建筑材料-钢材

第二章建筑钢材建筑材料2教学目标通过本章的学习，（1）了解铁和钢的概念、钢的分类、钢的冶炼加工及其对钢质量的影响；（2）掌握建筑钢材的主要技术性质（力学性质、工艺性能）及其对钢材性能的影响；（3）掌握主要建筑钢材的性质及应用；（4）了解钢的锈蚀、钢材防锈的要点。本章内容2.1建筑钢材基本知识2.1.1建筑钢材概述2.1.2钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响2.1.3钢的分类2.1.4钢材的加工2.2建筑钢材的主要技术性能2.2.1力学性能2.2.2工艺性能2.3建筑钢材的技术标准及应用2.3.1碳素结构钢2.3.2优质碳素结构钢2.3.3低合金高强度结构钢2.4常用建筑钢材课堂练习复习思考题32.1.1建筑钢材概述定义：建筑钢材主要是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、钢绞线等。性能及应用：建筑钢材有较高的强度，有良好的塑性和韧性，能承受冲击和振动荷载，易于加工和装配，可以焊接或者铆接，便于装配广泛应用于建筑工程中。缺点：易锈蚀，耐火性差。2.1建筑钢材基本知识4前言世界主要产钢国粗钢产量变化4俄罗斯,706453美国,984801中国,4187822日本,1162195韩国,484370500001000001500002000002500003000003500004000004500001997199819992000200120022003200420052006千吨6德国9意大利4俄罗斯8乌克兰3美国10巴西1中国7印度2日本5韩国1996年以来，我国钢产量一直居世界第一位。2006年中国粗钢产量突破4亿吨,占世界钢产量的34.4%，相当于前六大钢铁生产国日本、美国、俄罗斯、韩国、德国、印度的总和。钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是重要的钢铁产品，它应用范围广，生产量大。据粗略的统计：2006年我国钢筋实际产量已达8792万吨左右，约占我国钢产量的20.8%。2006年世界粗钢产量日本,11622美国,9848俄罗斯,7065韩国,4844德国,4723印度,4400中国,418780500010000150002000025000300003500040000450001中国2~7万吨5近年来，伴随我国经济持续高速增长，建筑业作为我国国民经济支柱产业之一也得到了快速的发展。由于目前我国建筑主要为钢筋混凝土结构形式，钢筋的生产与消费量增长很快。我国建筑用钢占钢材的消费比例约为53.3%，其中长材的消费占76%以上。钢筋占建筑用长材的61%。020004000600080001000012000199920002001200220032004200520062007年万吨年产量表观消费量67891011121314151617182.1.2钢的冶炼加工及其对钢材质量的影响冶炼原理：将生铁在1700℃左右熔融，进行氧化，使碳的含量降低到一定的限度，同时把其他杂质含量降低到允许范围内。碳素钢——含碳量在0.02%～2.06%，含有害杂质较少的铁碳合金。生铁硬而脆，无塑性和韧性，不能进行焊接、锻造、轧制等加工，在建筑中很少应用。炼钢方法：大规模的炼钢方法主要有转炉法、平炉炼钢法和电弧炼钢法三种。钢材交货时，必须对所用炉种以规定的代号做出标志，脱氧状态也是钢质标志的内容之一。192021顶吹氧气转炉22232.1.3钢的分类按化学成分分类碳素钢：低碳钢：含碳量0.25％中碳钢：含碳量为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5.0％中合金钢：合金元素总含量为5.0％～10％高合金钢：合金元素总含量10％按质量（杂质含量）分类普通钢：含硫量≤0.055％～0.065％；含磷量≤0.045％优质钢：含硫量≤0.03％～0.045％；含磷量≤0.035％高级优质钢：含硫量≤0.02％～0.03％；含磷量≤0.027％按用途分类结构钢：建筑工程用结构钢、机械制造用结构钢工具钢：用于制作道具、量具、模具等特殊钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等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。24根据脱氧程度不同，浇铸的钢锭可分为:沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。名称脱氧程度质量沸腾钢（F）不完全组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成分不均匀，硫、磷杂质较多质量较差，成本较低。广泛用于一般建筑工程。镇静钢（Z）充分组织致密，成分均匀，机械性能好，质量较好，成本较高。适用于预应力混凝土等重要结构工程。半镇静钢（b）均介于上二者之间脱氧程度不同的三种钢锭的比较25•建筑钢材的产品一般分为型材、板材、线材和管材等几类。型材包括钢结构用的角钢、工字钢、槽钢、方钢、轨道钢等。线材包括钢筋混凝土和预应力混凝土用的钢筋、钢丝和钢铰线等。板材包括用于水利水电工程金属结构、房屋、桥梁及建筑机械的中厚钢板；用于屋面、墙面、楼板等的薄钢板。管材主要用于钢桁架和供水、供气（汽）管线等。262.1.4钢材的加工•冶炼生产的钢，除极少量直接用作铸件外，绝大部分都是先浇铸成钢锭，然后再加工制成各种钢材。•将钢锭加热到1150～1300℃后进行热轧，所得的产品为热轧钢材。将钢锭先热轧，经冷却至室温后再进行冷轧的产品为冷轧钢材。一般建筑钢材以热轧为主。钢管是用钢板加工焊制而成的。无缝钢管是对实心钢坯进行穿孔，经热轧、挤压、冷轧、冷拔等工艺而制得。27•钢材热轧具有良好的塑性，容易成型。成型后钢材没有内应力，便于工序加工。如建筑用的钢筋，用来进行冲压的钢板，要进行机械加工和热处理的钢材。•钢材冷轧具有冷加工硬化的特性，由于冷轧具有较好的机械性能，很多直接使用的钢材都使用冷轧钢材。如冷轧钢丝，冷轧钢板，冷轧扭钢筋。2829303132333435以下为沸腾钢（A）与镇静钢（B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。观察与讨论讨论(B)镇静钢(A)沸腾钢(A)沸腾钢(B)镇静钢(A)沸腾钢37某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌，请分析事故原因。案例分析分析答案钢结构屋架坍塌钢结构屋架392.2建筑钢材的主要技术性能2.2.1.1抗拉性能拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。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。通过对钢材进行抗拉试验所测得的弹性模量、屈服强度、抗拉强度和伸长率是钢材的四个重要技术性质指标。2.2.1建筑钢材的力学性能εσE式中ε——材料的应变;σ——材料的应力;E——材料的弹性模量应力与应变401.应力2.应变FFAΔLL0L1建筑钢材的抗拉性能0001LLLLLAFAN4142建筑钢材的抗拉性能一、弹性阶段OA一条通过原点的直线，应力与应变成正比。弹性弹性模量E值的大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。A点对应的应力。tgEα:p0LLOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pE1＞E2图形的特点：试件的特点：计算的指标：ABCD弹性极限43建筑钢材的抗拉性能二、屈服阶段AB一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力——屈服强度（也叫屈服点）点对应的应力。0LL图形的特点：试件的特点：计算的指标：αOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下:s下BsAFss屈服。44三、强化阶段BC一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高——抗拉强度图形的特点：试件的特点：计算的指标：0LLαOAFA低碳钢受拉的应力－应变图pACDBB上B下s:bAFbbbC点对应的应力。建筑钢材的抗拉性能强化。45四、颈缩阶段CD一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小——，直到断裂。伸长率δ：图形的特点：试件的特点：计算的指标：AF0LLαOApACDBB上B下sb%100001LLLL1L0建筑钢材的抗拉性能计算的指标：颈缩46三个重要的指标1.屈服强度σs结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度σb钢材所能承受的最大应力屈强比屈强比，利用率，安全可靠程度3.伸长率δ衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好bsbs↑AF0LLαOApACDBB上B下sbsbbs↑↓%100001LLL47•钢材的σe和σs越高，表示钢材对小量塑性变形的抵抗能力越大。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力就越大。σe与σb差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备能力越大，结构的安全性高。•屈强比（σs/σb）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度的比值，称为屈强比。它也代表了钢材强度储备的大小，屈强比越大，结构零件的可靠性越高，屈强比越小，强度储备大。但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低。一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75,合金结构钢为0.84-0.86。48•伸长率•指金属材料受外力（拉力）作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比，伸长率按试棒长度的不同分为：试棒的标距等于5倍直径，短试棒求得的伸长率，代号为δ5；试棒的标距等于10倍直径，长试棒求得的伸长率，代号为δ10，。•伸长率是钢材发生断裂时所能承受的永久变形的能力00001100lll式中δ——试件的伸长率，%；——拉伸前的标距长度，mm；——拉断后的标距长度，mm。0l1l0l1l式中δ——试件的伸长率，%；——拉伸前的标距长度，mm；——拉断后的标距长度，mm。0l1l00001100lll式中δ——试件的伸长率，%；——拉伸前的标距长度，mm；——拉断后的标距长度，mm。0l1l49•断面收缩率•塑性是指钢材在受力破坏之前可以经受永久变形的能力。以ψ表示。•断面收缩率是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最大缩减量占横截面的百分率。•在工程中钢材的塑性指标通常用伸长率和断面收缩率表示。502.2.2.2冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。冲击韧性实验当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消耗的功αk来表示。钢材的冲击韧性试验αk值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低。但当试验温度低于某值时，αk突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。51钢的化学成分;例：S、P↑冲击韧性↓冶炼及轧制质量质量↑冲击韧性↑温度温度↓，冲击韧性↓ak影响冲击韧性的因素522.2.2.3疲劳强度受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。钢材疲劳曲线示意图53•硬度――是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。•方法：布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法和洛氏法。定义测定方法演示2.2.2.4钢材的硬度54讨论与分析材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。HBb6.3175HB，当HBb5.3175HB，当55冷弯性能定义：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示。检验：按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或漆层，即认为冷弯性能合格。2.2.2建筑钢材的工艺性能钢材的冷弯56adldlaaadldlaa图1支辊式弯曲装置对于支辊式弯曲装置支辊长度应大于试样宽度或直径,支辊半径应为1～10倍试样厚度，支辊应具有足够的