建筑材料(第八章建筑钢材)

建筑钢材,8.1 概 述,上海宝钢,1996年以来，我国钢产量一直居世界第一位。 2012年，中国大陆粗钢产量为71654.2万吨，同比增长3.1%，占世界总产量的比重达46.3%。 粗钢产量第二至第十名依次是日本、美国、印度、俄罗斯、韩国、德国、土耳其、巴西、乌克兰，产量分别是10723.5万吨、8859.8万吨、 7672.0万吨(估计值)、7060.8万吨、6932.1万吨、4266.1万吨、3588.5万吨、3468.2万吨、3291.1万吨。 河北省2012年产钢1.64亿吨以上，比全球钢产量第二的日本多至少5000万吨，是美国全国产量的1.8倍，印度的2.1倍，俄罗斯的2.33倍，德国的3.85倍，与欧盟27国的钢产量总合相当。中国有4个省的钢铁产量超过德国，有14 个省市的钢产量超过法国，19个省市的产量超过英国。,2,一、钢及其特性,钢 理论上，凡是把含碳量小于2%，含杂质比较少的铁碳合金称为钢。 含碳量超过2%，称为生铁；含碳量小于0.08%，称为工业纯铁。,钢的优点 强度高，塑性好，具有良好的韧性； 工艺性能良好，易于加工。 钢的缺点 钢材易锈蚀、耐火性差。,美国2002年5大类别产业腐蚀直接损失1379亿/年，总共损失2760亿/年，占3.1% GDP,基礎公共建設 226亿/年,民用工業 479亿/年,交通 297亿/年,製造業 176亿/年,政府 201亿/年,我国因腐蚀造成直接经济损失高达3000亿元/年！,跨海大桥桥墩腐蚀残不忍睹,二、建筑钢材的主要品种,1.型钢 简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等； 复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。,2.线材 如钢筋、钢丝等。,3.管材 无缝钢管、焊接钢管等。,4.板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。,压型彩钢板,三、 钢的冶炼方法简介,按照炼钢炉的种类，炼钢方法可分为： 1. 空气转炉炼钢法 一般炼制普通碳素钢。 2 .氧气转炉炼钢法 炼制优质碳素钢和合金钢。 3 .平炉炼钢法 用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。 4.电炉炼钢法,白口铁,液态生铁,吹入空气或氧气,钢,浇注成钢锭,脱 氧,四、钢的分类,1.按冶炼方法分 2.按质量分 按S和P元素含量，分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。,钢,转炉钢,沸腾钢,电炉钢,平炉钢,按冶炼方法分,按脱氧程度分,半镇静钢,镇静钢,特殊镇静钢,按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢,3.按化学成分分 4.按用途分 分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。,钢,中碳钢,低合金钢,高碳钢,低碳钢,碳素钢,合金钢,中合金钢,高合金钢,C0.25%,C=0.25%0.60,C0.60,合金总含量5%,5%10,10,五、钢的化学组成,钢材的化学成分及对性能的影响 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（钒、钛、妮）。 （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。 （）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%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。,（）硫：硫是很有害元素。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。 （）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，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，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。,“热脆性”,“冷脆性”,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。 （）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，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亦使钢的可焊形变差。 （）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、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。 （）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。 （）钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。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。,8.2 建筑钢材的主要性能,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,一、拉伸性能,1.低碳钢的拉伸性能,0,钢材拉伸过程的-图,OB弹性阶段,BC屈服阶段,CD强化阶段,DE颈缩阶段,以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,（1）拉伸试验过程,0,钢材拉伸弹性阶段示意图,p比例极限，MPa。,B弹性极限，MPa。,注：由于A、B两点相距较近，一般认为p=B 。,0,钢材拉伸屈服阶段示意图,放大后,0,钢材拉伸强化阶段示意图,b 抗拉强度或强度极限。,0,钢材拉伸颈缩阶段示意图,DE颈缩阶段,（2）拉伸过程的参数,强度指标 屈服强度： 抗拉强度： 塑性指标 伸长率：,35,伸长率是衡量钢材塑性的一个指标，它的数值愈大，表示钢材塑性愈好。 伸长率与标距有关。通常钢材拉伸试验标距取l0= 10d0和 l0= 5 d0，伸长率分别以10和5表示。对同一钢材5大于10。,2.硬钢（高碳钢）的拉伸性能,硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。 条件屈服点0.2 ：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。,0,oa总变形。 ba弹性变形99.8%。 ob塑性变形0.2%。,二、冲击韧性,定义及指标 指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值k表示。k 越大，则冲击韧性越好。 k是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。 影响因素 硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。,38,冲击韧性的金属夏比试验,39,冲击韧性还随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度。它的数值愈低，钢材耐低温冲击性能愈好。 由于脆性临界温度的测定工作较复杂，规范中通常规定20 或40 的负温冲击值作为指标。,40,耐疲劳性 钢材在交变荷载反复多次作用下，可以在远低于抗拉强度的情况下突然破坏。这种破坏称为疲劳破坏。 一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应力定义为疲劳强度或疲劳极限。 硬度 钢材硬度系指比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的性能。测定硬度的方法很多，按压头和压力不同有布氏法和洛氏法。常用的是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。,41,布氏硬度试验原理图,三、工艺性能,1.冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90°或180°）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。 通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它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。,各种钢材冷加工结果,各种钢材焊接结果,2.可焊性 可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。 可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。 焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。,Disasters caused by welding problem - 重庆綦江彩虹桥,中承式钢管混凝土提篮人行拱桥，长约102米，是綦江县城主要的人行桥。1996年2月15日投入使用。 1999年1月4日下午7时，大桥突然整体垮塌，造成40人死亡，14人受伤，直接经济损失631万元,Disasters caused by welding problem - 重庆綦江彩虹桥,主拱钢管焊接存在严重缺陷，个别焊缝出现痕缝性裂痕；焊接质量不合格； 钢管内混凝土强度不足，普遍低于设计标号的13； 连接桥梁、桥面与 钢拱架的拉索、铆片、 铆具都有严重锈蚀。 吊杆灌浆防护存在 严重质量问题。,49,3钢材的热处理 将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织结构，从而获得需要性能的加工工艺，总称为钢的热处理。 热处理方法有： （1）淬火 将钢材加热至基本组织转变温度（如当含碳量大于0.8时，为723）以上30一50 ，保温使组织完全转变。随即故人冷却介质（盐水、冷水或矿物油）中急冷的处理过程称为淬火。 淬火使钢的硬度、强度、耐磨性提高。,50,（2）回火 经淬火处理的钢，再加热、冷却的处理过程称为回火。 回火的温度低于723。 回火处理可消除淬火产生的内应力，适当降低淬火钢件的硬度并提高其韧性。 （3）退火 将钢材加热至基本组织转变温度以上30一50，保温后以适当的速度缓慢冷却的处理过程称为退火。 退火可降低钢材原有的硬度，改善其塑性及韧性。,51,（4）正火 将钢材加热至基本组织转变温度以上30一50，保温后在空气中冷却的处理过程称为正火。 正火后的钢材，硬度较退火处理者高，塑性也差，但由于正火后钢的结晶较韧且均匀，故强度有所提高。,4、钢材的冷加工强化和时效,1.冷加工强化 冷加工强化是钢材在常温下，以超过其屈服点但不超过抗拉强度的应力对其进行的加工。 建筑钢材常用的冷加工有冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等 。 对钢材进行冷加工的目的，主要是利用时效提高强度，利用塑性节约钢材，同时也达到调直和除锈的目的。,2.时效 钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。 时效分为自然时效和人工时效两种。 自然时效是将其冷加工后，在常温下放置1520d； 人工时效是将冷加工后的钢材加热至100200保持2h以上。 经过时效处理后的钢材，其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高，而塑性和韧性降低。,六 钢材的腐蚀与防腐,金属的腐蚀危害: 1) 减小受力面积; 2) 易造成应力集中; 3) 使混凝土保护层脱落。,京广线某铁路桥的预应力筋锈蚀,1974年灌制的预应力钢筋混凝土简支梁 。 2000年8月发现第52孔梁一束预应力钢筋锈断。,除冰盐所导致的钢筋混凝土桥梁破坏,钢筋锈蚀后体积膨胀导致混凝土保护层发生顺筋开裂,离岸码头立柱在浪溅区的破坏,MacDill AFB, Florida,锈蚀导致结构破坏的实例 - 四川宜宾南门大桥,大桥长384米，宽13米，为单孔跨径240米的钢筋混凝土中承式公路拱桥，桥面由17对钢缆吊杆凌空悬挂，于1990年6月竣工通车。 2001年11月7日凌晨4点半，连接拱体和桥面预制板的4对8根钢缆吊杆断裂，北端长10米、南端长20余米的桥面预制板发生坍塌。,锈蚀导致结构破坏的实例 - 四川宜宾南门大桥,吊杆起着悬挂桥面的关键性作用，由承重钢缆和套于其外的钢管组成。 现场对断裂的4对8根吊杆所作检查发现，坍塌断裂之处露出一层薄薄的钢筋网，悬吊的承重钢管中露出了锈迹斑斑的钢缆。 承重钢缆部分生锈，影响了承重能力。,1）依其腐蚀机理，分为：,金属腐蚀,化学腐蚀,电化学