《建筑材料》第二十一次课(第七章)

《建筑材料》教案

第七章金属材料——钢材建筑工程系主讲教师：李棱雪分类1、黑色金属：是以铁元素为主要成分的金属及其合金，常用的主要有钢和铁，钢应用最广。2、有色金属：是除黑色以外的其他金属，其中铝是一种重要的轻质结构和装饰材料。

7.1钢材的生产与分类

7.2技术性质

7.3冷加工和时效

7.4技术标准及选用目录基本要求重点建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能常用建筑钢材的标准及选用§7.1钢材的生产与分类定义特点应用冶炼分类定义钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料；含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.04%，称为工业纯铁。建筑钢材的主要品种1.型钢简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。2.线材如钢筋、钢丝等。3.管材无缝钢管、焊接钢管等。4.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。优点比强度高塑性好、韧性好能承受冲击和振动荷载加工性好特点缺点易锈蚀维护费用大

建筑钢材可用于:大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房应用钢桥7.1.1冶炼钢材的冶炼过程及其对钢材质量的影响冶炼原理炉种的影响将焦炭及铁矿石加入炼钢炉中精炼，将铁置换出来，同时生成碳的氧化物——生铁生铁经过高温氧化——使炭及其它杂质氧化而挥发或变成氧化物脱氧冶炼原理焦炭铁矿石生铁高炉熔融生铁精炼氧化还原钢铸锭钢锭建筑钢材钢材的冶炼过程炉种的影响及氧化程度炉型原料吹入气体冶炼时间钢材质量成本应用氧气转炉熔融铁水氧气15-30分钟较好低优质碳素钢及合金钢平炉生铁、铁矿石等空气5-12小时好高同上及特殊用途的钢

电炉废钢、生铁空气短最好高同上冶炼中为除去杂质而进行氧化部分铁不可避免的被氧化使钢锭内生成许多气泡降低了钢的质量为了使FeO

和Fe2O3还原为Fe,在炼钢的后阶段必须脱氧。脱氧程度的影响

钢种脱氧程度冷却情况钢材质量沸腾钢不充分浇筑时有大量CO逸出差半镇静钢介于二者之间好镇静钢充分平静冷却，无CO逸出组织致密、成分均匀、机械性能好特殊镇静钢最充分最好脱氧程度及钢材质量碳素钢低碳钢C<0.25%√中碳钢C=0.3～0.55%高碳钢C>0.6%合金钢低合金钢

<5%

√中合金钢=5～10%高合金钢>10%按化学成分分类7.1.2分类按质量分普通钢

P≯0.045%,S≯0.055%优质钢

P≯0.035-0.04%,S≯0.04%高级优质钢

P≯0.025%,S≯0.025%按结构用途分结构钢

各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢工具钢

刀具、模具特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢

§7.2建筑钢材的技术性质

工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中的钢材的基本性能有：机械性能拉伸性能

冲击韧性

疲劳强度工艺性能冷弯性能

焊接性能拉伸性能是建筑钢材的主要性能钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力—应变图来反映。

7.2.1拉伸性能屈服强度抗拉强度伸长率钢筋的拉伸实验低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段弹性阶段（I）：测定弹性模量。屈服阶段（II）：测定屈服强度。强化阶段（III）：测定抗拉强度。颈缩阶段（IV）：测定伸长率。σε0钢材拉伸弹性阶段示意图A0弹性阶段σp—弹性极限，MPa。σpσε0

钢材拉伸屈服阶段示意图A0B下B上BAB下B上B屈服阶段放大后σε0

钢材拉伸强化阶段示意图A0B下B上CDDDDD强化阶段σbσb——抗拉强度或强度极限。CBσε0D钢材拉伸颈缩阶段示意图A0B下B上BCDE——颈缩阶段定义

屈服强度是指钢材开始丧失随变形的抵抗能力,并开始产生大量变形的能力。意义是弹性变形转变为塑性的转折点当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材内部的应力自动分配至低应力部位所以说，屈服点是确定钢结构容许应力值的依据屈服强度公式

屈服强度σs－屈服强度Fs－屈服应力Ao－试件截面积对屈服不明显的钢,规定以产生0.2%残余变形时的应力f0.2作为屈服强度σ0.2。

σε0.2%O硬钢的应力应变图定义

σb

是指钢材能承受的最大拉应力.意义当外力大于抗拉强度时，钢材完全丧失对变形的抵抗能力而断裂因此，在结构设计中不能应用拉伸强度定义σs/σb反映了钢材的可利用率和安全性的大小意义屈强比对钢材的可利用率和安全性来说是重要的合理屈强比：碳素钢0.58—0.63低合金结构钢0.65—0.75屈强比（σs/σb）σbσs2σs1σεσs/σb低σs/σb高可利用率小大安全性大小钢材的屈强比、可利用率及安全性之间的关系指钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。定义塑性伸长率指标和公式δn—伸长率L0—原标点间距L1—拉断后标点间距n=5dor10dd—钢筋直径

δ5＞δ10d0L0L1图7.3.4伸长率的测定伸长率的意义说明伸长率是表示钢材塑性变形能力的重要指标钢结构一般在弹性范围内工作但在应力集中处，应力可能超过屈服点,有一定的塑性变形，因此可以保持应力重新分布，从而避免结构破坏习题1.从新进货的一批钢筋（碳素钢）中抽样，并截取2根试样作拉伸实验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为72.3KN和72.2KN，抗拉极限荷载分别为104.5KN和108.5KN，钢筋公称直径为16mm，试件标距长度为80mm，拉断后的标距长度分别为96mm和94.4mm。试计算该钢筋的屈服强度，抗拉强度及断后伸长率。其强度利用率和结构安定性如何？2.硬钢无明显屈服点，因此无法确定其屈服强度大小？错3.在结构设计时，抗拉强度是确定钢材强度取值的依据？错4.钢材的屈强比越大，表示使用时的安全度越低？对冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力定义试验方法

用摆锤打击有槽口的标准试件，直到试件破坏单位面积所消耗的功7.2.2冲击韧性Ak—试件破坏时的冲击功F—试件槽口处截面积公式冲击韧性αk与温度有关

温度较低时，发生脆性断裂的现象脆性转变温度越低,表明钢材低温条件下冲击韧性?

冷脆性冲击韧性韧性断裂脆性断裂Tep：脆性临界温度范围Tak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。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。冲击韧性影响因素思考题请观察图中Ⅰ、Ⅱ两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？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Ⅰ的脆性转变温度低于Ⅱ，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Ⅰ更有利。指钢材在常温下承受弯曲变形的能力如果钢材承受弯曲变形的程度大，那么钢材的冷弯性好定义指标弯曲角度α及弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a7.2.3冷弯性能试验以规定的α和d/a进行弯曲检查受弯部位如不裂纹、不起层或断裂，则为合格冷弯性能冷弯是通过弯曲处的塑性变形来实现的，因此它也是反映钢材在静荷载下塑性的一个指标。冷弯试验常常能反映钢材内部组织的均匀程度，存在内应力和夹杂物等缺陷

因此可以用冷弯性来检查钢材的质量，如焊接质量说明冷弯性能伸长率与冷弯性能的关系A、B两种钢材,A钢材δ5及δ10均略大于B钢材。但从图所知，A钢材的冷弯性能却不如B钢材。请分析原因，及A与B两种钢材内部组织的差异。

伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处超过材料的屈服点时，随着发生塑性变形使应力重新分布，而避免钢材提早破坏。

冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。

习题1.下列选项哪些属于冷弯试验意义？_ABDE__A.能反映试件弯曲处的塑性变形B.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C.可反映钢材在均匀变形条件下的塑性变形能力D.也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在