土木工程材料建筑钢材PPT课件

1、第一节第一节 概述概述 什么是建筑钢材？什么是建筑钢材？ 钢材钢材是钢经过冷、热加工而得到的各种定型产品。是钢经过冷、热加工而得到的各种定型产品。 建筑钢材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。凝土的各种钢筋、钢丝等。第1页/共56页建筑钢材的特点？建筑钢材的特点？强度高；强度高；韧性、塑性好；韧性、塑性好；抗冲击，能承受较大的塑性变形，便于冷加工；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；质量均匀，性能可靠；易锈蚀；易锈蚀；高温时易

2、丧失强度。高温时易丧失强度。第2页/共56页明石海峡大桥明石海峡大桥20世纪最长的桥（主跨世纪最长的桥（主跨1990m）第3页/共56页强度高、西尔斯大厦第4页/共56页钢材的缺陷钢材的缺陷 容易腐蚀：容易腐蚀： 措施：表面涂层，电镀，与混凝土复合措施：表面涂层，电镀，与混凝土复合 耐火性差耐火性差第5页/共56页第6页/共56页第7页/共56页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，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紧密相连，形成相对轻盈而又异常坚固的“筒中筒筒中筒”结构。结构。 第8页/共

3、56页谁能想象这栋曾被称为世界建筑谁能想象这栋曾被称为世界建筑典范的双塔，却在典范的双塔，却在9/11当天，被当天，被飞机在飞机在82层和层和96层撞击后，整栋层撞击后，整栋大楼以近乎完美的垂直方式自我大楼以近乎完美的垂直方式自我毁灭了呢？毁灭了呢？ 第9页/共56页第10页/共56页大楼轻易地承受了飞机的撞击。撞击口很快变黑，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。提示中心区有大火。 第11页/共56页 南塔在飞机南塔在飞机撞击后撞击后5656分分钟，爆炸而钟，爆炸而成巨大的粉成巨大的粉尘，各种碎尘，各种碎片向四周喷片向四周喷射。射。 第12页/共56页 北塔完完全全地

4、在北塔完完全全地在半空中化为粉末，半空中化为粉末，形成了与火山碎屑形成了与火山碎屑流非常相似的尘雾流非常相似的尘雾云，并迅速扩张到云，并迅速扩张到原来建筑物的数倍原来建筑物的数倍之大之大(四张照片分别四张照片分别为开始倒塌后为开始倒塌后7，13.3，14.5，22秒秒)。第13页/共56页完美地塌陷在其边界内，没有对完美地塌陷在其边界内，没有对周围建筑物产生如何损坏。周围建筑物产生如何损坏。 第14页/共56页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。第15页/共56页钢材的分类钢材的分类1.按化学成分分类 铁铁（C2%）：）：炼钢生铁；铸造生铁；合金生铁炼钢生铁；铸造生铁

5、；合金生铁 钢钢（C2%） 碳素钢碳素钢 低碳钢（低碳钢（C0.6%） 合金钢合金钢 低合金钢（合金低合金钢（合金10%）第16页/共56页东京塔钢材埃菲尔铁塔铸铁第17页/共56页2.按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类 （）沸腾钢。（）沸腾钢。 （）镇静钢（）镇静钢。 （）半镇静钢。（）半镇静钢。 （）特殊镇静钢。（）特殊镇静钢。第18页/共56页脱氧 沸腾钢：沸腾钢：碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的能、低温下的冲击韧性冲击韧性较差。较差。(F) 半镇静钢：半镇静钢：脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。脱氧程度与性能

6、介于沸腾钢和镇静钢之间。(b) 镇静钢：镇静钢：脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脱氧充分，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。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：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。脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ)第19页/共56页3.按有害杂质含量分类按有害杂质含量分类按钢中有害杂质磷（）和硫（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：含量的多少，钢材可分为以下四类：（）（）普通钢普通钢。（）（）优质钢优质钢。（）（）高级优质钢高级

7、优质钢。（）（）特级优质钢特级优质钢。第20页/共56页4.根据性能及使用特性分类根据性能及使用特性分类 结构钢结构钢 工具钢工具钢 特殊性能钢特殊性能钢 专门用途钢专门用途钢第21页/共56页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。第22页/共56页钢的冶炼、加工及钢的冶炼、加工及对钢材性能的影响对钢材性能的影响1.钢的冶炼第23页/共56页1.钢的冶炼第24页/共56页 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：三种主要炼钢方法的特点炉种 原料 特 点 生产钢种氧气转炉氧气转炉 铁水，铁水，废钢废钢可有效除去磷、硫杂质少，可有效除去磷

8、、硫杂质少， 碳素钢碳素钢 效率高效率高 质量好。质量好。 低合金钢低合金钢 电炉电炉 生铁、废钢生铁、废钢 产量低、耗电大，杂质少产量低、耗电大，杂质少 合金钢合金钢 质量最好质量最好，成本高成本高优质碳素钢优质碳素钢平炉平炉生铁、废钢生铁、废钢时间长，成分稳定时间长，成分稳定碳素钢碳素钢质量较好、成本较高质量较好、成本较高低合金钢低合金钢第25页/共56页2.钢的加工钢的加工热轧（压力热加工）热轧（压力热加工）冷加工（常温冷拉、冷拔、冷轧）冷加工（常温冷拉、冷拔、冷轧）热处理热处理时效时效自然时效：冷拉后常温下放自然时效：冷拉后常温下放15201520天天人工时效：加热人工时效：加热100

9、200100200，存放一段时间，存放一段时间第26页/共56页钢的晶体组织钢的晶体组织 金属的晶体结构金属的晶体结构1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何、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、面心立方和密排形状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格；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、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；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，、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。各晶粒之间存在晶界。第27页/共56页钢中的晶体组织与性能钢

10、中的晶体组织与性能 铁素体铁素体碳溶于碳溶于 Fe中的固溶体。中的固溶体。 Fe为体心结构，孔为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度较低。强度与硬度较低。 渗碳体渗碳体铁和碳的化合物铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达，含碳量高达6.69，故性质，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。 珠光体珠光体铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量体中，含碳量0.77，其性质介于二者之间。，其性质介于二者之间。 奥氏体奥氏体碳溶于碳溶

11、于 Fe中的固溶体，在中的固溶体，在7270C以上存在，含碳以上存在，含碳量量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。钢材在高温下热加工。第28页/共56页钢材的力学性能及工艺性能钢材的力学性能及工艺性能 一、力学性能一、力学性能1.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。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。技术指标：由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。第29页/共56页第30页/共56页强度指标强度指标 弹性极限（弹性极限（e）表示钢材保持弹性变形表示钢材保持弹性变形

12、,不产生不产生塑性变形的最大应力塑性变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。是弹性零件的设计依据。 屈服强度（屈服强度（s）表示钢材开始发生明显塑性变表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。形的抗力，是钢结构设计的依据。 条件屈服强度条件屈服强度 0.2对于屈服现象不明显的硬钢，对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。时的应力。 强度极限强度极限(抗拉强度抗拉强度b)表示金属受拉时所能承表示金属受拉时所能承受的最大应力。受的最大应力。 第31页/共56页（）屈服点（）屈服点 当对试件的拉伸进入塑性当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段

13、时，变形的屈服阶段时，称屈服下限称屈服下限下下所对应的所对应的应力为屈服强度或屈服点，应力为屈服强度或屈服点，记做记做s s。 设计时一般以设计时一般以s s作为强度作为强度取值的依据。对屈服现象取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以不明显的钢材，规定以0.20.2残余变形时的应力残余变形时的应力0.20.2作为屈服强度。作为屈服强度。 第32页/共56页（）抗拉强度与屈强比（）抗拉强度与屈强比 对应于最高点的应力称为抗拉强度，用对应于最高点的应力称为抗拉强度，用b表示。表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比sb有一定意义。有一定意义。 屈强比愈小

14、，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高；性愈大，因而结构的安全性愈高； 屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。 因此，屈强比最好在因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。，既安全又经济。第33页/共56页(3)伸长率：伸长率： 量出拉断后标距部分的长度量出拉断后标距部分的长度L Ll l，标距的伸长值与原始标距，标距的伸长值与原始标距L L0 0的百分率称为伸长的百分率称为伸长率。即：率。即：%100001LLL 第34页/共56页断面收缩率（断面收缩率（） 试样拉断后试

15、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。收缩率。 =（F0F1）/F0100% 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大。伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大。第35页/共56页L1 L0 伸长L0L1F0F1F1 F0 颈缩n=(L1-L0)/L0100%=(F0-F1)/F0100%第36页/共56页2硬度硬度 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。力。有布氏法和洛氏法两

16、种方法测定。 洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图 布氏硬度测量原理图布氏硬度测量原理图 第37页/共56页3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。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。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；材的冲击韧性指标； 用冲击韧性用冲击韧性ak（/cm2）表示。）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。值愈大，冲击韧性愈好。第38页/共56页冲击试验：冲击试验： 测量摆锤冲击前后

17、的能量测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差差摆锤的高度差摆锤的摆锤的质量。质量。 再测量试件断裂面积。再测量试件断裂面积。摆锤试件H0H1第39页/共56页二二、工艺性能、工艺性能1.冷弯性能冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。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（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）及弯心直径对试件厚度（或直径）试件厚度（或直径）a的比值（的比值（/a）区分的，试件按规定的弯曲角和弯心）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直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层裂断、

18、裂缝或起层，即认为冷弯性，即认为冷弯性能合格。能合格。第40页/共56页P钢材的冷弯试验ad外拱面第41页/共56页2.可焊性可焊性 指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。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：影响钢材可焊性的主要因素是：化学成分及含量。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。硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。 含碳量超过含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。，可焊性显著下降等。第42页/共56页合格合格不合格不合格钢材的可焊性试验钢材的可焊性试验焊接点焊接点断裂点断裂点断裂点断裂点第43页/共56页化学成分对钢材

19、性质的影响化学成分对钢材性质的影响化学化学元素元素强度强度韧性韧性塑性塑性其其 他他 性性 能能C C增加增加降降 低低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向SiSi增加增加影响不大影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性MnMn增加增加影响不大影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P P稍有稍有增加增加显著降低显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀性性S S降低降低降降 低低增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械

20、性能增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O O降低降低降降 低低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性脆性N N提高提高降降 低低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性效敏感性TiTi提高提高改善改善 降低降低提高焊接性和抗蚀性提高焊接性和抗蚀性V V提高提高改善改善减少冷脆性、降低焊接性减少冷脆性、降低焊接性第44页/共56页碳：建筑钢材含碳量不大于碳：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，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应

21、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。气锈蚀性。第45页/共56页讨论：讨论：碳素钢中含碳量对其组织碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响和性能的影响 (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量的增加，其基本组织及性能如何变化。钢和高碳钢随着含碳量的增加，其基本组织及性能如何变化。第46页/共56页钢中碳含量的影响屈服强度面积减缩率伸长率极限强度第47页/共56页建筑

22、钢材的牌号和应用建筑钢材的牌号和应用（1）碳素结构钢）碳素结构钢 按国家标准按国家标准GB700-88规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即195、Q215、Q235、Q255和和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为、四个质量等级。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。差。第48页/共56页 碳 素 结 构 钢 的 牌 号 表 示 按 顺 序 由 代 表 屈 服 点 的 字 母 （碳 素 结 构 钢

23、 的 牌 号 表 示 按 顺 序 由 代 表 屈 服 点 的 字 母 （ Q ） 、 屈 服 点 数 值 （ ） 、 屈 服 点 数 值 （ /mm2）、质量等级符号）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号、脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)等四部分等四部分组成。组成。 例如例如Q235-A.F， 表示：屈服点为表示：屈服点为235N2的平炉或氧气的平炉或氧气转炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。转炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。 当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示示“”与与“Z”符号可予以省略。符号可予以省略。第49页/共56页碳素结构钢碳素结构钢选用原则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；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；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；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；可用于低温承受动荷载焊接的钢结构；Q255和和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等机械零