页数:45页文件大小:1.09 MB来源: 建筑材料与检测ppt课件
本课件讲解建筑钢材,先介绍钢材冶炼原理与钢的分类,随后系统展开拉伸性能的弹性、屈服、强化与缩颈四阶段,冲击韧度、耐疲劳性与硬度,以及冷弯与可焊性等工艺性能;再说明冷拉冷拔冷轧与时效、退火正火淬火回火等热处理方法,介绍碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢及钢结构、混凝土结构用钢品种,最后讲述钢材锈蚀防护、防火、验收与储运要求。
《建筑材料与检测》教学课件 第七章 建筑钢材
学习目标
建筑钢材是建筑用黑色和有色金属材料以及它们与其他材料所组成的复合材料的统称。在钢铁流通行业,建筑钢材如无特殊说明,一般指建筑类钢材中使用量最大的线材以及螺纹钢。
中国建筑用钢多数是采用平炉和氧气顶吹转炉冶炼的低碳钢、中碳钢及低合金钢,并以沸腾钢或镇静钢工艺生产。
本页配有螺纹钢与建筑钢材的图片。
7.1.1 钢材的冶炼
含碳量大于2.06%的铁碳合金为生铁,小于2.06%的铁碳合金为钢。生铁由铁矿石、焦炭和少量石灰石等在高温作用下进行化学反应,铁矿石中的氧化铁形成金属铁,然后再吸收碳而成。
生铁中含有较多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质,杂质使生铁硬而脆、塑性差、抗拉强度低。炼钢的目的就是通过冶炼将含碳量降至2.06%以下、其他杂质降至一定范围内,以显著改善技术性能、提高质量。
钢的冶炼方法主要有氧气转炉法、电炉法和平炉法三种。目前氧气转炉法已成为现代炼钢的主要方法,而平炉法则已基本被淘汰。
7.1.2 钢的分类
钢的基本分类方法见原图,可按化学成分、质量等级、冶炼方法与脱氧程度、用途等进行划分。
7.2 钢材的主要技术性能
1. 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在材料试验机上进行拉伸试验,可绘出应力—应变关系曲线。低碳钢受拉至拉断经历四个阶段:
本页同时给出中碳钢、高碳钢的应力—应变图作为对比。
1)弹性阶段
曲线中OA段是一条直线,应力与应变成正比。如卸去外力,试件能恢复原来的形状,这种性质即为弹性,此阶段的变形为弹性变形。与A点对应的应力称为弹性极限,以σp表示。
在弹性受力范围内,应力与应变的比值为常数,即弹性模量 E = σ / ε,E的单位为MPa,例如Q235钢的E = 0.21×10⁶ MPa,25MnSi钢的E = 0.2×10⁶ MPa。弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力,是计算结构变形的重要指标。
2)屈服阶段
应力超过A点后,应力、应变不再成正比关系,开始出现塑性变形;当应力达B上点(屈服上限)后瞬时下降至B下点(屈服下限),变形迅速增加而外力大致在恒定位置波动,这就是“屈服现象”,AB段称为屈服阶段。
与B下点(此点较稳定、易测定)对应的应力称为屈服点(屈服强度),用σs表示。常用碳素结构钢Q235的屈服极限σs不应低于235 MPa。
中碳钢与高碳钢(硬钢)拉伸曲线与低碳钢不同,屈服现象不明显,难以测定屈服点,则规定产生残余变形为原标距长度0.2%时所对应的应力值作为硬钢的屈服强度,也称条件屈服强度,用σ0.2表示。
3)强化阶段
应力超过屈服点后,由于钢材内部组织中的晶格发生畸变,阻止晶格进一步滑移,钢材得到强化,抵抗塑性变形的能力重新提高,B—C段呈上升曲线称为强化阶段。对应于最高点C的应力值σb称为极限抗拉强度,简称抗拉强度,Q235钢约为380 MPa。
钢材受力大于屈服点后会出现较大的塑性变形,已不能满足使用要求,因此屈服强度是设计上钢材强度取值的依据。
屈服强度和抗拉强度之比(屈强比 σs/σb)能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度:屈强比越小,结构安全可靠程度越高;屈强比过小又说明强度利用率偏低、造成浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.60~0.75。
4)缩颈阶段
试件受力达到最高点C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到断裂,故C—D段称为缩颈阶段。
建筑钢材应具有很好的塑性,塑性通常用断后伸长率和断面收缩率表示。将拉断后的试件拼合,测定标距范围内的长度L1(mm),其与试件原标距L0(mm)之差为塑性变形值,该值与L0之比称为断后伸长率(δ);试件断面处面积收缩量与原面积之比称断面收缩率(Ψ)。
断后伸长率是衡量钢材塑性的重要指标,δ越大说明塑性越好。一定的塑性变形能力可保证应力重新分布、避免应力集中,从而结构安全性越大。
塑性变形在试件标距内分布不均匀,缩颈处变形最大,离缩颈部位越远变形越小,所以原标距与直径之比越小,计算出来的δ值就大。通常以δ5和δ10分别表示L0 = 5d0和L0 = 10d0时的伸长率,同一种钢材δ5 > δ10。
钢材在拉伸试验中得到的屈服点强度σs、抗拉强度σb、伸长率δ是确定钢材牌号或等级的主要技术指标。
2. 冲击韧度
与抵抗冲击作用有关的钢材性能是韧性,韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度,吸收较多能量才断裂的钢材是韧性好的钢材。实际工作中用冲击韧度衡量钢材抗脆断的性能。
冲击韧度以试件冲断时缺口处单位面积上所消耗的功(J/cm²)表示,符号为αk。试验时将试件放置在固定支座上,以摆锤冲击试件刻槽的背面,使试件承受冲击弯曲而断裂。αk值越大,钢材的冲击韧度越好。
本页配有试件尺寸、试验装置与试验机的图示。
3. 耐疲劳性
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。疲劳破坏一般由拉应力引起,先在局部形成细小断裂,随后由于微裂纹尖端的应力集中而逐渐扩大,直至突然发生瞬时疲劳断裂。
在一定条件下,钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。钢材在无穷次交变荷载作用下而不致引起断裂的最大循环应力值称为疲劳强度极限。
钢材的疲劳强度与组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中等因素有关;一般来说钢材的抗拉强度高,其疲劳极限也较高。
4. 硬度
钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。测定方法有布氏法、洛氏法和维氏法等,建筑钢材常用布氏硬度表示,代号为HB。
布氏法的测定原理:利用直径为D(mm)的淬火钢球,以荷载P(N)将其压入试件表面,经规定持续时间后卸去荷载,得直径为d(mm)的压痕,以压痕表面积A(mm²)除荷载P即得布氏硬度(HB)值,此值无量纲。
7.2.2 钢材的工艺性能 1. 冷弯性能
冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯是通过检验试件经规定的弯曲程度后,弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、鳞落和断裂等情况进行评定。
一般用弯曲角度以及弯心直径与钢材厚度或直径的比值来表示:弯曲角度α越大、弯心直径d与钢材厚度或直径的比值越小,表明钢材的冷弯性能越好。
本页配有试样安装及弯曲90°、180°、弯曲至两面重合的测试过程图。
2. 可焊性
可焊性是指钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能。焊接过程中由于高温作用和焊后急剧冷却,会使焊缝及附近过热区发生晶体组织及结构变化,产生局部变形、内应力和局部硬脆,降低焊接质量。
3. 钢材的成分对性能的影响
钢是含碳量小于2%的铁碳合金,碳大于2%时则为铸铁。碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成,其中纯铁约占99%,碳及杂质元素约占1%。低合金结构钢中除上述元素外还加入合金元素,后者总量通常不超过3%。
除铁、碳外,钢材在冶炼过程中还会从原料、燃料中引入一些其它元素。
7.3 钢材的加工 7.3.1 钢材的冷加工 1)冷拉
将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉,拉伸至产生一定的塑性变形后卸去荷载。冷拉参数的控制直接关系到冷拉效果和钢材质量。
2. 冷加工时效
冷加工后的钢材随时间延长,屈服强度、抗拉强度与硬度进一步提高,塑性、韧性继续降低的现象称为时效。时效是一个十分缓慢的过程,有些钢材即使未经冷加工,长期搁置后也会出现时效,但不如冷加工后明显;钢材冷加工后由于产生塑性变形使时效大大加快。
7.3.2 钢材的热处理
将钢材按一定规则加热、保温和冷却处理,以改变其组织、得到所需性能的工艺过程。
7.4 钢材的标准与选用 7.4.1 建筑常用钢种 1. 普通碳素结构钢
普通碳素结构钢简称碳素钢、碳钢,包括一般结构钢和工程用热轧型钢、钢板、钢带。
1)牌号表示方法
根据《碳素结构钢》(GB/T 700—2006),牌号由代表屈服点的字母(Q)、屈服强度数值(MPa)、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、B、Z、TZ)四个部分按顺序组成。
普通碳素结构钢质量等级中,品质最佳是D级,最差是A级。
2)碳素结构钢的技术要求包括化学成分、力学性能、冶炼方法、交货状态、表面质量等五个方面。
3)普通碳素结构钢的性能和用途:碳素结构钢的牌号顺序随含碳量逐渐增加,屈服强度和抗拉强度也不断增加,伸长率和冷弯性能则不断下降。
碳素结构钢的质量等级取决于钢内有害元素硫(S)和磷(P)的含量,硫、磷含量越低钢的质量越好,其可焊性和低温抗冲击性能增强。
2. 优质碳素结构钢
3. 低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢是在碳素钢基础上添加总量小于5%合金元素的钢材,具有强度高、塑性和低温冲击韧度好、耐锈蚀等特点。
牌号表示方法为“屈服强度—质量等级”,以屈服强度划分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个等级,质量分为E、D、C、B、A五个等级。
由于合金元素的强化作用,低合金结构钢不但强度较高,且具有较好的塑性、韧性和可焊性,广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中,特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。
7.4.2 钢结构用钢
钢结构用钢主要是热轧成形的钢板和型钢等,薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢,母材主要是普通碳素结构钢及低合金高强度结构钢。
7.4.3 混凝土结构用钢 1. 钢筋混凝土结构用钢
混凝土具有较高的抗压强度但抗拉强度很低,用钢筋增强混凝土可大大扩展混凝土的应用范围,而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋主要由碳素结构钢和低合金高强度结构钢加工而成。
钢筋直径一般都相差2 mm及2 mm以上。一般把直径3~5 mm称为钢丝,直径6~12 mm称为细钢筋,直径大于12 mm称为粗钢筋。主要品种有热轧钢筋、热处理钢筋、冷拉钢筋、冷轧带肋钢筋、冷轧扭钢筋、冷拔低碳钢丝及钢绞线等。
1)热轧钢筋(1)热轧光圆钢筋
热轧光圆钢筋是经热轧成型、横截面通常为圆形、表面光滑的成品钢筋。《钢筋混凝土用钢 热轧光圆钢筋》(GB 1499.1—2008)规定,公称直径范围为6 mm~22 mm,推荐直径为6、8、10、12、16、20 mm,按屈服强度特征值分为235、300级,化学成分、力学性能及工艺性能要求见标准表。
(2)热轧带肋钢筋:根据《钢筋混凝土用钢 带肋钢筋》(GB 1499.2—2007)规定,热轧钢筋分普通热轧钢筋和热轧后带有控制冷却并自回火处理的带肋钢筋,按屈服强度特征值分为335、400、500级,相关力学指标要求见标准表。
提示:本页源文件内容为“3.2.8 专用水泥”,与第三章《胶凝材料》中的专用水泥页面内容重复,疑为源文件排版错误,此处按原文保留,建议对照原课件核对。
7.5 钢材的防锈与防火 7.5.1 建筑钢材的锈蚀与防护
1. 钢材锈蚀机理:指钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象,根据与环境介质作用的机理可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。
2. 钢筋混凝土中钢筋锈蚀:普通混凝土为强碱性环境,对埋入其中的钢筋形成碱性保护;在碱性环境中阴极过程难于进行,即使有原电池反应,生成的Fe(OH)₂也能稳定存在并成为钢筋的保护膜。所以用普通混凝土制作的钢筋混凝土,只要混凝土表面没有缺陷,里面的钢筋是不会锈蚀的;但实际工程中有时也会发生钢筋锈蚀。
3. 钢材锈蚀的防止
7.5.2 钢材的防火
钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料阻隔火焰和热量,推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主,即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。
7.6 建筑钢材的验收与储运 7.6.1 钢材的验收
钢材按批次检查验收,主要内容如下:
7.6.2 钢材的储运 1. 运输
运输中要求不同钢号、炉号、规格的钢材分别装卸以免混乱;装卸中钢材不许摔掷;运输过程中一端不能悬空及伸出车身外边;装车时注意荷重限制并须注意装载负荷均衡。
2. 堆放
堆放要减少钢材变形和锈蚀、节约用地并便于提取:
本章小结
习题 · 复习思考题(具体题目见原图)
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