《建筑材料与检测》-第8章

第一节钢材的冶炼与分类建筑钢材是重要的建筑材料.它主要是指用于钢结构中各种型材(如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等)、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等.由于钢材是在较严格的工艺控制条件下生产,因此,质量通常能够得到保证.建筑钢材材质均匀,具有较高的强度,有良好的塑性和韧性,能承受冲击和振动荷载,可以焊接、铆接或螺栓连接,易于加工和装配,因此,它被广泛应用于建筑工程中;但钢材也存在易锈蚀、耐火性差、维修费用大等缺点.由各种型钢组成的钢结构自重较轻,安全性好,适用于大跨度和高层结构;用钢筋制作的钢筋混凝土结构,则因用钢量相对较少、耐久性好等特点,在建筑工程中被广泛采用.下一页返回第一节钢材的冶炼与分类一、钢材的冶炼钢是由生铁冶炼而成.生铁的冶炼是将铁矿石、熔剂(石灰石)、燃料(焦炭)置于高炉中进行还原反应和造渣反应而得到的一种铁碳合金.约在１７５０℃的高温下,石灰石与铁矿石中的硅、锰、硫、磷等经过化学反应,生成铁渣,浮于铁水表面,铁渣和铁水分别从出渣口和出铁口放出,铁渣排出时用水急冷得水淬矿渣;排出的生铁中含有碳、硫、磷、锰等杂质.生铁又分为炼钢生铁(白口铁)和铸造生铁(灰口铁).生铁质地硬而脆、无塑性和韧性,不能进行焊接、锻造、轧制等加工.炼钢的过程就是将生铁进行精练,通过高炉内的高温氧化作用,使碳的含量降低到一定的限度.同时,把其他杂质的含量也降低到允许的范围内.上一页下一页返回第一节钢材的冶炼与分类根据炼钢设备的不同,常用的炼钢方法有空气转炉炼钢法、氧气转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法.二、钢材的分类钢材的品种繁多,分类方法很多,通常有按化学成分、脱氧程度质量、用途等几种分类方法.钢材的分类见表８-１.三、钢材的化学成分及对性能的影响１.碳碳元素是决定钢材性质的主要元素.一般来说,随着钢材中碳含量的提高,钢材的强度和硬度也相应提高,而塑性和韧性则相应降低.碳还可以显著降低钢材的可焊性和抗腐蚀性,增加钢的冷脆性和时效敏感性.上一页下一页返回第一节钢材的冶炼与分类２.硅硅元素可提高钢材的强度,而对钢材的塑性和韧性影响则不明显.３.锰锰是我国低合金钢的主要合金元素,主要作用是使钢材的强度提高,几乎不降低钢材的塑性和韧性,还能消减硫和氧引起的热脆性,使钢材的热加工性质得到改善.４.硫硫是有害元素,要严格限制钢材中硫的含量.它主要以非金属硫化物FeS存在于钢材中,具有强烈的偏析作用,会降低钢材的各种机械性能.硫化物造成的低熔点使钢材在焊接时易于产生热裂纹的特性称为热脆性,其会显著降低钢材的可焊性和热加工性.上一页下一页返回第一节钢材的冶炼与分类５.磷磷是有害元素,磷含量提高,能使钢材的屈服点和抗拉强度提高,使塑性和韧性显著下降,特别是温度越低,对韧性和塑性的影响越大,磷在钢材中的偏析作用越强烈,使钢材的冷脆性增大,并显著降低钢材的可焊性.但磷可提高钢材的耐腐蚀性和耐磨性,在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用.６.氧氧是有害元素,可降低钢材的机械性能,特别是韧性,氧有促进时效倾向的作用.氧化物造成的低熔点也会降低钢材的可焊性.上一页下一页返回第一节钢材的冶炼与分类７.氮氮对钢材性质的影响与碳、磷相似,可提高钢材的强度,但是塑性特别是韧性则显著下降.氮还可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性,降低可焊性.在有铝、铌、钒等的配合下,氮可作为低合金钢的合金元素使用.８.钛钛是强脱氧剂.钛能显著提高钢材的强度,改善韧性和可焊性,是常用的微量合金元素.９.钒钒是弱脱氧剂.钒能有效提高钢材的强度,并能减少时效倾向,增加钢材焊接时的淬硬倾向.上一页返回第二节建筑钢材的主要技术性质钢材的技术性质主要包括力学性质(抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳性和硬度等)和工艺性质(冷弯性能和焊接性能)两个方面.一、力学性质(一)拉伸性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式,所以,拉伸性能是表示钢材技术性质和选用钢材的重要指标.拉伸性能包括屈服强度、抗拉强度、伸长率等重要技术指标.(二)塑性建筑钢材应具有很好的塑性.表示钢材塑性的指标有伸长率和断面收缩率.下一页返回第二节建筑钢材的主要技术性质将拉断后的试件拼合起来,测定出标距范围内的长度L１(mm),其与试件原标距L０(mm)之差为塑性变形值,塑性变形值与L０之比称为伸长率(δ),如图８-３所示.伸长率(δ)按下式计算:δ＝(L１－L０)/L０×１００％伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标,δ越大说明钢材的塑性越好.而一定的塑性变形能力,可保证钢材应力重新分布,避免应力集中,从而钢材用于结构的安全性越大.断面收缩率(ψ)是指试件拉断后,颈缩处横截面面积的最大缩减量与原始横截面面积的百分比.塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的,颈缩处的变形最大,离颈缩部位越远其变形越小.上一页下一页返回第二节建筑钢材的主要技术性质所以,伸长率的大小与试件尺寸有关.原标距与直径之比越小,则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大,计算出来的δ值就大.通常以δ５和δ１０分别表示L０＝５d０和L０＝１０d０时的伸长率.对于同一种钢材,其δ５＞δ１０.(三)冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力.钢材的冲击韧性是用有刻槽(U形、V形)的标准试件,在冲击试验机的一次摆锤冲击下,以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm２)来表示,其符号为αk.试验时,将试件放置在固定支座上,然后以摆锤冲击试件刻槽的背面,使试件承受冲击弯曲而断裂.αk值越大,冲击韧性越好.上一页下一页返回第二节建筑钢材的主要技术性质(四)耐疲劳性钢材在交变荷载的反复作用下,往往在最大应力远小于其抗拉强度时就发生破坏,这种现象称为钢材的疲劳性.疲劳破坏的危险应力用疲劳强度(或称疲劳极限)来表示,它是指疲劳试验时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.一般把钢材承受交变荷载１０６~１０７次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度.设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时,应了解所用钢材的疲劳极限.研究证明,钢材的疲劳破坏是拉应力引起的.首先在局部开始形成微细裂纹,其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展,直至钢材断裂.上一页下一页返回第二节建筑钢材的主要技术性质因此,钢材内部成分的偏析、夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等,都是影响钢材疲劳强度的因素.疲劳破坏经常是突然发生的,因而具有很大的危险性,往往造成严重事故.(五)硬度硬度是指金属材料在表面局部体积内,抵抗硬物压入表面的能力,亦即材料表面抵抗塑性变形的能力.测定钢材硬度采用压入法,即以一定的静荷载(压力),把一定的压头压在金属表面,然后测定压痕的面积或深度来确定硬度.按压头或压力不同,有布氏法、洛氏法等,相应的硬度试验指标称为布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HR).常用的方法是布氏法,其硬度指标是布氏硬度值.上一页下一页返回第二节建筑钢材的主要技术性质二、工艺性质良好的工艺性能,可以保证钢材顺利通过各种加工,而使钢材制品的质量不受影响.冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能均是建筑钢材的重要工艺性能.上一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用建筑钢材分为钢结构用型钢和钢筋混凝土结构用钢筋两大类,各种型钢和钢筋的性能主要取决于所用钢种及加工方式.一、钢结构用钢(一)碳素结构钢(非合金钢)１.碳素结构钢的牌号及其表示方法碳素结构钢的牌号由屈服点的字母(Q)、屈服点数值(N/mm２)、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、Z、TZ)四个部分按顺序组成.下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用按标准规定,我国碳素结构钢分为四个牌号,即Q１９５、Q２１５、Q２３５和Q２７５.碳素结构钢的质量等级是按钢中硫、磷含量由多到少划分的,按A、B、C、D的顺序,质量等级逐级提高.当为镇静钢或特殊镇静钢时,则牌号中表示“Z”与“TZ”的符号可予以省略.例如Q２３５-A·F,其表示:屈服点为２３５MPa(N/mm２)的A级沸腾碳素结构钢.一般来说,牌号数值越大,含碳量越高,钢材的强度、硬度也越高,但塑性、韧性则降低.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用２.碳素结构钢的技术要求按照国家标准«碳素结构钢»(GB/T７００—２００６)的规定,碳素结构钢的技术要求包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态、表面质量五个方面.各牌号碳素结构钢的相关指标应分别符合表８-２、表８-３的要求.３.碳素结构钢各类牌号的特性与用途Q１９５和Q２１５这两个牌号的钢材强度不高,但具有良好的塑性和韧性,冷弯性能好,易于进行冷弯加工,常用作铆钉、螺栓、铁丝、轧制薄板和盘条等;Q２３５具有较高的强度、良好的塑性及加工性能,在一般钢结构和钢筋混凝土结构中广泛应用,其中,C、D质量等级可作为重要焊接结构用;上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用Q２７５强度、硬度高,耐磨性好,但塑性、韧性、加工性能及可焊性差,不宜在结构中使用,一般用于制造农具、零件等.各牌号碳素结构钢的冷弯性能指标见表８-４.(二)优质碳素结构钢优质碳素结构钢中除含有碳元素和为脱氧而含有一定量的硅、锰合金元素外,不含其他合金元素(残余元素除外).其硫、磷杂质元素含量控制严格,质量稳定.优质碳素结构钢的性能主要取决于含碳量,按含碳量不同可分为三类:低碳钢(C≤０.２５％)、中碳钢(C为０.２５％~０.６０％)和高碳钢(C＞０.６％),含碳量高则强度高,但塑性和韧性降低.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用优质碳素结构钢按含锰量不同分为正常含锰量(含锰量＜０.８％)和较高含锰量两种,后者具有较好的力学性能和加工性能.优质碳素结构钢共有３１个牌号,分别为:０８F、１０F、１５F、０８、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、１５Mn、２０Mn、２５Mn、３０Mn、３５Mn、４０Mn、４５Mn、５０Mn、６０Mn、６５Mn、７０Mn.钢号的表示方法由平均含碳量(以０.０１％为单位)、锰含量、脱氧程度代号组成.在建筑工程中,３０~４５号钢主要应用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等;４５号钢用作预应力混凝土锚具;６５~８０号钢用于生产预应力混凝土用的钢丝和钢绞线.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用(三)低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在碳素钢结构钢的基础上,添加少量的一种或多种合金元素(总含量＜５％)制成.常用的合金元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素.其目的是提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性与耐低温性等,因此,低合金高强度结构钢是综合性较为理想的建筑钢材.二、钢筋混凝土结构用钢筋(一)热轧钢筋钢筋混凝土用热轧钢筋,根据其轧制外形可分为热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋.热轧钢筋的主要技术指标见表８-７和表８-８.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用热轧光圆钢筋是经热轧成型,通常为圆形横截面,表面光滑的成品钢筋.«钢筋混凝土用钢第１部分:热轧光圆钢筋»(GB１４９９.１—２００８)推荐六种钢筋直径,分别为６mm、８mm、１０mm、１２mm、１６mm、２０mm.热轧钢筋按其屈服强度特征值(MPa)分为２３５、３００级,钢筋牌号由HPB＋屈服强度特征值两部分构成,其中,HPB为热轧光圆钢筋,HPB是HotrolledPlainBars的缩写.«钢筋混凝土用钢第２部分:热轧带肋钢筋»(GB１４９９.２—２００７)规定,热轧带肋钢筋分为普通热轧钢筋和细晶粒热轧带肋钢筋.按其屈服强度特征值(MPa)分为３３５、４００、５００级,钢筋牌号由HRB(或HRBF)＋屈服强度特征值两部分构成,其中,HRB为普通热轧钢筋、HRBF为细晶粒热轧带肋钢筋.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用HRB３３５级和HRB４００级钢筋强度较高,塑性和焊接性能较好,广泛用作大中型钢筋混凝土结构的受力钢筋.HRB５００级钢筋强度高,塑性和焊接性能较差,可用作预应力钢筋.(二)冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是由低碳钢热轧圆盘条经冷轧后,在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋.冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为四个牌号,分别为CRB５５０、CRB６５０、CRB８００、CRB９７０.C、R、B分别为冷轧、带肋、钢筋三个词的英文首位字母,牌号中数值为抗拉强度的最小值(单位为MPa).冷轧带肋钢筋的公称直径为４~１２mm.其力学性能及工艺性能见表８-９.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用与冷拔低碳钢丝相比,冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好,与混凝土粘结牢固,节约钢材、质量稳定等优点,故广泛应用于中小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件.CRB５５０宜用作钢筋混凝土结构,其他牌号用于预应力混凝土.(三)冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝(图８-８)是将直径为６.５~８mm的碳素结构钢盘条,在常温下经过冷拔而制成的圆截面钢丝,直径为３mm、４mm、５mm.其主要应用于小型预应力构件焊接或绑扎骨架、网片或箍筋.冷拔低碳钢丝的力学性能应符合表８-１０的要求.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用(四)预应力钢丝及钢绞线预应力钢丝是用优质高碳钢盘条经等温淬火拔制而成.其直径为２.５~５mm,抗拉强度为１４７０~１７７０MPa,分为消除应力光圆钢丝(代号P)、消除应力刻痕钢丝(代号I)、消除应力螺旋肋钢丝(代号H)三种.刻痕钢丝和螺旋肋钢丝与混凝土的粘结力好,消除应力钢丝的塑性比冷拉钢丝好.(五)常用型钢型钢是一种有一定截面形状和尺寸的条形钢材.建筑工程中常用的型钢包括热轧型钢、冷弯薄壁型钢、钢板和压型钢板.上一页下一页返回第三节建筑钢材的技术标准与选用热轧型钢易冶炼、成本低、强度适中、塑性及可焊性好,适用于建筑工程,其主要采用碳素结构钢Q２３５-A轧制,而钢结构用热轧型钢推荐采用低合金钢Q３４５和Q３９０.冷弯薄壁型钢可用于轻型钢结构中.建筑用钢板和钢带主要是碳素结构钢,在一些重型结构、大跨度桥梁、高压容器等也采用低合金钢钢板.压型钢板具有施工快捷、抗震性能好、外形美观、轻质高强等优点,主要应用于围护结构、屋面、楼板等.上一页返回第四节钢材的锈蚀与防护一、钢材的锈蚀钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏过程.根据锈蚀作用的原理,钢材的锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种.１.化学锈蚀化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀.这种锈蚀多数是氧化作用,使钢材表面形成疏松的氧化物.在常温下,钢材表面能形成一薄层起保护作用的氧化膜FeO,可以防止钢材进一步锈蚀.因此,在干燥环境下,钢材锈蚀进展缓慢,但在温度和湿度较高的环境中,这种锈蚀进展加快.下一页返回第四节钢材的锈蚀与防护２.电化学锈蚀电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式.它是指钢材与电解质溶液接触而产生电流,形成微电池而引起的锈蚀.潮湿环境中的钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖,而钢材含有铁、碳等多种成分,故使钢材的锈蚀速度也就愈益加速.影响钢材锈蚀的主要因素是水、氧及介质中所含的酸、碱、盐等,而且钢材本身的组织成分对锈蚀影响也很大.埋于混凝土中的钢筋,由于普通混凝土的pH值为１２左右,处于碱性环境,使之表面形成一层碱性保护膜,它有较强的阻止锈蚀继续发展的能力,故混凝土中的钢筋一般不易锈蚀.上一页下一页返回第四节钢材的锈蚀与防护二、钢材锈蚀的防护１.保护层法通常的方法是采用在表面施加保护层,使钢材与周围介质隔离.保护层可分为金属保护层和非金属保护层两类.２.制成合金钢材的组织及化学成分是引起锈蚀的内因.通过调整钢材的基本组织或加入某些合金元素,可有效地提高钢材的抗腐蚀能力.例如,在钢中加入一定量的合金元素铬、镍、钛等,制成不锈钢,可以提高耐锈蚀能力.上一页返回第五节铝合金的应用、特性与分类一、铝合金的应用纯铝的密度小,大约是铁的１/３,具有很高的塑性,易于加工,可制成各种型材、板材应用,且具有抗腐蚀性能好的特点.但由于纯铝的强度很低,故不宜用作结构材料,人们通过长期的生产实践和科学试验,以加入铜、硅、镁、锌、锰、镍、铁、钛、铬等合金元素及运用热处理等方法得到铝合金材料.铝合金现已在航空航天、汽车、机械制造等领域大量使用,是应用最广泛的一类有色金属结构材料.随着我国科技生产力水平的不断提升,相关行业的快速发展,铝合金材料的轻量化等优点也将让其在未来会有更好的发展.下一页返回第五节铝合金的应用、特性与分类二、铝合金的特性及分类铝合金密度低,但强度比较高,接近或超过优质钢,其塑性良好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,在工业中的使用量仅次于钢材.铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金.形变铝合金能承受压力加工,可加工成各种形态、规格的铝合金材料,主要用于制造航空器材、建筑用门窗等.铸造铝合金按化学成分可分为铝硅