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建筑钢材学习课件.ppt

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  • 卖家[上传人]:飞***
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  • 上传时间:2018-08-09
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    • 建筑钢材建筑钢材——用于建筑工程的各种钢材,包括钢筋、钢丝、各种型钢、钢板、复合板、建筑五金等优点:品质均匀;力学性能好(强度高,塑性和韧性好); 易于加工成板材、型材和线材;焊接和铆接性能良好缺点:易锈蚀、维护费用高;耐腐蚀性差,耐火性差;生产能耗大n南京地铁公司大楼n巴黎埃菲尔铁塔n香港青马大桥(钢悬索桥)n南京长江第三大桥(钢索塔、钢桥面)n某钢筋混凝土结构施工现场第三章 建筑钢材n第一节 概述n第二节 钢材的主要力学性能n第三节 钢材的工艺性能n第四节 土木工程中常用钢材的分类、性质n 与选用n第五节 钢材的锈蚀与防护第一节 概述n一、钢的冶炼n钢和铁的主要成分是铁和碳含碳量大于2.06% 的为生铁,含碳量小于2.06%的为钢 n第一步:生铁的冶炼是将铁矿石、石灰石、焦碳 和少量锰矿石在高炉内,在高温的作用下进行还 原反应和其他的化学反应,铁矿石中的氧化铁形 成金属铁,然后再吸收碳而成生铁原料中的杂 质则和石灰石等化合成熔渣铁矿石 铁水+矿渣冶炼一、钢的冶炼n第二步:钢的冶炼是以铁水或生铁作为主要 原料,在转炉、平炉或电炉中冶炼与生铁 的冶炼相反,是用氧化的方法来除去铁中的 碳及部分杂质. n铁水或铁块、废钢 钢水+钢渣冶炼炼钢及钢材生产工艺示意图二、钢的分类n1、按化学成分分类:n碳素钢:按照碳的含量分为:(1)低碳钢 含碳量小于0.25%;(2)中碳钢 含碳量为0.25%-0.6%;(3)高碳钢 含碳量大于0.6%。

      n合金钢:按照掺入合金元素(一种或多种)的 总量分为:(1)低合金钢 合金元素总含量小于5%;(2)中合金钢 合金元素总含量为5%-10%;(3)高合金钢 合金元素总含量大于10% 二、钢的分类n2、按冶炼时的脱氧程度分:镇静钢、沸腾钢和半镇静钢 镇静钢沸腾钢三、钢的化学成分对钢性能的影响n1、碳(C)当含碳量大于 1%后,强度下 降含碳量大于 0.3%时钢的可 焊性显著降低 此外,含碳量增 加,钢的冷脆性 和时效敏感性增 大,耐大气锈蚀 性降低三、钢的化学成分对钢性能的影响n2、硅(Si)——有益元素硅含量在1%以内时,可提高钢的强度、疲劳极 限、耐腐蚀性及抗氧化性,对塑性和韧性影响不大 ,但对可焊性和冷加工性能有所影响硅可作为合 金元素,用以提高合金钢的强度n3、锰(Mn) ——有益元素锰可提高钢材的强度、硬度及耐磨性能消减硫 和氧引起的热脆性,改善钢材的热加工牲能锰可 作为合金元素,提高合金钢的强度三、钢的化学成分对钢性能的影响n4、硫(S) ——有害元素硫会使钢材在焊接时,易产生脆裂现象,称为 热脆性,显著降低可焊性含硫过量还会降低钢的 韧性、耐疲劳性等机械性能及耐腐蚀性能。

      n5、磷(P) ——有害元素磷在常温下能提高钢的强度和硬度,但塑性和 韧性显著下降,低温时更为显著,即引起所谓“冷 脆性”磷还会降低钢材的冷弯性能、可焊性等工 艺性能,但磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性能 三、钢的化学成分对钢性能的影响n6、氧(O) ——有害元素氧是碳素钢中的有害杂质含氧量增加,便钢 的机械强度降低、塑性和韧性降低,促进时效作 用,还能使热脆性增加,焊接性能变差 n7、氮(N) ——有害元素氮能使钢的强度提高,塑性特别是韧性显著下 降氮还会加剧钢的时效敏感性和冷脆性,使可 焊性变差四、钢的晶体组织及其对钢性能 的影响 n1.钢的基本组织 n钢材是由无数微细晶粒所构成,而晶粒是由碳原子与 铁原子结合而成的钢中碳、铁原子相互结合形成三种形 式的碳铁合金,它们在一定条件下能形成具有一定形态的聚 合体,称为钢的组织(有四种基本组织):n(1)固溶体 微量的碳与铁在液态下相互作用形成液体溶 液,凝固时碳溶入δ-Fe和γ-Fe的晶格间隙而形成的固态溶 液,前者称为铁素体,后者称为奥氏体(只在高温下存在) ;n(2)化合物 铁与碳结合成化合物Fe3C,称为渗碳体;n(3)机械混合物 固溶体(铁素体)与化合物(渗碳体) 相互混合,形成一种层片状机械混合物,称为珠光体。

      n以上钢的四种基本组织及其特点见表3-2n由图可见,碳素钢中三种晶体组织的含量随含碳量 的变化而变化碳素钢的含碳量小于0.8%时,其基 本组织为铁素体和珠光体,钢材的强度和硬度较低 ,但塑性和冲击韧性好;含碳量大于0.8%时,其基 本组织为渗碳体和珠光体,因而钢材的强度和硬度 高,但塑性和冲击韧性则相应降低n2、钢的晶体 组织对钢性 能的影响 第二节 钢材的主要力学性能n一、强度n二、塑性n三、冲击韧性n四、硬度一、强度四个阶段: Ⅰ弹性阶段 Ⅱ屈服阶段 Ⅲ强化阶段 Ⅳ颈缩阶段图3-3 低碳钢受拉的应力-应变图 1、弹性极限与弹性模量n弹性极限——弹性阶段的最大应力,用p表示n弹性阶段的应力与应变成正比,其比值为常数, 即弹性模量,用E表示, / = En弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力它是钢材在 受力条件下计算结构变形的重要指标n常用低碳钢的弹性模量E = (2.0~2.1)105 MPa,p = 180~200MPa2、屈服强度n屈服阶段的应力与应变不再成比例 ,试件开始产生明显的塑性变形, 而且应变增加很快,而应力基本保 持不变这种现象称为屈服n图中B上点是这一阶段的应力出现首 次下降前的最高应力,称为上屈服 强度(新标准用ReH表示) ;nB下点是指不计初始瞬时效应时屈服 阶段中的最低应力,称为下屈服强 度σs(新标准用ReL表示) 。

      n有些钢材用上屈服强度(ReH)作为 屈服强度的标准值(如碳素结构钢 ),而有些钢材用下屈服强度(ReL )作为屈服强度的标准值(如热轧 钢筋) 屈服强度的实际意义:n钢材受力达到屈服点后,变形即迅速发展, 尽管尚未破坏但已不能满足使用要求故设 计中一般以屈服强度作为钢材容许应力取值 的依据常用低碳钢的s为185 ~ 235MPan预应力钢筋混凝土用的 高强度钢筋和钢丝具有 硬钢的特点:抗拉强度 高,无明显的屈服阶段 ,伸长率小n这类钢材由于没有明显 的屈服阶段,故可采用 规定非比例延伸强度( 即非比例延伸率等于规 定的引伸计标距百分率 时的应力,以Rp表示) 作为该钢材的屈服强度 值,通常称为条件屈服 强度例如冷轧带肋钢 筋的屈服强度值为Rp0.2 (即非比例延伸率等于 0.2%时的应力) 图3-4 规定非比例延伸强度(Rp)示意图 3、极限强度(抗拉强度)n当荷载超过屈服点后,因塑性变形使其内部的组织结 构得到调整,抵抗变形的能力有所增强,-曲线又 开始上升,称为强化阶段n曲线最高点C所对应的应力称为极限强度(或抗拉强 度),用b表示(新标准用Rm表示)常用低碳钢 的b为375~500MPa。

      n强屈比——抗拉强度与屈服强度之比(σb/σs)n意义:强屈比愈大,反映钢材受力超过屈服点工作时 的可靠性越大,因而结构的安全性愈高,不易发生脆 性断裂和局部超载引起的破坏但强屈比太大,反映 钢材性能不能被充分利用通常情况下,钢材的强屈 比应大于1.2(1.3 ~ 1.7) 4、疲劳强度(疲劳极限)n疲劳破坏——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的现象 n疲劳破坏的危险应力用疲劳强度来表示,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疲劳强 度是衡量钢材耐疲劳性能的指标设计承受反复 荷载且须进行疲劳验算的结构时,应测定钢材的 疲劳极限n钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的,抗拉强度高 ,其疲劳强度也较高4、疲劳强度(疲劳极限)n实验证明,钢材承受的 交变应力越大,则钢材 至断裂时所受的交变应 力循环次数越少,反之 越多当交变荷载降到 一定值时,钢材可经受 交变应力循环达无数次 而不发生疲劳破坏通 常取交变应力循环次数 为107次时试件不发生 破坏的最大应力作为疲 劳强度 图3-5 钢材的疲劳曲线 二、塑性n塑性——表示钢材在外力 作用下产生塑性变形而不 破坏的能力,是钢材的重 要性能。

      评定指标:n断后伸长率 n断面收缩率图3-6钢材拉断前后的试件二、塑性n断后伸长率和断面收缩率反映了钢材断裂前经受 塑性变形的能力,断后伸长率越大或者断面收缩 率越高,表示钢材的塑性越好n在工程中具有重要意义:塑性良好的钢材,偶尔 超载时,由于产生较大的塑性变形,会使内部应 力重新分布,能避免产生应力集中而发生脆断 钢材在塑性破坏前,有明显的变形和变形持续时 间,便于发现和补救 三、冲击韧性n冲击韧性是指钢材抵抗冲 击荷载作用的能力, 通常 用冲击韧性值αk来表示.m——摆锤质量(kg);g——重力加速度,数值为9.81 (m/s2)H、h——摆锤冲击前后的高度( m);A——试件缺口处的截面积(cm2 ) 观看钢筋冲击实验录像三、冲击韧性n意义:对于重要的结构以及承 受动荷载作用的结构,特别是 处于低温条件下的结构,为了 防止脆性破坏,应保证钢材具 有一定的冲击韧性冷脆性——当温度降低到一 定程度时,冲击韧性大幅度下 降而使钢材呈脆性的现象这 时的温度范围称为脆性转变温 度脆性转变温度越低,钢材 的低温冲击韧性越好,越能在 低温下承受冲击荷载 四、硬度n硬度——表示钢材表面局部 体积内,抵抗外物压入产生塑 性变形的能力,是衡量钢材软 硬程度的一个指标。

      n布氏硬度:使用一定的压 力把淬火钢球压入钢材表 面,将压力除以压痕面积 即得布氏硬度值HBHB值 越大,表示钢材越硬 n洛氏硬度:在洛氏硬度机 上根据压头压入试件的深 度来计算硬度值 第三节 钢材的工艺性能n一、冷弯性能n二、焊接性能n三、冷加工强化及时效强化n四、热处理一、冷弯性能n 冷弯性能——钢材在常温条件下,承受弯曲变形 的能力n冷弯性能指标:用试件在常温下所能承受的弯曲 程度表示弯曲程度以试验时的弯曲角度 (α)、弯 心直径(d)与钢材的厚度或直径(a)的比值(d/a )来衡量 观看钢筋冷弯实验录像一、冷弯性能n 钢材的冷弯性能和其伸长率一样,也是表示钢材在静 荷载条件下的塑性但冷弯是钢材处于不利变形条件 下的塑性,而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性 故冷弯试验是一种比较严格的检验n它能揭示钢材内部组织的均匀性,以及存在内应力或 夹杂物等缺陷的程度在拉力试验中,这些缺陷常因 塑性变形导致应力重分布而反映不出来n在工程实践中,冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量 的一种手段,能揭示焊件在受弯表面存在的未熔合、 微裂纹和夹杂物 二、焊接性能——可焊性n焊接性能(可焊性)——在通常的焊接方法和工艺条 件下获得良好焊接接头的性能,即在一定焊接工艺条 件下,在焊缝及附近过热区不产生裂纹、气孔、夹渣 等缺陷及硬脆倾向,焊接后的力学性能(特别是强度 )不低于原钢材(母材)的性质。

      n可焊性主要受化学元素及其含量的影响,含碳量高将 增加焊接的硬脆性,含碳量小于 0.25%的碳素钢具有 良好的可焊性n硫、磷及气体杂质会使可焊性降低,加入过多的合金 元素(如硅、锰、钒、钛等),也将降低可焊性 焊接示意图三、冷加工强化及时效强化n 冷加工——钢材在再结晶温度下(一般为常温)进 行的机械加工,如冷拉、冷轧、冷拔、冷扭和冷冲 等钢材经冷拉后的性能变化规律,可从图3-11反 映 O′KCD: 冷拉后曲线O′K1C1D1: 冷拉时效后曲线OBCD: 冷拉前曲线三、冷加工强化及时效强化n1)冷加工强化:n 钢材经冷加工后,产生塑性变形,其屈服强度明 显提高,而塑性和韧性降低,弹性模量下降的现象 n产生冷加工强化的原因是:钢材在冷加工时发生晶 粒变形、破碎和晶格扭曲,对位错运动的阻力增大 ,因而屈服强度提高,塑性和韧性降低另外冷加 工产生的内应力导致钢材弹性模量降低 三、冷加工强化及时效强化n2)时效强化: 钢材经冷加工后,再经时效处理,钢 材的屈服强度和极限强度逐渐提高,而塑性和韧性逐 渐。

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