击韧性 冲击韧性定义指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力 冲击韧性指标 冲击韧性值 K 摆锤打击带V型缺口试件 在V型刻槽处将其打断 试件单位截面积上所消耗的功 即为钢材的冲击韧性值 K越大 冲击韧性越好 试验多媒体 第27页 共61页 第28页 共61页 3 3冲击韧性 冲击韧性的影响因素钢材的化学成分 组织状态 冶炼 加工 例如 钢材中磷 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 第29页 共61页 3 3冲击韧性 钢材的冷脆性与脆性临界温度冲击韧性随温度的降低而下降 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 这种性质称为钢材的冷脆性 这时的温度称为脆性临界温度 脆性临界温度的数值越低 钢材的抗低温冲击性能越好 负温下使用的结构 应选用脆性临界温度比使用温度低的钢材 第30页 共61页 3 4硬度 布氏硬度测定示意图 第31页 共61页 3 5耐疲劳性 疲劳破坏钢材在交变荷载作用下应力远小于抗拉强度时发生断裂的现象 疲劳极限指疲劳试验中试件在交变荷载作用下 在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力 周期基数一般为200万次或400万次以上 影响因素抗拉强度高 其疲劳强度也高 内部组织和表面质量有关 疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的 设计重复荷载进行疲劳验算的结构 应了解所用钢材的疲劳极限 第32页 共61页 观察与讨论 2土木工程常用金属材料的性质及应用 钢支架的钢材选用 华北某厂需焊接一座露天且需承受动荷载的钢支架 该厂已有三种碳素结构钢 厚度均为80mm Q235抗拉强度已可满足设计要求 三种钢材的价格是 请选用 Q235A F Q235A b Q235C 第33页 共61页 1建筑常用钢种 钢支架的钢材选用 选 不当 Q235A F为沸腾钢 其内部杂质和夹杂物较多 化学成分和力学性能不均匀 抗冲击韧性特别是低温抗冲击韧性差 可焊性差 不宜用于承受动荷载的焊接钢结构 请再选 第34页 共61页 1建筑常用钢种 钢支架的钢材选用 Q235A b为半沸腾钢 性能虽优于Q235A F 但焊接结构应保证碳的极限含量 而Q235A钢的含碳量是不作为交货条件的 一般不用于焊接结构 另外厚度较大的钢材 塑性 冲击韧性及焊接性能一般较差 选用厚度较大的焊接钢结构应选用材质较好的钢 第35页 共61页 1抗拉性能 1 两种钢材的选用 请观察下图中 两种低碳钢的应力 应变曲线的差异 讨论下述问题 若对于变形要求严格的构件 两种低碳钢选用何种更合适 使用 两种钢材 哪一个安全性较高 观察与讨论 第36页 共61页 1 两种钢材的选用 从 两条曲线比较可知 低碳钢 的弹性模量E小于低碳钢 也就是说 低碳钢 的抗变形能力不如低碳钢 对于变形要求严格的构件选用低碳钢 更为合适 第37页 共61页 1 两种钢材的选用 两种低碳钢的屈服强度 s相近 但低碳钢 的抗拉强度 b高于 屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比 即 s b 屈强比越小 反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大 结构的安全性越高 当然 屈强比过小时 表示钢材强度的利用率偏低 也不合理 有时也使用强屈比 b s 来评价钢材的可靠性 钢材 的屈强比较低 故其安全性高于钢材 Q235钢材的屈强比为0 58 0 63 普通的合金钢的屈强比在0 67 0 75之间 第38页 共61页 2 两种钢材低温冲击韧性的比较 2冲击韧性 请观察下图中 两低合金钢曲线 若在东北地区 应选用何种钢更有利 第39页 共61页 2 两种钢材低温冲击韧性的比较 温度对冲击韧性有重大影响 当温度降至一定程度时 冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性 此现象称为冷脆性 曲线中棕色段代表脆性断裂 蓝色段代表脆性转变范围 黑色段代表韧性断裂 从上图中可知 低合金钢 的脆性转变温度低于 即说明钢材的低温冲击韧性较好 东北地区冬季气温低 主要考虑低温冲击韧性问题 选用 更有利 影响钢材的冲击韧性还有许多因素 例如 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 第40页 共61页 某运输廊倒塌分析 工艺性能 某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌 事故发生时室外气温为36 左右 经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0 23 0 25 含硫0 06 焊接质量差 请分析事故原因 第41页 共61页 工艺性能 原因之一是所使用的钢材不符合标准要求 发生脆性断裂 所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材的要求 即含碳不超过0 22 含硫量不超过0 055 硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏的部位 原因之二是断裂处焊缝低劣 以及焊接接缝处有应力集中现象 助长了此桁架的断裂破坏 经检查 多处焊缝明显未焊透 有焊瘤 夹杂缺陷 焊接质量差 第42页 共61页 4 1钢材的冷加工强化及时效处理 冷加工强化将钢材于常温下进行冷加工 如冷拉 冷拔或冷轧 使之产生塑性变形 从而提高屈服强度 称为冷加工强化 这个过程称为冷加工强化处理 建筑钢材常见的冷加工方法有 冷拉 将钢材在常温下进行拉伸至超过屈服点再卸载的加工方法 冷拔 冷轧 冷扭 刻痕等 第43页 共61页 冷拔 第44页 共61页 4 1钢材的冷加工强化及时效处理 钢筋经冷拉后性能变化的规律 钢筋经冷拉后 屈服点将提高 抗拉强度不变 但塑性和韧性下降 冷拉的目的提高钢材的屈服点 节约钢材 低碳钢冷加工强化 第45页 共61页 1 冷加工强化 产生冷加工强化的原因钢材在冷加工时晶格缺陷增多 晶格畸变 对位错运动的阻力增大 因而屈服强度提高 塑性和韧性降低 第46页 共61页 时效处理 时效的定义钢材随时间的延长 屈服强度 抗拉强度和硬度提高 而塑性和冲击韧性下降的现象 产生时效的原因 主要是 Fe晶格中的碳 氮原子的移动 集中甚至呈碳化物或氮化物析出的倾向 第47页 共61页 4 2热处理 退火淬火回火正火 第48页 共61页 4 3钢材的焊接 帮条焊 闪光对焊 搭接焊 第49页 共61页 5钢材的防火和防腐蚀 10 5 1钢材的高温性能10 5 2钢材的防火及防火措施10 5 3钢材的锈蚀与防止 第50页 共61页 5 1钢材的高温性能 钢材属于不燃烧材料 可是在火灾条件下 裸露的钢结构会在十几分钟内发生倒塌破坏 当温度小于175 时 受热钢材强度略有升高 随后强度伴随温度急剧地下降 当温度为500 时 受热钢材强度仅为其常温强度的30 而当温度达到750 时 可认为钢材强度已全部丧失 第51页 共61页 第52页 共61页 5 2钢材的防火及防火措施 第53页 共61页 5 2钢材的防火及防火措施 第54页 共61页 5 3钢材的锈蚀与防止 钢材锈蚀的原因钢材的锈蚀指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏 根据钢材表面与周围介质的作用不同 锈蚀可分为下述两类 化学锈蚀 电化学锈蚀 第55页 共61页 5 3钢材的锈蚀与防止 化学锈蚀指钢材表面与周围介质直接发生化学反应而产生的锈蚀 如钢材在常温和高温时发生氧化形成Fe3O4 氧化性气体有空气 氧 水蒸汽 二氧化碳 二氧化硫和氯等 反应后生成疏松氧化物 化学锈蚀速度随温度 湿度提高而加速 干湿交替环境下腐蚀更为严重 在干燥环境下腐蚀速度缓慢 第56页 共61页 5 3钢材的锈蚀与防止 电化学锈蚀定义 指钢材与电解质溶液相接触而产生电流 形成原电池作用而发生的腐蚀 主要腐蚀类型 机理应力腐蚀 第57页 共61页 5 3钢材的锈蚀与防止 防止钢材腐蚀的措施合金化金属覆盖非金属覆盖混凝土用钢筋的防锈 第58页 共61页 6土木工程常用金属材料的性质及应用 建筑常用钢种碳素结构钢优质碳素结构钢低合金高强度结构钢钢结构用钢热轧型钢冷弯薄壁型钢棒材 钢管和板材 混凝土结构用钢热轧钢筋冷轧钮钢筋冷轧带肋钢筋预应力混凝土用钢丝钢绞线 第59页 共61页 6 1 1碳素结构钢 碳素结构钢的牌号组成 代表屈服点的字母Q 屈服点数值 质量等级符号 脱氧方法符号 如Q235 BF符号意义如下 6 1 1碳素结构钢 6 1 1碳素结构钢 第62页 共61页 6 1 2优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的特点是 生产过程中对硫 磷等有害杂质控制较严 S 0 035 P 0 035 一般都用平炉 氧气碱性转炉 炉衬为碱性材料 或电弧炉冶炼 脱氧程度较高 大部分为镇静钢 因此质量较稳定 第63页 共61页 6 1 2优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的钢号用两位数字表示 它表示平均含碳量的万分数 例如 45号钢 表示平均含碳量为0 45 的优质碳素结构钢 当钢材中含锰量较高时 在钢号后加注 Mn 例如 45Mn即表示平均含碳量为0 45 含锰的优质碳素结构钢 在优质碳素钢中 只有三个钢号属沸腾钢 应在钢号后加注 F 其余均为镇静钢 第64页 共61页 6 1 2优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的应用用于重要结构的钢铸件及高强螺栓 常用30 45号钢 预应力钢筋混凝土中用于制作锚具 常用45号钢 用于碳素钢丝 刻痕钢丝和钢绞线 常用65 80号钢 第65页 共61页 6 1 3优质碳素结构钢低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢定义在碳素结构钢基础上加入总量小于5 的合金元素 所加合金元素主要有锰 硅 钒 钛 铌 铬 镍及稀土元素 第66页 共61页 6 1 3优质碳素结构钢低合金高强度结构钢 牌号有Q295 Q345 Q390 Q420 Q460等5个牌号 如 Q345A 6 1 3优质碳素结构钢低合金高强度结构钢 第68页 共61页 热轧钢筋 热轧钢筋根据表面形状分光圆钢筋带肋钢筋 月牙肋钢筋表面及截面形状 第69页 共61页 1 热轧钢筋 光圆钢筋牌号 HPB235轧制用钢 Q