建筑钢材-钢材的主要技术性质（建筑材料课件）

钢材的主要技术性质力学性能力学性能了解建筑钢材的主要技术性能：力学性能学习目标冲击韧性02抗拉性能01疲劳强度03硬度04钢材的主要技术性质建筑钢材的性能主要有力学性能、工艺性能和化学性能。其中，力学性能和工艺性能的主要技术指标如图8-2所示。钢材的力学性能和工艺性能既是设计和施工人员选用钢材的主要依据，也是生产钢材和控制材质的重要参数。材料的力学性能指材料在外力作用下表现出变形和破坏方面的特性，而钢材的力学性能，是衡量钢材性能好坏的重要指标之一。01抗拉性能一、抗拉性能拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是建筑工程中选用钢材的重要指标。现以低碳钢为例，通过在试验机上进行拉伸试验，并根据拉伸试验得到的数据，绘制出图8-3所示的钢材应力（s）—应变（e）曲线。一、抗拉性能（1）弹性阶段（Ⅰ）。试样在受力时发生变形，卸除拉伸力后变形能完全恢复，该过程为弹性变形阶段。图8-3中，OA段的图形是一条通过原点的直线，应力与应变成正比，与A点对应的应力为弹性极限强度，以sp表示，低碳钢sp=200MPa。处于弹性阶段时，计算的指标为弹性模量E=s/e=tana。弹性模量E反映钢材抵抗弹性变形的能力强弱，是衡量材料刚度的重要指标。在拉伸应力一定的条件下，弹性模量值越大，则材料产生的弹性变形就越小，即s=Ee一、抗拉性能（2）屈服阶段（Ⅱ）。AB段的图形是一条波动的曲线，应力基本不变，但变形增加较快，试件表面可观察到45°滑移线，开始出现塑性变形。塑性变形过程中，曲线呈现摆动，摆动的最大应力和最小应力分别称为屈服上限和屈服下限。由于屈服下限数值较为稳定，将其定义为材料屈服极限ss。屈服强度是弹性变形转变为塑性变形的转折点，当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材不能正常使用。由此可见，屈服强度是设计中钢材强度取值的依据，也是工程结构计算中非常重要的一个参数。一、抗拉性能（3）强化阶段（Ⅲ）。BC段是一段上升的曲线。这是因为当载荷卸到零时，钢材抵抗塑性变形的能力重新得到提高，称为强化阶段。钢材受拉力时所能承受的最大应力值称为抗拉强度。屈服极限和抗拉强度之比称为屈强比（ss/sb），它能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高。如果屈强比过小，则说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。建筑结构合理的屈强比一般为0.60～0.75。一、抗拉性能（4）颈缩阶段（Ⅳ）。CD段是一段下降的曲线。随着变形的不断发展，在有杂质或缺陷处，试件的断面急剧缩小即颈缩（如图8-4所示），直到D点发生试件的破坏。计算的指标为伸长率d，即试件拉长后，标距长度的增量与原标距长度之比，用下式计算伸长率反映钢材拉伸断裂时所具有的塑性变形能力，它是衡量钢材塑性性能的重要技术指标。一、抗拉性能对于圆柱形拉伸试样，当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长段的比例愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以δ5和δ10分别表示L0=5d0和L0=10d0（d0为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，δ5应大于δ10。

中碳钢与高碳钢（又称硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，它们的屈服现象不明显，难以测定屈服点。一般将受拉时，试件长度为原标距长度的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用σ0.2表示，如图8-5所示。02冲击韧性二、冲击韧性冲击韧性是指钢材在冲击载荷作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，用冲击韧性指标来表示。建筑钢材的冲击韧性利用冲击试验来测定，如图8-6所示，即用带有V形缺口的标准试件，在摆锤试验机上进行冲击弯曲试验，测量在冲击负荷作用下缺口处单位截面积上所消耗的功，即韧性指标越大，表示试件被冲断时所吸收的功越大，钢材的韧性越好。二、冲击韧性钢材的冲击韧性受其晶体结构、化学成分、轧制与焊接质量、温度及时间等因素的影响。试验表明，同一种钢材的冲击韧性随温度的降低而下降，其变化曲线如图8-7所示。二、冲击韧性由图8-7可知，在较高温度环境下，值随温度下降缓慢降低，破坏时呈韧性断裂。当温度降至一定范围内，随温度降低时值开始大幅度降低，钢材开始发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。发生冷脆时的温度范围，称为脆性转变温度范围。随着时间的延长，钢材的强度和硬度升高，塑性和韧性降低的现象称为时效。时效是降低钢材冲击韧性的重要因素之一。03疲劳强度三、疲劳强度钢材承受交变荷载的反复作用时，可能在远低于屈服强度时突然发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。研究标明，钢铁的疲劳破坏要经历疲劳裂纹的萌生、缓慢发展和迅速断裂3个过程。交变应力作用下，材料内部的各种缺陷处（如气孔、白点、非金属夹杂物等）、成分偏析（即分布不均）处、构件截面沿长度方向的急剧变化处、构件集中受力处等，都是容易产生微裂纹的地方，裂纹处形成应力集中，使微裂纹逐渐扩展成肉眼可见的宏观裂纹，宏观裂纹再进一步扩展，直到最后导致突然断裂。疲劳极限或者疲劳强度是指疲劳破坏时的危险应力，特点是材料破坏时其强度远低于抗拉强度，不易引起人们注意，因此疲劳破坏危害极大。一般把钢材承受荷载106～107次时，不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。04硬度四、硬度硬度是指钢材抵抗硬物压入时产生局部变形的能力。钢材的硬度常用压痕单位面积上所受压力或压痕的深度作为衡量指标，常用的测定方法有布氏法和洛氏法。1）布氏法利用布氏法可测得钢材的布氏硬度，其测量原理是用一定直径的钢球或硬质合金球，在规定的试验压力作用下压入试样表面。经规定的保持时间（钢材的保持时间一般为10～15s）后，测量试样表面的压痕直径，试验压力除以压痕球形表面积所得之商，即为布氏硬度。四、硬度硬度是指钢材抵抗硬物压入时产生局部变形的能力。钢材的硬度常用压痕单位面积上所受压力或压痕的深度作为衡量指标，常用的测定方法有布氏法和洛氏法。2）洛氏法洛氏硬度以测量压痕深度表示材料的硬度值。按照荷载和压头类型不同，常用的洛氏硬度值可分为HRA，HRB和HRC三种。洛氏硬度操作简便、压痕较小，可用于成品检验。但若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测硬度值重复性差。钢材的主要技术性质工艺性能工艺性能了解建筑钢材的主要技术性能：工艺性能学习目标焊接性能02冷弯性能01冷加工性能及时效处理0301冷弯性能一、冷弯性能建筑钢材不仅应具有优良的力学性能，还应有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。良好的工艺性能，可以保证钢材能够顺利通过各种处理而不损坏其质量。冷弯性能是指钢材在常温下受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能指标，常用弯曲的角度α、弯心直径d与试件的直径（或厚度）a的比值来表示。α角越大，d/a越小，表明试件冷弯性能越好，如图8-8所示。钢材的技术指标中，对不同钢材的冷弯指标均有具体规定。当按规定的弯曲角度α和d/a值对试件进行冷弯时，试件受弯处不发生裂缝、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。一、冷弯性能图8-9所示为钢材冷弯试验示意图。钢材的冷弯性能和伸长率均可反映钢材的塑性变形能力。其中，伸长率反映试件均匀变形，而冷弯性能可揭示钢材内部组织是否均匀，以及是否存在内应力和夹杂物等缺陷。此外，工程中还经常用冷弯试验来检验建筑钢材的焊接质量。02焊接性能二、焊接性能建筑工程中，焊接连接是钢结构的主要连接方式。此外，焊接连接还广泛应用于钢筋骨架、钢筋接头、钢筋网、连接件和预埋件。因此，钢材应具有良好的可焊性。可焊性是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，焊接后接头处的强度是否与母体相近。钢材的焊接主要采用电弧焊和接触对焊。钢材的化学成分和冶炼质量对焊接性能有很大影响。例如，钢材中的锰、硅、钒等杂质均会降低其可焊性，尤其是其中的硫成分，它能使焊缝处产生热裂纹并硬脆，这种现象称为热脆性。一般情况下，对焊接结构用钢，宜选用含碳量低、杂质含量少的镇静钢。对于高碳钢和合金钢，为改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热和焊后热处理等措施。此外，选用合理的焊接工艺，也是提高焊接质量的重要措施之一。03冷加工性能及时效处理三、冷加工性能及时效处理1）冷加工强化处理将钢材在常温下进行冷拉、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，称为冷加工强化处理。钢材经冷加工后的屈服强度，可作为结构设计的强度取值依据。注意钢材经过冷加工后强度的提高，是以牺牲钢材的延性即塑性和冲击韧性为代价的。所以冷加工之后的钢材，脆硬性增加，塑性和韧性降低，一般不用于抗震结构、承受动荷载的结构。三、冷加工性能及时效处理2）时效钢材经冷加工后，在常温下存放15～20d或加热至100～200℃保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性及韧性继续降低，这种现象称