建材第2章钢材.ppt

1、第2章 建筑金属材料,金属材料,黑色金属：铁、钢材等 有色金属：铝、铜及其合金等,第2章 建筑金属材料,2.1 钢材的分类 2.2 建筑钢材的主要技术性能 2.3 钢材的化学成分与晶体组织 2.4 钢材的强化与加工 2.5 钢材的锈蚀与防护 2.6 土木工程常用金属材料的性质及应用,钢材的化学成分：,不可避免的元素：Si、Mn、P、S、N 专门加入的合金元素： Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素,铁：主要元素 碳：0.02%2.06% 其他元素：,2.1 钢材的分类,1.按化学成分分类,低碳钢： 0.6%,（1）碳素钢 （碳钢）,（2）合金钢 专门加入一定量的合金元素,按合金元素总含量

2、分：,低合金钢： 10%,按含碳量分：,2.按杂质含量（品质）分类,普通钢： 0.050%，0.045% 优质钢： 0.035%，0.035% 高级优质钢：0.025%，0.025%， 牌号后加“高”或“A” 特级优质钢：0.015%，0.015%， 牌号后加“E”,含硫量 含磷量,3.按冶炼时脱氧程度分,沸腾钢：脱氧不充分，代号“F” 半镇静钢：介于F与Z之间，代号“b” 镇静钢：脱氧充分，代号“Z” 特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”,4.按用途分类,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） 特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性质 （不锈钢、耐热钢、耐酸钢、）,密

3、致度,2.2 建筑钢材的主要技术性能,力学性质：强度、弹性、塑性、韧性、硬度、 耐疲劳性 工艺性质（可加工性）：冷弯性能、可焊性,2.2.1 力学性能,1.抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能。,拉伸过程分四个阶段：,OA：弹性阶段 AB：屈服阶段 BC：强化阶段 CD：颈缩阶段,拉伸性能指标： 屈服点、抗拉强度、伸长率、断面收缩率。,Fs 屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力),N； Ao 钢材的原始截面积，mm2。,（1）屈服强度（屈服点）,上屈服点（B上）：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服点（B下）：不计初始瞬时效应的最小应力， 即屈服点。,有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等 硬钢）

4、，应采用产生残余变形为0.2%原标距长度 时的应力作为屈服点（称条件屈服点）。,注 意,硬钢应力-应变图,记为0.2或P0.2。,（2）抗拉强度：钢材所能承受的最大拉应力。,Fb最大拉力，N。 试验时，一般以钢材出现颈缩为准。,强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25。,可靠性参数,值得注意：强屈比的概念,值越大,可靠性越高,安全性越高, 但利用率降低，浪费增大。,（3）伸长率：塑性指标。,意义： 值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏； 加工性增强，安全性增强。 值有两种：5表示L0=5d0 d0钢材直径 10L0=10d0,Lo试件原始标距长度，mm ； L1试件拉断后测定出伸长后

5、标距部分的长度，mm。,（4）断面收缩率：塑性指标。,A1试样拉断后颈缩处的截面积，mm2； A0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。,2.冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力。 试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验。,冲击韧性试验原理图,指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作k,J/cm2。 k值愈大，钢材的冲击韧性愈好。,韧性与试验温度有关,3. 耐疲劳性,疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于 屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象。,一般由拉应力引起，危害极大。,4. 硬 度,比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的能力。,试验方法：布

6、氏硬度、洛氏硬度,布氏硬度试验原理图,D球体直径，mm P规定荷载，N d压痕直径，mm F被试金属表面 压痕面积，mm2,布氏硬度压痕单位球体面积上所承受的荷载大小,MPa 。,2.2.2 工艺性能 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90%以上为焊接结构,焊接性 非常重要。,（1）冷弯性能 冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90、180）,判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层， 认为冷弯性能合格。,装好的试件 弯曲180 弯曲90,冷弯试验意义： 1.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。 2.也能对钢材的焊

7、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。,（2）焊接性能,焊接方式：搭接、对接 焊接要求： 焊接处（焊缝及其附近过热区） 不产生裂缝及硬脆倾向。 焊接处性能与母材一致,即力学性能、 工艺性能应合格，特别是强度不低于 原钢材强度。(拉伸试验、冷弯试验) 影响因素：碳、合金元素及杂质元素越多，可焊性越小。,2.3 钢材的化学成分与晶体组织,钢是以铁为主的FeC合金。,2.2.1 钢材的晶体组织,晶体组织：FeC合金在一定条件下形成具有一定 形态的聚合体，称为的组织。,在显微镜下可以观察到它们的微观形貌， 称为铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体四种。,表2-1 钢

8、的基本晶体组织,晶体结构,晶粒聚集示意图,晶胞,晶格缺陷示意图,(a) 点缺陷空位和间隙原子 (b) 线缺陷刃型位错 (c) 面缺陷晶界面,碳：炼钢氧化过程中生成，主要以渗碳体Fe3C存在。,2.2.2 钢材的化学成分,硅：脱氧剂，,锰：脱氧、去硫，具有很强的脱氧、硫能力。,有 害 元 素,磷：来自炼铁原料，钢的强度和硬度,硫：来自炼铁原料,氧：常以FeO的形式存在。,氮：来自空气，影响与碳、磷相似。,钛：强脱氧剂，常用合金元素。,钒：弱脱氧剂，常用合金元素。,优点：可减弱碳、氮的不利影响 。,钢中加入少量合金元素Al、Ti、Nb等,改善性能,2.4 钢材的强化与加工 2.4.1 冷加工 指钢

9、材在常温下进行的加工。 常见的冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、 刻痕等。 特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其 屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。,1.冷 拉 冷拉是将钢筋拉至应力-应变曲线的强化阶段 内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，当再度加载时， 其屈服点将有所提高，塑性变形能力将有所降低。 钢筋经冷拉后， 一般屈服点可 提高20%25%。,2.冷 拔 是将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。,拉拔模孔,冷拔比纯拉伸作用强烈，钢筋受拉、挤压作用。 如：经过一次或多次的冷拔后得到的冷拔低碳钢丝， 屈服点可提高40%60%，但失去软钢的塑性和韧性， 而具有硬钢的特点。,3.冷 轧

10、 将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋。,目的：提高强度、与混凝土的粘结力。 钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形， 因而能较好地保持其塑性和内部结构均匀性。,4. 冷轧扭 对热轧圆盘条,经冷轧扁和冷扭转,制成冷轧扭钢筋。,冷轧厚度：越薄，塑性变形越大，抗拉强度提高得越多， 伸长率降低得也越多。 螺距：螺距大小将直接影响钢筋与砼的握裹力。 螺距小，握裹力大，冷轧扭难度加大。,要求：,特点：冷轧扭钢筋无明显的屈服台阶。,冷加工的特点： 提高屈服强度，但塑性变形降低。 冷加工的目的： 经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构 设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约 钢材的目的。具有明显

11、的经济效益。 注意：冷拔钢丝屈强比较大，相应的安全储备较小。,总 结,将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d， 或加热到100200，并保持一段时间， 这个过程称为时效处理。,自然时效,作用: 钢筋冷拉以后再经过时效 处理，其屈服点进一步提 高，抗拉强度也有提高， 塑性、韧性有所降低。 时效过程中应力的消减， 弹性模量可基本恢复。,人工时效,2.4.2 时效处理,2.5 钢材的锈蚀与防护,2.5.1 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， 称为钢材的锈蚀。,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,多数是由氧化作用在钢材表面形成 疏松氧化物。干燥环境缓

12、慢，温湿度高， 发展迅速。,钢材本身组成和杂质的存在,在表面介质的 作用下,各成分电极电位不同,形成微电池， 铁元素失去了电子成为Fe2+进入介质溶液， 与溶液中的OH-离子结合生成Fe(OH)2。,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，降低钢材的性能， 因而承载力降低。,三个方面：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。 （1）采用耐候钢（耐大气腐蚀钢） （2）金属覆盖电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。 （3）非金属覆盖在钢材表面用非金属材料做为保护膜, 如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。 （4）混凝土用钢筋的防锈提高砼密实度； 钢筋砼保护层

13、厚度； 限制使用含Cl-的外加剂； 钢筋涂覆环氧树脂或镀锌。,2.5.2 钢材的防护,2.6 土木工程常用钢材 2.6.1 钢结构用钢 2.6.2 混凝土结构用钢,2.6.1 钢结构用钢 1.碳素结构钢 （1）碳素结构钢的牌号 表示按顺序：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、 质量等级（有A、B、C、D 4级，逐级提高）和脱氧方法 （F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢。 牌号表示时Z、TZ可省略）。 例如：Q235AF 表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。 Q235B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。,（2）碳素结构钢的选用 1.碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加

14、，强度增大， 但塑性和韧性降低。 2.建筑工程中主要应用Q235号钢。 特点：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,且冶炼方便,成本较低， 因此，广泛用于一般钢结构。 其中，C、D级可用在重要的焊接结构。,3.Q195、Q215号钢材 特点：强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工， 可制作铆钉、钢筋等。 4.Q255、Q275号钢材 特点：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。 5.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、B质量等级钢及沸腾钢。,2.优质碳素结构钢 （1）牌号 三部分表示：含碳量、含锰量标著

15、、脱氧程度代号。 前两位数字表示平均含碳量的万分数；有“含锰量标著” 指较高含锰量，无“含锰量标著”指普通含锰量；大部分为 镇静钢。 如：45Mn 表示平均含碳量为0.45%，较高含锰量的镇静钢。 30 表示平均含碳量为0.30%，普通含锰量的镇静钢。,（2）优质碳素结构钢的选用 3045号钢：用于重要结构的钢铸件、高强度螺栓。 45号钢：用作预应力混凝土锚具。 6580号钢：用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,3.低合金高强度结构钢 （1）低合金高强度钢的牌号 三部分表示：屈服点字母(Q)、屈服点数值(单位MPa)、 质量等级(有A、B、C、D、E 4级)。 低合金钢的牌号表示:含碳量、合

16、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；其后的元素符号 表示按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附数字，表 示其平均含量在1.5%以下；如附有数字“2”,表示其平均含量 在1.5%2.5%之间；最后如附有“b”,表示为半镇静钢，否则 为镇静钢。 如：16Mn 表示平均含碳量为0.16%，合金元素平均含量低于 1.5%的镇静钢。,（2）低合金高强度钢的选用 特点：轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强， 使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可 焊性及冷加工性，易于加工与施工。 可以用作高层及大跨度建筑(如大跨度桥梁、 大型厅馆、电视塔等)的主体结构材料。 与普通碳素钢相比可

17、节约钢材，经济效益显著。 不锈钢：当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金 表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。 特点：具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点； 缺点是温度变化时膨胀性较大。 可用于承重构件和建筑装饰材料。,2.6.2 混凝土结构用钢 1.热轧钢筋 （1）牌号 分为HPB235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。 HRBHot rolled-Ribbed-Bars 牌号意义：R代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋。 热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆； 热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。 牌号中的数字：表示热轧钢筋的屈服强度。,（2）

18、热轧钢筋的选用 光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性好,便于冷加工, 广泛用做普通钢筋混凝土。 HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性 也较好,广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。 HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜 作预应力钢筋。,2.冷拉热轧钢筋 为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对 热轧钢筋进行冷拉。 (1)冷拉热轧钢筋分为：冷拉级、冷拉级、 冷拉级、冷拉级,（2）冷拉热轧钢筋的选用 冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋。 冷拉、级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土 结构的预应力筋。 由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断， 因此，冷拉钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用 的结构。,3.冷轧扭钢筋 分类：按其截面形状不同分为I型(矩形截面)和型 (菱形截面)两种类型。代号为LZN。 应用：冷轧扭钢筋可适用于钢筋混凝土构件。 注意：冷轧扭钢筋在拉伸时无明显屈服台阶，为安全 起见，其抗拉设计强度采用0.8b。,4.冷轧带肋钢筋