第七章建筑钢材.ppt

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1、,第七章：建筑钢材,第一节：建筑钢材的冶炼和分类,钢材在建筑工程中与其它结构材料相比所具有的特性：1轻质高强2韧性好、抗冲击能力强、抗拉强度高3可焊接、铆接、易于装配4外表轻巧、华美、具有光泽5易腐6耐火性差,屈服强度及抗拉强度,强度,疲劳强度,力学性能,冲击韧性,硬度,塑性变形,变形性,弹性变形,使用性能,物理性能,化学性能,冷弯性,热处理,可焊性,工艺性能,钢筋的主要技术性能,建筑钢材内容,一、钢材的冶炼与分类二、建筑钢材的主要技术性质三、影响钢材性能的主要因素四、建筑钢材的标准与选用五、建筑钢材的锈蚀及防止,第一节：建筑钢材的冶炼和分类 一、钢的冶炼 钢由生铁冶炼而成。生铁（形成过程和特

2、点？）生铁有分为 炼钢生铁和铸造生铁。钢材在冶炼过程中，会产生氧化铁残留在钢水中，降低钢的质量，所以要进行脱氧处理，目前采用的脱氧剂主要是，锰、硅、铝、钛等 其脱氧能力 锰:硅:铝=1:5:90.,二、钢的分类（一）按冶炼方法分,平炉钢（冶炼过程和原理？）,氧气转炉钢,电弧炉钢,按炼钢炉类型分,按脱氧程度分,半镇静钢b,沸腾钢 F,镇静钢 Z,特殊镇静钢 Z,平炉炼钢的原理平炉的炉膛是一个耐火砖砌成的槽，上面有耐火砖制成的炉顶盖住。平炉的前墙上有装料口，装料机就从这里把炉料装进去。熔炼时关上耐火砖造成的门。炉膛的两端都筑有炉头，炉头各有两个孔道，供导入燃料与热空气，或从炉里导炉气之用。平炉炼钢

3、所用的原料有废钢、废铁、铁矿石和溶剂（石灰石和生石灰）。开始冶炼时，燃料遇到导入的热空气就在燃料面上燃烧，温度高达1800。热量直接由火焰传给炉料，使炉料迅速熔化（铁的熔点是1535，钢略低）。同时有一部分熔化的生铁生成氧化亚铁，生铁里的杂质硅、锰被氧化亚铁氧化，声成炉渣。由于炉里放有过量的石灰石，磷与硫等杂质就生成磷酸钙和硫化钙成为炉渣。其次碳也进行氧化，生成一氧化碳从熔化的金属里冒出，好象金属在沸腾一样。反应快要进行完毕的时候，加入脱氧剂并定时把炉渣扒出。在冶炼将完成时要根据炉前分析（用快速分析法，几分钟可完成）来检验钢的成分是否合乎要求。炼锝的钢从出钢口流入钢水包里，再从钢水包注入模子里

4、铸成制品或钢锭。为了提高炉温，气体燃料要在蓄热室里进行预热。在平炉里不但可加入液态生铁，而且可以加入固态的生铁以及加工以后的废铁和铁矿石等。另外，在平炉里如果用30%的富氧空气鼓风，同时在熔化的金属里吹入氧气，可使生产率提高80%，冶炼的时间缩短24小时，并可节约燃料，富氧空气也不需要预热。,沸腾钢：是脱氧不完全的钢。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析严重，再加上钢的致密程度较差，使它的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更为显著。但成本较低。镇静钢：是脱氧完全的钢。是质量较好的钢种，但成本较高。半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的

5、钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。,（二）化学成分：低碳钢 含碳量 0.6%低合金钢 合金含量10%,普通钢 P0.0450.085%,S0.0550.065%优质钢 P0.0350.040%,S0.030.04%高级优质钢P0.0270.035%,S0.020.03%特级优质钢 P0.025%,S 0.015%,（三）按钢的品质（质量）分,（四）按用途分,结构钢,碳素结构钢,合金结构钢,工具钢,碳素工具钢,合金工具钢,高速工具钢,特殊性能钢,角钢槽钢工字钢圆钢方钢六角钢,（五）按钢材形状分,盘圆光圆带肋螺纹钢绞线,厚板中板薄板,普通钢管无缝钢管,1型钢,2钢筋,3钢

6、板,4钢管,盘圆是建筑工程施工中常用的名称，表示直径是10毫米以下的钢筋，因为10毫米以下的钢筋容易弯曲，在运输前为减小长度，就在厂家把很长的钢筋卷成一圈一圈的圆环状，在建筑工地上把这样的钢筋简称为盘圆。光圆钢筋：圆钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，由低碳钢和普通合金钢在高温状态下压制而成，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构的配筋，是土木建筑工程中使用量最大的钢材品种之一。直径6.59.0毫米的钢筋，大多数卷成盘条；直径1040毫米的一般是 612米长的直条。I级钢筋（Q235钢钢筋）均轧制为光面圆形截面，供应形式有盘圆，直径不大于10mm，长度为6m12m。衡量钢材的主要指标是什么？,

7、一、建筑钢材的力学性质,（一）抗拉强度1、弹性阶段:p2、屈服阶段:s3、强化阶段:b s b 4、颈缩阶段:（l1l。）l。,塑性变形值,伸长率,第二节 建筑钢材的主要技术性质,低碳钢拉伸的应力应变曲线,拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的主要指标。钢筋的拉伸试验？结果见右图。1、弹性变形（特点）弹性极限弹性模量E反映钢材抵抗弹性变形的能力。2、屈服阶段：出现塑性变形表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。,屈服现象：关键是在于这种材料当所受到的应力达到一定值的时候，虽然应力不再增加而形变却依然在继续，而且是不可恢复的塑性变形。也就是说此时外力不再增加但材料的破坏却还在继续，材料已经失

8、去了对变形的抵抗能力。因此，从安全的角度考虑，将此时的材料所受到的应力作为作为该种材料的屈服极限，或叫做屈服强度。在使用材料的时候，一般要保证材料受到的应力要小于该材料的屈服极限，这样才能安全。钢材受力大于屈服点后，钢材已不能满足要求，因此，屈服强度是工程结构设计中的一个重要参数。,3、强化阶段：（BC曲线的特点？）钢材内部组织中的晶格发生畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化。极限抗拉强度。是钢材受拉时所能承受的最大应力抗拉强度。屈服强度和抗拉强度之比。,屈服比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈服比越小，其结构的安全可靠程度越高，不易因局部超载而造成脆性断裂而破坏；但屈服比过小，又说

9、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服比一般为0.600.75。4、颈缩阶段：将拉断后的试件拼合起来，测出标距范围内的长度与试件原标距只差与试件原标距之比伸长率。,表示方法伸长率、断面收缩率,1）伸长率,越大，说明钢材的塑性越好，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。中碳钢与高碳钢的屈服强度？。见图7-3.,2.冲击韧性,冲击韧度：就是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。冲击韧性是通过（V型缺口）冲击试验来测定的。将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。用摆锤打断试件，测得试件单位截面积上所消耗的功，作为冲击韧

10、性指标，用冲击值 表示，单位为J/cm2。F试件断口处的截面积；Ak冲断试件所消耗的功。,影响因素化学成分冶炼质量试件表面质量冷加工及时效对于承受动荷载的重要结构，应选用时效敏感性小的钢材。,温度冷脆性脆性转变温度,3疲劳强度 定义：疲劳破坏：钢材在交变荷载的反复作用下，往往在应力远小于其屈服强度时就发生脆性断裂而破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳强度：钢材在交变应力作用下，于规定的循环次数（周期基数）内不发生断裂所能承受的最大应力。疲劳极限强度：钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值。钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的。疲劳破坏是突然发生的，因此危险性很大。,4.硬度,测定

11、钢材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法和维氏法。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(毫米)的硬质钢球，在规定荷裁P(牛顿)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸载，量出压痕直径d(毫米)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HB)。计算公式为：HB是以数字表示，如HB150。HB175时，HB与强度之间是什么关系？,定义:钢材表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力，即对局部塑性变形的能力。,二、建筑钢材的工艺性能,1.冷弯性能 钢材的冷弯性能，是指它在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯性能是将钢材试件（圆形或板形）置于冷弯机上弯曲至规定角度（90或180

12、）观察其弯曲部位是否有裂纹、起层或断裂现象，如无，则为合格。弯曲角度越大，弯心直径对试件厚度（直径）比值（）越小，则表示钢材的冷弯性能越好。钢材的冷弯示意图：,：,2、冷加工性能及时效处理：1）冷加工处理：常温下冷加工使之产生塑性变形，从而提高屈服强度。2）时效：钢材冷加工后，在常温下存放1520d或加热至100200C，保持2小时左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低时效。,2.焊接性能,钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提

13、高，钢材的可焊性降低；钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢筋焊接应注意的问题：冷拉钢筋的焊接应在冷拉之前进行；焊接部位应清除铁锈、熔渣油污等；避免不同钢材之间焊接。,是各种型钢、板钢、钢筋的连接方式。90%是焊接结构。,3、钢材的冷加工及时效强化,（1）冷加工方法及作用,1、冷加工：在常温下进行加工，使其产生一定的塑性变形，钢材的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降。（亦称加工硬化，或冷作强化）,2、作用：（1）屈服强度提高，抗拉强度不变。（2）节约钢材。（3）除锈、调直。,三冷作业：冷拉、冷拔、冷轧。,（2）时效强化,1、时效

14、：钢材在长时间的搁置中，尤其在经冷加工后，会自发地呈现强度和硬度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象。,人工时效：将经过冷加工的钢筋加热到100C 200 C 并保持一定时间。自然时效：将经过冷加工的钢筋于常温下存放15 20天。,2、作用：优点：屈服强度、抗拉强度及硬度提高。缺点：塑性、韧性下降,四、钢材的冷加工及时效强化,钢筋拉伸试验,（一）材料根据相关的检验标准，一般每批由同一牌号、同一等级、同一品种、同一截面尺寸、同一交货状态、同一进场时间和同一炉罐号组成的钢筋为一验收批次，每批质量不大于60t。钢筋应有出厂证明书或试验报告单。验收时应抽样作机械性能试验，包括拉伸试验和冷弯试验两个项目

15、。两个项目中如有一个项目不合格，该批钢筋即为不合格。从外观和尺寸合格的每批钢筋中随机抽2根，试件在截取时，应先在钢筋的任意一端切去500mm后截取。于每根距端部截取拉伸试件1根（共2根）、冷弯试件1根（共2根）。拉伸试件长度标称标距+200mm，冷弯试件长度应标称标距+150mm（试件可分长试件和短试件，短试件标称标距为5d,长试件标称标距为10d，d为钢筋直径）。试件长度同时还应考虑的有关参数，一般施工现场钢筋拉伸试件长度=5d+（250mm300mm），冷弯试件长度=5d+150mm。拉伸试验用钢筋不应进行切削加工。钢筋在使用中如有脆断、焊接性能不良或机械性能显著不正常时，还应进行化学成分

16、分析，或其他专项试验。,（二）设备1YDL系列电液伺服万能试验机YDL系列电液伺服万能试验机是用于材料抗拉性能和冷弯性能测试的新型机电液一体化试验设备。YDL 系列电液伺服万能试验机是利用液压油的压力对试样加载，进行金属、非金属及复合材料的拉伸、压缩、弯曲、剪切等材料力学性能测定的试验设备。还可进行试验力、变形等速率控制以及恒试验力、恒变形等试验。各种试验数据由计算机进行处理和屏幕显示，并由打印机自动打印试验曲线和试验结果。YDL系列电液伺服万能试验机具有操作方便、作用力大、结构简单、紧凑、工作可靠、经久耐用等特点。,操作步骤打开计算机电源，双击桌面上的TestExpert.NET图标，启动试

17、验程序，或从WINDOWS的开始菜单中点击“开始”“程序”“TestExpert.NET”。以合适的用户身份，输入密码登录程序，成功后进入程序主界面。,打开控制器电源，调整控制器状态使其进入可以联机的状态。选择合适的负荷传感器连接到横梁。,选择试验方法。,按程序左侧的联机按钮：联机大概需要几十秒钟，联机成功后，各通道值显示到下面的各通道显示窗口中，如果联机不成功，将给出提示信息，这时请检查接线是否正确，控制系统是否有故障等。,按启动按钮，成功后，启动灯亮，程序左侧的大部分试验按钮处于可用状态。,使用手控盒或程序移动横梁，夹持试件。与横梁移动有关的程序上的试验按钮。,各通道清零（在各通道的显示表

18、头上单击鼠标右键，弹出一个快捷菜单，点清零即可），此为对位移通道进行清零。,单击“开始试验”按钮开始试验，该按钮位于主界面的左侧。注意：如果无意中启动了一个没夹试件的试验，或试验过程中出现其它错误，请按“结束试验”。,结束试验时，程序会提示要求输入试验名，输入后数据将被存入数据库。完成一组试验后，可以进入数据处理界面查看数据、试验结果，打印输出。,注意事项每次试验前，仪器接通电源，打开仪器预热约20分钟左右，讲完课再作试验。各项试验不得超过规定的终载的最大拉压力。做拉伸试验时，试验开始前一定拔下定位销，屈服阶段后一定及时摘下引伸仪。位伸试验中还应注意不使试样氧化皮或断裂后碎片进入夹头座的滑动面

19、内，试验后必须将滑动面擦拭干净，并经常保持润滑良好。EDC、计算机关机后再次开机，间隔时间应达2分钟以上，否则有可能损坏设备。丝杠上的螺纹应经常保持清洁，以免相互研伤。同时，丝杠及试台也应适当涂抹润滑油，以免生锈。,2游标卡尺,游标卡尺的基本构造,游标卡尺的使用,用软布将量爪擦干净，使其并拢，查看游标和主尺身的零刻度线是否对齐。如果对齐就可以进行测量：如没有对齐则要记取零误差：游标的零刻度线在尺身零刻度线右侧的叫正零误差，在尺身零刻度线左侧的叫负零误差（这件规定方法与数轴的规定一致，原点以右为正，原点以左为负）。测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径（或内径）的物体，使待测物位于

20、外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数。,测量时，右手拿住尺身，大拇指移动游标，左手拿待测外径（或内径）的物体，使待测物位于外测量爪之间，当与量爪紧紧相贴时，即可读数。,游标卡尺的读数,读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度线对齐，如第7条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为07毫米。读数为12.7mm。,精度为0.05毫米的游标卡尺的游标上有20个等分刻度，总长为19毫米。测量时如游标上第17根刻度线与主尺对齐，则小数部分的读数为17/20毫米0.85毫米。,精度为0.02毫米的游标卡尺的游标上有50个等分刻度，

21、总长为49毫米。测量时如游标上第23根刻度线与主尺对齐，则小数部分的读数为23/50毫米0.46毫米。,游标卡尺的保管,游标卡尺使用完毕，用棉纱擦拭干净。长期不用时应将它擦上黄油或机油，两量爪合拢并拧紧紧固螺钉，放入卡尺盒内盖好。,注意事项游标卡尺是比较精密的测量工具，要轻拿轻放，不得碰撞或跌落地下。使用时不要用来测量粗糙的物体，以免损坏量爪，不用时应置于干燥地方防止锈蚀。测量时，应先拧松紧固螺钉，移动游标不能用力过猛。两量爪与待测物的接触不宜过紧。不能使被夹紧的物体在量爪内挪动。读数时，视线应与尺面垂直。如需固定读数，可用紧固螺钉将游标固定在尺身上，防止滑动。实际测量时，对同一长度应多测几次

22、，取其平均值来消除偶然误差。,三、试验过程,测量断后标距L1,四、数据分析及结果评定,式中s屈服点（屈服强度）（Mpa）Fs屈服荷载（N）A试件的公称横截面积（mm2）当s1000Mpa时，应计算至10Mpa；s为2001000Mpa时，计算至5Mpa；s200Mpa时，计算至1Mpa。小数点数字按修约法处理。,屈服点按下式计算,抗拉强度按下式计算,式中b抗拉强度（Mpa）Fb破坏荷载（N）A试件的公称横截面积（mm2）当b计算精度的要求同s。,伸长率按下式计算（精确至1%）,式中L1试件拉断后直接测量或按移位法确定的标距部分长度（mm）（精度为0.1mm）；L0试件的原标距长度10d或5d（

23、mm）；10或5分别表示长或短试件的伸长率。,结果评定：在拉伸试验的两根试件中，如有其中一根试件的屈服点、抗拉强度和伸长率三个指标中有一个指标达不到标准中的规定数值，则从同一验收批中再抽取双倍（4根）钢筋，制取双倍（4根）试件复验，复验结果如仍有一根试件的某一个指标达不到标准要求，不论这个指标在初验中是否达到标准要求，则该批不予验收合格。,一、化学成分：钢是铁碳合金。（一）建筑钢材的化学成分：1、碳：是决定钢性的主要元素。2、有益元素：硅、锰、鈦、钒等。3、有害元素：磷、硫、氧、氮等。（二）建筑钢材的晶体组织：铁素体、渗碳体、珠光体,第三节 影响钢材性能的主要因素,降低塑性和韧性,提高强度和改

24、善韧性,1、铁素体：碳在铁中的固溶体，由于原子之间的空隙很小，对碳的溶解度也很小，接近于纯铁良好的延展性、塑性、韧性；强度、硬度低。2、渗碳体：铁和碳组成的化合物Fe3 C,碳含量6.67%，性质硬而脆碳钢的主要组分。3、珠光体：铁素体和渗碳体的机械组合物，强度高，塑性韧性介于上两者之间。见表7-1.,第四节 建筑钢材的标准与选用,（一）碳素结构钢（二）优质碳素结构钢（三）低合金高强度结构钢（四）常用建筑钢材,常用建筑钢材,1、热轧钢筋2、预应力混凝土用热处理钢筋3、冷拔低碳钢丝4、预应力钢丝、刻痕钢丝和钢铰线5、型钢,1、热轧钢筋 混凝土结构用热轧钢筋应有较高强度，具有一定的塑性、韧性、可焊

25、性。1）Q235轧制的光圆钢筋2）合金轧制的带肋钢筋，见表7-3、7-4.2、冷加工钢筋 1)冷拉钢筋 2）冷拔低碳钢丝 3）冷轧带肋钢筋及冷轧扭钢筋3、钢筋混凝土用钢筋的检验要求,（一）碳素结构钢,应符合国家标准碳素结构钢（GB7002006）的规定。,碳素结构钢的牌号由4个要素组成：,脱氧程度代号，F代表沸腾钢；b代表半镇静钢；Z代表镇静钢；TZ代表特殊镇静钢，（Z、TZ符号可予以省略。,钢材屈服点数值,质量等级代号分A、B、C、D四级,钢材屈服点代号，以“屈”字汉语拼音首位字母“Q”表示,（二）优质碳素结构钢,应符合国际标准优质碳素结构钢技术性质（GB159194）的规定,优质碳素结构钢

26、的钢号用两位数字表示，它表示平均含碳量的万分数。较高含锰量时，在钢号后加注“Mn”。,由其含锰量不同可分为普通含锰量（含锰0.8%，共20个钢号）和较高含锰量（含锰0.7%1.2%，共11个钢号）两组。,（三）低合金高强度结构钢见表7-12,应符合国家标准低合金高强度结构钢（GB15911994）的规定,质量等级符合，分A、B、C、D、E五级,屈服点数值,代表屈服点的汉语拼音字母Q,三、钢结构用H型钢、钢板,第六节 建筑钢材的锈蚀及防止,（一）建筑钢材锈蚀的种类,1、化学腐蚀：指钢材表面与周围介质直接发生化学反应而产生的腐蚀。2、电化学腐蚀：指在潮湿的空气中，钢表面为一层电解质水膜所覆盖，发生

27、电解反应，生成疏散而易剥落的铁锈。,锈蚀的主要原因：水和氧气,（二）建筑钢材锈蚀的防止 钢结构采用刷漆的方法 钢筋混凝土主要考虑混凝土的质量要求,例：从一批钢筋中抽样，并截取两根钢筋做拉伸试验，测得如下结果：屈服下限荷载分别为42.4、42.8kN;抗拉极限荷载分别为62.0kN、63.4kN，钢筋公称直径为12，标距为60，拉断时长度分别为70.6和71.4mm,说明其利用率及使用中安全可靠程度如何,解1.钢筋试样屈服点为：,s=(394+375)2=385 N/mm2,钢筋试样抗拉强度为：,b=(548+561)2=555 N/mm2钢筋试样伸长率为：,=(17.7+19.0)2=18.4%,该钢筋的屈服比为：s/b=385/555=0.69该钢筋的屈服比在0.650.75范围内，表明其利用率较高，使用中安全可靠度较好。,第七节 建筑钢材防火,作业7-10,