建筑材料课件第02建筑钢材.ppt
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1、建筑钢材,(1)概 述,(1)钢材的定义:钢材是一种以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下,并含有其他元素(磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料;(2)钢材的优点以及缺点:优点:(1)抗拉、抗压、抗冲击性能好;(2)可加工性能好,可切割、可焊接和铆接,装配方便;缺点:易锈蚀;,切割,焊接,铆接,(2)建筑钢材,建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。建筑钢材主要包括:钢结构用各种型材(如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等);板材(如钢板等);混凝土用各种钢筋、钢丝和钢绞线等;,钢板,钢结构用各种型材示意图,扁钢,混凝土用各种钢筋,圆钢,混凝土用各种钢筋,螺纹钢,钢丝,钢绞线,(4)、按化学成
2、分分类,分类:(1)碳素钢;(2)合金钢(1)碳素钢:指含碳量小于2%的钢,一般又分为以下三种:碳素钢分为:低碳钢、中碳钢、高碳钢(2)合金钢:为改善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或几种合金元素;如硅、锰和镍等;合金钢分为低合金钢、中合金钢、高合金钢、中碳钢、高碳钢。,(5)、按主要质量等级分类,(1)普通质量钢;(2)优质钢;(3)高级优质钢;(6)、钢材按用途分为三大类:(1)结构钢:建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢;(2)工具钢:用于各种切削工具的钢;(3)特种钢:具有特殊性能的钢,如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等;,(7)、建筑钢材按用途分类,1、钢结构用钢;
3、2、混凝土结构用钢;总结:建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢;,1、钢材的分类,1、钢材的分类,一、钢的冶炼和分类,钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金,钢的含碳量在2%以下,而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化,使碳的含量降低到规定范围,其他杂质含量也降低到允许范围之内。,1、钢的冶炼,1、按冶炼方式分类,分类三大类:(1)转炉钢(2)平炉钢(3)电炉钢;(1)转炉钢:以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入高压热空气(或氧气)进行冶炼而得到的钢,叫做转炉钢;转炉钢的缺点:吹
4、炼时易混入空气中的氮、氢等杂质,故建筑中常用的是氧气转炉钢;熔炼时间短,杂质含量不易控制,因此质量差;,炼钢方法 氧气转炉,(2)平炉钢:以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢,叫做平炉钢;平炉钢的特点:熔炼时间长,易控制质量,因此质量好,但成本较转炉钢高;,1、按冶炼方式分类,炼钢方法 平炉,速度慢、脱磷效果差、能耗高,(3)电炉钢:用电热进行高温冶炼而得到的钢;一般用高压电弧作为热源,故熔炼的温度高,且温度可以自由调节,清除杂质则容易得多,故电炉钢的质量最好;电炉钢的特点:熔炼温度可自由调节,清除杂质彻底,因此质量最好,但成本最高;,(1)、按冶炼
5、方式分类,炼钢方法 电炉,2.钢的铸锭,(1)沸腾钢;(2)镇静钢;(3)半镇静钢(1)沸腾钢的特点:含杂质较多,质量较差,致密性差,但成本低;(2)镇静钢镇静钢的特点:结构致密,成分均匀,性能稳定,是质量较好的钢种,但是产品率低,且成本较高;(3)半镇静钢:半镇静钢的特点:脱氧程度以及钢的质量介于沸腾钢和半镇静钢之间;,按脱氧的方式分类,3.压力加工和热处理,按压力加工方式分类(1)热加工钢材:是将钢锭加热到一定温度,使得钢锭成呈塑性状态进行的压力加工,如热轧、热锻(2)冷加工钢材:指在常温下进行加工的钢材;压力加工的目的:排掉冶炼、铸锭过程中钢材结构的不均匀、气泡等缺点;,热轧,热锻,钢材
6、的冷加工,钢材的冷加工是指在常温下通过机械加工是钢材达到变形,拉直,除锈等效果的一种加工方式;从实际方法上,与热加工相对应,冷加工则指在低于再结晶温度下使金属产生塑性变形的加工工艺,如冷轧、冷拔、冷锻、冲压、冷挤压等。冷加工变形抗力大,在使金属成形的同时,可以利用加工硬化提高工件的硬度和强度。,钢筋冷拉加工,3.压力加工和热处理,热处理(P42)热处理是按照一定的工艺对钢材进行加热、保温、冷却,以使钢材的性能按要求而改变的过程。正火退火淬火回火,2.2钢的晶体组织和化学成分,(一)钢的晶体组织(1)铁素体:是碳在-Fe中的固溶体。其晶格原子间空隙较小,溶入碳少,滑移面较多,晶格畸变小,所以受力
7、时强度低而塑性好。抗拉强度约为250MPa,伸长率约为50%。铁素体的显微组织,铁素体不锈钢,(2)渗碳体:是铁和碳组成的化合物(Fe3C)。含碳量6.67%,晶体结构复杂,性质硬而脆,抗拉强度很低。,(3)珠光体:是铁素体和渗碳体的机械混合物。含碳量0.8%,其强度较高,塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间。建筑钢材的含碳量不大于0.8%,其基本组织为铁素体和珠光体。含碳量增大时,珠光体的相对含量随之增大,铁素体则相应减小。因而,强度随之提高,但塑性和韧性则相应下降。,(二)钢的化学成分对钢材性能的影响,1.碳建筑钢材含碳量不大于0.8%。当碳含量提高,钢中的珠光体随之增多,故强度和硬度相应提高
8、,而塑性和韧性则相应降低。碳是显著降低钢材可焊性元素之一,含碳量超过0.3%时钢的可焊性显著降低。碳还增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低抗大气锈蚀性。2.硅硅在钢中除少量呈非金属夹杂物外,大部分溶于铁素体中。当含量较低(小于1%)时,可提高钢材的强度,对塑性和韧性影响不明显。硅是我国钢筋用钢材中的主加合金元素。,(二)钢的化学成分对钢材性能的影响,3.锰锰溶于铁素体中。锰能消减硫和氧所引起的热脆性,使钢材的热加工性质改善。锰溶于铁素体中使其强化,并起到细化珠光体作用,使强度提高。锤是我国低合金结构钢的主加合金元素,含量一般在1%2%范围内。4.磷磷是碳钢中的有害杂质。主要溶于铁素体起强化作用。含
9、量提高,钢材的强度提高,塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低,对塑性和韧性的影响愈大。磷在钢中的偏析倾向强烈,一般认为:磷的偏析富集,使铁素体品格严重畸变,是钢材冷脆性显著增大的原因。磷使钢材变脆的作用,使它显著降低钢材的可焊性。磷可提高钢的耐磨性和耐蚀性,在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。,钢的化学成分对钢材性能的影响,5.硫硫是很有害的元素。呈非金属的硫化物夹杂物存在于钢中,降低各种力学性能。硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹,显著降低可焊性。硫亦有强烈的偏析作用,增加了危害性。6.氧氧是钢中的有害杂质,主要存在于非金属夹杂物内,少量溶于铁素体中。非金属夹杂物降低钢的力
10、学性能,特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变坏。7.氮氮主要嵌溶于铁素体中,也可呈化合物形式存在。氮对钢材性质的影响与碳、磷相似,使钢材的强度提高,塑性特别是韧性显著下降。在建筑常用的低合金钢中,还常用钛、铌、矾等作为合金元素。,2.3钢材的力学与工艺性能,2.3.1拉伸性能2.3.1.1 低碳钢的拉伸过程,(1)、拉伸试验,低碳钢受拉到拉断,共经历了四个阶段弹性阶段(I):测定弹性模量;屈服阶段(II):测定屈服强度。强化阶段(III):测定抗拉强度。颈缩阶段(IV):测定伸长率。,钢筋的拉伸实验,2.3.1.2高碳钢的拉伸特点,无明显屈服阶段,钢筋的拉伸
11、性能指标,(1)屈服强度和极限强度2.1 2.2公式,钢筋的拉伸性能指标,伸长率:试件拉段后,标距长度的增量与原标距长度之比;断面收缩率:是指断面口处的面积收缩量与原面积之比;2.4公式冷弯性能:指钢材在常温下承受弯曲的能力。冷弯曲实验一般是把钢材按规定的角度(90或180度)与n(n=弯心直径d/钢材的厚度或直径a)进行弯曲。,屈服点(s)是结构设计时取值的依据,表示钢材在正常工作时承受应力不超过s值;屈服点与抗拉强度的比值(sb)称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度;伸长率():表示钢材的塑性变形能力。钢材在使用中,为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断,要求其塑性良好
12、,即具有一定的伸长率,可以使缺陷处应力超过s时,随着发生塑性变形使应力重分布,而避免结构物的破坏。,例:为什么说屈服点(s)、抗拉强度(b)和伸长率()是建筑工程用钢的重要技术性能指标?,硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球,在荷载P(N)的作用下压入试件表面,经规定的时间后卸去荷载,用读数放大镜测出压痕直径d,以压痕表面积(mm2)除荷载P,即为布氏硬度值HB。HB值越大,表示钢材越硬。HBHVHR,2.3.2 硬度,图2.4 布氏硬度测定示意图,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载而不变形的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准
13、试件的背面,将其折断后试件单位截面积上所消耗的功,作为钢材的冲击韧性指标,以k表示(J/cm2)。k值越大,表明钢材的冲击韧性愈好(如图2.10)。影响钢材冲击韧性的因素很多,钢的化学成分、组织状态,以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。,2.3.3冲击韧性,图2.3 冲击韧性试验图,(a)试件尺寸;(b)试验装置;(c)试验机,1摆锤;2试件;3试验台;4刻度盘;5指针,冷脆性时效时效敏感性,钢材在交变应力的反复作用下,往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏,这种现象称为疲劳破坏。(铁丝折断)疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示,它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下,于规定周期基数内不发生断裂所
14、能承受的最大应力。一般认为,钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的,抗拉强度高,其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。,2.3.4 疲劳强度,冷弯性能是指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。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大,弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小,表示对冷弯性能的要求愈高。如图2.14所示钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。,2.3.5 冷弯性能,图2.14 钢材冷弯,(a)试样安装;(b)弯曲90;(c)弯曲180;(d)弯曲至两面重合;(e)规定弯心,2.3.6可焊
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