土木工程材料教学课件PPT建筑钢材ppt.ppt

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1、1,建筑钢材:指用于钢结构中的各种型钢(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，是重要的土木工程材料优良技术性能:较高强度和比强度；良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动载荷；可以焊接和铆接；易于加工和装配。缺点:易锈蚀、耐腐蚀差，维护费用高,建筑钢材,2,建筑钢材,主要内容：建筑钢材的分类、技术性能建筑钢材的标准与选用钢的腐蚀与防止基本要求：掌握建筑钢材的分类、技术性能；了解建筑钢材的标准与选用；了解钢的腐蚀与防止,3,第一节 钢材的冶炼与分类,一、钢的冶炼：,(一)、钢和铁的区分,铁和钢都是由铁和碳组成的Fe-C合金，两者的区别在于合金中C元素含量的不

2、同。含碳量在2.06以上，还含有锰、磷、氧、氮等杂质的Fe-C合金称为铁。钢是含碳量2.06，杂质含量较少的Fe-C合金。,钢是生铁经过冶炼而得到的,其原理就是通过将熔融的生铁进行进行氧化，使碳的含量降低到预定的范围内，使其他杂质含量降低到允许范围内,4,建筑钢材的主要品种,1.型钢简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。,5,建筑钢材的主要品种,2.线材如钢筋、钢丝等。,6,建筑钢材的主要品种,3.管材 无缝钢管、焊接钢管等。,7,建筑钢材的主要品种,4.板材光面钢板、花纹钢、彩色涂层钢板等。,压型彩钢板,8,(二)、钢的冶炼：,过程,焦炭,铁矿

3、石,高炉熔融,生铁,精炼,氧化还原,钢,浇注,钢锭,建筑钢材,炼钢炉,加工,9,钢的冶炼过程,按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为：1.空气转炉炼钢法:一般炼制普通碳素钢。2.氧气转炉炼钢法:炼制优质碳素钢和合金钢。3.平炉炼钢法:用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。4.电炉炼钢法:主要用废钢返回熔炼得到各种特殊钢,10,低合金钢：合金元素总含量 10,低碳钢：含碳量 0.60,二、钢的分类：,(一)、按化学成分分类：,土木工程中主要使用碳素钢中的低碳钢及低合金钢,1.碳素钢：碳的含量,2.合金钢:合金元素含量(锰、硅、钒、钛等),11,(二)、按品质(杂质含量)分类,1.普通钢：,含

4、硫量0.0450.050含磷量0.045,2.优质钢：,含硫量0.035含磷量0.035,3.高级优质钢：,含硫量0.025含磷量0.025,4.特级优质钢：,含硫量0.015含磷量0.025,12,用锰铁脱氧，硅脱氧，脱氧完全，钢液浇铸后平静冷却，无CO气泡产生，钢质均匀密实，品质好。,用少量硅脱氧，脱氧不完全，钢液浇铸后有轻微沸腾，其性能介于镇静钢与沸腾钢之间。,脱氧最完全，钢液浇铸后平静冷却，无CO气泡产生，钢质均匀密实，品质最好。,脱氧不完全，钢液浇铸后有大量CO气泡产生，引起钢液沸腾。钢质不致密，内部杂质较多，强度较低，抗冲击韧性和可焊性较差，适用于一般受力结构,(三)、按脱氧程度的

5、不同分类：,特殊镇静钢(TZ),沸腾钢(F),半镇静钢(B),镇静钢(Z),13,钢材的晶体组成,(1)铁素体铁素体的强度、硬度低，塑性和韧性好(2)渗碳体:铁和碳混合物(Fe3C)含量达6.67%,晶体结构复杂，性质变脆，塑性差，抗拉强度低(3)珠光体:铁素体和渗碳体组成的机械化合物，C=0.8%塑性好，强度和硬度高土木工程中所用钢材含C在0.8以下，其晶体由铁素体和珠光体组成，优点:较高强度、塑性和韧性也很好,14,第二节 建筑钢材的主要技术性质,建筑钢材的技术性质主要包括机械性能和工艺性能。,机械性能,拉伸性能,冲击韧性,疲劳强度,工艺性能,冷弯性能,焊接性能,15,理解低碳钢应力-应变

6、曲线的含义,抗拉性能是建筑钢材最重要的性能，工程中一般通过拉力试验来评定钢材抗拉性能的大小，常用的评定指标为拉力试验中测得的屈服点、抗拉强度和伸长率。,一、抗拉性能：,理解并掌握屈服强度、极限强度以及伸长率的含义,16,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,一、拉伸性能,1.低碳钢的拉伸性能,17,钢材拉伸过程的-图,OA弹性阶段,AB屈服阶段,BC强化阶段,CD颈缩阶段,B下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,(1)拉伸试验过程,18,在OA段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形。与A点对应的应力为弹性极限，用表示。应

7、力与应变成正比，其比值为常数，称为弹性模量E E反映钢抵抗弹性变形的能力即刚度的大小；低碳钢(2.0-2.0)105MPa,=180-200MPa,1.弹性阶段(OA段),低碳钢受拉应力-应变图,19,当荷载增大，试件应力超过时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。钢材内部内部暂时失去抵抗变形的能力，这种现象称为屈服 B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限(应力首先出现下降的最大应力值)，B下点称为屈服下限(不计初始瞬时效应时的最小应力值)。一般以B下点对应的应力作为屈服点，用s表示。超过屈服点后产生较大塑性变形，但已不再能够满足使用要求，故s作为刚才设计

8、强度取值依据,2.屈服阶段：,低碳钢受拉应力-应变图,20,当荷载超过屈服点以后，由于试件内部组织结构发生变化，抵抗变形的能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点C的应力，用b表示。,b 抗拉强度或强度极限,3.强化阶段(BC段),低碳钢受拉应力-应变图,21,A,0,CD颈缩阶段,4。颈缩阶段(CD段),当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂,22,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。,

9、(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,23,(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。,24,(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 10表示L0=10d0,Lo试件原始标距长度，mm；L1试件拉断后测定出伸长后标

10、距部分的长度，mm。,25,(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。常用低碳钢的塑性指标=15-30%；断面收缩60%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。,26,思考题,从新进货的一批钢筋中抽样，并截取钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服强度分别为42.4KN，41.5KN；抗拉极限荷载分别为62.0KN，61.6KN；公称直径为12mm，断后长度分别为66.0mm和67mm。计算该钢筋的屈强比和5,27,2.硬钢(高碳钢)的拉伸性能,硬钢抗拉强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。规范以残余变

11、形达到试件原始长度L0的0.2%时所应力的应力值，作为屈服强度，也称为条件屈服强度。0.2表示。条件屈服点0.2：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。,0,oa总变形。ba弹性变形99.8%。ob塑性变形0.2%。,28,弯曲角度弯心直径对试件厚度(或直径)的比值,冷弯性能:钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。,二、建筑钢材的冷弯性能,冷弯性能指标,参数与性能的关系,试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(或直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。,29,冷弯性能试验示意图,装好的试件 弯曲180 弯曲90,二、建筑钢材的冷弯性能,30,判定标准：,试件

12、的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层，即认为冷弯性能合格。,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。,二、建筑钢材的冷弯性能,31,(3)冲击韧性,定义及指标指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值k表示。k 越大，则冲击韧性越好。k是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm2)。影响因素化学成分(硫、磷含量高)，组织状态，冶炼、轧制质量，焊接，环境温度(温度降低)等，均会降低冲击韧性。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的

13、钢材，必须考虑冲击韧性。,32,(4)硬度,(4)硬度钢材的硬度指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力:布氏法和洛氏法表示(5)疲劳强度钢材在交变荷载作用下应力远小于抗拉强度时发生断裂，疲劳极限表示:在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力钢材疲劳破坏由拉应力引起，抗拉强度越高，疲劳强度也越高,33,三、钢材的冷加工强化和时效,1.冷加工强化冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。冷加工强化的原理：钢材在塑性变形中，发生晶格变形、破碎和歪扭，从而对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，

14、故钢材的弹性模量降低。建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。,冷加工的特点:提高屈服强度，但塑性、韧性和弹模降低。,34,(1)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%。,常见的冷加工方式：,思考题:试在同一坐标图上，分别画出软钢在未经冷拉、冷拉时效后-曲线，并解释它们的不同点。,35,(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

15、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。,常见的冷加工方式：,36,(3)冷轧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。,常见的冷加工方式：,37,(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

16、筋无明显的屈服台阶。,常见的冷加工方式：,38,将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520d，或加热到100200并保持2-3h后，钢筋强度提高。这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。,1.时效处理:,2.时效处理的作用:,冷加工以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。,(二)钢材的时效强化,39,钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。由于冷加工时产生的内应力，故冷加工钢材的弹性模量有所下降。冷加工以后再经时效处理的钢筋，屈服点进一步提

17、高，抗拉强度稍见增长，塑性和韧性继续有所降低。由于时效过程中内应力的消减，故弹性模量可基本恢复。,3.冷加工及时效处理对钢筋性能的影响：,(二)钢材的时效强化,40,第三节 建筑钢材的品种与选择,土木工程常用钢材,钢结构用钢,混凝土结构用钢筋,碳素结构钢,优质碳素钢,低合金高强度结构钢,预应力混凝土用钢丝和钢绞线,热轧钢筋,冷轧扭钢筋,冷轧带肋钢筋,41,一、钢结构用钢,(一)碳素结构钢：,1.碳素结构钢的牌号：屈服点符号、屈服点数值、质量等级符号和脱氧程度符号组成。表达式x1 x2-x3 x4X1-屈服点符号(Q)、X2-屈服点数值(单位MPa)、X3-质量等级(钢中有害杂质硫、磷由多到少有

18、A、B、C、D 4级，逐级提高)和X4-脱氧方法(F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢。其中Z、TZ可省略)。Q235-BZ,2.牌号与钢材性能间的关系：,碳素结构钢随牌号越大，含碳量增高，屈服强度和抗拉强度提高，但塑性、韧性和冷弯性能下降。,42,3、各牌号碳素结构钢的特点及应用：,(1)Q195、Q215号钢材 特点：强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，多用于受荷较小以及焊接结构中，可制作铆钉、钢筋等。(2)Q235(建筑工程中主要应用的钢号)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

19、可用在重要的焊接结构。(3)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。(4)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。思考题:碳素结构钢牌号的含义是：Q表示，Q后面的数字表示，数字后A、B、C、D表示，牌号末尾的“F”表示,43,(二)优质碳素结构钢,1、牌号：,三部分表示：含碳量、含锰量标著、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.

20、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。,44,(三)低合金高强度结构钢,1.牌号：由屈服强度字母、屈服强度数值和质量等级三个部分组成:X1X2X3。X1-屈服点的汉语拼音字母Q、X2-屈服点数值MPa和质量等级、E五个质量等级。分为八个牌号：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620和Q690。,2.特点与选用：,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

21、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节约钢材，经济效益显著。,45,二、混凝土结构用钢筋,(一)热轧钢筋,2、牌号,热轧成型，自然冷却而成。外形有光圆、带肋两种。,1、外形,四个牌号：级，HPB235；级，HRB335；级，HRB400；级，HRB500,HRB335,Hot rolled,屈服强度(MPa),Ribbed,Bars,46,3、技术性能与应用：,级钢筋 强度较低，但塑性和焊接性能很好，便于各种冷加工，广泛用于小型混凝土结构的主受力筋及各种混凝土结构的构造筋和箍筋。,级钢筋 强度较高，塑性和焊接性好，是钢筋混凝

22、土常用钢筋，广泛用于大、中型构件的主受力筋。,级钢筋 性能及应用与级钢筋相近，但塑性和焊接性略差于级钢筋。,级钢筋 强度高，但塑性和焊接性较差，适宜作预应力钢筋。,47,(二)冷轧带肋钢筋,1.外形：热轧盘圆条经冷轧或冷拔减径后而成。两面或三面有肋。,2、强度等级,按抗拉强度分五级：CRB550级；CRB650级；CRB800级；CRB970级；CRB1170级。,CRB550,Cold rolled,屈服强度(MPa),Ribbed,Bars,48,3、技术性能及应用,冷轧带肋钢筋强度高，塑性好，质量稳定，与混凝土粘结牢固，节约钢材。,主要应用：,CRB550主要用于普通钢筋混凝土结构中的主

23、受力筋、架立筋、箍筋和构造钢筋；,CRB650中、小型预应力钢筋混凝土构件的主受力筋；,CRB800同CRB650,49,(三)冷轧扭钢筋,1、外形,级圆钢,冷拉、调直,冷轧、冷扭,螺旋状直条钢筋,50,2、技术特点及应用,材质：,碳素结构钢,特点：,冷扭后力学性能好，节省钢材；螺旋状直条铺设绑扎方便，与钢筋的握裹力强，不易松动；,应用：,大型现浇平板和空心板，条基，中、小型筏基，桥面，路面等构件。可按构件尺寸定货，现场不 再切割。,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。,51,(四)预应力钢筋混凝土用钢丝和钢绞线,预应力钢丝由优质碳素结构钢制成。预

24、应力钢绞线由数根钢丝绞捻在一起，经热处理而成。,1、预应力钢丝：,分类：,按交货状态分为冷拉钢丝、消除应力钢丝；按外形分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋钢丝；按松驰能力分为I级松驰和级松驰两级。,代号：,RCD(冷拉钢丝)、S(消除应力钢丝)、SI(消除应力刻痕钢丝)、SH(消除应力螺旋肋钢丝)。,作用：,节约钢材、减小构件截面、节省混凝土。,应用：,桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。,52,2、预应力钢绞线：,分类,按捻制结构分类,用两根钢丝捻制的钢绞线(表示为12),用三根钢丝捻制的钢绞线(表示为13),用七根钢丝捻制的钢绞线(表示为17),按应力松驰能力,I级松驰,级松驰

25、,53,(五)预应力钢筋混凝土热处理钢筋,热轧带肋钢筋,淬火,回火,热处理带肋钢筋(出厂呈盘条状),规格,6、8.2、10mm,屈服强度,1325MPa、1470MPa,应用,主要用于预应力混凝土梁、板，铁道轨枕等,54,总结：钢筋的选用,普通受力的钢筋混凝土构件，常用：热轧钢筋 HPB235、HRB335、HRB400；冷轧钢筋 CRB550。,预应力混凝土构件，常用：预应力混凝土钢丝、钢绞线；热处理钢筋；将热轧钢筋 HRB335、HRB400、HRB500 冷拉,中、小型预应力混凝土构件，常用：冷轧钢筋 CRB650，CRB800；冷拔低合金钢丝。,55,钢材直接与周围介质发生化学反应产生

26、锈蚀,多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。干燥环境缓慢，温湿度高，发展迅速。,第四节 钢材的锈蚀与防护,一、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。,(一)钢材的锈蚀类型,化学锈蚀,电化学锈蚀,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。,56,(二)锈蚀的结果,1、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。2、钢锈产生体积膨胀，造成钢筋混凝土构件表面混凝土膨胀开裂,二、钢材的防护,三个方面：从改变钢

27、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。,具体防护措施：,(一)钢结构用 钢的防护：,采用耐候钢(耐大气腐蚀钢),金属覆盖电镀或喷镀,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。,57,(二)混凝土用钢筋的防锈,提高砼密实度：限制水灰比和水泥用量加强施工,钢筋混凝土保护层厚度；,限制使用含Cl-的外加剂；,钢筋涂覆环氧树脂或镀锌,58,思考题,钢中含碳对各项性能的影响？答：钢的含碳量高时，性质硬脆、塑性差、抗拉强度低，不符合土木工程的工艺、冲击和振动荷载的要求。什么称为钢材的屈强比？其大小对使用性能有何影响？答：钢材的屈强强度和抗拉强度之比

28、称为屈强比。屈强比小时，其钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，其结构越安全；屈强比太小时，其钢材不能有效利用。钢材的冷加工对性能有何影响？什么是自然时效和人工时效？答：经过冷加工（冷拉、冷拔、冷轧）的钢材，均能提高强度，而塑性和韧性下降。经过冷加工的钢材放置15-20d为自然时效。经过冷加工的钢材加热100-200，并保持2-3h为人工时效。两种时效均能使钢材的强度再提高，塑性和韧性再下降。,59,低合金高强结构钢与碳素结构钢有哪些不同？答：低合金高强雅结构钢和碳素结构钢，两者之间的化学成分、强度、伸长度、工艺、用途等均不相同。说明Q235C与Q390-D所属的钢各及各符号的意义？答：Q23

29、5-C，表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢。Q390-D，表示屈服强度为390MPa的D级镇静钢。热轧钢筋按什么性能指标划分等级？并说明各级钢筋的用途。答：热轧钢筋主要按屈服点、抗拉强度和伸长率划分等级，同时满足相应的冷弯性能。I级钢筋：主要用于普通钢筋混凝土的受力钢筋、构造筋和箍筋。II、III级钢筋：主要用大、中型钢筋混凝土结构，经冷抗后可用于预应力混凝土。IV级钢筋：主要用于预应力混凝土。如需焊接，应采用适当的焊接方法和焊后热后理工艺。,思考题,60,对于有冲击、震动荷载和在低温下工作的结构采用什么钢材？答：采用Q235-D级钢材，在低温的条件下工作具有较强的抗冲击和振动荷载的能力。,思考题,