建筑钢材理论.ppt

建筑钢材,钢材是主要的建筑材料之一钢材的优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可切割、焊接、铆接或螺栓连接，易于装配钢材的缺点：易锈蚀，维修费用高，耐火性差第一节 钢的冶炼与分类,,按冶炼方法分,钢是由生铁冶炼而成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第一节 钢的冶炼与分类,按冶炼方法分1.按炉种分（1）平炉炼钢:以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化可用于炼制优质碳素钢和合金钢等2）氧气转炉炼钢:以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20-40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛3）电炉炼钢:以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等 2.按脱氧程度分 冶炼后的钢水中含以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。

所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂1）沸腾钢（F）：是脱氧不完全的钢2）镇静钢（Z）：是脱氧充分的钢3）半镇静钢（b）：其脱氧程度和质量介于上述两者之间4）特镇静钢（TZ）,,一、抗拉性能二、冲击韧性三、疲劳强度四、硬度五、冷弯性能,第二节 钢材的主要技术性质,,一、抗拉性能,第二节 钢材的主要技术性质,低碳钢受拉的应力-应变图,低碳钢受拉过程划分为4个阶段：Ⅰ-弹性阶段(O-A)Ⅱ-屈服阶段(A-B)Ⅲ-强化阶段(B-C)Ⅳ-颈缩阶段(C-D),,一、抗拉性能,第二节 钢材的主要技术性质,低碳钢受拉的应力-应变图,Ⅰ-弹性阶段(O-A),在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段此阶段变形为弹性变形弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，斜率称为弹性模量，用E表示：E=σ/ε=tanα此阶段变形为弹性变形一、抗拉性能,第二节 钢材的主要技术性质,低碳钢受拉的应力-应变图,Ⅱ-屈服阶段(A-B),当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。

在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段此阶段变形为塑性变形B下所对应的应力值称为屈服极限σs此阶段变形为塑性变形 ,,一、抗拉性能,第二节 钢材的主要技术性质,低碳钢受拉的应力-应变图,Ⅲ-强化阶段(B-C),当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示，它是钢材所能承受的最大应力此阶段变形为弹塑性变形 ,,一、抗拉性能,第二节 钢材的主要技术性质,低碳钢受拉的应力-应变图,Ⅳ-颈缩阶段(C-D),当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加（也有弹性变形，此阶段变形为弹塑性变形），产生“颈缩”现象并很快断裂将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：,,二、冲击韧性,第二节 钢材的主要技术性质,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，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αk表示(J/cm2)。

αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好钢材冲击韧性的影响因素很多，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三、疲劳强度,第二节 钢材的主要技术性质,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四、硬度,第二节 钢材的主要技术性质,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HBHB值越大，表示钢材越硬五、冷弯性能,第二节 钢材的主要技术性质,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。

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,钢材冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映一般钢材的塑性好，其韧性、冷弯性能、焊接性能均好一、碳二、硅、锰三、硫、磷四、氧、氮五、钛、钒、铌,第三节 钢的主要化学成分对钢材性能的影响,,一、碳,第三节 钢的主要化学成分对钢材性能的影响,碳是决定钢材性能的主要元素随着含碳量增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降二、硅、锰,第三节 钢的主要化学成分对钢材性能的影响,加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用三、硫、磷,硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔点的共晶体当钢材温度升至1000℃以上进行热加工时，共晶体熔化，晶粒分离，使钢材沿晶界破裂，这种现象叫做热脆性磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性四、氧、氮,第三节 钢的主要化学成分对钢材性能的影响,未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。

这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加五、钛、钒、铌,钛、钒、铌是钢的强脱氧剂和合金元素能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度第四节 钢材的冷加工及时效处理,钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧钢筋冷拉后屈服强度可提高15%-20%，冷拔后屈服强度可提高40%-60%冷拔是将外形为光圆的盘条钢筋从硬质合金拔丝模孔中强行拉拔，由于模孔直径小于钢筋直径，钢筋在拔制过程中既受拉力又受挤压力，使强度大幅度提高但塑性显著降低第五节 常用建筑钢材,建筑钢材的技术要求有：（1）良好的综合力学性能（2）良好的焊接性（3）良好的抗蚀性,,一、普通碳素结构钢,第五节 常用建筑钢材,普通碳素结构钢简称碳素结构钢，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%，此外尚含有少量硅、锰和微量的硫、磷等元素现行国家标准《碳素结构钢》(GB 700-1988)具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。

1. 牌号表示方法碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号如Q235-A、F，表示屈服强度为235MPa，质量等级为A级的沸腾钢Q255-B，表示屈服强度为255MPa，质量等级为B级的镇静钢一、普通碳素结构钢,第五节 常用建筑钢材,2.技术要求,（2）拉伸、冲击韧性,（3）弯曲性能,（1）化学成分,,一、普通碳素结构钢,第五节 常用建筑钢材,3.性能和应用碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋Q255、Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。

二、低合金高强度结构钢,第五节 常用建筑钢材,一般在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成常用合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素其目的是提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20-30%，但成本并不很高1. 牌号表示方法低合金高强度结构钢共有5个牌号其牌号的表示方法由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级三个部分组成，屈服点数值分295MPa、345MPa、390MPa、420MPa、460MPa五种，质量等级按照硫、磷等杂质含量由多到少分为A、B、C、D、E五级二、低合金高强度结构钢,第五节 常用建筑钢材,2.技术要求,（2）力学性能和冷弯性能,（1）化学成分,,,,二、低合金高强度结构钢,第五节 常用建筑钢材,3.性能和应用Q295号钢中含有少量的合金元素，强度不高，但有良好的塑性、冷弯性能、焊接性能及耐蚀性能主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构Q345、Q390号钢综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。

主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构Q420、Q460号钢强度高，特别是在热处理后有较高的综合力学性能主要用于大型工程结构及荷载大的轻型结构三、钢筋混凝土和预应力混凝土用钢筋、钢丝,第五节 常用建筑钢材,1.钢筋混凝土用热轧钢筋2.冷轧带肋钢筋3.预应力混凝土用热处理钢筋4.预应力混凝土用钢丝5.预应力混凝土用钢绞线,,三、钢筋混凝土和预应力混凝土用钢筋、钢丝,第五节 常用建筑钢材,1.钢筋混凝土用热轧钢筋钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋；横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋三、钢筋混凝土和预应力混凝土用钢筋、钢丝,第五节 常用建筑钢材,1.钢筋混凝土用热轧钢筋（1）牌号表示方法与技术要求根据《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》(GB 13013-1991)及《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB 1499－1998)的规定，热轧直条光圆钢筋的级别为Ⅰ级，强度等级代号为R235热轧带肋钢筋的牌号由HRB和屈服点最小值表示，有HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。

2）应用热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可作预应力钢筋。