任务121钢材性能及试验综述

1、任务任务1-2-1:1-2-1:钢材性能及试验道路建筑材料课程建设组了解钢材的分类；了解钢材的分类；掌握钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性掌握钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性能、冲击韧性和硬度；能、冲击韧性和硬度；掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影响；响；建筑钢材主要指用于钢结构中各种型材(如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等)、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝等。 建筑钢材具有一系列优良的性能它有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载；可以焊接或铆接，易于加工和装配，所以被广泛地应用于建筑工程中。但钢材也存在易锈蚀及耐火性差的缺点钢一

2、般是由生铁在炼钢炉中熔炼而成的；钢一般是由生铁在炼钢炉中熔炼而成的；但是生铁中含有较多的但是生铁中含有较多的碳（通常为碳（通常为2%4.5%）和和其他的杂质其他的杂质；就是把熔融的生铁进行氧化，使含碳量降低到就是把熔融的生铁进行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他杂质以下，并且使其他杂质降低到容许的范围降低到容许的范围；一一 钢材的分类钢材的分类 钢材的化学成分钢材的化学成分 生产钢不可避免元素：生产钢不可避免元素：Si、Mn、P、S、N专门加入的合金元素：专门加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素及稀土元素铁：主要元素铁：主要元素碳：碳：0.02%0.02%2.06%

3、 2.06% 其他元素其他元素（一）（一） 分类分类1.1.按化学成分分类按化学成分分类低碳钢：含碳量低碳钢：含碳量0.6% （1）碳素钢）碳素钢 （碳钢）（碳钢） （2）合成钢）合成钢 专门加入合金元素专门加入合金元素按合金元素含量分按合金元素含量分 低合金钢：合金元素总含量低合金钢：合金元素总含量10% 2 2按杂质含量（品质）分类按杂质含量（品质）分类普通钢：含硫量普通钢：含硫量 0.050%，含磷量，含磷量0.045%优质钢：含硫量优质钢：含硫量 0.035%，含磷量，含磷量0.035%高级优质钢：含硫量高级优质钢：含硫量 0.025%，含磷量，含磷量0.025%，牌号后加牌号后加“高

4、高”或或“A”特级优质钢：含硫量特级优质钢：含硫量 0.015%，含磷量，含磷量0.015%， 后后加加“E” 3.3.按冶炼时脱氧程度分按冶炼时脱氧程度分 沸腾钢：脱氧不充分，代号沸腾钢：脱氧不充分，代号“F”镇静钢：脱氧充分，代号镇静钢：脱氧充分，代号“2”半镇静钢：脱氧程度介于半镇静钢：脱氧程度介于“F”与与“2”之间，代号之间，代号“b”特殊镇静钢：脱氧彻底，代号特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ” 4 4按用途分类按用途分类结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）特殊钢：不锈钢（具有各种特殊的物

5、理化学性质）特殊钢：不锈钢（具有各种特殊的物理化学性质） （二）（二） 钢材中的常存杂质钢材中的常存杂质 硫硫：来自矿石燃料，生成来自矿石燃料，生成FeS，钢材加工时易裂缝，热脆性。，钢材加工时易裂缝，热脆性。磷磷：来自矿石燃料，生成来自矿石燃料，生成Fe3P，脆性很大。，脆性很大。 碳碳：炼钢氧化过程中存于缸中，害处大于一处，故归于有害元素。炼钢氧化过程中存于缸中，害处大于一处，故归于有害元素。锰锰：炼钢时脱氧、硫残留钢中，具有很强的脱氧、硫能力，大大改善炼钢时脱氧、硫残留钢中，具有很强的脱氧、硫能力，大大改善 钢材加工性能。钢材加工性能。硅硅：脱氧剂，较锰强。脱氧剂，较锰强。 两面性：硅很

6、低时，强度增加；硅很高时，其他性能降低。两面性：硅很低时，强度增加；硅很高时，其他性能降低。氧氧：与碳、磷相似。与碳、磷相似。 有有 害害 元元 素素二二 建筑材料的主要技术性能建筑材料的主要技术性能力学性质：强度、弹性、塑性、耐磨性力学性质：强度、弹性、塑性、耐磨性 工艺性质（可加工性）：冷弯、可焊性工艺性质（可加工性）：冷弯、可焊性 （一）（一） 力学性能力学性能 1.1.抗拉性能抗拉性能是建筑是建筑钢材钢材最最重要重要的力学的力学性能。性能。 拉伸过程分四个阶段：拉伸过程分四个阶段： OAOA：弹性阶段：弹性阶段 ABAB：屈服阶段：屈服阶段 BCBC：强化阶段：强化阶段 CDCD：颈缩

7、阶段：颈缩阶段 拉伸性能指标：主要有拉伸性能指标：主要有屈服点、抗拉强度和伸长率等。屈服点、抗拉强度和伸长率等。 （1）屈服强度（屈服点）屈服强度（屈服点） 上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力；上屈服强度：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服强度下屈服强度：不计初始瞬时效应时的最小强度，即：不计初始瞬时效应时的最小强度，即屈服点屈服点0sAFSFsFs 屈服阶段最小应力屈服阶段最小应力( (首次回针所对应的力首次回针所对应的力),N),N；AoAo 钢材的截面积，钢材的截面积，mmmm2 2。 注意：注意：有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等硬钢），有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等硬钢

8、）， 应采用产生残余变形为应采用产生残余变形为0.2%0.2%原标距长度时的应力原标距长度时的应力 作为屈服点（称条件屈服点）作为屈服点（称条件屈服点）, ,记为记为0.20.2或者或者P0.2P0.2。 （2 2）抗拉强度：）抗拉强度：钢材所能承受的最大强度。钢材所能承受的最大强度。F Fb b为最大应力，为最大应力，N N。相反，值越小，可靠性越低，安全性越低。相反，值越小，可靠性越低，安全性越低。因此，因此，强屈比一般不低于强屈比一般不低于1.21.2，抗震结构一般不低于，抗震结构一般不低于1.251.25。0bAFb可靠性参数可靠性参数 sb强屈比值得注意：值得注意：强屈比的概念强屈比

9、的概念值值越大可靠性越高，安全性越高，越大可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。但利用率降低，浪费增大。（3 3）伸长率：）伸长率：塑性指标塑性指标 。意义：意义： 值值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性 增强，增强， 安全性增强。安全性增强。 值有两种：值有两种： 5 5表示表示l l0 0=5d=5d0 0，d d0 0钢材直径；钢材直径； 1010l l0 0=10d=10d0 0。%100lll001l lo o试件原始标距长度，试件原始标距长度，mm mm ；l l1 1试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，试件拉断后测定出

10、伸长后标距部分的长度，mmmm。 （4 4）断面收缩率：）断面收缩率：塑性指标。塑性指标。 A AO O试样拉断后颈缩处的截面积，试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A A1 1表示钢材的原始截面积，表示钢材的原始截面积，mm2。伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。010AAA 2.2.冲击韧性冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力。指钢材抵抗冲击荷载的能力。 试验方法：试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验。标准试件的弯曲冲击韧性试验。 指标：指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功试件缺口处单位截面积上所消耗的功, ,计作计作

11、a ak,k,J/cmJ/cm2 2。 a ak k值愈大，钢材的冲击韧性愈好。值愈大，钢材的冲击韧性愈好。 3.3.耐疲劳性耐疲劳性疲劳破坏疲劳破坏：交变荷载反复作用，：交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时钢材在应力低于屈服强度时, ,突突然发出脆性断裂的现象。然发出脆性断裂的现象。 危害极大危害极大冲击韧性试验原理图冲击韧性试验原理图 4. .硬度硬度-指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。 测定钢材硬度常用布氏法。 布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度

12、值HB。HB值越大，表示钢材越硬。（二）（二） 工艺性能工艺性能 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。 焊接性能：钢结构中焊接性能：钢结构中90%90%以上为焊接结构以上为焊接结构, ,焊接性非常重要。焊接性非常重要。 （1 1）冷弯性能）冷弯性能冷弯性能试验：冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（试件被弯曲的角度（9090、180180）。）。 冷弯试验意义：冷弯试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。 冷弯试验也能对

13、钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。 判定标准：判定标准：若试件弯曲处的若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。认为冷弯性能合格。（2 2）焊接性能）焊接性能q 焊接方式：搭接、对接焊接方式：搭接、对接q 焊接要求：焊接要求： 焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生q 裂缝及硬脆倾向。裂缝及硬脆倾向。q 焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度焊接处与母材一致，即拉伸试验，强度q 不

14、低于原钢材强度。不低于原钢材强度。q 影响因素：影响因素：碳、合金元素等杂质元素越多，可焊性越小。碳、合金元素等杂质元素越多，可焊性越小。三三 钢材的强化与加工钢材的强化与加工 （一）（一） 冷加工冷加工 指钢材在常温下进行的加工。指钢材在常温下进行的加工。 常见的冷加工方式：常见的冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。 特点：特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度， 这一过程称为这一过程称为冷加工强化处理冷加工强化处理。 （二）（二） 时效处理时效处理 将经过冷拉的钢筋于将经过冷拉的钢筋于常温下存

15、放常温下存放151520d20d，或，或 加热到加热到100100200200并保持一段时间并保持一段时间, ,这个过程称为时效处理。这个过程称为时效处理。自然时效自然时效作用作用: : 钢筋冷拉以后再经过钢筋冷拉以后再经过 时效处理，其屈服点时效处理，其屈服点 进一步提高，塑性继进一步提高，塑性继 续有所降低。续有所降低。 时效过程中应力的消减，时效过程中应力的消减， 弹性模量可基本恢复。弹性模量可基本恢复。人工时效人工时效 一般钢：一般钢：碳、磷、硫、氧、氮等；碳、磷、硫、氧、氮等；合金钢合金钢：为改善钢材的某些性质，特意为改善钢材的某些性质，特意加入的元素，如锰、硅、钒、钛等。加入的元素

16、，如锰、硅、钒、钛等。1 1） 磷磷-使钢材的拉伸强度提高，使钢材的拉伸强度提高，塑性和韧性下降，能显著增加钢材的冷塑性和韧性下降，能显著增加钢材的冷脆性，降低钢材的可焊性；脆性，降低钢材的可焊性；2 2） 硫硫-能使钢材产生热脆性，降低钢材的能使钢材产生热脆性，降低钢材的热加工与可焊性；热加工与可焊性；3 3 ）氧、氮）氧、氮-降低钢材的力学性质，严重降低钢材的力学性质，严重影响了钢材的韧性，并能促进时效，降低影响了钢材的韧性，并能促进时效，降低钢材的可焊性钢材的可焊性；4 4 ）锰、硅）锰、硅-为脱氧而有意加入的元素，为脱氧而有意加入的元素，能显著提高钢材的强度，对塑性与韧性的能显著提高钢

17、材的强度，对塑性与韧性的影响不是很大。影响不是很大。5 5） 碳对钢材的力学性质的影响碳对钢材的力学性质的影响能性学力 碳是钢材中最重要的元素，对钢材的性质起碳是钢材中最重要的元素，对钢材的性质起决定性的影响，钢材中含碳量一般是决定性的影响，钢材中含碳量一般是2%2%以下。以下。 随着随着含碳量含碳量的增加，钢材的性能变化为：的增加，钢材的性能变化为： 钢材的钢材的强度强度相应的先增加后减小；相应的先增加后减小；硬度硬度相应增加；相应增加；而而塑性与韧性塑性与韧性相应下降；相应下降；钢材的钢材的冷弯性能冷弯性能、焊接与抗腐蚀性能焊接与抗腐蚀性能降低降低五五 钢材的锈蚀与防护钢材的锈蚀与防护 （

18、一）（一） 钢材的锈蚀钢材的锈蚀 钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏，钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏，称为钢材的锈蚀。称为钢材的锈蚀。化学锈蚀化学锈蚀电化学锈蚀电化学锈蚀钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀，多数钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀，多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。在干燥环境是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。在干燥环境中反应缓慢，但温度和湿度较高，锈蚀则发展迅速。中反应缓慢，但温度和湿度较高，锈蚀则发展迅速。钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池

19、，铁元的作用下，各成分电极电位的不同，形成微电池，铁元素失去了电子成为素失去了电子成为FeFe2+2+进入介质溶液，与溶液中的进入介质溶液，与溶液中的OHOH- -离离子结合生成子结合生成FeFe（OHOH）2 2。锈蚀的结果：锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小， 降低钢材的性能，因而承载力降低。降低钢材的性能，因而承载力降低。 （二）（二） 钢材的防护钢材的防护 三个方面：三个方面：从改变钢材本身的易腐蚀性、隔离环境中的侵蚀从改变钢材本身的易腐蚀性、隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程。性介质或改变钢材表面的电化

20、学过程。（1 1）采用耐候钢（耐大气腐蚀钢）采用耐候钢（耐大气腐蚀钢）（2 2）金属覆盖）金属覆盖 电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。（3 3）非金属覆盖）非金属覆盖 在钢材表面用金属材料做为保护膜在钢材表面用金属材料做为保护膜, , 如喷涂涂料、如喷涂涂料、 搪瓷和塑料等。搪瓷和塑料等。（4 4）混凝土用钢筋的防锈）混凝土用钢筋的防锈 六六 钢结构用钢钢结构用钢 1.1.碳素结构钢碳素结构钢（1 1）碳素结构钢的牌号）碳素结构钢的牌号 表示按顺序：表示按顺序：屈服点字母（屈服点字母（Q Q）、屈服点数值（单位）、屈服点数值（单位MPaMPa）、）、 质量等级（有

21、质量等级（有A A、B B、C C、D 4D 4级，逐级提高）和脱氧方法级，逐级提高）和脱氧方法 （F F：沸腾钢，：沸腾钢，b b：半镇钢，：半镇钢，Z Z：镇静钢，：镇静钢，TZTZ：特殊镇钢。：特殊镇钢。 牌号表示时牌号表示时Z Z、TZTZ可省略）。可省略）。 例如：例如：Q235Q235A AF F 表示屈服点为表示屈服点为235MPa235MPa，A A级沸腾钢。级沸腾钢。 Q235Q235B B 表示屈服点为表示屈服点为235MPa235MPa，B B级镇静钢。级镇静钢。 （2 2）碳素结构钢的选用）碳素结构钢的选用碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。

22、碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。建筑工程中主要应用建筑工程中主要应用Q235Q235号钢号钢, ,可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋。 具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好, ,且且 冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构。其中冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构。其中C C、D D级可用在重要级可用在重要 的焊接结构。的焊接结构。Q195Q195、Q215Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作号钢材强度较低

23、，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作 铆钉、钢筋等。铆钉、钢筋等。Q225Q225、Q275Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差， 可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A A、B B质量质量 等级钢及沸腾钢。等级钢及沸腾钢。 2.2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 （1 1）低合金高强度钢的牌号）低合金高强度钢的牌号 共有共有5 5个牌号个牌号牌号由三部分表示：牌号由三部分表示：含碳量、合金元素的种类及含量。前两位含碳量、合金元素的种类及含量。前两位数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符合表示按主次加入的