第2章建筑钢材.

第2章建筑钢材指用于工程建设的各种钢材。包括：型钢，钢板，钢丝，钢筋。优点1.比强度高；2.塑性好、韧性好；3.能承受冲击和振动荷载；4.加工性好。缺点1.易锈蚀；2.维护费用大。建筑钢材可用于：大跨度结构，多层及高层结构，受动荷载作用的工业厂房。2.1金属的微观结构及钢材的化学组成2.2建筑钢材的主要力学性质2.3建材的冷加工及时效强化、热处理和焊接2.4钢材的防火和防腐蚀2.5建筑钢材的品种和选用1.建筑钢材是建筑中常用的材料。2.钢材的品种多，性质差别大。3.为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的了解。4.本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗拉性能）、技术标准和选用。冶炼原理将熔融的生铁水或焦炭及铁矿石加入炼钢炉中精炼，使炭及其它杂质氧化而挥发或变成氧化物进入渣内，降低炭及其它杂质的含量。2.1金属的微观结构及钢材的化学组成2.1.1金属的微观结构概述金属的晶体结构金属晶体结构中的缺陷点缺陷；线缺陷；面缺陷金属强化的微观机理细晶强化固溶强化弥散强化变形强化2.1.2钢材的化学组成金属晶体晶格类型：金属晶体的晶格有三种类型：面心立方晶格FCC（Face-centeredcubic）体心立方晶格BCC(Body-centeredcubic)密集六方晶格HCP（Hexagonalclose-packed）金属晶体结构中的缺陷：点缺陷:由于晶体中的热振动等原因，个别能量较高的原子克服了临近原子的束缚，离开了原来的平衡位置，形成了“空位”，跑到另一个结点或结点间的不平衡位置上导致晶格畸变，某些杂质的嵌入，也会导致晶格畸变，这些缺陷称为点缺陷。线缺陷：在金属晶体中某晶面间原子排列数目不相等，在晶格中形成缺列，这种晶体缺陷称为“位错”。位错有刃位错和螺位错。面缺陷：晶界处的原子排列规律受到严重干扰，使晶格发生畸变，畸变区形成一个面，这些面又交织成三维网状结构，这些缺陷称为面缺陷。金属强化的微观机理改变晶体缺陷的的数量和分布状态细晶强化：增加单位体积中晶界面积来提高屈服强度的方法固溶强化：固溶体形成较多缺陷弥散强化：散入第二相质点，增大位错运动阻力变形强化：缺陷密度增加2.1.2钢材的化学组成按化学成分可分为：黑色金属和有色金属。金属材料的分类钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。1.钢材的分类：按化学成分分低碳钢（含碳量小于0.25％）碳素钢中碳钢（含碳量0.25％～0.6％）高碳钢（含碳量大于0.6％）低合金钢（合金元素小于5％）合金钢中合金钢（合金元素5％～10％）高合金钢（合金元素大于10％）建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。按品质（杂质含量）分类(1)普通钢：含硫量≤0.045％～0.050％；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％，高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”；含磷量≤0.025％。(4)特级优质钢：含硫量≤0.015％，特级优质钢后加“E”；含磷量≤0.025％。按冶炼时脱氧程度分类钢按冶炼时脱氧程度可分为镇静钢、特殊镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。两钢锭（沸腾钢和镇静钢）的纵剖面图（A）沸腾钢（B）镇静钢从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般地建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气泡产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载地重要结构。此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量较好。按结构用途分类结构钢各种工程构件及机械零件，属低碳钢或中碳钢。工具钢刀具、模具。特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢。钢材的基本晶体组织钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图象，故也称显微组织。在钢材中碳原子与铁原子之间的结合有三种基本的方式：即固溶体、化合物和机械混合物。由于铁与碳的组合方式的不同，碳素钢形成的基本组织有铁素体、渗碳体、珠光体。钢材的显微组织钢材在常温下主要有三种显微组织：①铁素体:钢材中的铁素体系碳在α-Fe中的固溶体，由于α-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少（小于0.02％），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。②渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67％，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低，是钢中的主要化学成分。③珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8％)，层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。片状珠光体铁针状和块状铁素体钢材的成分对性能的影响除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。其中硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1％时，可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在1％～2％之间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加工性。硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。钛是强脱氧剂，钒、铌是碳化物和氮化物的形成元素，三者皆能细化晶粒，增加强度，在建筑常用的低合金钢中，三者为常用合金元素。磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响更大，磷的偏析倾向强烈。氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与C、P相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低熔点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性，且有强烈的偏析作用；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。化学元素对钢材性能的影响化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳（C）1%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅（Si）1%↑↓↓↓↓冷脆性↑锰（Mn）↑↑↑↑脱氧、硫剂钛（Ti）↑↑↑↓↑强脱氧剂钒（V)↑↑时效↓磷（P）↑↑↓↓↓偏析、冷脆↑↑氮（N）↑↑↓↓↓↓冷脆性↑硫（S）↑↓↓热脆性氧（O）↑↓↓2.2建筑钢材的主要力学性能2.2.1抗拉性能2.2.2冷弯性能2.2.3冲击韧性2.2.4硬度2.2.5耐疲劳性抗拉性能从低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。(1)弹性模量钢材受力初期，应力与应变成比例地增长，应力与应变之比为常数，称为弹性模量，即E=б/ε。这个阶段的最大应力（P点对应值）称为比例极限бp。弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要指标。(2)弹性极限应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力（e点对应值）称为弹性极限бe。事实上，бp与бe相当接近。(3)屈服强度和条件屈服强度当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用бs表示。条件屈服强度：有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2％)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度(б0.2)。高碳钢拉伸时的应力-应变曲线如图所示。(4)极限强度当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。钢材受拉断裂前的最大应力值（b点对应值）称为强度极限或抗拉强度бb。相反，值越小，可靠性越低，安全性越低。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sb强屈比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。伸长率的测定把试件断裂的两段拼起来，便可测得标距范围内的长度，减去标距长就是塑性变形值，此值与原长的比率称为伸长率δ。伸长率δ是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。1l1l0l0lδ5和δ10分别表示=5d0和=10d0时的伸长率。对同一种钢材δ5δ10。这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的,颈缩处的伸长率较大，因此当原始标距与直径d0之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算得的伸长率就愈小。的伸长率是采用定标距试件测定的，如标距=100mm或200mm，则伸长率用δ100或δ200表示。0l0l0l0l试件拉伸前和断裂后标距的长度颈缩两种钢材的选用请观察图中Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的应力－应变曲线的差异。讨论下述问题：若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用谁者更合适。使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高。两种低碳钢的应力-应变曲线请观察图中Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的应力－应变曲线的差异。讨论下述问题：(1)若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用谁者更合适。从Ⅰ、Ⅱ两条曲线比较可知，低碳钢Ⅱ的弹性模量E小于低碳钢Ⅰ，也就是说，低碳钢Ⅱ的抗变形能力不如低碳钢Ⅰ。对于变形要求严格的构件选用低碳钢Ⅰ更为合适。(2)使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高。Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的屈服强度бs相近，但低碳钢Ⅰ的抗拉强度бb高于Ⅱ，即其屈服强度比бs/бb较小。屈服强度比值越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。(当然，屈服比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，不合理。Q225钢材的屈服比为0.58～0.63，普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。)2.2.2冷弯性能冷弯性能使钢材在常温下的承受弯曲变形的能力，是建筑钢材重要的工艺性能。以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示。钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=na,n为整数），弯曲到规定的角度时（180°或90°），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。钢材的冷弯冷弯试验意义：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。冷弯试验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。钢材的冷弯性能与其内部组织的关系A、B两种钢材,A钢材δ5及δ10均略大于B钢材。但从图所知，A钢材的冷弯性能却不如B钢材。请分析原因，及A与B两种钢材内部组织的差异。伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。而冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常