第2章 建筑钢材

/第2章建筑钢材教学目的：让学生了解各种钢材的性能、组成、结构及力学特性质。特别是要求学生掌握钢材在建筑工程中的应用，为今后的学习和设计在施工中的合理选用打下良好基础。教学重点：学习建筑钢材料的力学性质、加工处理等方法.教学难点:理解和掌握建筑钢材的应用性质、冷加工技术。教学学时：4ﻩ教学过程：2．1金属的微观结构及钢材的化学组成2.1．1金属的微观结构概述1、金属的晶体结构2、金属晶体结构中的缺陷：(1）、点缺陷,（2）线缺陷，(3）面缺陷，3、金属强化的微观机理(1)细晶强化，(2）、固溶强化，(３）弥散强化,(４）变形强化。2。1．2钢材的化学组成按化学成分,钢可以分为：碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢。合金钢：低合金钢、中合金钢、高合金钢.钢材中除了主要化学成分铁（Fe)以外，还含有少量的碳(C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫(Ｓ）、氧（Ｏ）、氮(N)、钛(Ｔi）、钒(V)等元素,这些元素虽然含量少，但对钢材性能有很大影响.碳:碳是决定钢材性能的最重要元素。碳对钢材性能的影响如教课书中图2－８所示：当钢中含碳量在０。８%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低;但当含碳量在1。0%以上时,随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降.随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0．3％的钢材,可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大,耐大气锈蚀性下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于０。３％的钢材,可焊性显著下降）,冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于0。25％;工程所用低合金钢,其含碳量小于0。5２％。２、硅（Si):硅是作为脱氧剂而残留于钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低（小于1.０％）时,能提高钢材的强度和硬度以及耐蚀性，而对塑性和韧性无明显影响.但当硅含量超过１．０％时，将显著降低钢材的塑性和韧性，增大冷脆性实效敏感性,并降低可焊性。ﻫ3、锰（Mn）：锰是炼钢时用来脱氧去硫而残留于钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力,能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，大大改善钢材的热加工性能,同时能提高钢材的强度和硬度,但塑性和韧性略有降低。但钢材中含锰量太高,则会降低钢材的塑性、韧性和可焊性。锰是我国低合金结构钢中的主要合金元素。4、钛（Ti)：钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性,但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。ﻫ5、钒(V）：钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素.6、铌(Nb）：细化晶粒,提高强度。7、磷（P）：磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加,钢材的强度、屈强比、硬度均提高,而塑性和韧性显著降低.特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，显著加大钢材的冷脆性。磷也使钢材的可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，故在经过合理的冶金工艺之后,低合金钢中也将磷可配合其他元素作为合金元素使用。ﻫ8、硫(S）:硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性,降低钢材的各种机械性能,也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低.为消除硫的这些危害,可在钢中加入适量的锰。９、氧（O）：氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加,钢材的强度有所提高,但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。ﻫ10、氮(N):氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性、特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响,改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用.11、氢（Ｈ）:钢中溶有氢则会引起钢的白点（圆圈状的断裂面)和内部裂纹，断口有白点的钢一般不能用于建筑结构.２．2建筑钢材的主要力学性能2。2。１抗拉性能１、主要测试指标：屈服强度，抗拉强度,伸长率（断面收缩率）等。2、钢材（低碳钢）的抗拉过程主要包括:弹性阶段（Ｏ-A)，弹塑性阶段（Ａ—Ｂ），塑性阶段(B—C)，强化阶段（C－D），颈缩阶段（D-D′)。低碳钢的受拉过程分为四个阶段，如教课书中图2-9所示:断后伸长率:试样拉断后，标距的伸长与原始标距长度的百分率称为断后伸长率.2。2.2冷弯性能1、定义：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.２、弯曲测试：弯曲心直径d与试件直径（或厚度）a的比值ｄ/a越小,弯曲角度α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。3、冷弯的意义: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。2．2．3冲击韧性1、定义：冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。2、冲击韧性指标:是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断,试件单位截面积上所消耗的功,即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ａｋ(Ｊ／cｍ2)表示.ak值愈大，冲击韧性愈好。钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性.试验表明,冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和,当达到一定温度范围时,突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材.4、时效：随时间的延长而表现出强度提高,塑性和冲击韧性下降的现象。完成时效变化的过程可达数十年,但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性,对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。2．2．4硬度1、定义：硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法.建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。布氏法的测定原理是利用直径为Ｄ(mm）的淬火钢球，以荷载P（Ｎ）将其压入试件表面,经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为d（ｍｍ）的压痕,以压痕表面积A（ｍm2）除荷载P，即得布氏硬度（HB）值,此值无量纲。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：无损检测。2。2．５耐疲劳性１、定义：疲劳破坏是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。若σｍax越大,则次数N越小。疲劳极限（σｒ）:疲劳试验中，试件在交变应力作用下,于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。疲劳寿命(n)：疲劳试验中，试件在规定最大应力和应力循环作用下，不发生断裂所能承受的极限循环次数.２．３钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接２.3。1钢材的冷加工强化及时效强化冷加工的主要目的:提高屈服强度，节约钢材。其副作用会往往导致塑性、韧性及弹性模量的降低。冷加工形式：冷拉、冷拔、冷轧.冷拉是在常温条件下，以超过原来钢筋屈服点强度的拉应力，强行拉伸钢筋，使钢筋产生一塑性变形达到提高钢筋屈服点强度和节约钢材的目的。冷拔是将低碳钢丝从孔略小于钢丝直径的拔丝模中强力拔出,使断面减小,长度伸长的工艺过程.冷轧是使低碳钢丝通过硬质轧辊，在钢丝表面轧制出呈一定规律分布的砸痕。4、时效处理:将经过冷拉的钢筋于常温下存放15～2０d，或加热到１00~2０0度并保持一段时间，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低.由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。强度较低的钢筋：自然时效。强度较高的钢筋：人工时效。2．3．2钢材的热处理钢材的热处理是将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷却，从而改变其晶相组织和显微结构组织,获得需要性能的一种综合工艺.热处理的方法有：退火、正火、淬火、回火。退火:是将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却(随炉冷却）的一种热处理工艺，按加热温度可分为低温退火和完全退火.常用于钢材冷加工后，减少冷加工中产生的缺陷，消除内应力。退火目的：是细化晶粒，改善组织，降低硬度，提高塑性,消除组织缺陷和内应力，防止变形、开裂。2、正火：是退火的一种变态或特例，两者主要是冷却速度不同，正火是在空气中冷却。与退火相比,正火后钢的硬度、强度较高，而塑性减少。正火目的：是细化晶粒,消除组织缺陷等。３、淬火:是将钢材加热到相变临界点以上(一般为９00℃以上），保温后放入水或油等冷却介质中快速冷却的一种热处理操作.淬火与回火是两道相连的处理过程。淬火目的：是得到高强度、高硬度的组织，并结合回火获得综合力学性能较高的钢材。淬火会使钢的塑性和韧性显著降低。４、回火:是将钢材加热到相变温度以下,保温后在空气中冷却的热处理工艺。回火目的：消除淬火产生的很大内应力，降低脆性,改善机械性能等。我国生产的热处理钢筋，即系采用中碳低合金钢经油浴淬火和铅浴高温（500—6５０℃)回火制得的.2．3.3钢材的焊接焊接是钢结构的主要连结方式（9０％），在钢筋混凝土结构中也大量应用。建筑钢材焊接的主要方法是钢结构焊接用的电弧焊和钢筋连接用的电渣压力焊。焊接缺陷:裂纹、缺口、脆化.焊接质量的检验方法：取样试件试验和原位非破损检测。钢材电弧焊如下图所示:电渣压力焊如下图所示:2．4钢材的防火和防腐蚀2．4.1钢材的防火钢材是不燃性材料,但这并不表明钢材能够抵抗火灾。在200℃以内，可以认为钢材的性能基本不变;当温度超过３00℃以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；当温度至达６0０℃时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。钢材防火措施：在钢结构中设置防火板或涂刷防火涂料；在钢筋混凝土结构中，钢筋应有一定厚度的保护层厚度。2.4.２钢材的锈蚀与防止1、钢材的腐蚀包括：化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀。（1)化学腐蚀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。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。（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。钢铁本身是铁和铁碳化合物以及其他杂质化合物的混合物,它们之间形成以铁为负极、以碳化铁为正极的原电池,由于电化学反应而形成铁锈。（3）应力腐蚀钢材在应力状态下腐蚀加快的现象，称为应力腐蚀。2、混凝土中钢筋的防腐蚀措施主要有:提高混凝土密实度、确保保护层厚度、限制氯盐外加剂、加入防锈剂等。预应力钢筋应特别注意防腐蚀.钢结构中型钢的防锈,主要采用表面刷漆的方法.２．5建筑钢材的品种与选择2。5.1建筑钢材的主要钢种１、碳素结构钢碳素结构钢牌号由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度代号等四部分按顺序组成。例如：Q23５—A·F表示屈服点为２35ＭPa，A级沸腾钢。Q235—B表示屈服点为235MＰa,Ｂ级镇静钢.随着牌号的增大,钢材强度提高，塑性和韧性降低。一般而言，碳素结构钢塑性较好，常用于热轧钢筋。Ｑ23５强度与塑性均较好,是最常用的牌号。沸腾钢如下图所示镇静钢如下图所示２、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在碳素钢的基础上添加总量小于５%合金元素的钢材,具有较高的强度，塑性、韧性其可焊性也较好。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中。2．５。2常用建筑钢材１、钢筋（1）低碳钢热轧圆盘条建筑用的低碳钢热轧圆盘条由Q215和Q２35碳素结构钢经热轧而成，其强度较低，但塑性好，伸长率高，便于弯折成形,焊接容易。常用种类：HPB235。可用作中、小型钢筋混凝土结构的受力钢筋或箍筋,以及作为冷加工的原料.圆盘条钢筋如下图所示：（2）钢筋混凝土用热轧带肋钢筋钢筋混凝土用热轧带肋钢筋采用低合金钢热轧而成,表面带有纵肋和横肋，其种类有HRＢ335、HRB400、和ＨRB5０0三种。热轧带肋钢筋具有较高强度和握裹力，塑性和可焊性也较好。普通钢筋混凝土结构的受力钢筋主要采用热轧带肋钢筋。热轧带肋钢筋如下图所示：（ａ）月牙肋钢筋(b）等高肋钢筋(３）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋采用热轧圆盘条经冷轧而成,表面带有沿长度方向均匀分布的二面或三面的月牙肋。公称直径范围4-12mm。适用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。冷轧带肋钢筋如下图所示:(4）预应力混凝土热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋指用热轧带肋中碳低合金钢钢筋经淬火和回火调质处理而成的钢筋。其特点是：塑性降低不大，但强度提高很多，综合性能比较理想。热处理钢筋采用弹性盘条供应,开盘后可自行伸直。主要用于预应力混凝土结构。热处理钢筋如下图所示：(５）预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是用优质碳素钢,经冷加工及时效处理或热处理而制得的高强度钢丝.分为消除应力光圆钢丝、消除应力刻痕钢丝、消除应力螺旋肋钢丝和冷拉钢丝四种。应力松弛:普通松弛(1０00小时应力损失率4.5％—1２％）。低松弛(1０00小时应力损失率１％—４.5％)。（6）预应力混凝土用钢铰线预应力混凝土用钢铰线以2根、３根或7根圆形断面的钢丝经绞捻和消除内应力的热处理而制成。预应力混凝土用钢丝和钢铰线抗拉强度远远超过热轧钢筋,并具有较好的柔韧性，应力松弛率低。弹性盘条供应，开盘后可自行伸直