建筑材料钢材钢材基本性能ppt课件

1、第二章,建筑钢材,土木工程材料,学习目标,通过本章的学习,1,掌握钢材力学,性能的几个指标参,数：抗拉、冷弯,冲击韧性、耐疲劳,和硬度等,2,理解抗拉变形,过程中的几个阶段,和对应的应力指标,3,由抗拉曲线得,到钢材弹塑性评价,的几个指标参数,4,了解影响钢材,性能的化学成分因,素,本章内容,2.1,建筑钢材基本知识,2.1.1,建筑钢材概述,2.1.2,钢的冶炼加工及其对钢,材质量的影响,2.1.3,钢的分类,2.1.4,钢材的加工,2.2,建筑钢材的主要技术性能,2.2.1,力学性能,2.2.2,工艺性能,2.3,建筑钢材的技术标准及应用,2.3.1,碳素结构钢,2.3.2,优质碳素结构钢

2、,2.3.3,低合金高强度结构钢,2.4,常用建筑钢材,超柔性,大跨度,高耸细长,复杂大悬空,原因之一,船体钢板材料缺陷，造船工程师只考虑到要增加钢的强度没有,想到要增加其韧性。在“泰坦尼克号”沉没地点的水温中，发现了,钢材的冷,脆性,即在,40,0,的温度下，钢材的力学行为由,韧性变成脆性,从而导致,灾难性的,脆性断裂,原因之二：连接船体各部分的固定铆钉，是用掺有矿渣的劣质金属制成的,其中的矿渣含量竟然超过了标准钢材的,2,倍。根据冶金学理论，这种,过量的不,纯物质使得铆钉在剧烈的撞击过程中很容易发生断裂,经典案例,凄美悲壮的浪漫故事,泰坦尼克号”沉没事故,2.2,建筑钢材的主要技术性能,2

3、.2.1,建筑钢材的力学性能,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件，消除断部尺度,效应影响,l,0,A,0,d,0,l,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件,头部,头部,工作段,2.2.1.1,抗拉性能,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢,一条曲线的故事,应力,应变拉伸曲,线,拉伸性能是建筑钢材,最重要,的性能,从低碳钢的应力,应变关系中可看出,低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶,段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段,和颈缩阶段,通过对钢材进行抗拉试验所测得的,弹性模量、屈服强度、抗拉强度和,伸长率,是钢材的四个重要技术性质,指标,E,式中,材料的应变,材料的应力,E,材料的

4、弹性模量,应力与应变,2.2,建筑钢材的主要技术性能,2.2.1,建筑钢材的力学性能,1,应力,物体由于外因（受力、湿,度、温度场变化等）而变形时,在物体内各部分之间产生相互作,用的内力,2,应变,用以描述一点处变形的程,度的,力学量,F,F,A,L,L,0,L,1,0,0,0,1,L,L,L,L,L,A,F,A,N,注,1,这种应力计算公式代表的是荷载作用界面平均应力，对于复杂界面或者孔洞,存在应力集中和分布不均情况需计算局部应力分布,2,应变的这种计算同样是测试范围,L,0,的平均应变，可以直接从应力应变曲线得,到，对于均值连续几何形态统一规则适用性较好，否则需要用用引伸计等手段,测试局部

5、应变,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢,1,弹性阶段,OA,一条通过原点,的直线，应力与应变成正比,弹性,弹性模量,E,值的大小反映了钢材抵抗,弹性变形的能力,A,点对应,的应力,p,tg,E,0,L,L,O,A,F,低碳钢受拉的应力应变图,p,E,1,E,2,图形的特点,试件的特点,计算的指标,A,B,C,D,弹性极限,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢,2,屈服阶段,AB,一条波动的曲,线，应力增加很小，而应变增加,很大,所能承受的拉,力增加很小，而塑性变形迅速,增加，似乎钢材不能承受外力,屈服强度（也叫屈服点,点对,应的应力,下,B,A,F,s,s,0,L,L,图形的特点,试件的特点,计算

6、的指标,O,A,F,低碳钢受拉的应力应变图,p,A,C,D,B,B,上,B,下,s,s,屈服,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢,B,B,上,B,下,A,弹塑性,塑性阶段,3,强化阶段,BC,一段上升的曲线,抵抗塑性变形的能力又重新,提高,抗拉强度,b,A,F,b,b,图形的特点,试件的特点,计算的指标,0,L,L,O,A,F,低碳钢受拉的应力应变图,p,A,C,D,B,B,上,B,下,s,b,C,点对应的应力,强化,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢,4,颈缩阶段,CD,一段下降的曲线,变形迅速发展，在有杂质或,缺陷处，断面急剧缩小,直到断裂,伸长率,100,0,0,1,L,L,L,图形的特点,

7、试件的特点,A,F,0,L,L,O,p,A,C,D,B,B,上,B,下,s,b,L,1,L,0,计算的指标,颈缩,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢,1,硬钢,高碳钢,强度高，塑性差，拉伸过,程无明显屈服阶段，无法,直接测定屈服强度。用条,件屈服强度,0.2,来代替屈服,强度,2,条件屈服点,0.2,使硬钢产生残余变形达到,原始标距,0.2,变形时的应,力作为规定屈服极限,3,代表性的材料,预应力高强度钢筋和高强,钢丝,o,A,0.2,a,b,oa,总变形,ba,弹性变形,99.8,ob,塑性变形,0.2,2.2.1.1,抗拉性能（高碳钢,1,杨氏模量,E,tan,杨氏模量是描述固体材料抵抗形变

8、能力的,物理量,定义在胡克定律适用的范围内,单轴应力和单轴形变之间的比,2,屈服强度,s,结构设计中钢材强度取值的依据,3,抗拉强度,b,钢材所能承受的最大应力,屈强比,屈强比,利用率,安全可靠程度,4,伸长率,衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑,性越好,b,s,b,s,100,0,0,1,L,L,L,A,F,0,L,L,O,p,A,C,D,B,B,上,B,下,s,b,s,b,b,s,2.2.1.2,钢材力学性能的评价指标,1,钢材的,p,和,s,越高，表示,钢材对小量塑性变形的抵抗能力,越大,因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力,就越大,p,与,b,差值越大的钢，说明超过屈服点后

9、的强度储备,能力越大,结构的安全性高,2,屈强比,s,b,钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度,的比值，称为屈强比。它也代表了,钢材强度储备,的大小，屈,强比越大，结构零件的可靠性越高，屈强比越小，强度储备,大。但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低。一般碳素钢,屈强比为,0.6-0.65,低合金结构钢为,0.65-0.75,合金结构钢为,0.84-0.86,评价钢材拉伸性能的指标,3,伸,长,率,指,金,属,材,料,受,外,力,拉力）作用断裂时，试棒伸长的,长度与原来长度的百分比，伸长率,按试棒长度的不同分为：试棒的标,距等于,5,倍直径，短试棒求得的伸长,率，代号为,5,试棒的标距等于,10,

10、倍直径，长试棒求得的伸长率，代,号为,10,伸长率是钢材发生断裂时,所能承受的永久变形的能力,试件的伸长率,l,0,拉伸前的标距长度,l,1,拉断后的标距长度,l,0,拉伸前的标距长度,l,1,拉断后的标距长度,0,0,0,0,1,100,l,l,l,4,断面收缩率,是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最,大缩减量占横截面的百分率。在工程中钢材的,塑性指标通,常用伸长率和断面收缩率表示,塑性是指钢材在受力破坏,之前可以经受永久变形的能力，以,表示,评价钢材拉伸性能的指标,2.2.1.2,冲击韧性,1,定义,钢材的冲击韧性,是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力,2,冲击韧性实验,当试验机的重摆从一定

11、高度自由落下时，在试样中间开,V,型缺口，试样吸,收的能量等于重摆所作的功,W,冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消,耗的功,k,来表示,3,k,值影响因素,试验温度,有些材料在常温时冲击韧性并不低。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,硫、磷含量高，存在化学偏析,含非金属夹杂物，焊接形成裂纹,温度降低等，均会降低冲击韧性,内部组织缺陷、冶金和轧制焊接,质量等关系大,失效敏感性越大钢材，时效后冲,击韧性和强度降低迅速,对于承受冲击荷载和振动荷载部,位的钢材，必须考虑冲击韧性,2.2.1.2,冲击韧性,4,影响冲击韧性的因

12、素,注：泰坦尼克号沉没事故是钢材低温冷脆和杂质成分造,成脆性破坏所致,钢板,冲击荷载,脆断,塑性变形,2.2.1.3,疲劳强度,1,疲劳破坏,受交变荷载反复作用，钢材在应力低于,其屈服强度的情况下突然发生,脆性断裂,破坏,的现象,2,钢材的疲劳破坏一般是由,拉,应力,引起,首先在局部开始形成细小断裂，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,3,疲劳破坏是在,低应力状态,下突然发,生的，所以危害极大，往往造成灾难性,的事故,4,疲劳影响因素,疲劳受内部组织和表面质量双重那个影,响,钢材疲劳曲线示意图,1,定义,硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能,力。是材料

13、,弹性、塑性、变形强化率、强度和,韧性,等参数的综合指标,2,计算方法,荷载,P,除以压痕表面积,3,测定方法,布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法,和洛氏法,4,硬度影响因素,材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相,关系，如：钢材的,HB,值与抗拉强度之间有较好,的相关关系,2.2.1.4,钢材的硬度,D,钢球直径,mm,d,压痕直径,mm,p,加在钢球上的实验力,N,h,压痕深度,mm,布氏法,冷弯性能,指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材,重要的工艺性能,1,冷弯试验的指标,弯心直径,d,与,试件厚度（直径,a,的比值,d/a,弯曲角度,90,或,180,试样弯曲外表面无肉

14、眼可见裂纹则冷弯合格,2,冷弯试验,更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能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。也反映钢材冶金质量和焊接质量,2.2.1.5,钢材的冷弯性能,a,2,d,2.2.1.5,钢材的冷弯性能,a,d,2,V,模具形弯曲装置,a,d,l,d,l,a,a,支辊式弯曲装置,虎钳式弯曲装置,滑块,耳轴,翻板,a,a,d,0,翻板式弯曲装置,钢筋类别,公称直径,mm,屈服强度,MPa,抗拉强度,MPa,伸长率,冷,弯,低碳钢热轧圆盘条,Q215,215,375,27,d=0,冷弯,180,无,裂纹,d,弯心直,a,试样直径,Q235,235,410,23,d=0

15、.5a,钢筋砼用热轧光圆钢筋,8,20,235,370,23,d=a,钢筋砼用热轧带肋钢,筋,HRB335,6,25,28,50,335,490,16,d=3a,d=4a,HRB400,6,25,28,50,400,570,14,d=4a,d=5a,HRB500,6,25,28,50,500,630,12,d=6a,d=7a,冷带,肋钢筋,CRB550,550,8,d=3a,冷弯,180,无裂纹,CRB650,650,反复弯曲,4,次，无裂纹,注,a=4,时，弯心半径,10,a=5,时，弯心半径,15,a=6,时，弯心半径,15,CRB800,800,CRB970,970,CRB1170,11

16、70,冷轧扭,钢筋,580,4.5,d=3a,冷弯,180,无裂纹,冷拔螺旋,钢筋,LX550,550,8,d=3a,冷弯,180,无裂纹,LX650,650,4,d=4a,LX800,800,4,d=5a,拉伸强度及弯曲试验性能指标应符合各项要求,2.2.1.5,钢材的冷弯性能,2.2.1.6,钢材的焊接性能,1,焊接,把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状,态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式,2,焊接性能,是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附,近过热区不产生裂纹及硬脆倾向,焊接后钢材的力学性能，特,别是强度不低于原有钢材的强度,3,影响因素,钢材的化学成分对

17、钢材的可焊性有很大的影响,4,选择,焊接结构用钢，选含碳量较低的氧气转炉或平炉镇静钢。对高,碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施,1,有益元素,1,碳,C,。碳是形成钢材强度的主要成分，是钢材中除铁以外最,主要的元素。含碳量高，则,钢材强度高,但同时,钢材的塑性、韧性,冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降,因此，建筑钢材对含碳量要,加以限制，一般,不应超过,0.22,在焊接结构中还应低于,0.20,2,硅,Si,。硅是,强脱氧剂,是制作镇静钢的必要元素,硅适量,时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊,性,在碳素镇静钢中硅的含量为,0.12,0.3,在低合金钢中为,0

18、.2,0.55,过量时会恶化钢材的可焊性及抗锈蚀性,3,锰,Mn,。锰是有益元素，它能,显著提高钢材的强度而不过多,降低塑性和冲击韧性,锰有,脱氧作用,是,弱脱氧剂,同时还可以,消,除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向,锰是低合金钢中的主要,合金元素，含量一般为,1.2,1.6,过量时会降低钢材的可焊性,4,钒,V,。钒是钢中合金元素，能,提高钢材的强度和抗锈蚀性,又不显著降低塑性,2.2.1.6,化学元素对钢材力学性能影响,2,有害元素,1,硫,S,是有害元素，属杂质。硫在钢材温度达到,800,1000,时生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，易出现裂缝，称为,热脆,硫,还会,降低钢材的冲击韧性、可焊性、疲劳强度及抗锈蚀能力,因,此，对硫的含量必须严加控制，一般不超过,0.045,0.05,Q235,的,C,级与,D,级钢要求更严,