土木工程材料 教案（西南） 建筑钢材

1、课题建筑钢材的分类及技术性质学时4课时教材页码108-119教学目的1、掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用。2、熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形， 耐疲劳性）。3、掌握化学元素对建筑钢材力学性能的影响，以及钢材的强化机 理及强化方法。教学重、难点 及解决措施重点：钢材在土木工程中的选用原那么。难点：化学元素对钢材性能的影响。教 学 过 程一、复习旧课（6分钟）钢材在日常生活中的应用。二、导入新课（9分钟）建筑钢材是广泛应用于建筑工程的重要金属材料，包括各种型钢、钢板、钢带、 钢管、钢筋、钢丝等。三、学习新课1、概述：（30分钟）（1）定义：钢材是以铁为主要元素，含碳

2、量为0.02%2.06%,并含有其他元素的合金材料。（2）建筑钢材主要包括：钢结构用各种型钢（如工字钢、角钢、槽钢、方钢等）、板材、钢管、钢筋和钢丝 等；（3）钢材的优点：抗拉、抗压和抗冲击性能好；可切割、可焊接、可钾接，装配方便；（4）钢材的缺点：容易锈蚀。2、钢材的分类（45分钟）（1）钢材按化学成分分类钢材按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢： 含碳量为0. 02%2. 06%的铁碳合金称为碳素钢，也称碳钢。碳素钢 根据含碳量可分为：A低碳钢:含碳小于0.25%；碳素结构钢和优质碳素钢制成，包括有:(1)热轧钢筋热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土结构和

3、预 应力钢筋混凝土结构的配筋。热轧带肋钢筋的牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成，有HRB335、HRB400、 HRB500三个牌号，其力学性能规定见P153表8 9。应用：教 学 过 程普通混凝土非预应力钢筋可根据使用条件选用I级钢筋或HRB335、HRB400钢筋； 预应力钢筋应优先选用HRB400钢筋，也可以选用HRB335钢筋。教 学 过 程冷拉热轧钢筋P153表8. 10冷拉热轧钢筋的性质工程实例分析钢结构屋架倒塌概况：某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的，使用一段时间后，屋架坍塌， 请分析事故原因。分析讨论：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；且其 焊接性能较

4、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。注意：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。通过对建筑钢材的技术标准和应用章节局部的学习，能熟练地掌握建筑钢 材的技术标准在工程中的应用。题小结思1、碳素结构钢的钢号是如何划分、如何表示的？考2、钢材的性能与其钢号有何关系？为什么Q235号钢在建筑工程中得到广泛应用？练B中碳钢：含碳0.25%0.6%；C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那么称为合金钢。在合金钢中除含铁、碳和少量不 可防止的硅（Si）、镐（Mn）、磷（P）、硫（S）、氮（N）之外，还加

5、入一定量的硅（Si）、 镒（Mn）、钛（Ti）、钮（V）、银（Ni）、铝（Nb）等一种或几种元素进行合金化，以改 善钢材的使用性能和工艺性能，这些元素称为合金元素。按合金元素的总含量可分为: A低合金钢：合金元素总含量小于5%；B中合金钢：合金元素总含量为5%10%；C高合金钢：合金元素总含量大于10%。建筑上所用的钢材主要是碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢。（2）按冶炼时脱氧程度分类教 学 过 程根据炼钢过程中脱氧程度不同，钢材可分沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静 钢四类。教 学 过 程沸腾钢如果炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一 定的温度，其中的碳会与

6、金属氧化物发生反响，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢 液激烈沸腾，因而这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等在钢中分布不均，富集于某些区间的现象较严重，钢 的致密程度较差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更 显著。但从经济上比拟，其成品率较高，故本钱较低。镇静钢如果炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少或没有，在浇铸钢锭时钢液会平静 地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为。镇静钢组织致密，气泡少，偏析程 度小，各种力学性能比沸腾钢优越。可用于受冲击荷载的结构或其他重要结构。半镇静钢指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。（

7、3）按压力加工方式分为：热加工钢材：加热到一定温度进行的压力加工;冷加工钢材：常温下进行压力加工的钢材。(4)按用途分类：结构钢：建筑工程中常用结构钢种为碳素结构钢中的低碳钢和低合金高强度结 构钢。工具钢：主要用于各种切削工具的钢；特殊钢：据用某种特殊的物理、化学性质的钢，如耐酸钢、耐热钢和不锈钢等。 3、建筑钢材的主要技术性能钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。其中力学性能是钢材最重要的使用性 能，包括强度、弹性、塑性和耐疲劳性等。工艺性能表示钢材在各种加工过程中的行 为，包括冷弯性能和可焊性等。建筑钢材的力学性能(1)抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。钢材受拉时，在产生应力的同

8、时，相应 地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。从低碳钢(软钢)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(0A)、屈 服阶段(AB)、强化阶段(BC)和颈缩阶段(CD)o弹性阶段在图中0A段，应力较低，应力与应变成正比例关系，卸去外力，试件恢复原状， 无剩余形变，这一阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点(A点)所对应的应力称为弹 性极限，用。P表示，在弹性阶段，应力和应变的比值为常数称为弹性模量，用E表示, 即 E=。/。屈服阶段当应力超过弹性极限后，应变的增长比应力快，此时，除产生弹性变形外，还产 生塑性变形。当应力到达B上点时，即使应力不再增加

9、，塑性变形仍明显增长，钢材 出现了 “屈服”现象，这一阶段称为屈服阶段。在屈服阶段中，应力会有波动，出现上屈服点（B上）和下屈服点（B下）。由于下屈服点比拟比拟稳定且容易测定，因止匕,采用下屈服点对应的应力作为钢材的屈服极限（oS）或屈服强度。钢材受力到达屈服强度后，变形迅速增长，尽管尚未断裂，已不能满足使用要求，故结构设计中以屈服 强度作为容许应力取值的依据。强化阶段在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 形的进一步开展，钢材抵抗外力的能力重新提高，在应力一应变图上，曲线从B点开教 始上升直至最高点C,这一过程称为强化阶段;对应于最高点C的应力称为抗拉强度（。

10、学b）o它是钢材所承受的最大拉应力。常用低碳钢的抗拉强度为375500MPa。过 条件屈服点：某些合金钢或含碳量高的钢材（如预应力混凝土用钢筋和钢丝）具 程 有硬钢的特点，其抗拉强度高，无明显屈服阶段，伸长率小。故采用产生剩余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服强度，称为条件屈服点，用6 0. 2表示。强屈比：抗抗拉强度与屈服强度之比（强屈比）ob/oS,是评价钢材使用可靠性 的一个参数。强屈比愈大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高， 但是，强屈比太大，钢材强度的利用率偏低，浪费材料。钢材的强屈比一般不低于1.2, 用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比应不低于1. 25O颈缩

11、阶段在钢材到达C点后，试件薄弱处的断面将显著减小，塑性变形急剧增加，产生“颈 缩”现象而断裂（图8 3）。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示。伸长率：将拉断后试件拼合起来，测量出标距长度11,11与试件受力前的原标距 10之差为塑性变形值，它与原标距10之比为伸长率3,按下式计算：伸长率;10试件原始标距长度，mm；11一一断裂试件拼合后标距长度，mm；断面收缩率：是指断口处的面积收缩量与原面积之比。. 于试件拉伸前和断裂后标距的长度(2)冷弯性能教 学 过 程冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度。和弯心 直径d为指标表示。钢材的冷弯试验是通过直径(

12、或厚度)为a的试件，采用标准规定 的弯心直径d (d=na, n为整数)，弯曲到规定的角度时(180。或90。),检查弯曲 处有无裂纹、断裂及起层等现象。假设没有这些现象那么认为冷弯性能合格。钢材冷弯时 的弯曲角度a越大，d/a越小，那么表示冷弯性能越好。教 学 过 程(3)冲击韧性钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸 收功。钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态，以及冶炼、加工都有关系。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。冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓和，当 到达一定温度范围

13、时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性；(4)耐疲劳性受交变荷载反复作用时，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，称为疲劳破坏。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。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。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2X106次应力循环为基准。一般来说，钢材的抗拉强度 高，其疲劳极限也较高。(5)焊接性能焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝局部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。建筑工程

14、的钢结构中，焊接结构要占90% 以上。钢材的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。钢材 的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含 量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25%时，可焊性明显降低；硫含量 较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。3、钢材的组成对其性质的影响(45分钟)(1)钢材的基本晶体组织钢是以铁(Fe)为主的Fe-C合金。Fe-C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

15、显微组织。 其组织主要有铁素体、珠光体、渗碳体和奥氏体四种。(2)化学成分对钢材性质的影响教 学 过 程除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些其他元素，这些元素 存在于钢材的组织结构中，对钢材的结构和性能有重要的影响，可分为两类：一类能 改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有硅、镒、钛、钗、银等；另一类能劣化钢 材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。教 学 过 程化学元素对钢材性能的影响表化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳(C)l% t!I II冷脆性f钵(Mn)tttt脱氧、硫剂钛(Ti)tf t1t强脱氧剂钮(V)tf时效1锯(Nb)ttff磷(P)tfII偏析、

16、冷脆f t氮(N)tt1I II冷脆性f硫(S)tI氧(0)tII4、钢材的冷加工、时效（45分钟）（1）冷加工将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭和刻痕等使其产生塑性变形，从而提高 屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。（2）时效处理教将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520d,或加热至100200C后保持 学 定时间（23h）,其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进 过一步降低，弹性模量那么基本恢复。这个过程称为时效处理。程 自然时效：时效处理方法有两种：在常温下存放1520d,称为自然时效，适合用于低强度钢筋；人工时效：加热至100200后保持一定

17、时间（23h）,称人工时效，适合于高 强钢筋。1、1、低碳钢受拉时的应力-应变图可分为哪几个阶段？简要画出示意图.2、钢材的塑性用什么表示？如何计算?3、2、钢材的塑性用什么表示？如何计算?3、何谓钢材的冷弯性能？如何评判钢材的冷弯性能合格?课题建筑钢材的技术标准与选用学时2课时教材页码119-135教学目的1、了解我国建筑工程和铁道工程中建筑用钢材的类型。2、掌握碳素结构钢的性质及应用。教学重、难点 及解决措施重点：碳素结构钢技术标准的应用；难点：碳素结构钢的牌号如何表示。教 学 过 程一、复习旧课建筑钢材的技术性质。.二、导入新课碳素结构钢因具有较好的强度及塑性，被广泛应用于建筑结构中。三

18、、学习新课1、建筑钢结构常用钢种碳素结构钢牌号及其表示方法国家标准GB 700-88碳素结构钢中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数 值、质量等级符号、脱氧方法等四局部按顺序组成。其中以Q代表屈服点；屈服点数 值共分195、215、235、255和275Mpa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少， 分别用A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表 示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。例如：Q235 AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。碳素结构钢技术性能与应用根据国家标准GB700-88碳素结构钢，随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉

19、强度的要求增大，对伸长率的要求降低。碳素结构钢的化学成分、力学性能、冷弯性能应符合P148表8-3、表8-4和表8-5 的规定。不同牌号的碳素钢在土木工程中有不同的应用：Q195强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板 和盘条等。Q215与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235强 度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q255强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做钾接 或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。思考题：在钢结构中，为什么Q235结构钢能得到普遍的应用？Q235是建筑工程中最常用的碳素结构钢牌号，其既具有较高强度，又具有较好的 塑性、韧性，同时还具有较好的可焊性。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、 焊