教学材料《建筑材料》-项目一 2

任务一钢材的概念及特点一、钢材的生产钢是由生铁经冶炼而成的,生铁的含碳量大于２％,同时含有较多的硫、磷等杂质,因而,生铁表现出强度较低、性脆、韧性较差等特点,且不能采用轧制或锻压等方法来进行加工.生铁的品种有白口铁、灰口铁、铁合金等.白口铁为炼钢用铁,炼钢是对熔融的生铁进行高温氧化,使其含碳量降低到２％以下,同时,使其他杂质的含量降低到允许范围内.在炼钢后期投入脱氧剂,除去钢液中的氧,这个过程称为“脱氧”.炼钢的方法根据炼钢炉种类的不同可分为氧气转炉法、平炉法及电炉法.下一页返回任务一钢材的概念及特点氧气转炉法炼钢是以熔融铁水为原料,由转炉顶部吹入高压纯氧去除杂质,冶炼时间短,约为３０min,钢质较好且成本低.平炉法炼钢是以铁矿石、废钢、液态或固态生铁为原料,用煤气或重油为燃料,靠吹入空气或氧气及利用铁矿石或废钢中的氧使碳及杂质氧化.这种方法冶炼时间长,一般为４~１２h,钢质好,但成本较高.电炉炼钢是以生铁和废钢为原料,利用电能转变为热能来冶炼钢的一种方法.电炉熔炼温度高,而且温度可以自由调节,因此用该法去除杂质干净,质量好,但能耗大,成本高.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点经冶炼后的钢液须经过脱氧处理后才能铸锭,因钢冶炼后含有以FeO形式存在的氧,对钢质量产生影响.通常加入脱氧剂如锰铁、硅铁、铝等进行脱氧处理,将FeO中的氧去除,将铁还原出来.根据脱氧程度的不同,钢可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢三种.沸腾钢是加入锰铁进行脱氧且脱氧不完全的钢种.脱氧过程中产生大量的CO气体外逸,产生沸腾现象,故名沸腾钢.其致密程度较差,易偏析(钢中元素富集于某一区域的现象),强度和韧性较低.镇静钢是用硅铁、锰铁和铝为脱氧剂,脱氧较充分的钢种.其铸锭时平静入模,故称镇静钢.镇静钢结构致密,质量好,机械性能好,但成本较高.半镇静钢是脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间的钢.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点冶炼后的钢除少数直接铸成铸件外,大部分先浇铸成钢锭,然后再经轧制、锻压、冷拔、冲压等方法加工成各种钢材.建筑钢材多为热轧钢材,即在１１５０℃~１３００℃的高温下轧制而成,所得钢材力学性能较好.二、钢材的特点１.强度高钢材的抗拉、抗压、抗弯及抗剪强度都很高.在建筑中可用作各种构件和零部件.在钢筋混凝土中能弥补混凝土抗拉、抗弯、抗剪和抗裂性能较差的缺点.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点２.塑性好在常温下,钢材能承受较大的塑性变形.钢材能承受冷弯、冷拉、冷拔、冷轧、冷压等各种冷加工.冷加工能改变钢材的断面尺寸和形状并改变钢材的性能.３.品质均匀、性能可靠钢材性能的利用效率比其他非金属材料高;另外,钢材的韧性高,能经受冲击作用;可以焊接或铆接,便于装配;能进行切削、热轧和锻造;通过热处理方法,可以在相当大的程度上改变或控制钢材的性能.三、钢的分类(一)按化学成分分类上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点１.碳素钢低碳钢:含碳量＜０.２５％;中碳钢:含碳量０.２５％~０.６０％;高碳钢:含碳量＞０.６０％.２.合金钢低合金钢:合金元素总含量＜５.０％;中合金钢:合金元素总含量５.０％~１０％;高合金钢:合金元素总含量＞１０％.建筑工程中,钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢,主要使用非合金钢中的低碳钢及低合金钢加工成的产品.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点合金钢也有少量应用.根据国家标准«钢分类»(GB/T１３３０４—２００８)规定,按化学成分、合金元素含量将钢材分为非合金钢(碳素钢)、低合金钢和合金钢三类,见表６-１.非合金钢(碳素钢)按其主要质量等级分为:普通质量非合金钢(如碳素结构钢GB７００中的Q１９５、Q２１５、Q２３５、Q２５５的A,B级、Q２７５)、优质非合金钢(如碳素结构钢GB７００中除普通质量A、B级钢以外的所有牌号及A、B级规定冷成型性及模锻性特殊要求者,优质碳素结构钢GB６９９中除６５Mn、７０Mn、７０、７５、８０、８５以外的所有牌号)、特殊质量非合金钢(如优质碳素结构钢GB６９９中的６５Mn、７０Mn、７０、７５、８０、８５).上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点低合金钢按其主要质量等级分为:普通质量低合金钢(如一般用途低合金结构钢GB１５９１中的Q２９５、Q３４５等,一般低合金钢筋钢GB１４９９中的２０MnSi、２０MnTi、２０MnSi等)、优质低合金钢(如一般用途低合金结构钢GB１５９１中的Q４２０、Q４６０等)、特殊质量低合金钢(如核能用低合金钢、压力容器用低合金钢).合金钢按主要质量等级分为:优质合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢)、特殊质量合金钢(如压力容器用合金钢,不锈、耐蚀和耐垫钢,工具钢,轴承钢等).建筑工程中常用的钢种分为非合金钢中的碳素结构钢和低合金钢中的一般低合金结构钢.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点(二)按品质(杂质含量)分类(１)普通钢:含硫量≤０.０５０％;含磷量≤０.０４５％.(２)优质钢:含硫量≤０.０３５％;含磷量≤０.０３５％.(３)高级优质钢:含硫量≤０.０２５％,高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”;含磷量≤０.０２５％.(４)特级优质钢:含硫量≤０.０１５％,特级优质钢后加“E”;含磷量≤０.０２５％.(三)按冶炼时脱氧程度分类上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇静钢、沸腾钢和半镇静钢.如图６-２所示,沸腾钢的气泡明显多于镇静钢,沸腾钢是脱氧不完全的钢,浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸,引起钢液剧烈沸腾.沸腾钢内部杂质和夹杂物多,化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差,但生产成本低,可用于一般的建筑结构.而镇静钢是指在浇铸时,钢液平静地冷却凝固,基本无一氧化碳气泡产生,是脱氧较完全的钢.钢质均匀密实,品质好,但成本高.镇静钢可用于承受冲击荷载的重要结构.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点特殊镇静钢是比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢,其质量最好,用于特别重要的结构工程.半镇静钢是脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,其质量较好.(四)按用途分类(１)结构钢.其主要用于工程结构及机械零件的钢,一般为低、中碳钢.(２)工具钢.其主要用于各种刀具、量具及模具的钢,一般为高碳钢.(３)特殊钢.具有特殊的物理、化学及机械性能的钢,如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等.钢材的产品一般分为型材、板材、线材和管材等.上一页下一页返回任务一钢材的概念及特点型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、吊车轨、钢板桩等.板材包括用于建造房屋、桥梁及建筑机械的中、厚钢板,用于屋面、墙面、楼板等的薄钢板.线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢绞线等.管材包括钢桁架和供水、供气管线等.上一页返回任务二建筑钢材的主要性能现如今,很多典型建筑都是由钢材建造的,钢材究竟有什么技术性能让其应用如此广泛?利用“视＋”软件,搜索频道３５３６２２,扫描图６-３、图６-４、图６-５,利用“AR”模型分析研究一下钢材的性能.建筑钢材的主要性能有力学性能(抗拉性能、冲击韧性、硬度、耐疲劳性等)和工艺性能(冷弯性能和焊接性能)两种.在外力作用下,材料抵抗变形和断裂的能力称为强度.测定钢材强度的主要方法是拉伸试验,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.低碳钢从受拉到拉断,经历了四个阶段,即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段.下一页返回任务二建筑钢材的主要性能一、力学性能(一)抗拉性能抗拉性能是钢材最重要的力学性能.在建筑工程中,对进入现场的钢材首先要有质保单以提供钢材的抗拉性能指标,然后对钢材进行抗拉性能的复试以确定其是否符合标准要求.拉伸中测试所得的屈服点、抗拉强度、伸长率则是衡量钢材力学性能好坏的主要技术指标.对钢材进行拉伸试验时的试件如图６-６所示.拉伸试件有两种规格:标准长试件上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能标准短试件钢材在拉伸时的性能,可用应力Ｇ应变关系曲线表示.低碳钢在拉力作用下产生变形,直至破坏,这个过程可以分为四个阶段,即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段,如图６-７所示.１.弹性阶段(OB)钢材受力初期,应力与应变成比例地增长,应力与应变之比为常数,称为弹性模量.弹性阶段中,OA段为直线段.在OA段中,应变随应力增加而增大,应力与应变成正比例关系,即上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能E为钢材的弹性模量,反映了钢材受力时抵抗弹性变形的能力,即钢材的刚度,它是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要指标.工程上常用的碳素结构钢Q２３５的弹性模量E＝(２.０~２.１)×１０５

MPa.A点对应的应力称为比例极限,用符号σp表示.AB段为曲线段,应力与应变不再成正比例的线性关系,但钢材仍表现出弹性性质,B点对应的应力称为弹性极限,用符号σe表示.在曲线中A、B两点很接近,所以,在实际应用时,往往将两点看作一点.２.屈服阶段(BC)上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能应力过B点后,曲线呈锯齿形.此时,应力在很小范围内波动,而应变显著增加,应力与应变之间不再成正比例关系.当荷载消除后,钢材不会回复原有形状和尺寸,似产生屈服现象,故BC段称为屈服阶段.在BC段中C上点为上屈服点,C下点为下屈服点,工程上通常将C下点对应的应力称为屈服极限(即屈服强度),用符号σs

表示.当钢材在外力作用下达到屈服点后,虽未产生破坏,但已产生很大的变形而不能满足使用的要求,因此,σs

是结构设计的重要指标.对无明显塑性变形的高碳钢,以产生０.２％残余应变时所对应的应力为屈服强度,用符号σ０.２表示,如图６-８所示.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能３.强化阶段(CD)应力超过C点后,曲线呈上升趋势,此时钢材内部组织产生变化,钢材恢复了抵抗变形的能力,应变随应力提高而增大,故称强化阶段.曲线最高点D点对应的应力称为强度极限(即抗拉强度),用符号σb表示.在工程设计中,强度极限不作为结构设计的依据,但应考虑屈服极限σs

与强度极限σb的比值(屈强比),它反映了结构在超载情况下继续使用的可靠性大小和利用率的高低.屈强比σs/σb,表明结构在超载情况下继续使用的可靠性降低,但利用率提高.反之,可靠性提高,利用率降低.合理的屈强比为０.６０~０.７５.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能４.颈缩阶段(DE)应力达到D点后,曲线呈下降趋势,钢材标距长度内某一截面产生急剧缩小,形成颈缩,当应力达到E点时钢材断裂,试件被拉断.(二)塑性塑性表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力.它是钢材的一个重要指标.钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率来表示.把试件断裂的两段拼起来,便可测得标距范围内的长度l１,如图６-９所示,l１减去标距长l０就是塑性变形值,此值与原长l０的比率称为伸长率δ。上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能伸长率δ是衡量钢材塑性的指标,它的数值越大,表示钢材塑性越好.良好的塑性,可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布,从而避免结构过早破坏.(三)冲击韧性冲击韧性是指材料在冲击荷载作用下,抵抗破坏的能力.用V形缺口试件在受摆锤冲击破坏时,单位断面面积上所消耗的能量(功),即冲击韧性值αk来表示.冲击韧性值αk越大,表明钢材的冲击韧性越好,如图６-１０所示.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能钢材的冲击韧性与钢材化学成分、组织状态、内在缺陷和环境温度等因素有关.当钢中硫、磷含量较高,组织中存在夹杂物,或经冷加工时效后,冲击韧性值会降低.冲击韧值性随环境温度降低而降低,当温度降低至某一范围时,冲击韧性值突然下降而呈现脆性,此性质称为冷脆性,而此时的温度称为脆性临界温度.对寒冷地区或承受冲击振动荷载作用的结构,选用钢材时须考虑冲击韧性值指标.(四)硬度硬度是指钢材表面抵抗变形或破裂的能力,是检验热处理工件质量的主要指标,测试的方法有布氏、洛氏、维氏硬度法三种,建筑钢材常用布氏硬度值HB表示,如图６-１１所示.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能(五)疲劳强度受交变荷载反复作用,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.疲劳破坏首先是从局部缺陷处形成细小裂纹,由于裂纹尖端处的应力集中使其逐渐扩展,直至最后断裂.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随应力循环次数的增加而降低.钢材在无数次交变荷载作用下而不至于引起断裂的最大循环应力值,称为疲劳强度极限.实际测量上以２×１０６次应力循环为基准.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能钢材的疲劳强度与很多因素有关,如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力几种情况等.二、工艺性能(一)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,是钢材的主要工艺性能之一.通常用弯曲角度及弯心直径与试件厚度的比值这两个指标来衡量,如图６-１２所示.弯曲角度越大,弯心直径与试件厚度的比值越小,则冷弯性能越好.冷弯试验是一种比拉伸更为严格的检验钢材塑性的方法.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能它能揭示钢材内部是否存在微裂缝、夹杂物,也可用来检验钢材的焊接质量.(二)焊接性能(可焊性)焊接是钢结构的连接方式之一,钢材在焊接过程中,由于高温作用,焊缝及其附近的过热区将发生晶体组织和晶体结构的变化,使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向,降低焊件的使用质量.钢的可焊性就是指钢材在焊接后,体现其焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的一种性能.可焊性良好的钢,焊接后的焊头牢固可靠,硬脆倾向小,仍能保持与母材基本相同的性质.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能钢的化学成分、冶金质量及冷加工等对可焊性影响很大.试验表明,含碳量小于０.２５％的低碳钢具有良好的可焊性,随着含碳量的增加,可焊性下降.硫、磷及气体杂质均能显著降低可焊性.加入过多的合金元素,也将在不同程度上降低可焊性.因此,对焊接结构用钢,宜选用含碳量较低、杂质含量少的平炉镇静钢.对于高碳钢和合金钢,为了改善焊后的硬脆性,焊接时一般需采用焊前预热和焊后热处理等措施.低碳钢有优良的可焊接性,高碳钢的焊接性能较差.(三)钢材的热处理上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能按照一定的制度,将钢材加热到一定的温度,在此温度下保持一定的时间,再以一定的速度和方式进行冷却,以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变,或者消除钢中的内应力,从而获得人们所需求的机械力学性能,这一过程就称为钢材的热处理.钢材的热处理通常有以下几种基本方法.１.淬火将钢材加热至７２３℃(相变温度)以上某一温度,并保持一定时间后,迅速置于水中或机油中冷却,这个过程称为钢材的淬火处理.钢材经淬火后,强度和硬度提高,脆性增大,塑性和韧性明显降低.２.回火上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能将淬火后的或比较热脆的铁块,存在内应力的钢材重新加热到７２３℃以下某一温度范围,保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温,这一过程称为回火处理.回火可消除钢材淬火时产生的内应力,使其硬度降低,恢复塑性和韧性.回火温度越高,钢材硬度下降越多,塑性和韧性等性能均得以改善.若钢材淬火后随即进行高温回火处理,则称为调质处理,其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善.３.退火退火是指将钢材加热至７２３℃以上某一温度(完全退火)或以下(低温退火),保持相当时间后,在退火炉中缓慢冷却.退火能消除钢材中的内应力,细化晶粒,均匀组织,使钢材硬度降低,塑性和韧性提高.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能４.正火正火是将钢材加热到７２３℃以上某一温度,并保持相当长时间,然后在空气中缓慢冷却,得到均匀细小的显微组织.钢材正火后强度和硬度提高,塑性较退火小.(四)冷加工时效及其应用将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧,使之产生一定的塑性变形,强度明显提高,塑性和韧性有所降低,这个过程称为钢材的冷加工强化.工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工,以达到提高钢材强度和节约钢材的目的.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点,但远小于抗拉强度时即卸荷.如图６-１３所示,冷拔是将６~８mm的光圆钢筋,通过钨合金拔丝模孔强力拉拔,使其径向挤压缩小而纵向伸长.将经过冷拉的钢筋于常温下存放１５~２０d,或加热到１００℃~２００℃并保持２~３h后,则钢筋强度将进一步提高,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,通常对强度较低的钢筋可采用自然时效,强度较高的钢筋则需采用人工时效.钢材经冷加工产生塑性变形后,塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移,导致滑移面下的晶粒破碎,晶格歪扭畸变,滑移面变得凹凸不平,对晶粒进一步滑移起阻碍作用,也提高了抵抗外力的能力,故屈服强度得以提高.上一页下一页返回任务二建筑钢材的主要性能同时,冷加工强化后的钢材,由于塑性变形后滑移面减少,从而使其塑性降低,脆性增大,且变形中产生的内应力,使钢的弹性模量降低.钢筋经冷拉及时效以后,屈服强度得到进一步提高,且抗拉强度也有所提高,塑性和韧性则要相应降低,弹性模量基本恢复.在建筑工地和混凝土预制厂,经常对使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理,以提高屈服强度和利用率,节省钢材.同时还兼有调直、除锈的作用.这种加工所用机械比较简单,容易操作,效果明显,所以,建筑工程中常采取此法.上一页返回任务三钢材的组织和化学成分一、钢材的组织建筑钢材属晶体材料,晶体结构中各原子以金属键方式结合,形成晶粒,晶粒中的原子按照一定的规则排列.如纯铁在９１０℃以下为体心立方晶格,称为αＧ铁,９１０℃~１３９０℃之间为面心立方晶格,称为γＧ铁.每个晶粒表现出的特点是各向异性,但由于许多晶粒是不规则聚集在一起的,因而宏观上表现出的性质为各向同性.钢材的力学性质如强度、塑性、韧性等与晶格中的原子密集面、晶格中存在的各种缺陷、晶粒粗细、晶粒中溶入