第8章建筑钢材及铝材

第八章建筑钢材及铝材

教学目标

1、了解钢材的分类；

2、掌握钢材的主要技术性能；

3、掌握钢材的化学成分对钢材性能的影响。教学重点难点

1、钢材的标准与选用

第八章建筑钢材及铝材概述：

一、金属材料类型：1、黑色金属：铁碳合金，其中又以铁元素为主，常用的主要有钢和铁，又以钢应用最广。2、有色金属：除黑色金属以外的其他金属及其合金通称为有色金属，比如铜、铝及其合金。合金的定义：由两种或两种以上元素组成的金属，其中至少一种为金属元素。比如：1、钢筋（主要以铁元素为主，同时还含有碳等其他非金属元素。）为黑色金属。

2、铝，如果是纯铝，就属于有色金属，如果在纯铝中加入了铜、镁等其他元素就变成了铝合金。

3、如主要成分为CaCO3和MgCO3

，因为均不是金属元素，所以不是合金，是前面第二章讲到的白云石，属于石材。第一节钢材的冶炼加工及分类上海宝钢8.1钢材的冶炼加工钢的主要化学成分是Fe，但是如有想得到含Fe100%纯度的钢是不可能的。理论上：把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。虽然钢中的碳含量很低，但是对钢材的性能影响却非常大。钢的冶炼过程也就是将生铁中的含碳量尽量降低到一定限度，同时把其他杂质的含量也降低到允许程度。工程上为什么不用铁而是用钢呢？英国在1878年曾用铸铁建造了一座跨海大桥，全长3160米，是用铸铁管做的桥墩，但是建成不到两年，在一次台风中，再加上火车的冲击荷载作用，桥墩脆断，桥梁倒塌，车毁人亡。此后，人们研究和比较了钢材与铸铁的性能，发现钢材不仅抗压强度高、抗拉强度和抗冲击韧性也好，更适合工程上使用。至今，人类已经总结了两百多年的使用钢材建桥的经验。钢的冶炼

冶炼方法应用目前氧气转炉炼钢法已成为现代炼钢的主要方法，而平炉炼钢法已基本被淘汰。8.1.2钢材的分类按化学成份：碳素钢和合金钢。1）碳素钢：根据含碳量又分为低碳钢（含碳量小于0.25%）、中碳钢（含碳量在0.25%~0.6%之间）和高碳钢（含碳量大于0.6%）。2）合金钢：根据合金元素的含量又可分为低合金钢（合金元素总含量不大于5%）、中合金钢（合金元素在5%~10%）和高合金钢（合金元素在10%以上）。8.1.2钢材的分类按脱氧方法：沸腾钢（脱氧不完全的钢）代号F、镇静钢（脱氧完全的钢）代号Z、半镇静钢（脱氧程度介于两种之间）代号b、特殊镇静钢（脱氧程度比镇静钢还充分彻底的钢）代号TZ。按用途：结构钢、工具钢、特殊钢（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等）。8.1.2钢材的分类实际工程预算中钢材经常分为：1.型钢简单截面型钢：圆钢、带肋钢、方钢、六角钢、八角钢等复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢等。2.线材：如钢筋、钢丝等。钢筋工程量计算公式：Q=0.617*D2*L（kg）D直径，单位厘米，L长度单位米3.管材无缝钢管、焊接钢管等。4.板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。8.2建筑钢材的主要技术性能8.2.1力学性能定义：是指钢材在一定温度条件下承受外力作用时，抵抗变形和断裂的能力。分类：抗拉性能冲击韧性耐疲劳性北海油田钻井平台为何会突然倾覆？1980年3月27日，北海油田钻井平台突然倾覆事故原因思考：1、撑杆破坏的原因？2、相邻5个支杆破坏的原因？思考题答案：1、撑杆破坏的原因：撑杆在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用与冲击振动，产生了疲劳破坏，另外低温作用也加剧了撑杆的脆性断裂----钢材的低温冷脆性。2、相邻五个支杆在撑杆破坏后，所承受的应力都超过了抗拉强度，过载破坏。8.2.1.1抗拉性能8.2.1.1抗拉性能低碳钢受拉到拉断，共经历了四个阶段：弹性阶段（I）：OA段是一条直线，应力与应变成正比，A为弹性极限强度；屈服阶段（II）：AB段，钢材失去了弹性变形的能力，应力增加不大，但应变迅速增加，发生了屈服现象。强化阶段（III）：BC段，钢材内部组织发生了变化，提高了抵抗外力的能力。颈缩阶段（IV）：CD段，变形迅速发展，应力下降，到D点发生试件的破坏。8.2.1.1抗拉性能---拉伸过程中的参数强度指标1、屈服强度：曲线上B上点和B下点对应的最大应力和最小应力分别称为屈服上限和屈服下限。因为屈服下限的值比较稳定，所以将其定义为材料屈服点和屈服强度。对于中、高碳钢因为没有明显的屈服点，通常以残余变形为0.2%的对应应力作为屈服强度。8.2.1.1抗拉性能---拉伸过程中的参数2、抗拉强度：钢材受拉时，所能承受的最大应力，即C点对应的应力值称为抗拉强度。由于钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，而结构设计中，要求构件在弹性变形范围内工作，即使少量的塑性变形也要避免，所以工程中以钢材的屈服强度作为结构设计取值的依据。8.2.1.1抗拉性能---拉伸过程中的参数抗拉强度在设计中虽然不能利用，但屈服强度和抗拉强度的比值（屈强比），却是反映钢材利用率大小和结构安全可靠程度的重要指标。屈强比越小，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但是屈强比太小，钢材的利用率太低，浪费材料，成本增加。所以钢材的屈强比最好在0.6~0.75之间。注：钢材受力超过屈服强度产生塑性变形，受力超过抗拉强度，结构破坏。8.2.1.1抗拉性能---拉伸过程中的参数3、伸长率：是试件拉断后标距的伸长量与原始长度之比。钢材的伸长率越大，塑性越好。工程中通常以δ5或δ10来表示钢材的伸长率。δ5或δ10表示钢材试件标距L0=5d0或10d0,（d0为拉伸试件原直径）4、断面收缩率：是指试件被拉断后，颈缩处横截面积的缩减量占原横截面积的百分率。8.1.1.2冲击韧性定义：指钢材在冲击荷载作用下抵抗破坏的能力。其大小用冲击韧性值αk表示。αk

越大，则冲击韧性越好。影响因素钢中硫、磷含量增加会降低冲击韧性。钢的冲击韧性还受温度和时间的影响。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。8.2.1.3耐疲劳性定义：钢材在承受交变荷载的作用时，会在远低于屈服强度时发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。影响因素：疲劳破坏和裂纹的产生和发展有关。疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。微裂纹宏观裂纹突然断裂8.2.2钢材的工艺性能定义：是指钢材的加工处理性能。主要包括：钢材的冷弯性能和焊接性能。工艺性能---冷弯性能指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。

冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90°或180°）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它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。观看钢筋弯曲视频。钢材工艺性能—焊接性能定义：指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用中碳钢、高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。思考：某厂的钢结构屋架采用中碳钢，采用的是一般焊条直接焊接，使用一段时间后，屋架脱落！！为什么？？屋架脱落事故原因分析：1、钢材选用不当，应选用含碳量较低的低碳钢。2、连接方式不妥，因为中碳钢焊接时易产生裂缝，应优先选择螺栓连接。3、焊条选用不妥，如果是中碳钢焊接，应选用低氢型焊条，而且焊接前构件要预热。8.2.2.3钢筋的冷加工性能及时效处理1.冷加工强化冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、刻痕等。对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。思考题：1、工程上为什么要对钢筋进行冷加工？2、钢筋经过冷加工后有没有副作用？如果有，有什么副作用？思考题答案：1、工程上对强度比使用要求偏低的钢筋和塑性偏大的钢筋进行冷加工后，可以提高其屈服强度和利用率，以达到节约钢材的目的。另外钢筋冷拉还有利于简化施工工序，冷拉的同时也就完成了调直和除锈。2、有副作用。钢筋冷拉后，屈服强度提高，屈强比降低，安全储备降低。2.时效钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。时效分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将其冷加工后，在常温下放置15～20d；人工时效是将冷加工后的钢材加热至100～200℃保持2h以上。经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。8.2.3钢的化学成分对钢性能的影响碳、硅、锰、硫、磷。其中硅和锰是有益元素，碳、硫、磷是有害元素。1、碳：土木工程中用的钢材的含碳量普遍低于0.8%，在此范围内，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度会提高，而塑性和韧性会降低。另外碳还会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。2、硅：当硅的含量低于1%时，能显著提高钢的屈服强度和抗拉强度，且对塑性和韧性影响不大，还可提高抗腐蚀能力，改善钢的质量。3、锰：含量一般不超过2%，能消减硫引起的热脆性，改善钢材的热加工性质，提高钢材的硬度和强度。硫：大大降低钢的热加工型和可焊性，也会降低钢的冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性。磷：使钢的屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性显著降低，温度越低，对塑性和韧性的影响越大，增加钢的冷脆性，并显著降低钢材的可焊性。8.3钢材的标准与选用8.3.1.1碳素结构钢使用在钢结构建筑中的结构用钢，主要有型钢和钢板。钢结构常用钢材其他型钢工字钢、槽钢、圆钢、角钢等钢板三角形网架星形网架碳素结构钢问题：碳素结构钢如何划分牌号？牌号与性能之间的关系如何？结构钢1.牌号表示法由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成；如：Q235－AF表示为屈服点不小于235MPa的A级沸腾钢。2.牌号共有Q195、Q215、Q235、Q275四个牌号。其中Q235在工程上应用最广。Q235大量用作制作钢筋、型钢、及钢板。Q275用作生产机器零件和工具。低合金高强度钢1.牌号表示方法由代表屈服点的拼音字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。如Q345A表示屈服点不小于345MPa的A级钢。

2.牌号共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。3.应用特别适用于重型结构、大跨度、大柱网结构、高层结构和桥梁结构。结构钢表示方法

Hhot-rolled热轧Ccool-rolled冷轧

Pplain平滑Rribbed带肋

Bbars钢筋

混凝土用钢热轧钢筋1.生产采用钢锭经加热轧制自然冷却而成。2.分类钢筋混凝土用热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。

3.牌号热轧直条光圆钢筋：HPB235（一级）热轧带肋钢筋：HRB335、HRB400、HRB500（二三四级钢）

混凝土用钢热轧钢筋的性能与应用：1、性能：随着钢筋级别的提高，其屈服强度和极限强度逐渐增加，而其塑性则逐渐下降。2、应用：非预应力混凝土宜选用HPB235、HRB335、HRB400。预应力混凝土宜选用HRB335、HRB400、HRB500。

热轧型钢

钢结构常用型钢有工字钢、H型钢、T型钢、Z型钢、槽钢、等边角钢和不等边角钢等。H型钢冷轧带肋钢筋定义：用低碳钢热轧盘圆条经冷轧后制成。分类：CRB500、CRB650、CRB800、CRB970CRB1170。应用：在中小型预应力钢筋混凝土结构构件中广泛应用。

冷弯薄壁型钢

冷弯薄壁型钢通常用2mm～6mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。可用于轻型钢结构。预应力混凝土热处理钢筋定义：钢厂将热轧的带肋钢筋（中碳低合金钢）经淬火和高温回火调质处理而成。优点：强度高、锚固性好、施工简便。应用：主要用作预应力钢筋混凝土轨枕，也应用于预应力梁、板结构及吊车梁等。8.3.3钢材的选用1、满足荷载要求。抗拉、抗冲击、抗疲劳2、满足使用环境要求，温度、抗锈蚀。3、满足加工性能。即适合冷热加工，同时具有良好的可连接性、可焊性。4、足够的变形能力。塑性和韧性性能好，塑性好则结构破坏前结构变形明显，能减少脆性破坏的危险。。5、钢板厚度、结构满足要求。讨论：钢材是否耐火？钢是不燃性材料，但这并不代表钢材能抵抗火灾。耐火试验及火灾案例表明：以失去支撑能力表明，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25小时。温度在200度以内，钢材的性能基本不变；超过300度，钢材的屈服强度和极限强度显著下降；超过600度，失去承载能力。所以钢结构必须设防火保护层，主要以包覆法为主，以防火涂料、不燃性板材、混凝土、砂浆将钢构件包裹起来。8.4铝和铝合金铝为银白色轻金属，纯铝的密度为2.7g/cm^3，约为钢的1/3。铝的性质活泼，在空气中能与氧结合形成致密坚固的氧化铝薄膜，覆盖在下层金属表面，阻止其继续腐蚀。

2.铝合金常用的铝合金有：防锈铝合金(LF)：主要合金元素—锰、镁元素用于受力不大，耐腐蚀的构件和管道。硬铝合金(LY)：主要合金元素—铜、镁元素用于门窗、货架、柜台等的型材超硬铝合金(LC)：主要合金元素——铜、镁、锌等元素