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1、建筑材料第八章 建筑钢材,第一节 概述,什么是建筑钢材？ 钢材是钢经过冷、热加工而得到的各种定型产品。 建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢管、钢板和用于钢筋混凝土的各种钢筋、钢丝等。,建筑钢材的特点？,强度高； 韧性、塑性好； 抗冲击，能承受较大的塑性变形，便于冷加工； 质量均匀，性能可靠； 易锈蚀； 高温时易丧失强度。,明石海峡大桥20世纪最长的桥（主跨1990m）,韧性好、抗冲击能力强,强度高、韧性好,西尔斯大厦,钢材的缺陷,容易腐蚀： 措施：表面涂层，电镀，与混凝土复合 耐火性差,世贸中心钢筋铁骨为何不堪一击?,几十吨飞机汽油引起的失火，导致大楼钢结构软化甚至

2、熔化，上层开始倒塌，往下逐层传递，形成“多米诺骨牌效应”，最后导致整座大楼坍塌。,双塔巨型的中心区钢柱，与外围钢柱，通过地板横梁以多重锁扣和焊接的方式，紧密相连，形成相对轻盈而又异常坚固的“筒中筒”结构。,谁能想象这栋曾被称为世界建筑典范的双塔，却在9/11当天，被飞机在82层和96层撞击后，整栋大楼以近乎完美的垂直方式自我毁灭了呢？,大楼轻易地承受了飞机的撞击。撞击口很快变黑， 提示中心区有大火。,南塔在飞机撞击后56分钟，爆炸而成巨大的粉尘，各种碎片向四周喷射。,北塔完完全全地在半空中化为粉末，形成了与火山碎屑流非常相似的尘雾云，并迅速扩张到原来建筑物的数倍之大(四张照片分别为开始倒塌后7

3、，13.3，14.5，22秒)。,完美地塌陷在其边界内，没有对周围建筑物产生如何损坏。,建筑钢材的用途？,建筑工程中作为结构材料 用型材作钢结构； 用钢筋作钢筋混凝土结构。,钢材的分类,1. 按化学成分分类 铁 （C2%）：炼钢生铁；铸造生铁；合金生铁 钢 （C0.6%） 合金钢 低合金钢（合金10%）,轻质高强、韧性好,东京塔 钢材,埃菲尔铁塔 铸铁,2. 按冶炼时脱氧程度分类,（）沸腾钢。 （）镇静钢。 （）半镇静钢。 （）特殊镇静钢。,脱氧,沸腾钢： 碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F) 半镇静钢： 脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(b) 镇

4、静钢： 脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z) 特殊镇静钢： 脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ),3. 按有害杂质含量分类,按钢中有害杂质磷（）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：（）普通钢。（）优质钢。 （）高级优质钢。（）特级优质钢。,4.根据性能及使用特性分类,结构钢 工具钢 特殊性能钢 专门用途钢,主要建筑钢材,建筑上所用的主要是： 属于碳素结构钢的低碳钢； 属于普通钢的低合金结构钢。,钢的冶炼、加工及对钢材性能的影响,1.钢的冶炼,1.钢的冶炼,根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：,

5、三种主要炼钢方法的特点,炉种 原料 特 点 生产钢种,2.钢的加工,热轧（压力热加工） 冷加工（常温冷拉、冷拔、冷轧） 热处理 时效 自然时效：冷拉后常温下放1520天 人工时效：加热100200，存放一段时间,钢的晶体组织,金属的晶体结构 1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格； 2、晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合，所有的价电子为自由电子； 3、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，各晶粒之间存在晶界。,钢中的晶体组织与性能,铁素体 碳溶于Fe中的固溶体。 Fe为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度

6、较低。 渗碳体 铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达6.69，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。 珠光体 铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量0.77，其性质介于二者之间。 奥氏体 碳溶于Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。,钢材的力学性能及工艺性能,一、力学性能 1. 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。 技术指标：由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。,强度指标,弹性极限（e） 表示钢材保持弹性变形, 不产生塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。 屈服强度（ s） 表示钢材

7、开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。 条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。,（）屈服点,当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时，称屈服下限下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做s。 设计时一般以s作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以0.2残余变形时的应力0.2作为屈服强度。,（）抗拉强度与屈强比,对应于最高点的应力称为抗拉强度，用b表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比sb有一定意义。 屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安

8、全性愈高； 屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。 因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。,(3) 伸长率：,量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即：,断面收缩率（）,试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 = （F0F1）/ F0 100% 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大。,n=(L1-L0)/L0100%,=(F0-F1)/F0100%,2 硬度,钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。,洛氏硬度测量原理图,布氏硬度测量原理图,

9、3 冲击韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。 冲击韧性指标是夏比冲击试验确定的。 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（/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。,冲击试验： 测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。 再测量试件断裂面积。,摆锤,试件,H0,H1,二 、工艺性能,1. 冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90、180）及弯心直径对试件厚度（或直径）a的比值（/a）区分的，试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷

10、弯性能合格。,钢材的冷弯试验,2.可焊性,指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。 影响钢材可焊性的主要因素是：化学成分及含量。 硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。 含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。,合格,不合格,钢材的可焊性试验,化学成分对钢材性质的影响,碳含量对钢材性能的影响,碳：建筑钢材含碳量不大于0.8。 随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。,讨论：碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响,(1) 下图是碳素钢基本组织相对含量与含碳量关系。请分析低碳钢、中碳钢和高碳钢随着含碳

11、量的增加，其基本组织及性能如何变化。,钢中碳含量的影响,建筑钢材的牌号和应用,（1）碳素结构钢 按国家标准GB700-88规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、四个质量等级。 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。,碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)等四部分组成。 例如Q235-A.F， 表示：屈服点为235N2的平炉或氧气转炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。 当为镇静钢或特殊镇静钢

12、时，则牌号表示“”与“Z”符号可予以省略。,碳素结构钢选用原则,应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。 例如： Q195和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓等。 Q235A使用于承受静载作用的钢结构； Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构； Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构； Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构； Q255和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等,（2）低合金高强度结构钢,在碳素钢的基础上，加入总量小于的合金元素炼成的钢，称为低合金高强度结构钢，简称低合金结构钢。常用的

13、合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。,按照低合金高强度结构钢（GBT15911994）规定共分20个钢号。 牌号由代表钢材屈服强度的字母“”、屈服强度数值、质量等级符号（、）三个部分按顺序组成。 例如：Q295A，表示屈服强度为不小于295MPa，质量等级为级的低合金结构钢。,（3）优质碳素结构钢GB/T 699-1999,优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为： 普通锰含量（锰含量0.8）钢； 较高锰含量（锰含量0.71.2）钢两组。 优质碳素结构钢硫、磷等杂质含量比普通碳素钢少，其他缺陷限制也较严格，所以性能好，质量稳定。,优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，它表示钢中平均含碳量的万分数。 如45号钢，表示钢中平均含碳量为0.45。数字后若有“锰”字或“Mn”，则表示属较高锰含量的钢，否则为普通锰含量钢。如35Mn表示平均含碳量0.35，含锰量为0.71.0。 若是沸腾钢或半镇静钢，还应在牌号后面加“沸”（或F）或“半”（或b）。 优质碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量高，则强度高，但塑性和韧性降低。 3045号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，45号钢