建筑钢材 第三节 技术性质课件

1、第三节 建筑钢材的技术性质力学性质：抗拉强度、弹性、塑性、冲击韧性、 冷脆性、硬度；工艺性质：冷弯、可焊性、热处理、冷加工及 时效；耐久性：锈蚀。一、力学性质可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显地分为四个阶段：弹性阶段(OA段)在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为比例极限。此阶段应力与应变成正比。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。强化阶段(BC段) 当荷载超过屈服点以后，由试件内部组织结构发生变化，晶粒重新排列，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。钢材受拉断裂前的最大应力值称为极限抗拉强度b。颈缩阶段(CD段) 当钢材强化达到最高

2、点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。1.抗拉强度（1）屈服强度： 钢材受力达屈服点后，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依据。seAAB上B下CDEDE为颈缩阶段A为比例极限 A为弹性极限O A为弹性阶段CD为强化阶段B上为屈服上限B下为屈服下限，即屈服强度 BC为屈服台阶D为极限抗拉强度 有明显流幅的钢筋的应力应变曲线强化阶段屈服阶段ob弹性阶段ob破坏阶段de（2）屈强比屈强比(s/b)：屈服强度和抗拉强度的比值。在工程上很有意义，此值越小，结构的可靠性

3、越高，即防止结构破坏的潜力越大。但此值太小时，钢材的强度有效利用率太低，合理的屈强比，一般在0.60.75之间（Q225钢材的屈服比为0.580.63，普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。) 。所以屈服强度和抗拉强度是钢材力学性质的主要检验指标。2.疲劳强度（2）疲劳强度在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图示）。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2106次应力循环为基准。2 疲劳强度（3）破坏原因分析：钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，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

4、渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。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。3 弹性钢材在静荷载作用下受拉开始阶段，应力和应变成正比，这一阶段称为弹性阶段，具有这种变形特征的性质称为弹性。这个阶段的最大应力称为比例极限p。应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力称为弹性极限e。事实上，p与e相当接近。 弹性模量定义：弹性阶段应力和应变的比值称为弹性模量，即E=/=tg，单位为MPa。意义：弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。E越大，使

5、其产生一定量弹性变形的应力值也越大，在一定应力下，产生的弹性变形越小。在工程上，弹性模量也反映了钢材构件的刚度。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。建筑常用碳素结构钢Q235弹性模量 E=(2.0-2.1)105MPa。4、塑性 钢材的塑性通常用伸长率或断面收缩率指标来表示。 1)伸长率伸长率是指试件拉断后，标距长度的增量与原标距长度之比，常用%表示，符号。说明：伸长率与标距有关。5和10分别表示l0=5d 0和l0=10d 0时的伸长率。对同一种钢材510，这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的,颈缩处的伸长率较大，因此当原始标距l0与直径d 0之比愈大，则颈缩处伸长值在整

6、个伸长值中的比重愈小，因而计算得的伸长率就愈小。5、冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。规范规定是以有刻槽的标准试件，在冲击试验的摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示，符号ak,单位J/cm2.k冲击韧性；W重摆所作的功；A缺口处的最小横截面积。冲击韧性试验原理图 7.硬 度硬度是指在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(mm)的硬质钢球,在规定荷P(N)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸裁量出压痕直径d(mm)，然后计算每单位压痕球面积所受的荷载值，即布氏硬度值(HD)

7、。1 冷弯定义：冷弯性质是指在常温条件下，承受弯曲变形的能力。实验方法：冷弯是通过检查试件经规定的弯曲程度后，弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、鳞落和断裂等情况进行评定的。一般用弯曲角度()以及弯心直径(d)和对应钢材的厚度或直径的比值来表示。弯曲角度越大，d和a的比值越小，表明冷弯性能越好。 可焊性影响因素 可焊性主要受化学元素及其含量的影响；含碳量高将增加焊接的硬脆性，含碳量小于0.5%的碳素钢具有良好的可焊性。加入合金元素如硅、锰、钒、钛等，也将增大焊接的硬脆性，降低可焊性。特别是硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。3 热处理定义：热处理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

8、需要性能的一种工艺。热处理的方法有：正火、退火、淬火和回火。(1)正火钢材经过加热至相变温度以上变为奥氏体之后，置于空气中冷却，通过这种处理，可使钢材晶粒细化，调整碳化物大小和分布，其结晶可使内部应力除掉，对于经过压延难于除掉的应力和淬火回火有困难的大型钢件，特别是铸钢件，是重要的热处理工艺。正火后，钢材的强度提高而塑性降低。含碳量低的钢常用正火的方法提高其强度。(2)退火有低温退火和完全退火等之分。低温退火的加热温度在相变温度以下，其目的是利用加热使原子活跃，从而使加工中产生的缺陷减少，晶格畸变减轻和内应力的消除；完全退火的加热温度高于基本组织转变温度，经保温后以适当的速度缓冷，从而达到改变

9、组织并改善性能的目的。如含碳量较高的高强钢筋，焊接时容易形成很脆的组织，故必须紧接进行完全退火，以消除这一不利的转变，保证焊接质量。 (3)淬火将钢由奥氏体区域急冷，使晶粒变细，组织致密，碳的固溶量增加，硬度增大的热处理工艺。淬火的效果依冷却速度的不同而不同。(4)回火淬火后的钢是硬而脆的，为了消除内部应力，调整硬度，改善韧性等需要进行回火。回火是将淬火后的钢，再加热至相变点以下的温度，经保温后按一定速度冷却至室温。 4 冷加工及时效(1)冷加工：钢材在结晶温度以下进行的加工叫冷加工，一般都是在常温下进行的。建筑钢材常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷

10、轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，但降低了塑性、韧性，这个过程称为冷加工强化处理。 钢筋冷拉、冷拔冷拉：是在常温下将钢材拉至应力超过屈服点，但远 小于抗拉强度时即卸荷。冷拔：是将6一8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模 孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。 冷拔意 义建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。冷拔钢丝的屈服点可提高4060。由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。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。钢筋的冷拉冷拉强化 ：ob bk ko okde。冷拉时效硬化:ob bk ko

11、 okde卸去拉力后，放置一般时间后再进行拉伸提高了屈服强度。 冷拉采用控制应力和控制应变两种方法。冷拉只能提高钢筋的抗拉屈服强度。冷拉和时效同时提高屈服强度和极限强度。(2)时效定义：钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降的现象叫时效。钢材在自然条件下时效的过程是非常缓慢的，如经冷加工或使用中经常受到振动、冲击荷载作用时，时效将迅速的发展。钢材经冷加工后，在常温下搁置1520（称为自然时效）天或加热至100200保持2h以内（称为人工时效），钢的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低。 时效敏感性定义：因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感

12、性大的钢材，经时效后，其冲击韧性、塑性改变较大。因此承受振动、冲击荷载作用的重要性结构(如吊车梁、桥梁等)，应选用时效敏感性小的钢材。 三、耐久性钢材的耐久性主要是指钢材的腐蚀或锈蚀。定义：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。（一）钢材的腐蚀类型 根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为 化学腐蚀 电化学腐蚀1.化学腐蚀 指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。2.电化学腐蚀钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水)存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。

13、引起的腐蚀称为电化学腐蚀。电化学腐蚀过程机理阳极区：Fe = Fe2+ + 2e阴极区：2H2O + 2e + 1/2O2 = 2OH- + H2O溶液区：Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3水是弱电解质溶液，而溶有O2的水则成为有效的电解质溶液，从而加速电化学腐蚀的过程。钢材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用所致，但以电化学腐蚀为主。（二）钢材防腐的措施1.改变钢材本身的易腐蚀性；2.隔离环境中的侵蚀性介质；3.改变钢材表面的电化学过程。1.采用耐候钢耐候钢即耐大气腐蚀钢。耐候钢是在碳素钢和低合金钢中加入少量

14、铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。这种钢在大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐保护层，起到耐腐蚀作用，同时保持钢材良好的焊接性能。耐候钢的强度级别与常用碳素钢和低合金钢一致，技术指标也相近，但其耐腐蚀能力却高出数倍。耐候钢的牌号、化学成分、力学性能和工艺性能可参见国家标准GB 417284焊接结构用耐候钢和GB 417184高耐候性结构钢。2.金属覆盖用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁）、镀铜和镀铬等。根据防腐的作用原理可分为阴极覆盖和阳极覆盖。 A.阴极覆盖采用电位比钢材高的金属覆盖，如镀锡。所盖金属膜仅

15、为机械地保护钢材，当保护膜破裂后，反而会加速钢材在电解质中的腐蚀。B.阳极覆盖采用电位比钢材低的金属覆盖，如镀锌，所覆金属膜因电化学作用而保护钢材。3.非金属覆盖在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。涂料通常分为底漆、中间漆和面漆。底漆要求有比较好的附着力和防锈能力，中间漆为防锈漆，面漆要求有较好的牢度和耐候性以保护底漆不受损伤或风化。一般应用为两道底漆（或一道底漆和一道中间漆）与两道面漆，要求高时可增加一道中间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈以及低漆、中间漆和面漆的匹配。常用底漆有：红丹底漆、环氧富锌漆、云母氧化底漆、铁红环氧低漆等。中间漆有：红丹防锈漆、铁红防锈漆等。面漆有：灰铅漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。4.电化防腐阳极保护：废钢铁或难熔金属（如铅银合金），外加直流电源，使废钢铁或难熔金属为正极。阴极保护：加上比铁活泼的金属（如锌、镁）自动成为阳极（+）。5.混凝土用钢筋的防锈在正常的混凝土中PH值约为12，这