钢材的基本知识详解(1)

1、.1 v钢与铁钢与铁 v钢与生铁的区分在于钢与生铁的区分在于含碳量的大小含碳量的大小。 v含碳量小于含碳量小于2.11的铁碳合金称为的铁碳合金称为钢钢。 v含碳量大于含碳量大于2.11的铁碳合金称为的铁碳合金称为生铁生铁。 .2 v钢材的特性钢材的特性 v钢材是在严格的技术控制条件下生产的，与非金属钢材是在严格的技术控制条件下生产的，与非金属 材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性 好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是 易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产

2、能耗大. . .3 v土木工程所用钢材主要有：土木工程所用钢材主要有：用于钢结构的各用于钢结构的各 种型钢、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的种型钢、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的 各种钢筋、钢丝、钢绞线、锚夹具等。各种钢筋、钢丝、钢绞线、锚夹具等。 .4 & 钢的冶炼 将生铁在炼钢炉中冶炼，使碳的含量降低到预定的 范围，其他杂质含量降低到允许的范围，经烧铸即 得到钢锭，再经过加工工艺处理后、得到钢材。 钢主要用三种方法冶炼： 氧气转炉钢 用纯氧吹入铁液中将碳和杂质氧化 电炉钢 主要用废钢返回熔炼得到各种特殊钢 平炉钢 以煤气或重油作燃料，原料为铁液、废 钢铁和适量的铁矿石，利用空气或氧气和铁矿石

3、 中的氧使碳和杂质氧化 .5 & 钢的分类分类 钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、焦炭(燃料) 和石灰石(熔剂)等在高炉中经高温熔炼，从铁矿石 中还原出铁而得。生铁的主要成分是铁，但含有较 多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质，杂质使得生铁 的性质硬而脆、塑性很差，抗拉强度很低，使用受 到很大限制。炼钢的目的就是通过生铁在炼钢炉内 的高温氧化作用，减少生铁中碳和硫、磷等杂质含 量，以显著改善其技术性能，提高质量。将生铁中 的含碳量降至2以下，使磷、硫等杂质含量降至 一定范围内即成为钢。 .6 按化学成分分类 v碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳， 故也称铁一碳合金，其含碳量为002一206

4、。 此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。 碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢(含碳量小于 025)、中碳钢(含碳量为025一060)和 高碳钢(含碳量 大于060)三种。其中低碳钢 在建筑工程中应用最多。 v合金钢。合金钢是指在炼钢过程中，有意识地加入 一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢 种。 .7 常用合金元素有：硅、锰、钦、钒、银、铬等。按合 金元素总含量的不同，合金钢可分为低合金钢(合金元 素总含量小于5)、中合金铜(合金元素总含量为5 一10)和高合金钢(合金元素总含量大于10)。低合 金钢为建筑工程中常用的主要钢种。 按冶炼时脱氧程度分类 炼钢时脱氧程度不同，钢的质量

5、差别很大，通常可 分为以下四种： v 沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全， 这种钢水浇入锭模时，会有大量的CO气体从钢水中外逸， 引起钢水呈沸腾状 ，故称沸腾钢，代号为“F”。 .8 沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂 质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量 高，故被广泛用于一般建筑工程。 v镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂， 脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时 能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢；代号 为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分 均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土 等重要结构工程。 v半镇静钢。脱氧程度介于沸

6、腾钢和镇静钢之间，为 质量较好的钢，其代号为“b”。 .9 &钢的晶体组成和化学成分 钢是一种多晶体材料。但晶体具有各向异性的特 征，而多晶体则为各向同性。钢的宏观力学性能 由其内部晶体结构和化学成分所决定。 纯铁的晶格类型纯铁的晶格类型 钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是 铁-碳合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立 方晶格和面心立方晶格(见图2-15)。其晶体结构 中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结 合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑 性。 .10 钢晶格的两种构架钢晶格的两种构架 钢材的晶格并不都是完好无缺的规则排列，而是存 在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能

7、，这是 钢材的实际强度远比理论强度小的根本原因。其主 要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 .11 钢的基本晶体组织钢的基本晶体组织 钢是以铁（Fe）为主的 Fe-C合金。Fe-C合金于 一定条件下能形成具有 一定形态的聚合体，称 为钢的组织，在显微镜 下能观察到它们的微观 形貌图象，故也称显微 组织。 片状珠光体（片状珠光体（10001000倍）倍） 针状和块状铁素体（针状和块状铁素体（100100倍）倍） .12 钢材在常温下主要有三种显微组织： 铁素体:钢材中的铁素体系碳在-Fe中的固溶体， 由于-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力 较差，故铁素体含碳量很少（小于0.02），由

8、此 决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。 渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高 达6.67，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉 强度低。 珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含 碳量较低(0.8)，层状结构，塑性较好，强度和硬 度较高。 .13 此外，钢材在温度高于723 时，还存在奥氏体。 奥氏体为碳在-Fe中的固溶体，溶碳能力较强， 高温时含碳量可达2.06，低温下降至0.8。其 强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热状态时 即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。 化学成分对钢性能的影响化学成分对钢性能的影响 除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中 引入一些的其他

9、元素。这些成分可分为两类：一类 能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、 Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能， .14 属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。这些成分 含量少，但对钢的性能影响很大。 化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他 碳（碳（C C）1% 1%1% 冷脆性、脱氧 锰（锰（MnMn） 脱氧、硫剂 钛（钛（TiTi）强脱氧剂 钒（钒（V)V)时效 磷（磷（P P）偏析、冷脆 氮（氮（N N）冷脆性时效 硫（硫（S S）热脆性 氧（氧（O O）热脆性时效 化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响 .15 k( J/c m2) 1200 1000 800 6

10、00 400 200 0 b(MPa) 60 50 40 30 20 10 HB 240 200 160 120 80 40 300 250 200 150 100 ,(%) HB 含碳量(%) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 b k .16 硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。 磷、氮、硫、氧等为杂质。磷、氮、硫、氧等为杂质。 .17 & 钢材的力学性能钢材的力学性能 钢材的力学性能主要有钢材的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲抗拉性能、冲击韧性、耐疲 劳和硬度劳和硬度等。等。 抗拉性能抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。

11、建筑钢抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。建筑钢 材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图 来阐明，图中明显地分为以下四个阶段：来阐明，图中明显地分为以下四个阶段： .18 动画演示低碳钢受拉应力: .19 弹性阶段(OA段)：在OA阶段，如卸去荷载，试件 将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应 力为弹性极限。此阶段应力与应变成正比，即产 生单位弹性应变时所需的应力大小。它是钢材在 受力条件下计算结构变形的重要指标。 屈服阶段(AB段)：当荷载增大，试件应力超过A时， 应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变 不再成比例，开始产生塑性变形

12、。图中B上点是这 一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈 服下限。由于B下比较稳定易测， .20 故般以B下点对应的应力作为屈服点。钢材受力达 屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能 满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值 依据。 强化阶段(BC段)：当荷载超过屈服点以后，由了试件 内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高， 故称为强化阶段。对应于最高点C的应力，称为抗拉 强度。 工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度， 还希望具有一定的屈强比。屈强比越小，钢材在受力 超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。 .21 但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成

13、 浪费。常用碳素钢的屈强比为0.580.63，合金钢为 065075。 颈缩阶段(CD段) 当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截 面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急 剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最 后发生断裂。将拉断后的试件于断裂处对接在一起， 测得其断后标距Ll。标距的伸长值与原始标距(L0)的 百分比称为伸长率。 .22 v主要指标：主要指标： v1.屈服强度：屈服强度： v2.2.抗拉强度：抗拉强度： s s f A b b f A s b 屈强比 屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠

14、性越大，结构愈安全。 屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。 常用碳素钢的屈强比为常用碳素钢的屈强比为0.580.580.630.63，合金钢为，合金钢为0 065650 07575。 .23 v3.伸长率： 10 0 LL L 50 100 L =5d L =10d 同一钢材的大于。主要原因是颈缩不均匀。同一钢材的大于。主要原因是颈缩不均匀。 h L0 a l0=10a(或5a) L=l0+2h+2h1(或5a) h1 A O B C D 位移 l1(位移后的) l1(实际的) (a) 5 10 .24 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常

15、温下承受弯曲变形的能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能 力，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以力，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以 试验时的试验时的弯曲角度弯曲角度(a)(a)和和弯心直径弯心直径(d)(d)为指标表示。为指标表示。 钢材冷弯试验是通过直径钢材冷弯试验是通过直径( (或厚度或厚度) )为为a a的试件，采的试件，采 用标准规定的弯心直径用标准规定的弯心直径d(d=na)d(d=na)，弯曲到规定的角，弯曲到规定的角 度度(180(180或或9090) )时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起 层等现象，若无则认为冷弯性能合格。层等现

16、象，若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时钢材冷弯时 的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性 能愈好。能愈好。 .25 90o d+2.5a d (a) (b) (c) 钢筋冷弯试验装置 a. 试样安装就绪 b. 弯曲180 c. 弯曲90 L h .26 钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表明钢钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表明钢 材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢 材塑性的严格检验，它能揭示钢材内部组织是否均材塑性的严格检验，它能揭示钢材内部组织是否均 匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。

17、在工程中，匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中， 冷弯试验还被用作对冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验钢材焊接质量进行严格检验的的 一种手段。一种手段。 .27 冲击韧性冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。单位冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。单位 面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值 表示表示, ,值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越 多，则冲击韧性越好。多，则冲击韧性越好。 k W = A .28 影响冲击韧性的因素：影响冲击韧性的因素： 1. 化学成分化学成分及及冶炼、加

18、工质量冶炼、加工质量。如：钢中磷、。如：钢中磷、 硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊 接中形成的微裂纹等，冲击韧性显著降低。接中形成的微裂纹等，冲击韧性显著降低。 2. 2. 温度温度。随温度的下降而减小，当降到一定温。随温度的下降而减小，当降到一定温 度范围时，韧性急剧下降，有可能出现脆性断裂度范围时，韧性急剧下降，有可能出现脆性断裂 冷脆性冷脆性。所以，在负温下使用的钢材，特别是承。所以，在负温下使用的钢材，特别是承 受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击 韧性。韧性。 .29 硬度硬度

19、:硬度表示钢材表面抵抗变形或破裂的能力。 硬度的测定方法很多，建筑钢材常用洛氏法或布 氏法，所测硬度称为洛氏硬度或布氏硬度。 布氏硬度是用一定直径D(mm)的硬质钢球,在 规定荷载P(N)作用下压入试件表面，并持续一定 时间后卸裁，量出压痕直径d(mm)，然后计算每单 位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值 (HD)，见图。 洛氏硬度以压入深度表示。 .30 .31 疲劳强度疲劳强度 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。 .32 钢材的钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先的，首先 在局部开始形成细小断

20、裂，随后由于微裂纹尖端在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端 的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时 疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生疲劳断裂。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。的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。 在一定条件下，钢材疲劳破在一定条件下，钢材疲劳破 坏的应力值随应力循环次数的增坏的应力值随应力循环次数的增 加而降低（如图所示）。加而降低（如图所示）。 .33 钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂 的最大循环应力值，称为的最大循环应力

21、值，称为疲劳强度极限疲劳强度极限，实际测量，实际测量 时常以时常以2106次应力循环为基准。钢材的疲劳强度次应力循环为基准。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、夹杂物和应力集中几种情况。分、夹杂物和应力集中几种情况。一般来说，钢材一般来说，钢材 的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。 .34 & 焊接性能焊接性能 焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分 迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它 是是钢结构的主要连接形式钢结构的主要连接形式。 .35 v钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条 件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬 脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度 不低于原有钢材的强度。 影响焊接质量的主要因素：影响焊接质量的主要因素： v钢材的化学成分钢材的化学成分 v焊接工艺焊接工艺 v焊条质量焊条质量 .36 & 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