《土木工程材料》 教案 第八章 建筑钢材

土木工程材料教案

课程信息课程名称土木工程材料授课专业土木工程课程类型必修课公共课（）；专业基础课（）；专业课（√）；选修课限选课（）；任选课（）；专业拓展课（）授课方式讲授（√）；实践课（√）；其它（）考核方式考试（）；考查（√）课程教学总学时数32学时学分数2学分学时分配理论课20时；实践课12学时；教材名称土木工程材料作者柯龙；董萌；赵影出版社西安电子科技大学出版社书号978-7-5606-6993-9出版时间2023.09班级课程名称土木工程材料授课教师授课课时2学习课题建筑钢材教学基本要求对建筑钢材有一个总体的、全貌的了解。教学重点、难点防水材料的分类构成。钢材的技术性能和应用。钢的组织和化学成分对钢材性能的影响。教学方法、手段案例导入法、讲授法、小组讨论法教学过程设计导入——专题讲解——问题分析讨论——练习——归纳总结参考案例来自教材、相关参考书教具、教材教学课件PPT、教学录像片

教师学期授课教案授课提纲及重难点分析教学方法设计时间分配及旁注8.1钢材的生产与分类8.1.1钢材的定义《钢分类,第1部分,按化学成分分类》（GB/T13304.1-2008）对钢定义如下：以铁为主要元素,含碳量一般在2%以下,并含有其他元素的合金材料。注：在铭钢中的含碳量可能大于2%,但2%通常是钢和铸铁的分界线。8.1.2钢材的冶炼炼钢的过程实质上就是将生铁中多余的成分除去的氧化过程。炼钢是指在高温下氧化去除生铁中杂质的方法。炼钢的方法分为平炉炼钢、转炉炼钢、电炉炼钢。1.平炉炼钢法平炉的容量很大,最大的平炉达到一炉能够熔炼500t的钢。我国目前平炉用得最多的是30~300t之间的碱性平炉。平炉炼钢使用的原材料由金属原料及非金属原料组成。2.转炉炼钢法转炉炼钢法是指利用空气或氧气,采用顶吹、底吹或侧吹的方式,使炼钢铁水中的化学元素氧化到要求的范围,从而获得规定钢成分的炼钢方法。转炉炼钢法生产的钢品种多且质量较好,消耗的金属材料少,热效率高,成本低,原材料的适应性好,建设投资少,建设速度快。3.电炉炼钢法电炉炼钢法是以废钢铁及生铁为原料,利用电能转变成热能来炼钢的一种炼钢方法。8.1.3钢材的分类1.按化学成分分类《钢分类第1部分：按化学成分分类》（GB/T13304.1-2008）规定了钢材按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类。2.按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类《钢分类第2部分:按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类》（GB/T13304.2-2008）规定，按主要质量等级，非合金钢分为普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢三类，低合金钢分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢三类，合金钢分为优质合金钢和特殊质量合金钢两类。3.按冶炼时脱氧程度分类除按国家标准对钢材的分类外，还可以按冶炼时脱氧程度分类。（1）沸腾钢。当炼钢时脱氧不充分，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，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外溢，引起钢液激烈沸腾，因而这种钢材称为沸腾钢。（2）镇静钢。当炼钢时脱氧充分，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。（3）特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，称为特殊镇静钢。案例分析：钢结构屋架倒塌8.2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。8.2.1建筑钢材拉伸时的力学性能静拉伸试验是钢材使用最广泛的力学性能试验方法之一。通过试验检测，可以得出低碳钢在拉伸状态下的应力-应变曲线，从而进一步分析其力学性能。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。1）弹性阶段在图8-2中OA段，应力较小，应力与应变成正比例关系，卸去外力，试件恢复原状，无残余形变，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Rp表示。2）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。3）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，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高，在应力-应变图上，曲线从BL点开始上升直至最高点C，这一过程称为强化阶段。4）颈缩阶段在钢材达到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。2.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。3.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。4.冷弯性能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d和弯心直径d为指标表示。8.2.2冷加工强化1.冷加工强化的机理将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，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.冷加工强化方法1）冷拉冷拉是将钢筋拉至其应力-应变曲线的强化阶段内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，其屈服极限将有所提高，而其塑性变形能力将有所降低。冷拉一般可控制冷拉率。钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%~25%。2）冷拔冷拔是将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。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。3）冷轧冷轧是将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋，可提高其强度及与混凝土的黏接力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构均匀性。3.时效处理将冷加工处理后的钢筋在常温下存放15~20d，或加热至100~200℃后保持一定时间（2~3h），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一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。4.热处理热处理是将钢材按规定的温度进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理包括淬火、回火、退火和正火。1）淬火将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使品粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。2）回火将比较硬脆、存在内应力的钢再加热至基本组织改变温度以下（150~650℃），保温后按一定制度冷却至室温的热处理方法称回火。回火后的钢材，其内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。3）退火将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷和品格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。4）正火将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。5.钢材的连接钢材的连接分为钢结构连接与钢筋混凝土中钢筋连接两大类。1）钢结构连接钢结构连接包括铆接、栓接与焊接。铆接是用铆钉连接钢材，因技术成本高，安装效率低，目前已很少采用。2）钢筋连接钢筋混凝土工程中钢筋需要接长或固定相互交叉，就需要对钢筋连接。8.2.3钢材的化学成分及其对钢材性能的影响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）、铁（Ti）、钒（V）等元素，这些元素虽然含量少，但对钢材的性能有很大影响。1）碳碳是决定钢材性能的最重要元素。当钢中的含碳量在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；2）硅硅是作为脱氧剂而加入的，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，而对塑性和韧性无明显影响。3）锰锰是炼钢时用来脱氧去硫而加入的，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。锰是我国低合金结构钢中的主要合金元素。4）磷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。特别是温度越低，对塑性和韧性的影响越大，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，故在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。5）硫硫也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。6）氧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，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。7）氮氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，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、锯、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。8）钛铁是强脱氧剂。铁能显著提高钢材的强度，改善钢材的韧性、可焊性，但稍降低塑性。铁是常用的微量合金元素。9）钒钒是弱脱氧剂。钢中加入钒可以减弱碳和氮的不利影响，有效地提高钢材的强度，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。约30min8.3工程中常用的钢材工程中常用的钢材是碳钢和合金钢，其品种成千上万，本节主要讨论的是在建筑工程中使用的钢材。在建筑工程中要消耗大量的钢材，其中应用最广泛的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢。8.3.1碳素结构钢现代冶炼生产的钢,其中碳钢占90%左右,合金钢仅占10%左右。在工业中大量使用的金属材料是碳钢。碳钢根据用途分为碳素结构钢和碳素工具钢两大类。按照质量等级,碳素结构钢又分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。在碳钢中,碳素结构钢产量最大,用途最广,碳钢大多轧成钢板、钢带和型钢等。‘1）碳素结构钢的化学成分要求2）碳素结构钢表示方法GB/T700-2006《碳素结构钢》中规定,其牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。3）碳素结构钢的技术性能根据国家标准《碳素结构钢》，随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对伸长率的要求降低。4）碳素结构钢的应用Q195、Q215A、Q215B碳素结构钢塑性和韧性较高，有一定的强度，通常轧制成薄板、钢筋、钢管、型钢等，用作桥梁、钢结构等，也可以用于制造铆钉、螺钉、螺栓、钢丝及冲压零件等。8.3.2低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或多种合金元素（一般合金元素总含量不超过5%），以提高其强度、硬度、耐腐蚀性、耐磨性或低温冲击韧性的钢。这种钢还具有较好的塑性、韧性和焊接性等优点，多用于制造桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、油罐和输油管等。8.3.3钢筋钢筋是指在建筑工程中，配置在钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土构件中的钢条或钢丝。在钢筋混凝土结构中使用的钢筋和钢丝等钢材，主要由碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素钢经过热轧或冷轧、冷拔及热处理工艺加工而成。钢筋的品种有热轧钢筋、冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用热处理钢筋和低碳钢热轧圆盘条等。1）热轧钢筋热轧钢筋是指经过热轧成型，然后在空气中冷却（正火处理）的钢筋。热轧钢筋主要是用Q235的碳素结构钢进行轧制成光圆钢筋,以直条或盘条交货。带肋钢筋则采用低合金高强度结构钢的成分轧制而成。2）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋的生产分两步进行,第一步是以低碳钢或低合金钢热轧成盘条,第二步将盘条进行多道工序冷轧或冷拔以减少钢筋直径,再在钢筋表面冷轧成两面或三面横肋的钢筋。3）预应力混凝土用热处理钢筋热处理钢筋是指用热轧带肋钢筋经淬火加高温回火热处理工艺得到的钢筋。淬火加高温回火再热处理被称为调质。钢筋经过调质处理后，其基体组织为回火索氏体。8.3.4预应力混凝土用钢丝1）预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝是优质碳素结构钢经过酸洗、冷拔再经回火消除应力等工艺制成，具有高强度性能。2）预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线（steelstrAndforprestressedconcrele）是由冷拉光圆钢丝及刻痕钢丝捻制而成的。8.4钢材的腐蚀与防护8.4.1钢材的腐蚀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）。钢材腐蚀的现象普遍存在,如在大气中生锈,特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大时,情况就更为严重。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