钢筋混凝土受弯构件构造及正截面承载力计算

第三章钢筋混凝土受弯构件构造及

正截面承载力计算12433第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析第三节单筋矩形截面受弯构件计算第四节双筋矩形截面受弯构件计算返回5第五节单筋Ｔ形截面受弯构件计算第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点一、钢筋混凝土板的构造特点１板的截面尺寸小跨径钢筋混凝土板一般为实心矩形截面，跨径较大时，为减小自重和节省混凝土而做成空心板。板的厚度h一般根据跨内最大弯矩和构造要求确定。一般用板的跨度L来估算板的厚度h，单跨简支板h≥L／３５；多跨连续板h≥L／４０；悬臂板h≥L／１２。在桥梁结构中行车道板厚度不宜小于１００ｍｍ，就地现浇的人行道板厚度不小于８０ｍｍ，装配式人行道板的厚度不宜小于６０ｍｍ；空心板的顶板和底板厚度均不宜小于８０ｍｍ。板的宽度：现浇板的宽度一般较大，设计时可取单位宽度b＝１０００ｍｍ进行计算。预制板的宽度一般控制在１～１．５ｍ。下一页返回第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点２板的钢筋构造在此介绍一下四边支承的桥面板（图３-２），视其长边与短边的比可分为两种情况：当L２／L１≥２时，弯矩主要沿短边方向分配，长边方向受力很小，其受力情况与两边支承板基本相同，故称单向板，主筋沿短边布置，长边方向只布置分布钢筋。当L２／L１＜２时，两个方向同时承受弯矩，故称双向板，两个方向均布置受力钢筋。下面介绍简支板桥的钢筋布置［图３-２（ｃ）］。（１）简支板的受力钢筋。板的纵向受拉钢筋布置在板的受拉区，其中人行道板的主钢筋直径不宜小于８ｍｍ，行车道板内的主钢筋直径不小于１０ｍｍ。在跨中和连续板支点处，板内主钢筋间距不宜大于２００ｍｍ。近梁肋处的板内主钢筋，可在１／６～１／４计算跨径处按３０°～４５°弯起，并且通过支承而不弯起的主钢筋每米板宽内不得少于３根，并不少于主钢筋截面面积的１／４。上一页下一页返回第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点（２）简支板的分布钢筋。当按单向板设计时，除沿受力方向布置受拉钢筋外，还应在受拉钢筋的内侧布置与其垂直的分布钢筋。分布钢筋宜采用ＨＰＢ２３５级和ＨＲＢ３３５级钢筋，行车道板内的分布钢筋直径不小于８ｍｍ。单位长度上分布钢筋的截面面积不宜小于该方向板截面面积的０．１％；分布钢筋的间距不宜大于２００ｍｍ。板中分布钢筋的作用：①把荷载分布到板的各受力钢筋上去；②承担混凝土收缩及温度变化在垂直于受力钢筋方向所产生的拉应力；③固定受力钢筋的位置。二、钢筋混凝土梁的构造特点１梁的截面尺寸小跨径钢筋混凝土梁一般采用矩形截面；当跨径较大时，采用Ｔ形、工字形和箱形截面。上一页下一页返回第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点考虑施工制模的方便，截面尺寸应模数化，矩形梁的截面宽度一般取１５０ｍｍ、１８０ｍｍ、２００ｍｍ、２２０ｍｍ、２５０ｍｍ，以后按５０ｍｍ为一级；梁的高度尺寸采用５０ｍｍ为一级增加，当梁高超过８００ｍｍ时，以１００ｍｍ为一级。矩形梁的高宽比一般为２～３。Ｔ形截面梁的高度主要与梁的跨径、间距及作用大小有关。公路桥梁中常用的Ｔ形简支梁桥，其梁高与跨径之比为１／１０～１／１８。Ｔ形梁上翼缘尺寸按行车道板的受力和构造要求确定，Ｔ形梁的腹板（梁肋）宽度与配筋形式有关，当采用焊接骨架时，腹板宽度较小，一般采用１５０～２００ｍｍ。２梁钢筋的构造梁内钢筋包括主钢筋（纵向受力钢筋）、弯起钢筋（或斜钢筋）、箍筋、架立钢筋及纵向水平防收裂钢筋等（图３-３）。上一页下一页返回第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点（１）主钢筋：仅在截面受拉区配置受力钢筋的受弯构件称为单筋截面受弯构件；同时在截面受压区也配置受力钢筋的受弯构件称为双筋截面受弯构件。因此，梁内主钢筋按其受力不同而有受拉及受压主钢筋两种，受拉主钢筋承受拉应力，受压主钢筋则承受压应力。一般当梁的截面高度受到限制，受压区混凝土截面不足，承受过大的弯矩时，才在受压区设置受压主钢筋。梁中纵向受力钢筋的直径一般为１４～３２ｍｍ，通常不超过４０ｍｍ。主钢筋的排列原则是由下至上，下粗上细，对称布置，上下左右对齐，便于混凝土浇筑。设计中若采用两种不同直径的钢筋，钢筋直径应相差至少２ｍｍ，以便于在施工中能用肉眼识别。为了便于浇筑混凝土，以保证钢筋周围混凝土的密实性，纵筋的净间距应满足图３-４所示的要求。上一页下一页返回第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点（２）弯起钢筋（或斜筋）：为满足斜截面抗剪强度而设置，一般可由受拉主钢筋弯起而成，故此称为弯起钢筋。若仅将主钢筋弯起还不足以满足斜截面抗剪强度要求，或者由于构造上的要求需增设斜钢筋时，则需另加专门的斜钢筋。弯起钢筋与梁纵轴交角为４５°，在特殊情况下，可取不小于３０°或不大于６０°弯起。（３）箍筋：除了满足斜截面抗剪强度外，它还起到联结受拉主钢筋和受压区混凝土使其共同工作的作用，此外，用它来固定主钢筋的位置而使梁内各种钢筋构成钢筋骨架（图３-５）。（４）架立钢筋：主要为构造上或施工上的要求而设置。架立钢筋设置在梁的受压区外缘两侧，用来固定箍筋和形成钢筋骨架。架立钢筋的直径一般取１０～１４ｍｍ。当用焊接骨架时，为保证骨架的刚度，架立钢筋的直径应适当加大。上一页下一页返回第一节钢筋混凝土受弯构件构造特点（５）纵向水平防裂钢筋：当梁高大于１０００ｍｍ时，沿梁肋高度的两侧，并在箍筋外侧水平方向设置，以抵抗温度应力及混凝土收缩应力，同时与箍筋共同构成网格骨架以利于应力的扩散。直径一般为８～１０ｍｍ，每个腹板内纵向水平防裂钢筋截面的总面积为（０．００１～０．００２）bh，其中b为腹板厚，h为梁高。其间距在受拉区不应大于梁肋宽度，且不应大于２００ｍｍ，在受压区不应大于３００ｍｍ，在梁支点附近剪力较大区段纵向水平防裂钢筋间距宜为１００～１５０ｍｍ。上一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析图３-６所示为一钢筋混凝土简支梁。为消除剪力对正截面受弯的影响，采用两点对称加载方式，使两个对称集中力之间的截面在忽略自重的情况下，只受纯弯矩而无剪力，称为纯弯区段。梁的跨中挠度犳是由三只百分表量测的，一只放在跨中点，另外的两只分别放在支座A、犅处，这样可以较准确地计取梁的挠度。另外，在纯弯段的中心区段，用应变仪量测截面表面纵向纤维的平均应变。用逐级加载法由零荷载一直加到梁的破坏，以观察加载后梁的受力全过程。一、适筋梁正截面受弯破坏的三个阶段适筋梁正截面受弯破坏的全过程可划分为三个阶段———未裂阶段，即整体工作阶段、裂缝阶段和破坏阶段。下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析图３-７所示是试验梁荷载－挠度关系曲线。图３-８所示是钢筋混凝土梁各受力阶段截面应力分布情况。梁在加载开始到破坏的全过程的工作性能一直是变化的，因此可将曲线（图３-７）中有明显转折点的点作为界限点，可将适筋梁的受力性能分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个受力阶段。１第Ⅰ阶段：混凝土开裂前的未裂阶段刚开始加载时，由于受力很小，混凝土基本上处于弹性工作阶段，应力与应变成正比，受压区和受拉区混凝土应力分布图形为三角形。在弯矩即将增加到开裂弯矩时，受压区混凝土基本上处于弹性工作阶段，受压区应力图接近三角形；而受拉区应力图则呈曲线分布，受拉区边缘纤维的应变值即将达到混凝土的极限拉应变值，截面处于即将开裂状态，称为第Ⅰ阶段末，用Ⅰａ表示。上一页下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析２第Ⅱ阶段：混凝土开裂后至钢筋屈服前的裂缝阶段在纯弯段抗拉能力最薄弱的某一截面处，将首先出现第一条裂缝，梁即由第Ⅰ阶段转为第Ⅱ阶段工作。裂缝出现时，梁的挠度和截面曲率都突然增大，裂缝截面处的中性轴位置也将随之上移。在中性轴以下裂缝尚未延伸到的部位，混凝土虽然仍可承受一小部分拉力，但受拉区的拉力主要由钢筋承担。弯矩再增大，主裂缝开展越来越宽，受压区应力图呈曲线变化。当弯矩继续增大到受拉钢筋应力即将达到屈服强度时，称为第Ⅱ阶段末期。３第Ⅲ阶段：钢筋开始屈服至截面破坏的破坏阶段纵向受拉钢筋屈服后，正截面就进入第Ⅲ阶段工作。钢筋屈服，中性轴继续上移，受压区高度进一步减小，受压区压应力图形更趋丰满。混凝土受压面积较小，混凝土的应力随之达到抗压强度极限值，上缘混凝土被压碎，标志着截面已破坏，称为第Ⅲ阶段末。上一页下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析二、钢筋混凝土受弯构件正截面的破坏形态试验表明，由于纵向受拉钢筋配筋百分率ρ的不同，受弯构件正截面受弯破坏形态有适筋破坏、超筋破坏和少筋破坏三种不同的破坏情况。配筋率ρ是指纵向受力钢筋截面面积与正截面有效面积的比值，以单筋矩形截面为例，如图３-９所示，即上一页下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析１适筋破坏形态（ρmin≤ρ≤ρmin）适筋破坏形态的特点是纵向受拉钢筋先达到屈服强度，裂缝开展，受压区混凝土面积减小，受压区混凝土随后被压碎，钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度都得到发挥。这里ρｍｉｎ、ρｍａｘ分别为纵向受拉钢筋的最小配筋率、界限配筋率。由于破坏始自受拉区钢筋的屈服，钢筋要经历较大的塑性变形，随之引起裂缝急剧开展和梁挠度的激增，它将给人以明显的破坏预兆，属于塑性破坏类型［图３-１０（ａ）］。２超筋破坏形态（ρ＞ρmin）若梁截面配筋率ρ很大时，其特点是破坏始自受压区混凝土的压碎。在受压区边缘，纤维应变达到混凝土受弯时的极限压应变时，钢筋应力尚小于屈服强度，但此时梁已告破坏。上一页下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析试验表明，钢筋在梁破坏前仍处于弹性工作阶段，裂缝开展不宽，延伸不高，如图３-１０所示，梁的挠度亦不大。总之，它在没有明显预兆的情况下由于受压区混凝土突然压碎而破坏，故习惯上常称为“脆性破坏”。超筋梁虽配置过多的受拉钢筋，但由于其应力低于屈服强度，不能充分发挥作用，造成钢材的浪费，这不仅不经济，且破坏前毫无预兆，故设计中不允许采用这种梁［图３-１０（ｂ）］。３少筋破坏形态（ρ＜ρρmin

）少筋梁的破坏特点是混凝土一旦开裂，受拉钢筋立即达到屈服强度，有时可迅速经历整个流幅而进入强化阶段，裂缝延伸，开展宽度大，在个别情况下，钢筋甚至可能被拉断，即使受压区混凝土尚未压碎，宽度开展过大的梁缝也能标志梁的破坏。上一页下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析混凝土一开裂，受拉钢筋立即屈服，梁断裂，混凝土的抗压强度未得到发挥，少筋梁破坏时，裂缝往往只有一条，不仅开展宽度很大，且沿梁高延伸较高。同时，它的承载力取决于混凝土的抗拉强度，承载能力低，属于脆性破坏类型，故结构设计中不允许采用［图３-１０（ｃ）］。４适筋破坏形态特例———“界限破坏”（ρ＝ρmin

）钢筋应力达到屈服强度的同时，受压区边缘应变也恰好达到混凝土受弯时极限压应变值，这种破坏形态叫“界限破坏”，即适筋梁与超筋梁的界限。界限破坏也属于塑性破坏类型，所以界限配筋的梁也属于适筋梁的范围，国外多称为“平衡配筋梁”。上一页下一页返回第二节钢筋混凝土受弯构件正截面破坏状态分析“界限破坏”的梁，在实际中是很难做到的。因为尽管严格地控制施工上的质量和应用材料，但实际强度也会和设计时所预期的有所不同。无疑截面尺寸和材料强度的差异，都会在一定程度上导致梁破坏形式的不同。上一页返回第三节单筋矩形截面受弯构件计算一、正截面承载力计算的基本假定１基本假定（１）平截面假定。假设钢筋混凝土单筋矩形截面在承受弯矩荷载变形后构件截面仍保持为平面，钢筋混凝土结构在裂缝出现以前，截面应力分布接近于直线，较好地符合了平截面假设；在裂缝出现以后，就裂缝截面而言，平截面假设已不再成立，但包括裂缝在内的截面平均应变基本上仍符合平截面假设。（２）不考虑受拉区混凝土参与工作，受拉区混凝土开裂后退出工作，拉力全部由受拉区的钢筋来承担。钢筋应力原则上按其应变确定，对钢筋混凝土采用的ＨＰＢ２３５级、ＨＲＢ３３５级、ＨＲＢ４００级钢筋及ＫＬ４００级钢筋采用理想的弹塑性应力－应变曲线关系，也就是认为在正截面破坏时，受弯、大偏心受压、大偏心受拉构件的受拉主筋均达到抗拉强度设计值。下一页返回第三节单筋矩形截面受弯构件计算（３）钢筋与混凝土之间无粘结滑移破坏，钢筋的应变与其所在位置混凝土的应变一致。２受压区混凝土等效应力图混凝土的应力－应变曲线有多种不同的计算图式，较常用的是由一条二次抛物线及水平线组成的曲线。但在实际设计工作中采用手算比较复杂，目前国内、外规范多采用将压区混凝土应力图形化为等效矩形应力图的实用计算方法。因为从承载力设计角度来看，确定受压区的实际应力分布图形的意义并不大，而需要更加关心的问题是受压区应力图的合力及其作用点。其具体做法是采用图３-１１所示的等效矩形应力图来代替二次抛物线的应力图。其条件是：上一页下一页返回项目七钢的化学热处理7.1渗碳7.2渗氮7.3碳氮共渗本篇小结7.1渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，而心部具有较高的强度和良好的韧性。渗碳广泛用于在磨损情况下工作并承受冲击载荷、交变载荷的工件，如汽车、拖拉机的传动齿轮，内燃机的活塞销等。下一页返回7.1渗碳7.1.1渗碳处理的原理与形式1.渗碳方法根据所用渗碳介质的工作状态，渗碳方法一般分为气体渗碳、固体渗碳、真空渗透和盐浴渗碳等。常用的是气体渗碳和固体渗碳，尤其是气体渗碳法。(1)气体渗碳。气体渗碳法是将工件放入密封的渗碳炉内，加热到900℃~950℃，然后向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气等气体，通过化学反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳，如图7-1所示。渗碳使低碳(碳质量分数为0.15%-0.30%)钢件表面获得高浓度的碳。气体渗碳法的优点是生产效率高，渗层质量好，劳动强度低，便于直接淬火。上一页下一页返回7.1渗碳

(2)固体渗碳。固体渗碳法是将工件埋在固体渗碳剂中，装箱密封，放入一般的加热炉中加热到渗碳温度保温，使工件表面增碳，是一种古老的方法。固体渗碳剂是由主渗剂(木炭粒)和催渗剂(BaC03)组成的混合物。在渗碳温度下，渗碳剂发生如下反应:上一页下一页返回7.1渗碳固体渗碳法的渗碳速度，大约每保温一小时，平均渗入0.1mm。固体渗碳的优点是设备简单，成本较低，大小零件都可用。缺点是渗碳速度慢，生产效率低，劳动条件差，渗碳后不易直接淬火。(3)真空渗碳。真空渗碳是将零件放入特制的真空渗碳炉中，先抽真空达到一定的真空度，然后将炉温升至渗碳温度，再通入一定量的富化气进行渗碳。由于炉内无氧化性气体等其他不纯物质，零件无吸附气体，因而工件表面活性大，通入富化气后，渗碳速度快(获得同样渗层厚度，渗碳时间约为普通气体渗碳的1/3)，而且表面光亮。上一页下一页返回7.1渗碳2.渗碳后的组织常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20,20Cr,20CrMnTi,12CrNi3等。渗碳后渗层中的含碳量表面最高(约1.0%，由表及里逐渐降低至原始含碳量。所以渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为:过共析组织(珠光体+碳化物)、共析组织(珠光体)、亚共析组织(珠光体+铁素体)的过渡层，直至心部的原始组织。对于碳钢，渗层深度规定为:从表层到过渡层一半(50%P+50%F)的厚度。图7-2为低碳钢渗碳缓冷后的显微组织。根据渗层组织和性能的要求，一般零件表层含碳量最好控制在0.85%-1.05%，若含碳量过高，会出现较多的网状或块状碳化物，则渗碳层变脆，容易脱落;上一页下一页返回7.1渗碳含碳量过低，则硬度不足，耐磨性差。渗碳层含碳量和渗碳层深度依靠控制通入的渗碳剂量、渗碳时间和渗碳温度来保证。当渗碳零件有不允许高硬度的部位时，如装配孔等，应在设计图样上予以注明。该部位可采取镀铜或涂抗渗涂料的方法来防止渗碳，也可采取多留加工余量的方法，待零件渗碳后在淬火前去掉该部位的渗碳层(即退碳)。3.渗碳后的热处理工件渗碳后，必须经过淬火和低温回火，才能达到性能要求。根据工件材料和性能要求的不同，其淬火方法有三种。上一页下一页返回7.1渗碳(1)延时淬火法。工件渗碳后出炉，自渗碳温度预冷到略高于心部Ar3的温度后立即淬火。这种方法不需重新加热淬火，因而减少了热处理变形，节省了时间和费用。但由于渗碳温度高，加热时间长，因而奥氏体晶粒易粗大，淬火后残余奥氏体量较多。所以只适用于本质细晶粒钢和性能要求不高的工件。(2)一次淬火法。一次淬火法是将工件渗碳后缓冷，然后再重新加热进行淬火。淬火温度的选择应兼顾表层和心部，使表层不过热而心部得到充分的强化。有时也偏重于心部或强化表层，如强化心部则加热到Ar3以上完全淬火，如要强化表层则应加热到Ar1以上不完全淬火。上一页下一页返回7.1渗碳(3)二次淬火。二次淬火是将工件渗碳缓冷后再进行两次淬火或正火加一次淬火。第一次淬火或正火是为了细化心部晶粒和消除网状渗碳体，加热温度应高于心部Ar3温度。第二次淬火选在表层Ar1以上加热，这样可细化表层组织，对于心部影响不大。两次淬火法工艺复杂，周期长，成本高，且工件变形、氧化脱碳倾向增大，应尽量少用。渗碳件经淬火和170℃~200℃低温回火后，表层组织为回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体，硬度可达58~64HRC。心部组织淬透时为低碳回火马氏体，未淬透时为索氏体+铁素体。上一页下一页返回7.1渗碳7.1.2渗碳处理的注意事项(1)渗碳前的预处理正火。目的是改善材料原始组织、减少带状、消除魏氏组织，使表面粗糙度变细，消除材料流线不合理状态。正火工艺:用860℃~980℃空冷、179~217HBS。(2)渗碳后需进行机械加工的工件，硬度不应高于30HRC。(3)对于有薄壁沟槽的渗碳淬火零件，薄壁沟槽处不能先于渗碳之前加工。(4)不得用镀锌的方法防渗碳。上一页返回7.2渗氮渗氮俗称氮化，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。目的是提高工件表面的硬度和耐磨性，并可提高疲劳强度和耐腐蚀性。与渗碳相比，渗氮处理后零件具有:(1)高的硬度(1000~1200HV)和耐磨性。

(2)高的疲劳强度。

(3)变形小，体积稍有胀大。

(4)并具有良好的热硬性，(600℃~650℃)仍有较高的硬度，较好的抗蚀性。下一页返回7.2渗氮渗氮的缺点是周期长、成本高、渗层薄而脆，不能承受太大的接触应力和冲击载荷。因此，它主要用于耐磨性及精度均要求很高的传动件，或要求耐热、耐磨及耐腐蚀的零件。例如，高精度机床丝杠、撞床及磨床主轴、精密传动齿轮和轴、汽轮机阀门及阀杆等。上一页下一页返回7.2渗氮7.2.1渗氮处理的原理与形式1.渗氮处理的原理渗氮是由分解、吸收、扩散三个基本过程所组成。渗氮时分解出的活性氮原子被钢表面吸收，首先溶入固溶体，然后与铁和合金元素形成化合物，最后向心部扩散，形成一定厚度的渗氮层。钢不能吸收氮分子，分解氮气来得到活性氟原子也非常困难，所以渗氮过程中要利用氨气在高于300℃的高温下与工件接触，在工件表面氨分解出活性氮原子供给氮化件吸收，氨作为气体渗剂，其分解反应为:上一页下一页返回7.2渗氮工件表面吸收了活性氮原子，先形成含固氮溶体，随着固溶体氮浓度达到饱和后再形成氮化物。渗氮有多种方法，常用有气体渗氮、离子渗氮和抗蚀渗氮。(1)气体渗氮。气体参氮可采用等温渗氮或多段(二段、三段)渗氮法。等温渗氮是在整个渗氮过程中渗氮温度和氨气分解率保持不变。温度一般在480℃~520℃,氨气分解率为15%~30%，保温时间近80h。这种工艺适用于渗层浅、畸变要求严、硬度要求高的零件，但处理时间过长。二段渗氮是渗氮温度分两段控制的渗氮过程。第一阶段在较低温度(510℃~520℃)和较低的氨分解率(18%~25%)下，渗氮15~20h，使工件表面形成弥散度大的氮化物。上一页下一页返回7.2渗氮第二阶段将温度提高到550℃~560℃，加速氮原子扩散，增加渗氮层深度。其特点是表面硬度比等温渗氮低些，变形增大，但比一段渗氮速度快。三段渗氮是在二段渗氮的基础上发展起来的，其特点是适当提高第二阶段的温度，加速渗氮过程。三段渗氮能进一步提高渗氮速度，但在硬度、脆性、变形等方面都比等温渗氮差。(2)离子渗氮。离子渗氮是一种较为先进的渗氮工艺。其方法是以真空容器为阳极，工件为阴极，通以400~700V的直流电压，迫使电离后的氮离子高速轰击工件表面，使工件表面温度升高到450℃~650℃。同时氮离子在阴极上捕获电子形成氮原子，渗入工件表面并向内层扩散而形成氮化层。上一页下一页返回7.2渗氮离子渗氮的特点是:①可适当缩短渗氮周期，仅为气体渗氮的1/4~1/3，例如，38CrMoALA钢，氮化层深度若达到0.53~0.7mm，气体氮化一般需70h;而离子渗氮仅需15~20h;②渗氮层脆性小;③可节约能源和氨的消耗量;④对不需要渗氮的部分可屏蔽起来，实现局部渗氮;⑤离子轰击有净化表面作用，能去除工件表面钝化膜，可使不锈钢、耐热钢工件直接渗氮。⑥渗层厚度和组织可以控制。离子渗氮发展迅速，已用于机床丝杆、齿轮、模具等工件。(3)抗蚀渗氮。提高工件抗蚀性的渗氮过程称为抗蚀渗氮。抗蚀渗氮过程与强化渗氮过程基本相同。不过它只要求在工件表面形成一层致密的ε相层。ε相比γ’相具有更高的化学稳定性。上一页下一页返回7.2渗氮当在工件表面获得深达0.015~0.02mm的致密二相层时，便能使工件在潮湿空气、过热蒸汽、海水、气体燃烧产物及弱碱溶液等介质中具有不同程度的抗腐蚀能力。抗蚀渗氮适用于碳钢和及一般的合金结构钢。上一页下一页返回7.2渗氮7.2.2渗氮处理的注意事项(1)渗氮前的预备热处理调质。渗氮工件在渗氮前应进行调质处理，以获得回火索氏体组织。调质处理回火温度一般高于渗氮温度。(2)渗氮前的预备热处理和去应力处理。渗氮前应尽量消除机械加工过程中产生的内应力，以稳定零件尺寸。消除应力的温度均应低于回火温度，保温时间比回火时间要长些，再缓慢冷却到室温。断面尺寸较大的零件不宜用正火。工模具钢必须采用淬火回火，不得用退火。上一页下一页返回7.2渗氮(3)渗氮零件的表面粗糙度Ra应小于1.6μm，表面不得有拉毛、碰伤及生锈等缺陷。不能及时处理的零件须涂油保护，以免生锈。吊装入炉时再用清洁汽油擦净以保证清洁度。(4)含有尖角和锐边的工件，不宜进行氮化处理。(5)局部不氮化部位的保护，不宜用留加工余量的方法。(6)表面未经磨削处理的工件，不得进行氮化。上一页返回7.3碳氮共渗钢的碳氮共渗，就是将碳、氮同时渗入工件表层的化学热处理过程。按渗剂不同，碳氮共渗可分成气体、液体和固体三种。国内多采用气体法。按共渗温度不同，又可分为低温(500℃~560℃、中温(800℃~880℃)和高温(900℃~950℃)三种。碳氮共渗是渗碳和渗氮工艺的综合，兼有两者的长处，这种工艺有逐步代替渗碳的趋势。主要优点如下。

(1)渗层性能好。共渗层比渗碳层的耐磨性和疲劳强度更高，比渗氮层有更高的抗压强度和较低的表面脆性。下一页返回7.3碳氮共渗(2)渗入速度快。由于氮的渗入不仅降低了渗层的临界点，同时还增加了碳的扩散速度。(3)变形小碳氮共渗温度比渗碳低，晶粒不会长大，适宜于直接淬火，可以减小变形。(4)不受钢种限制。各种钢铁材料都可以进行碳氮共渗。碳氮共渗的缺点是共渗层较薄，易产生黑色组织。上一页下一页返回7.3碳氮共渗7.3.1低温气体氮碳共渗低温气体氮碳共渗也称“气体软氮化”。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。常用氨气和渗碳气体的混合气、尿素等作共渗剂。共渗温度为520℃~570℃，由于处理温度低，实质上以渗氮为主。但因为有活性碳原子与活性氮原子同时存在，渗氮速度大为提高。一般保温时间为13h，渗层深度为0.O1~0.02mm。工件经氮碳共渗后，其共渗层的硬度比纯气体氮化低，但仍具有较高的硬度、耐磨性和高的疲劳强度。渗层韧性好而不易剥落，并有减摩的特点，在润滑不良和高磨损条件下，有抗咬合、抗擦伤的优点，耐磨性也有明显提高。由于处理温度低，时间短，所以零件变形小。上一页下一页返回7.3碳氮共渗7.3.2中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗以渗碳为主，其工艺与渗碳相似。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。最常用的方法是在井式气体渗碳炉内滴入煤油，并通入氨气。在共渗温度下，煤油和氨除了前述的渗碳和氮化的作用外，它们之间相互作用还生成了[C]和[N]活性原子，活性碳、氮原子被工件表面吸收并向内扩散形成共渗层。一般共渗温度820℃~860℃，保温时间取决于要求的共渗层深度。工件经共渗处理后，需进行淬火和低温回火，才能提高表面硬度和心部强度。由于共渗温度不高，钢的晶粒不会长大，故一般都采用直接淬火。上一页下一页返回7.3碳氮共渗碳氮共渗件淬火并低温回火后，渗层组织为含碳、氮的回火马氏体+少量的碳氮化合物+少量残余奥氏体。心部组织为低碳或中碳回火马氏体。淬透性差的钢也可能出现极细珠光体和铁素体。与渗碳相比，共渗层的硬度与渗碳层接近或略高，耐磨性和疲劳强度则优于渗碳层，且具有处理温度低、变形小、生产周期短等优点。目前，常用于处理形状较复杂、要求热处理变形小的小型零件，如缝纫机、纺织机零件及各种轻载齿轮等。上一页返回本篇小结本篇主要介绍合金相图的建立、钢的整体热处理、化学热处理等内容。在合相图分析的基础上，重点介绍钢的热处理的工艺过程，退火、正火、淬火、回火等热处理工艺的概念、工艺、特点及应用，同时，还介绍了表面热处理、化学热处理等热处理方法。通过本篇学习，学生能够掌握材料热处理的目的、改变材料性能的方法。返回图7-1图7-1气体渗碳示意图返回图7-2图7-2低碳钢渗碳缓冷后的显微组织返回第三节单筋矩形截面受弯构件计算（１）等效矩形应力图的形心位置应与理论应力图的总形心位置相同，即压应力合力C的位置不变，应力方向不变。（２）二次抛物线实际图的面积应等于矩形理论应力图的面积，即压应力合力C的大小不变。二、单筋矩形正截面承载力基本公式及适用条件单筋矩形截面受弯构件正截面承载力计算图示如图３-１２所示。１计算公式由截面上水平方向内力之和为零的平衡条件得上一页下一页返回第三节单筋矩形截面受弯构件计算２公式适用条件以上公式针对的是正常配筋的适筋梁，所以截面配筋率必须满足ρｍｉｎ≤ρ≤ρｍａｘ。（１）最小配筋率的限制。《桥规》给出的最小配筋率的限制，是根据钢筋混凝土构件破坏时，截面所承受的弯矩不小于同一截面的素混凝土构件所承担的弯矩的原则确定的，其目的是保证混凝土受拉边缘出现裂缝时，梁不致因配筋过少而发生脆性破坏。（２）最大配筋率限制：规定了超筋梁和适筋梁的界限。我们介绍过“界限破坏”，相应于这种破坏的配筋率就是适筋梁的最大配筋率。上一页下一页返回第三节单筋矩形截面受弯构件计算三、实用计算法在实际设计中，单筋矩形受弯构件正截面受弯承载力计算包括截面设计、截面复核两类问题。（一）截面设计（１）情况１：钢筋混凝土单筋矩形受弯构件截面尺寸已定，根据已知的弯矩组合设计值，计算确定并选择钢筋截面面积。４）根据构造要求布置钢筋。根据所求的钢筋截面面积（可查表３-３或表３-４），参照构造要求选择钢筋根数和直径，布置钢筋。５）校核修正假定的aｓ并验算配筋率。上一页下一页返回第三节单筋矩形截面受弯构件计算（２）情况２：钢筋混凝土单筋矩形结构截面尺寸未知，根据已知的弯矩设计值，计算确定并选择截面尺寸和配置钢筋。已知：弯矩设计值犕ｄ，结构重要性系数γ０，结构设计的环境等级，钢筋与混凝土材料的强度级别。（二）截面复核已知：弯矩设计值Mｄ，结构重要性系数γ０，截面尺寸b、h，材料强度fｃｄ、fｓｄ、fｔｄ，截面钢筋面积Aｓ及aｓ。求：截面承载力Mｕ。上一页返回第四节双筋矩形截面受弯构件计算单筋矩形截面梁在正截面的受拉区配置纵向受拉钢筋，在受压区配置纵向架立筋，再用箍筋使它们形成钢筋骨架。其中受压区的纵向架立钢筋虽然受压，但对正截面受弯承载力的贡献很小，所以只在构造上起架立钢筋的作用，在计算中是不考虑的。但如果在受压区配置的纵向受压钢筋数量比较多，不仅起架立钢筋的作用，而且在正截面受弯承载力的计算中必须考虑它的作用，则这样同时配置受拉和受压钢筋的矩形截面称为双筋矩形截面。双筋矩形截面多适用于以下情况：（１）当矩形截面承受的弯矩较大，截面尺寸又受到限制不能更改，混凝土强度等级不可能提高，按单筋设计无法满足x≤ξｂh０的条件时，则是超筋梁，就需要在受压区配置受压钢筋A′ｓ，来帮助混凝土受压。下一页返回第四节双筋矩形截面受弯构件计算（２）截面承受异号弯矩，这时在截面上下均需配置受力钢筋，有时根据构造要求，有些钢筋需贯穿全梁时，若计算中考虑截面受压部分受压钢筋的作用，则也可以按双筋处理（如连续梁支点及支点附近截面）。一、基本计算公式及适用条件１基本计算公式由截面水平方向内力之和为零的平衡条件（图３-１７）可得上一页下一页返回第四节双筋矩形截面受弯构件计算２适用条件（１）为了保证梁的破坏从受拉钢筋屈服开始，防止超筋脆性破坏，受压区高度x≤ξｂh０。（２）为保证受压钢筋强度充分利用，必须满足x≥２a′ｓ。当不满足该规定时，则表明受压钢筋的位置离中性轴太近，受压钢筋的应变ε′ｓ太小，以致其材料性能不能充分发挥，其应力达不到抗压强度设计值f′ｓｄ。二、实用计算方法（一）截面设计（１）情况１：已知截面尺寸b、h，弯矩设计值Mｄ，结构重要性系数γ０，结构的环境等级，材料强度fｃｄ、fｓｄ、fｔｄ、f′ｓｄ，试配置受拉及受压钢筋。上一页下一页返回第四节双筋矩形截面受弯构件计算（２）情况２：已知截面尺寸b、h，弯矩设计值Mｄ，结构重要性系数γ０，受压区钢筋截面面积A′ｓ，结构的环境等级，材料强度fｃｄ、fｓｄ、fｔｄ、f′ｓｄ，求：受拉区钢筋截面面积Aｓ。（二）截面复核已知：弯矩设计值Mｄ，结构重要性系数，结构的环境等级，截面尺寸b、h，材料强度fｃｄ、fｓｄ、fｔｄ、f′ｓｄ，截面配筋Aｓ、aｓ、A′ｓ、a′ｓ。求截面承载力Mｕ。上一页返回第五节单筋Ｔ形截面受弯构件计算矩形截面受弯构件受拉区混凝土增加了构件自重，若将受拉区混凝土适当地挖去一部分，梁的有效受压截面仍为矩形截面，只是将纵向受拉钢筋布置得适当集中一些，这样就形成了Ｔ形截面（见图３-２０）。判断一个截面是否属于Ｔ形截面，主要看较宽的翼缘部分是否在受压区，若翼缘在受压区，则属于Ｔ形截面，否则不属于Ｔ形截面。虽然工字形截面下部受拉区翼缘不受力，但上部翼缘在受压区，因此，也按Ｔ形截面进行计算。所以，工字形、Π形、箱形和空心板，在承受正弯矩时，混凝土受压区的形状与Ｔ形截面相似，在计算正截面承载力时，均可按Ｔ形截面处理。Ｔ形截面是由翼缘和腹板两部分组成的。通常用h′ｆ和bｆ来表示受压翼缘的厚度和宽度，而用h和b表示梁高和腹板厚度（或称肋宽）。下一页返回第五节单筋Ｔ形截面受弯构件计算中间带有圆孔的空心板，按抗弯等效原则，换算为等效工字形截面的方法是：保持截面面积、惯性矩和形心位置不变的情况下，将空心板的圆孔（直径为犇）换算为bｋ、hｋ的矩形孔（图３-１９）。一、T形梁的有效计算宽度Ｔ形截面梁受力后，翼缘上的纵向压应力是不均匀分布的，离梁肋越远，压应力越小。在工程中，对于现浇的Ｔ形梁，有时翼缘很宽，考虑到远离梁肋处的压应力很小，故在设计中把翼缘限制在一定范围内，称为翼缘的计算宽度b′ｆ，并假定在b′ｆ范围内压应力是均匀分布的，翼缘的应