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7建材备课钢材
第7章金属材料
一、本章教学内容及要求
§7.1钢的冶炼和分类。
了解钢的生产与分类。
§7.2钢材的技术性能。
掌握钢材的力学性能和工艺性能。
§7.3钢的组织、化学成分对钢性能的影响。
一般掌握化学成分对钢材性能的影响。
§7.4钢材的冷加工与时效处理。
一般掌握冷加工钢筋的性能和应用。
§7.5钢材的热处理与焊接。
§7.6建筑钢材的技术标准及选用。
掌握钢结构用钢材的标准、牌号和含义。
掌握热轧钢筋的等级、技术性质和应用。
§7.7建筑钢材的锈蚀及防止。
了解钢材的腐蚀与防腐。
钢结构用钢材。
§7.8建筑装饰用钢材制品。
(仅作简介)
§7.9铝和铝合金。
(仅作简介)
二、重点难点介绍
钢,化学成分,Fe、C、Mn,S(热脆性)、P(冷脆性),碳素钢、合金钢。
钢,细观结构成分组织,铁索体(固溶体)、渗碳体(化合物,Fe3C)、珠光体(机械混合物)。
钢,冶炼、脱氧、热加工、冷加工、焊接、工艺性能。
钢,机械性能,屈服强度、条件屈服强度σ0.2、抗拉强度、伸长率、屈强比、疲劳强度。
普通碳素钢,Q235-B。
b、含碳量与性能的关系。
低合金结构钢Q345。
钢结构用钢、钢筋混凝土用钢筋。
三、学习方法指导
建筑钢材具有较高的力学强度、能承受较大的弹、塑性变形、可以铸成多种形式的型钢,容易加工成钢制品和钢结构。
是重要的建筑材料之一。
随着现代化建筑的需要及冶金工业的迅速发展,建筑用钢在建筑中的地位会更加重要。
本章目的:
在一般介绍钢的种类的基础上,明确建筑用钢的种类;比较详细地阐明建筑用钢的技术性质,包括力学性能和工艺性能;说明建筑用钢的晶体结构和化学成分对钢的性质的影响;分别阐述了几种建筑常用钢种的技术标准及其应用。
通过本章的学习,要求达到熟悉建筑常用钢的种类;掌握建筑用钢的主要技术性质;能够正确选用钢材等目的。
本章重点内容:
(1)建筑用钢的主要技术性质及其主要影响因素;
(2)建筑用钢的技术标准及选用。
本章各节之间的关系:
钢的主要技术性质是本章的中心环节,要重点学习掌握。
学习钢的晶体结构及化学成分对钢的性质的影响,完全是为了进一步加深对钢的固有性质及性质改变的内在规律的认识。
这是真正学好掌握钢的性质的基础。
因此,要注重与钢的性质的关联及加深对钢的性质的理解,切忌死记硬背。
学习建筑用钢的标准及选用是本章学习的归宿,其基础是钢的性质。
即掌握了钢的性质及其主要影响因素,才能正确地选择和使用钢材。
同时,还必须密切联系工程特点及使用条件,从而保证钢在使用中的性质稳定、安全可靠。
钢的种类是与钢的选用是密切联系的。
在各节学习中,还应注意下述提示的内容和方法。
(一)建筑用钢的技术性质
1.抗拉性能重点掌握低碳钢受拉时的应力应变特征,钢在不同应力范围内抵抗变形的能力。
从中明确屈服强度σS(屈服点)、抗拉强度σb和伸长率δ,是钢的重要力学性能指标。
理解屈服点是设计取值的依据,屈强比反映钢的利用率和安全度以及伸长率表示钢的塑性的实际意义;与低碳钢比较,认识高碳钢的特性及条件屈服点σ0.2表示方法;中碳钢受拉后的应力应变特征介于两者之间。
2.冲击韧性是表示钢受到动荷载作用时的重要性质。
要了解冲击韧性的物理意义和表示方法。
重点理解低温冷脆性和时效及时效敏感性的概念和意义。
而对于化学成分与组织状态及焊接、轧制质量等韧性的影响,作一般了解,待学习第三节时再加深领会。
3.耐疲劳性是钢受到交变作用的动荷载下,不容忽视的性质。
要求一般了解和领会。
4.冷弯性能是钢的重要可加工性能(即工艺性能),在一定程度上比伸长率更能反映钢的内部质量和塑性。
要求了解这一性质的意义及检验方法。
5.焊接性能也是建筑用钢的重要工艺性质。
要求一般了解焊接质量对钢的性质的影响,和保证焊接质量的主要方法。
(二)钢的晶体结构和化学成分对其性质的影响
1.钢的晶体结构对钢的性质的影响通过了解纯铁的晶体结构及其同素异晶转变,来进一步了解钢(铁碳合金)在不同条件下的晶体结构,着重明了碳与铁原子之间结合的三种基本类型和特征,以及由它们组成钢的最主要的四种组织及其性质。
2.化学成分对钢的性质的影响了解钢中磷、硫、氧、氮等有害杂质对钢的性质的不利影响。
了解在钢中加入锰、硅、钛、钒等化学元素,得到的合金钢,对钢的性质改变的作用。
(三)建筑钢材的技术标准及应用
1.碳素结构钢熟悉钢牌号表达方法及钢牌号划分与钢主要性质之间的规律。
2.低合金结构钢了解低合金结构钢的钢牌号表达方法;重点掌握低合金钢的特点及应用。
3.优质碳素钢一般了解其概念及用途。
4.钢筋和钢丝熟悉热轧钢筋的分级及各级钢筋的主要用途;重点掌握钢筋冷拉和时效处理(不同方法)对钢的性质的影响及在工程中的实际意义。
掌握选用钢筋的原则。
对高强度钢丝、刻痕钢丝及钢绞线等品种,要求一般了解其特性及用途。
四、典型例题介绍
例题7-1:
直径为20mm的钢筋试件,做拉伸试验,测得屈服点和最大破坏荷载分别为115和155kN,拉断后,测得标距增量(Δl=l-l0)为25mm。
试求该钢材的屈服强度σs和伸长率δ5。
解:
σs=Fs/A=115×1000/(3.142×10.0×10.0)=366.0=365MPa。
σb=Fb/A=155×1000/(3.142×10.0×10.0)=493.3=495MPa。
δ5=(L1-L0)/L0=25/(5×20)=25%。
例题7-2:
直径为20mm的Ⅱ级钢筋(HRB335)试件,做拉伸试验,测得最大荷载为168kN。
试求该钢材的抗拉强度、(预测)屈服点荷载的最小值、(预测)达到合理屈强比(0.65-0.75)最小值时的屈服点荷载、并预测拉断后试件标距增量(Δl=l-l0)的最小值(注:
伸长率为δ5)。
解:
抗拉强度=168×1000/(3.142×10×10)=535MPa
(预测)屈服点荷载的最小值=335×(3.142×10×10)/1000=105.3kN。
(预测)达到合理屈强比(0.65-0.75)最小值时的屈服点荷载=535×0.65×(3.142×10×10)/1000=109.3kN。
预测拉断后试件标距增量(Δl=l-l0)的最小值=16%×5×20=16mm。
§7.1钢材的冶炼与分类
缺点是易锈蚀,耐火性差。
一、钢的冶炼
生铁(2.11-6.67%C)是由铁矿石、焦炭(燃料)和石灰石(熔剂)等在高炉中经高温熔炼,从铁矿石中还原出铁而得。
炼钢将生铁中的含碳量降至2%以下(0.06-2.0%),并将磷、硫等杂质含量降至一定范围内以显著改善其技术性能,提高质量。
1.氧气转炉炼钢
氧气转炉炼钢法已成为现代炼钢的主要方法
O2+C+Fe→CO2+FeO
P+CaCO3→Ca(PO3)2+CO2
S+CaCO3→CaS+CO2
2.电炉炼钢
脱氧剂(常用的有锰铁、硅铁、和铝锭)
“脱氧”Mn+FeOMnO+Fe
化学偏析,尤其以S、P偏析最外严重。
二、钢的分类
(一)按化学成分分类
1.碳素钢0~0.25~0.60~2.0
2.合金钢0~5~10~
(二)按冶炼时脱氧程度分
O+C+Fe→CO2↑+CO↑+Fe
1.沸腾钢F
2.镇静钢Z
3.半镇静钢b
4.特殊镇静钢TZ
(三)按有害杂质含量分类
有害杂质磷(P)和硫(S)含量的多少,
1.普通钢
2.优质纲
3.高级优质钢
(四)按用途分类
1.结构钢
2.特殊钢
建筑上常用的钢种为碳素结构钢(低碳钢)和普通低合金钢。
§7.2钢材的技术性质
1.力学性能
1.1.抗拉性能
σ σs=fyσb=flE=σ/ε
比例弹性阶段(Op)→非比例弹性阶段(pe)→弹塑性阶段(es)→塑性或屈服阶段(ss,)→应变强化阶段(s,b)→颈缩阶段(bf)
1.1.1强度
比例极限σp,弹性极限σe,屈服强度σs,抗拉强度σb。
比例极限σp≈弹性极限σe
低碳钢的弹性模量E=(2.0~2.1)×105MPa,
弹性极限p=180~200MPa。
钢材受力达屈服点后,变形即迅速发展,
尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。
故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。
常用碳素钢的屈强比为0.58~0.63,合金钢为0.65~0.75。
σs=fyσb=flσs/σb
条件屈服点0.2:
规定以产生0.2%残余变形时的应力值。
σ0.2
塑性变形0.2%
1.1.2塑性
伸长率=(l1-l0)/l0*100%=(L1-L0)/L0*100%
5大于10
断面收缩率=(A0–A1)/A0*100%
伸长率和断面收缩率越大,钢材的塑性越好。
1.2.冲击韧性
钢材抵抗冲击荷载的能力。
冲击韧性值越大,抵抗冲击的能力越大,脆性破坏的危险性越小。
ακ=W/A=mg(H-h)/A
影响因素有:
①化学成分
②冶炼质量
③冷作/冷加工及时效.钢材时效指随时间的延长,钢材强度逐渐提高而塑性,韧性降低的现象.
④环境温度影响.
冷脆性。
脆性转变温度越低,表明钢材的低温冲击韧性愈好./P
ακ
-60-2040
1.3.疲劳强度
应力集中
2×106/200万次
电梯/钢丝束
在交变载荷的反复作用下,往往在应力远小于其抗拉/屈服强度时就发生破坏,通常取交变应力循环次数N=2×106时试件不发生破坏的最大应力(σn)作为其疲劳极限。
钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起,在局部形成细小裂纹,微裂纹尖端的应力集中(应力放大10-100倍)而使其逐渐扩大。
1.4.硬度
指其表面抵抗硬物压入产生局部变性的能力。
有布氏法,代号HB=P/A。
HB值与其抗拉强度σb之间存在以下关系:
HB<175,σb≈0.36HB;HB>175,σb≈0.35HB。
2.工艺性能
2.1冷弯性能
弯曲角度()和弯心直径(d)
=90o,180od=(0,0.5,1,2,3…)a=na
弯曲处有无裂纹,断裂及起层等现象,弯曲角度愈大,弯心直径愈小,表示其冷弯性能愈好。
冷弯是指在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验,它能揭示钢材内部组织是否均匀,是否存在内应力及夹杂物等缺陷。
2.2焊接性能
可焊性:
C<0.3%,合金元素少,S含量(热脆性)少
钢材焊接基本方法
电弧焊接触对焊电渣压力焊
影响钢材焊接质量的主要因素
钢材本身的焊接性能,焊接工艺,焊接材料。
§7.3钢材的组织、化学成分及对钢材性能的影响
一,钢的组织及其对钢性能的影响
(一)钢材的晶体结构/体心立方,面心立方晶格。
纯铁//晶体结构/温度
液态铁1535℃→δ-Fe(体心立方)1394℃ →γ-Fe(面心立方)
体积大体积小
912℃ →α-Fe(体心立方)
体积大
钢是铁-碳合金晶体。
1.点缺陷2.线缺陷,刃形位错3.面缺陷
(二)钢材的基本组织
C%
铁素体
≤0.02
C在α-Fe中的固溶体
强度、硬度很低,塑性、韧性很好
渗碳体
6.67
Fe3C化合物
抗拉强度很低,
脆性,塑性极差
珠光体
≥0.8
铁素体和渗碳体的机械混合物
强度较高,塑性、韧性较好
奥氏体
0.8
C在γ-Fe中的固溶体
强度、硬度不高,塑性大
(三)晶体组织对钢材性能的影响
当含C量<0.8%时,钢的基本组织由珠光体和铁素体组成。
随C提高,珠光体含量逐渐增多,钢材强度、硬度逐渐提高而塑性、韧性逐渐降低。
当含C量=0.8%时,钢的基本组织仅为珠光体。
共析钢。
建筑工程所用的钢材其含碳量均在0.8%以下,由铁素体和珠光体组成。
二.钢材的化学成分及其对钢材性能的影响
碳当碳含量小于0.8-1.0%时,随含碳量的增加,钢的强度和硬度提高,塑性和韧性降低。
当碳含量大于0.8-1.0%时,随含碳量的增加,钢的强度下降,塑性和韧性降低,可焊性降低和耐蚀性降低,冷脆性和时效倾向增大。
一般工程用碳素钢,碳含量小于0.25%
工程用低合金钢含碳小于0.5%。
磷是钢中很有害的元素之一,冷脆性。
磷在钢中的偏析倾向强烈。
磷也使钢材可焊性降低。
硫硫也是很有害的元素,硫化物FeS熔点低,热脆性。
锰和硅使有益元素。
§7.4钢材的冷加工与热处理
一.钢材冷加工强化与时效处理
常温下进行冷拉、冷拔或冷轧,使之产生一定的塑性变形,强度明显提高,塑性和韧性有所降低——冷加工强化。
将经过冷拉的钢筋,于常温下存放15~20d,加热到100~200℃并保持2~3h后,则钢筋强度进一步提高,这个过程合称为时效处理,前者成自然时效,后者称人工时效。
二.钢材冷加工强化与时效的机理
钢筋经冷拉后,内部晶格发生畸变,缺陷增多,屈服强度得到提高。
经冷拉及时效以后,杂质元素P、S、N、H、C等进入缺陷处,从而使屈服强度进一步得到提高,且抗拉强度亦有所提高,塑性和韧性则要相应降低。
脆性增加。
伊拉克战争后,地震后,
三.钢筋冷加工、时效在工程中的应用
钢筋经冷拉后,一般屈服点可提高20%~25%,
冷拔钢丝屈服点可提高40%~90%。
热处理原材料冷拉冷拉+时效
拔钢能助长
原材料
冷拉
时效
冷拉+时效
热处理
屈服强度
提高
提高
进一步提高
提高
抗拉强度
不变
提高
提高
提高
塑性韧性
降低
降低
进一步降低
降低
四、钢材的热处理
基本方法:
1.淬火。
2.回火。
3.退火。
4.正火
5.化学热处理
相变温度冰→水0℃
§7.5建筑钢材的技术标准及选用
一.(普通)碳素结构钢
1.牌号Q235-A.FQ235-B.b
屈服点等级
Q195、215、235、255、275
质量等级
A(无)、B(20)、C(0)、D(-20)、E(-40)
冲击韧性
脱氧程度
FbZTZ
2.技术要求
(1)化学成分
(2)力学性能碳素结构钢随着牌号的增大,其含碳量增加,强度提高,塑性和韧性降低,冷弯性能变差。
3.碳素结构钢的特性与选用
Q235牌号钢既具有较高的强度,有具有较好的塑性和韧性,可焊性也好。
例题:
(填空题)碳素结构钢,随其含碳量/珠光体含量的增加,其可焊(差),冷弯性(差),硬度(增加),屈服强度(增加),伸长率(降低)
二、低合金高强度结构钢
1.低合金高强度结构钢的牌号Q345(16Mn)
屈服点等级
Q295、345、390、420、460
质量等级
A(无)、B(20)、C(0)、D(-20)、E(-40)
冲击韧性
脱氧程度
FbZTZ
2.性能及应用
由于合金元素的细晶强化和固溶强化等作用,使低合金钢不仅具有较高的强度,也具有较好的塑性、韧性和可焊性,综合性能较好。
C
Mn
σs≥
σb≥
δ5≥
Q235
0.12-0.22
0.30-0.80
235
375-500
25-26
Q345
0.18-0.20
1.00-1.60
345
470-630
21-22
节省15-25%
广泛用于钢结构,大型、重型、大跨度结构,桥梁16Mnq
三、优质碳素钢//质量稳定,综合性能好,对有害杂质控制严格。
脱氧程度
Z
PS
严格控制
普通含Mn量
0.35-0.80%
30号
0.30%C
较高含Mn量
0.70-1.20%
45Mn
0.45%C
45号钢
预应力混凝土锚具
65-80号钢
预应力混凝土用钢丝和钢绞线
四、选用原则
P77
§7.6钢结构用钢材
母材
普通碳素结构钢,
低合金高强度结构钢
加工
热轧、冷轧
钢板、型钢
热轧型钢
规格
受力
不宜
工字钢
腰高×腿宽×腰厚
横向受弯
轴心受压
双向受弯
桥梁
H字钢
HW腹板高×翼板宽
轴心受压
钢柱
HM腹板高×翼板宽
轴心受压
钢柱
HN腹板高×翼板宽
横向受弯
桥梁
T字钢
槽钢
腰高×腿宽×腰厚
横向受弯
轴向受拉
L字钢
角钢
冷弯薄壁型钢
钢板、压型钢板
§7.7钢筋混凝土用钢材
一、热轧钢筋
热轧光圆钢筋级别为Ⅰ级,强度等级代号为HPB235//Q235。
热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。
其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制。
采用其公称横截面面积。
①热轧光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性能很好,便于各种冷加工,因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋。
②HRB335和HRB400钢筋强度较高,塑性和焊接性能也较好,故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。
③HRB500钢筋强度高,但塑性和焊接性能较差,可用作预应力钢筋。
σs
σb
δ5
冷弯试验
MPa
MPa
%
角度
弯心直径
Ⅰ
HPB235
光圆
低碳钢
235
370
25
180
1d
非预应力
Ⅱ
HRB335
月牙肋
低碳低合金钢
335
490
16
180
3d,4d
非预应力
预应力
Ⅲ
HRB400
400
570
14
90
4d,5d
Ⅳ
HRB500
等高肋
中碳低合金钢
500
630
12
90
6d,7d
预应力
二、预应力混凝土用热处理钢筋
代号为RB150
主要用于预应力钢筋混凝土轨枕,也用于预应力梁、板结构及吊车梁等。
热轧钢筋经淬火和回火的调质处理而成
外形
横肋+纵肋,横肋(无纵肋)。
直径/mm
6、8.2、10
性能
σs≥1325、σb≥1470、δ10≥6%
1000h应力损失≤3.5%
用途
预应力钢筋混凝土梁板和轨枕等
三、冷轧带肋钢筋
采用由普通低碳钢或合金钢热轧的圆盘条为母材,经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面有肋的钢筋。
其代号为CRB550、CRB650和CRB800
冷拉带肋钢筋的公称直径范围为4-12mm,推荐钢筋公称直径为5、6、7、8、9、10mm。
钢筋的强屈比σb/σ0.2应不小于1.05。
钢筋表面不得有裂纹、折叠、结疤、油污及其他影响使用的缺陷。
冷轧带肋钢筋具有以下优点:
(1)强度高、塑性好、综合力学性能优良。
(2)握裹力强。
(3)节约钢材,降低成本。
(4)提高构件整体质量,改善构件的延性,避免“抽丝”现象。
σb
伸长率/%
不小于
冷弯试验
反复弯曲
δ10
δ100
1800
次数
CRB550
550
8.0
/
d=3a
普通钢筋混凝土
CRB650
650
/
4.0
/
3
中、小型预应力混凝土结构
CRB800
800
/
4.0
/
3
CRB970
970
/
4.0
/
3
预应力混凝土结构
CRB1170
1170
/
4.0
/
3
四、预应力混凝土用钢丝及钢铰线
优质碳素结构钢盘条,经酸洗、冷拉或再经回火处理等工艺制成。
钢铰线是由7根直径为2.5-5.0mm的高强度钢丝,铰捻后经一定热处理清除内应力而制成。
①预应力混凝土用钢丝分为消除应力光圆钢丝(代号S)、消除应力刻痕钢丝(代号SI)、消除应力螺旋肋钢丝(代号SH)、冷拉钢丝(代号RCD)。
预应力混凝土用钢丝具有强度高、柔性好、无接头等优点。
大跨度吊车梁、桥梁、电杆、枕轨等的预应力钢筋。
直径
σ0.2
σb
δ100
mm
MPa
MPa
%
消除应力钢丝
S
5.00
1500
1770
4
刻痕钢丝
SI
5.00
1340
1570
4
冷拉钢丝
RCD
5.00
1250
1670
3
②预应力混凝土用钢铰线整根破坏负荷可达300kN,屈服负荷可达255kN。
钢铰线主要用于大跨度、大负荷的后张法预应力屋架、桥梁和薄腹梁等结构的预应力筋。
直径
强度级别
Fb
Fs
δ
标准型
15.20
1860
259
220
3.5
模拔型
15.20
1860
300
255
3.5
五、混凝土用钢纤维//高弹模,高强度//机场跑道。
。
。
提高混凝土的抗冲击强度和韧性
碳素钢、合金钢、不锈钢
直径0.45-0.7mm,长径比50-80
抗拉强度1000、600、380MPa
六、冷拔低碳钢丝
直径为6.5-8mm的Q235热轧盘条钢筋经冷拔加工而成。
甲级丝适用于作预应力筋,乙级丝适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。
七、钢筋混凝土用冷拉钢筋
冷拉Ⅰ级钢筋适用于钢筋混凝土结构中的受拉钢筋,
冷拉带肋钢筋可用作预应力混凝土结构的预应力筋。
八、钢筋的选用
普通受力钢筋
HPB235、HRB335、HRB400、CRB550
预应力钢筋
预应力混凝土用钢丝及钢铰线,热处理钢筋,HRB335、HRB400、HRB500
中小型预应力混凝土结构
CRB650、CRB800
钢材的选用原则
荷载性质
使用温度
连接方式
钢材厚度
结构重要性
静荷载
动荷载
集中应力
疲劳破坏
冷脆性
铆接
焊接(差)
厚度小于40mm
大跨度
重要性
§7.8建筑钢材的锈蚀与防止(简介)
一、钢材的锈蚀
1、化学锈蚀
2、电化学锈蚀
二、防止钢材锈蚀的措施
保护层法
金属覆盖//镀锌,镀铜
非金属覆盖//涂料,采用表面刷漆。
制成合金钢
采用耐候钢,不锈钢
钢筋防锈//保证混凝土具有一定的碱度和密实度,混凝土结构具有足够的保护层。
加工或冷加工,因而对锈蚀破坏较敏感,特别是高强度热处理钢筋,容易产生应力锈蚀现象。
禁止掺用氯盐。
不锈钢,环氧树脂涂层钢筋,镀锌钢筋。
混凝土用钢筋的防锈措施:
密实度
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