学习活动2 钢材的学习前准备工作.docx
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学习活动2钢材的学习前准备工作
学习目标
1.能了解钢材的冶炼加工
2.能掌握钢材的分类
3.能掌握钢材的各种性质
4.能掌握钢材的储存
建议学时
2学时
学习过程
一、阅读以下图片及常见问题,明确工作任务
以上是我们常见H型型钢,思考下面的问题:
(1)钢材的冶炼加工过程是什么样的?
(2)钢材的分类有哪些?
(3)钢材的基本性质有哪些?
二、制定工作进度计划
土方材料的性质任务工期为学时,依据任务要求,制定合理的工作进度计划,根据小组成员的特点进行分工。
序号
工作内容
完成时间
工作要求
组员及分工
1
钢材的冶炼
了解钢材的冶炼加工过程
2.
钢材的分类
掌握根据不同条件钢材的分类
3.
钢材的性质
掌握钢材的力学性能、工艺性能
4
钢材的存储
掌握钢材的防腐防锈
三、钢材的冶炼
建筑钢材是重要的建筑材料。
它主要指用于钢结构中各种型材(如角钢、槽钢、工字钢、圆钢等)、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝等。
由于钢材在工厂生产中有较严格的工艺控制,因此质量通常能够得到保证。
建筑钢材具有一系列的优良性能。
它有较高的强度,有良好的塑性和韧性,能承受冲击和振动荷载;可以焊接和铆接,易于加工和装配,所以被广泛的应用于建筑工程中。
建筑钢材是主要的建筑材料之一,它包括钢结构用钢材(如钢板、型钢、钢管等)和钢筋混凝土用钢材(如钢筋、钢丝等)。
钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料,与非金属材料相比,具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。
钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大。
钢的冶炼
钢是由生铁冶炼而成。
生铁的冶炼过程是:
将铁矿石、熔剂(石灰石)、燃料(焦炭)置于高炉中,约在1750℃高温下,石灰石与铁矿石中的硅、锰、硫、磷等经过化学反应,生成铁渣,浮于铁水表面,铁渣和铁水分别从出渣口和出铁口放出,铁渣排出时用水急冷得水淬矿渣;排出的生铁中含有碳、硫、磷、锰等杂质。
生铁又分为炼钢生铁(白口铁)和铸造生铁(灰口铁)。
生铁硬而脆、无塑性和韧性、不能焊接、锻造、轧制。
炼钢的过程就是将生铁进行精练,使碳的含量降低到一定的限度,同时把其它杂质的含量也降低到允许范围内。
所以,在理论上凡含碳量在2%以下,含有害杂质较少的Fe一C合金可称为钢。
根据炼钢设备的不同,常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法、平炉法、电炉法。
(一)空气转炉炼钢法
空气转炉炼钢法是以熔融状态的铁水为原料,在转炉底部或侧面吹入高压热空气,使杂质在空气中氧化而被除去。
其缺点是在吹炼过程中,易混入空气中的氮、氢等有害气体,且熔炼时间短,化学成分难以精确控制,这种钢质量较差,但成本较低,生产效率高。
(二)氧气转炉炼钢法
氧气转炉炼钢法是以熔融铁水为原料,用纯氧代替空气,由炉顶向转炉内吹入高压氧气,能有效地除去磷、硫等杂质,使钢的质量显著提高,而成本却较低。
常用来炼制优质碳素钢和合金钢。
(三)平炉炼钢法
以固体或液体生铁、铁矿石或废钢作原料,用煤气或重油为燃料进行冶炼。
平炉钢由于熔炼时间长,化学成分可以精确控制,杂质含量少,成品质量高。
其缺点是能耗大、成本高、冶炼周期长。
(四)电炉炼钢法
电炉炼钢法是以生铁或废钢原料,利用电能迅速加热,进行高温冶炼。
其熔炼温度高,而且温度可以由调节,清除杂质容易。
因此,电炉钢的质量最好,但成本高。
主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢。
在铸锭冷却过程中,由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相,使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中,导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀,这种现象称为化学偏析,其中尤以硫、磷最为严重。
偏析现象对钢的质量有很大影响。
四、钢材的分类
钢的品种繁多,分类方法很多,通常有按化学成分、质量、用途等几种分类方法。
钢的分类见表8.1.1。
钢的分类
分类方法
类别
特 性
按化学成分分类
碳素钢
低碳钢
含碳量<0.25%
中碳钢
含碳量0.25%~0.60%
高碳钢
含碳量>0.60%
合金钢
低合金钢
合金元素总含量<5%
中合金钢
合金元素总含量5%~10%
高合金钢
合金元素总含量>10%
按脱氧程度分类
沸腾钢
脱氧不完全,硫、磷等杂质偏析较严重,代号为“F”
镇静钢
脱氧完全,同时去硫,代号为“Z”
半镇静钢
脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间,代号为“B”
特殊镇静钢
比镇静钢脱氧程度还要充分彻底,代号为“TZ”
按质量分类
普通钢
含硫量≤0.055%~0.065%,含磷量≤0.045%~0.085%
优质钢
含硫量≤0.03%~0.045%,含磷量≤0.035%~0.045%
高级优质钢
含硫量≤0.02%~0.03%,含磷量≤0.027%~0.035%
按用途分类
结构钢
工程结构构件用钢、机械制造用钢
工具钢
各种刀具、量具及模具用钢
特殊钢
具有特殊物理、化学或机械性能的钢,如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。
目前,在建筑工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。
五、钢材的性能
钢材的技术性质主要包括力学性能(抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等)和工艺性能(冷弯和焊接)两个方面。
力学性能
(一)拉伸性能
拉伸是建筑钢材的主要受力形式,所以拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要指标。
将低碳钢(软钢)制成一定规格的试件,放在材料试验机上进行拉伸试验,可以绘出如图8.2.1所示的应力一应变关系曲线。
从图中可以看出,低碳钢受拉至拉断,经历了四个阶段:
弹性阶段(O一A)、屈服阶段(A-B)、强化阶段(B一C)和颈缩阶段(C一D)。
低碳钢受拉的应力一应变图
1.弹性阶段
曲线中OA段是一条直线,应力与应变成正比。
如卸去外力,试件能恢复原来的形状,这种性质即为弹性,此阶段的变形为弹性变形。
与A点对应的应力称为弹性极限,以σp表示。
应力与应变的比值为常数,即弹性模量E,E=σ/ε。
弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力,是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。
2.屈服阶段
应力超过A点后,应力、应变不再成正比关系,开始出现塑性变形。
应力的增长滞后于应变的增长,当应力达B上点后(上屈服点),瞬时下降至B下点(下屈服点),变形迅速增加,而此时外力则大致在恒定的位置上波动,直到B点,这就是所谓的“屈服现象”,似乎钢材不能承受外力而屈服,所以AB段称为屈服阶段。
与B下点(此点较稳定、易测定)对应的应力称为屈服点(屈服强度),用σs表示。
钢材受力大于屈服点后,会出现较大的塑性变形,已不能满足使用要求,因此屈服强度是设计上钢材强度取值的依据,是工程结构计算中非常重要的一个参数。
3.强化阶段
当应力超过屈服强度后,由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变,阻止了晶格进一步滑移,钢材得到强化,所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高,B一C呈上升曲线,称为强化阶段。
对应于最高点C的应力值(σb)称为极限抗拉强度,简称抗拉强度。
显然,σb是钢材受拉时所能承受的最大应力值。
屈服强度和抗拉强度之比(即屈强比=σs/σb)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,但屈强比过小,又说明钢材强度的利用率偏低,造成钢材浪费。
建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60~0.75。
4.颈缩阶段
试件受力达到最高点C点后,其抵抗变形的能力明显降低,变形迅速发展,应力逐渐下降,试件被拉长,在有杂质或缺陷处,断面急剧缩小,直到断裂。
故CD段称为颈缩阶段。
中碳钢与高碳钢(硬钢)的拉伸曲线与低碳钢不同,屈服现象不明显,难以测定屈服点,则规定产生残余变形为原标距长度的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。
如图所示。
中、高碳钢的应力-应变图 钢材的伸长率
(二)塑性
建筑钢材应具有很好的塑性。
钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。
将拉断后的试件拼合起来,测定出标距范围内的长度L1(mm),其与试件原标距L0(mm)之差为塑性变形值,塑性变形值与之比L0称为伸长率(δ),如图8.2.3所示。
伸长率(δ)即如下计算。
伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标,δ越大说明钢材的塑性越好。
而一定的塑性变形能力,可保证应力重新分布,避免应力集中,从而钢材用于结构的安全性越大。
塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的,颈缩处的变形最大,离颈缩部位越远其变形越小。
所以原标距与直径之比越小,则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重越大,计算出来的δ值就大。
通常以δ5和δ10分另表示L0=5d0和L0=10d0时的伸长率。
对于同一种钢材,其δ5>δ10。
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。
钢材的冲击韧性是用有刻槽的标准试件,在冲击试验机的一次摆锤冲击下,以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm2)来表示,其符号为αk。
试验时将试件放置在固定支座上,然后以摆锤冲击试件刻槽的背面,使试件承受冲击弯曲而断裂。
αk值越大,冲击韧性越好。
对于经常受较大冲击荷载作用的结构,要选用αk值大的钢材。
影响钢材冲击韧性的因素很多,如化学成分、冶炼质量、冷作及时效、环境温度等。
(四)耐疲劳性
钢材在交变荷载的反复作用下,往往在最大应力远小于其抗拉强度时就发生破坏,这种现象称为钢材的疲劳性。
疲劳破坏的危险应力用疲劳强度(或称疲劳极限)来表示,它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下,于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。
一般把钢材承受交变荷载106~107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。
设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时,应了解所用钢材的疲劳极限。
研究证明,钢材的疲劳破坏是拉应力引起的,首先在局部开始形成微细裂纹,其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。
因此,钢材的内部成分的偏析、夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等,都是影响钢材疲劳强度的因素。
疲劳破坏经常是突然发生的,因而具有很大的危险性;往往造成严重事故。
(五)硬度
硬度是指金属材料在表面局部体积内,抵抗硬物压入表面的能力。
亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。
测定钢材硬度采用压入法。
即以一定的静荷载(压力),把一定的压头压在金属表面,然后测定压痕的面积或深度来确定硬度。
按压头或压力不同,有布氏法、洛氏法等,相应的硬度试验指标称布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HR)。
较常用的方法是布氏法,其硬度指标是布氏硬度值。
各类钢材的HB值与抗拉强度之间有一定的相关关系。
材料的强度越高,塑性变形抵抗力越强,硬度值也就越大。
由试验得出,其抗拉强度与布氏硬度的经验关系式如下:
当HB<175时, σb≈0.36HB
当HB>175时, σb≈0.35HB
根据这一关系,可以直接在钢结构上测出钢材的HB值,并估算该钢材的σb。
工艺性能
良好的工艺性能,可以保证钢材顺利
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