单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2016-7-26,#,建筑材料,建筑材料,1,第,八,章,建筑钢材,第一节,钢材,基础知识,第二节,钢材的技术性质,第三节,选用钢材的标准,第八章 建筑钢材第一节 钢材基础知识第二节 钢材的技术,2,章目录,一、,钢材的概念及特点,第一节,钢材的,基础知识,二、,钢材的冶炼,四、钢材化学成分对钢材性能的影响,三,、,钢材的分类,五、钢的基本晶体组织,章目录一、钢材的概念及特点第一节 钢材的基础知识二、钢材的,3,钢材是以铁为主要元素，含碳量一般在,2,以下，并含有其他元素的材料。建筑钢材主要指用于钢结构中的各种型材（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、钢丝等。作为一种建筑材料，钢材的主要优点如下：,（,1,）强度高。,（,2,）塑性好。,（,3,）品质均匀、性能可靠。,节目录,章目录,一、钢材的概念及特点,钢材是以铁为主要元素，含碳量一般在2以下，,4,炼钢的过程就是将生铁进行精炼，使碳的含量降低到一定的限度，同时把其他杂质的含量也降低到允许范围内。根据炼钢设备的不同，常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转炉法和电炉法。,在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷最为严重。偏析现象对钢的质量有很大影响。,节目录,章目录,二、钢材的冶炼,炼钢的过程就是将生铁进行精炼，使碳的含量降低,5,节目录,章目录,三、钢材的分类,（一）按化学成分分类,按化学成分进行分类，钢材可分为碳素钢和合金钢。,（,1,）碳素钢,。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁,碳合金。其含碳量为,0.02,2.06,。此外，尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢（含碳量小于,0.25,）、中碳钢（含碳量为,0.25,0.60,）、高碳钢（含碳量大于,0.60,）等。,（,2,）合金钢,。合金钢是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为低合金钢（合金元素总含量小于,5,）、中合金钢（合金元素总含量为,5,10,）、高合金钢（合金元素总含量大于,10,）。,节目录章目录三、钢材的分类（一）按化学成分分类按化学成分进行,6,节目录,章目录,三、钢材的分类,（二）按冶炼时脱氧程度分类,按冶炼时脱氧程度进行分类，钢材可以分为沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢。,（,1,）沸腾钢,。若炼钢时仅加入锰、铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的,CO,气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状态，故称沸腾钢，代号为,F,。,（,2,）镇静钢,。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等做脱氧剂，脱氧完全，且同时能起到去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为,Z,。,（,3,）特殊镇静钢,。它是比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为,TZ,。,节目录章目录三、钢材的分类（二）按冶炼时脱氧程度分类,7,节目录,章目录,三、钢材的分类,（三）按有害杂质含量分类,按钢中有害杂质磷（,P,）和硫（,S,）含量的多少，钢材可分为以下四类：,（,1,）普通钢,：磷含量不大于,0.045,，硫含量不大于,0.050,。,（,2,）优质钢,：磷含量不大于,0.035,，硫含量不大于,0.035,。,（,3,）高级优质钢,：磷含量不大于,0.025,，硫含量不大于,0.025,。,（,4,）特级优质钢,：磷含量不大于,0.015,，硫含量不大于,0.025,。,目前，在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,。,节目录章目录三、钢材的分类（三）按有害杂质含量分类,8,节目录,章目录,四、钢材化学成分对钢材性能的影响,钢材的化学成分主要是指,碳,、,硅,、,锰,、,硫,、,磷,等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。,（,1,）碳,。土木工程用钢材含碳量不大于,0.8,。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低。碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。,（,2,）硅,。当硅在钢中的含量较低（小于,1,）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。,（,3,）锰,。锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在,1,2,范围内，它的作用主要是使强度提高。锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。,（,4,）硫,。硫是很有害的元素，呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物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。,节目录章目录四、钢材化学成分对钢材性能的影响,9,节目录,章目录,四、钢材化学成分对钢材性能的影响,（,5,）磷,。磷为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度越低，对韧性和塑性的影响越大。磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。,（,6,）氧,。氧为有害元素，它主要存在于非金属夹杂物中，可降低钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点也使钢的可焊性变差。,（,7,）氮,。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。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、铌、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。,（,8,）钛,。钛是强脱氧剂。它能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。,（,9,）钒,。钒是强的碳化物和氮化物形成元素。它能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。,节目录章目录四、钢材化学成分对钢材性能的影响（5）磷。磷为有,10,节目录,章目录,五、钢的基本晶体组织,碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中，其,Fe,和,C,有以下,3,种结合形式：,（,1,）固溶体,：铁（,Fe,）中固溶着微量的碳（,C,）。,（,2,）化合物,：铁和碳结合成化合物,Fe,3,C,。,（,3,）机械混合物,：固溶体和化合物的混合物。,以上三种形式的,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像，故也称显微组织。,节目录章目录五、钢的基本晶体组织 碳素钢冶炼时,11,节目录,章目录,五、钢的基本晶体组织,钢的基本晶体组织主要有以下几种：,（,1,）铁素体,。钢材中的铁素体为,C,在,Fe,中的固溶体，由于,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,C,量很少（小于,0.02,）。由此决定其塑性、韧性很好，但强度、硬度很低。,（,2,）奥氏体,。奥氏体为,C,在,Fe,中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达,2.06,，低温时下降至,0.8,。其强度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。,（,3,）渗碳体,。渗碳体为铁和碳的化合物,Fe,3,C,，其含,C,量高（,6.67,），晶体结构复杂，塑性差，硬度很高，脆性很大，抗拉强度低。,（,4,）珠光体,。珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含,C,量较低（,0.8,），层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。,节目录章目录五、钢的基本晶体组织 钢的基本晶体,12,章目录,一、钢材的力学性能,第二节,钢材的技术性质,三、冷加工强化处理与时效处理,二、钢材的工艺性能,四、钢材的热处理,章目录一、钢材的力学性能第二节 钢材的技术性质三、冷加工强,13,节目录,章目录,一、钢材的力学性能,（一）拉伸性能,拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要指标。将低碳钢（软钢）制成一定规格的试件，放在材料试验机上进行拉伸试验，可以绘出如图,8-1,所示的应力,应变关系曲线。从图中可以看出，低碳钢受拉至断裂，经历了四个阶段：弹性阶段（,OA,）、屈服阶段（,AB,）、强化阶段（,BC,）和颈缩阶段（,CD,）。,图,8-1,低碳钢受拉的应力应变关系曲线,节目录章目录一、钢材的力学性能（一）拉伸性能拉伸是建筑钢材的,14,节目录,章目录,一、钢材的力学性能,（一）拉伸性能,（1,）弹性阶段。从图,8-1,中可以看出，钢材在静荷载作用下，受拉的,OA,阶段，应力和应变呈正比，这一阶段称为弹性阶段，具有这种变形特征的性质称为弹性。在此阶段中，应力和应变的比值称为弹性模量，即,E,/,，单位是,MPa,。,图,8-1,低碳钢受拉的应力应变关系曲线,节目录章目录一、钢材的力学性能（一）拉伸性能（1）弹性阶段。,15,一、钢材的力学性能,节目录,章目录,（,2,）屈服阶段。钢材在静载作用下，开始丧失对变形的抵抗能力，并产生大量塑性变形时的应力。如图,8-1,所示，在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为上屈服点（,B,上,）；最低点对应的应力称为下屈服点（,B,下,）。因上屈服点不稳定，所以规定以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度，用,s,表示。中、高碳钢没有明显的屈服点，通常以残余变形为,0.2,的应力作为屈服强度，用,0.2,表示，如图,8-2,所示。,图,8-2,中、高碳钢的条件屈服点,（一）拉伸性能,一、钢材的力学性能节目录章目录 （2）屈服阶段。钢,16,一、钢材的力学性能,（,3,）强化阶段。在钢材屈服到一定程度后，由于钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化，抵抗外力的能力重新提高，在应力应变图上，曲线从,B,下点开始上升至最高点,C,，这一过程称为强化阶段。对应于最高点,C,的应力称为极限抗拉强度，简称为抗拉强度，用,表示。抗拉强度是钢材受拉时所能承受的最大应力值。其计算公式为：,节目录,章目录,（,8-2,）,式中,b,抗拉强度，,MPa,；,F,b,最大力，,N,；,S,0,试样公称截面面积。,（一）拉伸性能,一、钢材的力学性能（3）强化阶段。在钢材屈服到一定程度后，,17,一、钢材的力学性能,（,4,）颈缩阶段。试件受力达到最高点,C,点后，其抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直至断裂，故,CD,段称为颈缩阶段。建筑钢材应具有很好的塑性。在工程中，钢材的塑性通常用伸长率（或断面收缩率）和冷弯性能来表示。,伸长率是指试件拉断后，标距长度的增量与原标距长度之比，符号,，常用表示，如图,8-3,所示。,节目录,章目录,图,8-3,钢材的伸长率,（一）拉伸性能,一、钢材的力学性能（4）颈缩阶段。试件受力达到最高点C点后，,18,一、钢材的力学性能,伸长率,的,计算公式为：,式中,伸长率（,%,）；,l,0,原标距长度,10,a,（,mm,）；,l,1,试件拉断后直接量出或按移位法确定的标距部分长度（,mm,，测量精确至,0.1mm,）。,节目录,章目录,（,8-3,）,断面收缩率是指试件拉断后，颈缩处横截面积的减缩量占原横截面积的百分率，符号,，常以表示。,为了测量方便，常用伸长率表征钢材的塑性。伸长率是衡量钢材塑性的重要指标，,越大，说明钢材塑性越好。伸长率与标距有关，对于同种钢材，,5,10,。,（一）拉伸性能,一、钢材的力学性能伸长率的计算公式为：式中 伸长率（,19,一、钢材的力学性能,节目录,章目录,钢材承受交变荷载的反复作用时，可能在远低于屈服强度时突然发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材疲劳破坏的指标即疲劳强度，或称疲劳极限。疲劳强度是试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大主应力值。一般把钢材承受交变荷载,106,107,次时不发生破坏的最大应力，作为疲劳强度。,（二）疲劳强度,一、钢材的力学性能