第二章 建筑金属材料.ppt

1、第二章 建筑金属材料,掌握：建筑钢材的主要性能。,熟悉：建筑钢材的常用钢种及应用。,了解：钢筋混凝土用钢材的品种及应用。,本章教学目标,第一节钢材的分类,一、按化学成分分类,建筑上使用的钢材主要为低碳钢和低合金钢。,第一节钢材的分类,二、按冶炼时脱氧程度分类,概念：冶炼时脱氧不完全，C与金属氧化物反应，生成大量的CO气体从钢水中逸出，使钢水激烈沸腾，故称“沸腾钢”，代号为“”。 C+FeO=Fe+CO,1.沸腾钢,性能：组织不致密，成分不均匀，S、P 等杂质偏析严重。,冲击韧性和可焊性较差，故质量差。,成品率高，产量高，成本低(只加少量脱氧剂)，用于一般建筑工程。,概念：冶炼时脱氧充分，钢水中

2、金属氧化物少，产生的CO少，浇注钢锭时，钢水能平静地冷却凝固，故称“镇静钢”，代号为“” 。,2.镇静钢,组织致密，成分均匀，机械性能稳定。,冲击韧性和可焊性好，可用于受冲击荷载的结构等重要工程。,性能：,脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，其机械性能也介于两者之间，为质量较好的钢，其代号为“”。,3.半镇静钢,脱氧程度比镇静钢还要充分彻底，生成成本最高，质量最好，用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。,4.特殊镇静钢,第一节钢材的分类,三、按P、S等有害杂质含量分类,第二节建筑钢材的主要技术性能,抗拉性能,冲击韧性,疲劳强度,硬 度,焊接性能,建筑钢材的技术性能,冷弯性能,第二节建筑钢材的主要

3、技术性能,抗拉性能是建筑钢材的最重要的力学性能，其主要技术指标有： 、和 。,一、抗拉性能,屈服点,抗拉强度,伸长率,应力 应变,A,建筑钢材的抗拉性能,一、钢材的抗拉性能,钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例,L0=5d0,低碳钢的受拉过程分为四个阶段,建筑钢材的抗拉性能,O,1.弹性阶段OA,2.屈服阶段AB,3.强化阶段BC,4.颈缩阶段CD,低碳钢受拉的应力应变图,建筑钢材的抗拉性能,1.弹性阶段 一条通过原点 的直线，应力与应变成正比。 弹性 弹性模量 E值的大小反映了钢材抵抗 弹性变形的能力。 A点对应 的应力。,E1 E2,图形的特点：,试件的特点：,计算指标：,弹性极限,一、钢材的抗

4、拉性能,应力,应力,应变,应变,OA,O,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,建筑钢材的抗拉性能,O,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,B下,一、钢材的抗拉性能,2.屈服阶段,AB,图形的特点：,一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。,试件的特点：,在AB上段，应力大于弹性极限,弹性和塑性变形同时产生。,在B上B段(塑性阶段)，应力不增加，应变却急增，出现平台，此为,屈服现象。,计算指标：,上屈服点：试样发生屈服而力首次下降前的最大应力，即图中 点对应的应力。,B上,上屈服点,建筑钢材的抗拉性能,O,低碳钢受拉的应力应变图,A,C,D,B,一、钢材的抗拉性能,2.屈服阶段,A

5、B,计算指标：,下屈服点：不计初始 瞬时效应时屈服阶段的 最小应力，即图中 点对应的应力 。,B下,初始瞬时效应,下屈服点稳定易测， 通常以下屈服点作为钢 材的屈服强度。,注意：钢材达到屈服点 后，尽管尚未断裂，但因 变形过大，已不能满足使 用要求。,故结构计算中，,以下屈服点作为钢材强 度取值的依据。,3.强化阶段 一段上升的曲线。 钢材抵抗外力的能力又重新 提高 抗拉强度：,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,最高点C对应的应力,建筑钢材的抗拉性能,强化。,一、钢材的抗拉性能,BC,低碳钢受拉的应力应变图,初始瞬时效应,A,B,D,O,4.颈缩阶段 一段下降的曲线。 变形迅速发展，在

6、有杂质或 缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。 断后伸长率：,图形的特点：,试件的特点：,计算的指标：,建筑钢材的抗拉性能,计算的指标：,颈缩,一、钢材的抗拉性能,低碳钢受拉的应力应变图,初始瞬时效应,A,D,CD,O,3.断后伸长率,一、钢材的抗拉性能,(1)屈服强度s,5.三个重要的指标,结构设计中钢材强度 取值的依据。,(2)抗拉强度b,钢材能承受的最大应力。,结构安全性 。,屈强比，,强度利用率，,是衡量钢材塑性的指标， 越大，钢材的塑性越好。,初始瞬时效应,A,D,低碳钢受拉的应力应变图,O,合金钢、高碳钢的应力应变图,规定：产生残余变 形为原始标距的0.2% 时所对应的应力值， 作为

7、屈服强度， 用0.2表示。,合金钢或高碳钢， 无明显屈服现象 (无屈服平台)，,二、冲击韧性,钢材抵抗冲击荷载的能力。,定义,试件,于试件的中间开一“V”形缺口，以试件打断时，每单位面积上消耗的功作为冲击韧性值(J/cm2)。,讨论与分析,计算式,测试方法,ak,冲击韧性。,在冲击试验机上试验，,钢的化学成分; 例：S、P,冲击韧性 冶炼及轧制质量 质量,冲击韧性 温度 温度，冲击韧性,ak,影响冲击韧性的因素,三、疲劳强度,在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。,疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用

8、下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。,四、钢材的硬度,硬度指表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力， 方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。,定义,测定方法,讨论与分析,材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。,根据硬度值(HB)可间接估算钢材的强 度值。一般说来，硬度 ，强度。,钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。,五、 焊接性能,影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。又如，含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。,六、钢材的冷弯性能,

9、指钢材在常温下承受弯曲变形的能力， 弯曲角度、弯心直径d与厚度a的比值(d/a)。,定义,指标,试验,试件按规定的弯曲角度和弯心直径进行试验，,结论,六、钢材的冷弯性能,试件的弯曲处无裂缝、断裂或起层现象，即冷弯性能合格。,弯曲角度，弯心直径/试件厚度，冷弯性能。,一定程度上，冷弯性能反映的是钢材在不均匀变形下的塑性，可揭示钢材是否存在内部组织的不均匀、内应力和夹杂物、微裂缝等缺陷。而伸长率反映钢材在均匀变形下的塑性。,意义,第三节 钢材的化学成分及晶体组织,一、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响,钢材的化学成分除基本成分Fe与C外，还存在有害元素：N、P、O、S等；人为加入的合金元素：Si、

10、Mn、Ti、V、Nb等。,1.基本元素C,2.有害元素,一、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响,冷脆性：钢在常温下加工而发生龟裂的现象。 热脆性：钢在热加工或焊接时，钢材内部产生 裂纹，使钢材断裂的现象。,一、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响,3.合金元素,二、钢的晶体组织,第四节 钢材的冷加工强化和时效处理,将钢材在常温下进行冷加工(冷拉、冷拔或冷轧)，使之产生塑性变形，从而提高其屈服强度的过程。,一、钢材的冷加工强化,1. 冷加工强化的概念,将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋，纵向和横向同时受力变形。,2. 冷加工方法,一、钢材的冷加工强化,(1) 冷拉,将钢筋拉至其强化阶段内某一点

11、，然后卸载。当再度加载时，屈服强度提高(约提高2025%)。,(2) 冷拔,将圆钢通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。屈服点可提高4060%。,(3) 冷轧,(1) 屈服强度提高，可节约钢材。 (2) 钢筋冷拉能简化施工工序，如圆盘条钢筋冷拉可省去开盘和矫直工序；直条钢筋冷拉可与矫直、除锈等工序一并完成。,3. 冷加工强化的意义,但钢筋经冷加工后，其塑性、韧性和弹性模量均降低。,一、钢材的冷加工强化,钢材经时效处理后，屈服强度进一步提高，抗拉强度也有所提高。但塑性和韧性继续降低。,二、钢材的时效处理,将冷加工后的钢筋，在常温下存放1520d( )，或加热到100200并保持一定时间(23h)( )，

12、此过程称为时效处理。,自然时效,人工时效,钢筋经冷拉时效后应力-应变图,第五节钢材的性质和应用,这些钢材常用两类钢种制造：碳素钢和低合金钢。,碳素结构钢化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。,1.碳素结构钢,一、建筑常用的钢种,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。,(1)牌号及表示方法,1.碳素结构钢,一、建筑常用的钢种,屈服点字母：Q屈服点数值：195、215、235、275质量等级符号(按P、S含量由多到少)：A、B、C、D脱氧方法：F、b、Z(省略

13、)、TZ(省略)如Q235-AF ， Q235-B。,化学成分、力学性能、工艺性能均应符合GB700-2006要求（教材P37表2-3、2-4、2-5）。,(2) 技术要求,1.碳素结构钢,牌号 ，则含C量，强度 ，硬度 ，韧性和塑性，冷弯性能 。 同一牌号内，质量等级，则综合性能。如Q235D优于Q235C优于Q235B.,(3) 碳素钢的选用,Q275强度高，硬度高，脆性大。适于制 作耐磨构件。,1.碳素结构钢,(3) 碳素钢的选用,Q195强度不高，但塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能好。用于轧制薄板和盘条。,Q215类似Q195，强度稍高。,Q235强度较高，塑性、韧性和可焊性 均较好，应

14、用最广。,a：不得用于直接承受动荷载的焊接结构。b：不得用于计算温度20的非焊接结构。C：不得用于计算温度30的承受静载或 间接承受动载的焊接结构。,沸腾钢的限制使用:,1.碳素结构钢,(3) 碳素钢的选用,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。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。,牌号由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分按顺序组成。,(1)牌号表示方法,2.低合金高强度结构钢,屈服点数值：295、345、390、420、460。质量等级(按P、S含量由多到少)：A、B、C、D、E。,如：Q295A

15、，表示屈服强度为不小于295MPa，质量等级为级的低合金结构钢。,化学成分及力学性能应符合GB/T1591-1994要求 （教材P40-41表2-6、2-7）。,(2) 技术要求,因加入合金元素，所以强度高，塑性、韧性、可焊性、耐低温性、耐磨性等综合性能好，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构、承受动荷载和冲击荷载的结构和桥梁工程。在相同的使用条件下，比碳素钢节约钢材2030%，减轻了结构自重。,(3) 低合金钢的选用,2.低合金结构钢,1.钢筋混凝土用热轧钢筋,二、建筑常用钢材,（1）热轧光圆钢筋,俗称“圆钢”，由Q235碳素钢轧制，塑性好，伸长率高，可用于中小型钢筋砼结构的主要受力

16、筋、构件的箍筋、钢结构的拉杆等 。技术指标应符合GB1499.1-2008的要求(教材P44表2-8）。,1.钢筋混凝土用热轧钢筋,二、建筑常用钢材,俗称“螺纹钢”，有三个牌号：HRB335(使用较广)、HRB400、HRB500,由低合金钢热轧而成。,（2）热轧带肋钢筋,强度高，塑性与可焊性也较好。因表面带有横肋和纵肋，增强了钢筋与砼之间的握裹力。主要用于大中型钢筋混凝土结构的主要受力筋。技术指标应符合GB1499.2-2008的要求。,(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋,2.钢筋混凝土用冷轧带肋钢筋,二、建筑常用钢材,制作：冷轧带肋钢筋是采用由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条为母材，经冷轧

17、减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋。冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。,等级：冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为5级，其代号为CRB550、CRB650 、CRB800 、CRB970 、和CRB1170，,性能与应用：冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。,2.钢筋混凝土用冷轧带肋钢筋,二、建筑常用钢材,冷轧带肋钢筋,3.预应力混凝土用热处理钢筋,二、建筑常用钢材,制作：预应力混凝土用热处理钢筋是用8、10的热轧带肋钢筋经淬火和回火等调

18、质处理而成。,性能与应用：强度高，可代替高强钢丝使用；配筋根数少，节约钢材；锚固性好，不易打滑，预应力值稳定；施工简便，开盘后钢筋自然伸直，不需调直及焊接。主要用于预应力钢筋混凝土构件。,4.预应力混凝土用钢丝,预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件。,二、建筑常用钢材,预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢盘条，经酸洗、冷拉或再经回火处理等工艺制成，,螺旋肋钢丝外形示意图,三面刻痕钢丝外形示意图,5.预应力混凝土用钢绞线,钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载的预应力屋架等构件。,二、建筑常用钢材,钢铰线是由几根直径为2.5-5.0的