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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,7.,建筑钢材和木材,7.建筑钢材和木材,1,7.1,建筑钢材,钢：含碳量小于,2%,的铁碳合金，由生铁（含碳量大于,2%,的铁碳合金）精炼而成。,钢材是一种重要的建筑材料，与非金属材料相比，它具有,强度高、塑性好、韧性好，能经受冲积、品质均匀、性能可靠,等特点。缺点是,易锈蚀、维护费用高,。,按用途分类：,结构钢、工具钢、专用钢和特殊钢等。,按化学成分分类：碳素钢和合金钢。,碳素钢按钢中的含碳量分为：,低碳钢,，含碳量少于,0.25%,；,中碳钢,，含碳量为,0.250.7%,；,高碳钢,，含碳量为,0.7%1.4%,。合金钢按掺入合金元素（一种或多种）的总含量分为：,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%,。,按钢材的产品品种分类：,型钢,如各种规格的角钢、槽钢、工字钢，可用于组成各种形式的钢结构。,板材,有厚板、中板和薄板，建筑上常采用中板与各种型钢组成的钢结构,钢筋,常用的钢筋的品种很多，按钢筋的轧制外形分类有：光圆钢筋和带肋钢筋；按钢筋的直径分类有：钢筋，直径大于,6mm20mm,；钢丝，直径,3mm5mm,。钢筋被用于各类混凝土及预应力混凝土结构中。,7.1 建筑钢材钢：含碳量小于2%的铁碳合金，由生铁（含碳,2,7.1.1,钢的生产概述,钢材的主要生产过程为：冶炼、脱氧、铸锭及加工等。,7.1.1.1,冶炼,冶炼是在炼钢炉内，用高温氧化的方法，使铁水中的杂质氧化成渣后，将含碳量降至,2.0%,以下，并降低硫及磷等杂质的含量。根据炼钢设备，钢的冶炼可分为,转炉炼钢,、,平炉炼钢,和,电炉炼钢,三种。,转炉钢,是以熔融状态的铁水为原料，不用燃料，从转炉底部或侧面吹入高压热空气（或氧气）进行冶炼的，用吹入铁水中的空气或氧气将碳和杂质氧化，前者称空气转炉法，后者称氧气转炉法。,空气转炉法,在吹炼过程中较易混入有害气体氮、氢等，冶炼时间短，不易准确控制钢水的化学成分，质量较差。但炼钢速度快、产量高、成本较低，多用于冶炼普通碳素钢。,氧气转炉法,可以避免空气中有害气体的混入，炉温较高，有利于出去硫、磷等杂质，减少非金属夹杂物，使钢的质量明显提高。,7.1.1 钢的生产概述钢材的主要生产过程为：冶炼、脱氧、铸,3,平炉钢,是以固态或液态生铁、废钢铁及适量铁矿石作原料，用煤气或重油作为燃料进行冶炼的。平炉钢冶炼时间较长，炉温较高，成分可以精确控制，钢中的硫、磷、氮、氢等杂质含量少，质量较高且稳定。但其设备投资较大，成本相对较高，一般用于炼制优质碳素钢、合金钢和有特殊要求的专用钢。,电炉钢,是用点加热进行高温冶炼的，其优点是稳定可以自由调节、成分可以精确控制、杂质含量极少，钢的质量最高。但其成本较高，一般用于冶炼优质碳素钢和特殊合金钢。,7.1.1.2,脱氧,在钢的冶炼过程中，氧对于造渣和去除杂质是必不可少的。但是冶炼后留在钢中的氧（以,FeO,的形式存在）却是有害的，所以在铸锭前，要在钢水中加入锰铁、硅铁或铝块等脱氧剂将氧排除。,根据脱氧程度不同可将钢分为沸腾钢、镇定钢和半镇定钢。,沸腾钢脱氧不完全，钢中,FeO,含量较高，铸锭时会与钢水中的碳发生化学反应，生成大量,CO,气体，,CO,外溢时从钢液中冒出呈“沸腾状”，故此得名。由于不少气泡残留在钢中，钢的质量较差。镇定钢脱氧完全，铸锭时钢水平静，无沸腾现象，质量较好，但成本较高。半镇定钢的脱氧程度介于沸腾钢和镇定钢之间，其性能也介于这两种之间。,平炉钢是以固态或液态生铁、废钢铁及适量铁矿石作原料，用煤气或,4,7.1.2,建筑钢材的技术性质,钢材的技术性质包括：强度、塑形、冲积韧性、硬度、冷弯及抗腐蚀性等。,7.1.2.1,强度及变形性能,在不同品种的钢材的强度和变形性能各异，在进行拉伸试验时，其应力,-,应变曲线也各不相同，但主要有两种类型。,图,7-1,所示是典型的低碳钢应力,-,应变曲线类型。应力值在,A,点以前，应力与应变按比例增加，钢材处于弹性形变阶段。超过,A,点后，应变较应力增长为快，达到,B,点，钢材发生塑流而产生屈服，此时应力基本不增加而应变却持续明显增加，钢材处于屈服阶段，应力,-,应变曲线呈锯齿形。超过,B,点后，应力又随应变的增加而继续增加，并上升达到最高点,C,，,BC,段称之为钢材的强化阶段。超过,C,点后，钢材在薄弱界面处突然显著变小，变形迅速增加而应力随之下降，达到,D,点则发生断裂，,CD,段称为颈缩阶段。,7.1.2 建筑钢材的技术性质钢材的技术性质包括：强度、,5,图,7.2,给出了中碳钢和高碳钢（硬钢）的应力,-,应变曲线，与低碳钢（软钢）相比，其特点是没有明显的屈服阶段，应力随应变的增加持续增加，直至断裂。,根据钢材应力,-,应变曲线可以了解钢材下列特征指标：,1,）强度,（,1,）屈服强度,它是钢材开始失去对变形的抵抗能力，并产生大量塑形变形时所对应的应力、对于低碳钢，在屈服阶段有一锯齿形应力,-,应变曲线，对应于锯齿形最高点的应力称为上屈服点,B,上,，对应于锯齿形最低点的应力为下屈服点,B,下,。,（,2,）抗拉强度,它是钢材所能承受的最大拉力，为图,7-1,中的,C,点所对应的应力,b,。抗拉强度虽不能直接利用，但屈服强度与抗拉强度的比值（,/,），即“屈强比”，对钢材有实际的使用意义。屈强比越小，钢材越不易发生危险的脆性破坏，结构的安全性和可靠性越高。但此值太小时，钢材强度的有效利用率降低，可能会造成钢材的浪费。,图7.2 给出了中碳钢和高碳钢（硬钢）的应力-应变曲线，与低,6,2,）塑形,（,1,）,伸长率,伸长率是钢材在拉伸试验中试件被拉断后（见图,7-3,），试件标距长度的增量与原标距长度之比的百分率，按照公式（,7-1,）计算：,（,7-1,）,式中：,n,试件的伸长率（,%,）；,l,0,试件的原标距长度（,mm,）；,l,1,试件拉断后标距的长度（,mm,）；,伸长率是反应钢材塑形变形性能的一种指标，伸长率越高，钢材的塑形越大。塑形良好的钢材，偶尔遇到超载，将产生塑形变形，使内部应力重新分布，不至于由于应力集中而发生突然破坏。一般来说，有明显屈服点的钢材都有较高的伸长率，塑形较大。,（,2,）,断面收缩率,断面收缩率也是反映钢材塑形的指标。它是试件拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量占原横断面积的百分率，按公式（,7-2,）计算：,（,7-2,）,式中,试件的断面收缩率（,%,）；,A,0,试件原横断面积（,mm,2,）；,A,1,试件拉断后颈缩处的横断面积（,mm,2,）；,2）塑形（1）伸长率 伸长率是钢材在拉伸试验中试件被拉断,7,7.1.2.2,冲积韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲积荷载的能力，简称韧性。冲击韧性是将钢材制成有槽口（,V,型）的标准试件，在摆锤式冲积试验机上（图,8-4,），以摆锤击打试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，该值越大，冲击韧性越好。对于重要钢结构及使用时承受动荷载作用的钢构件，要求钢材具有一定的冲击韧性。,7.1.2.3,硬度,钢材表面局部体积抵抗更硬物体压入的能力称为硬度，是衡量钢材软硬程度的指标。建筑钢材的硬度常用布氏法、洛氏法和维氏法测定，经常采用的是前两种方法。其中布氏硬度是用一定直径的,D,的硬钢球，在一定荷载,P,作用下压入钢材表面后，荷载值与压痕面积之商，如图,8-5,所示。,7.1.2.4,冷弯性能,冷弯性能为钢材在常温下承受弯曲而不开裂的能力，是建筑钢材重要的性能。钢材的冷弯性能指标是将钢材试件环绕规定的弯心直径，弯曲到规定的弯心角度，在实验过程中观察其是否有裂缝、起皮或断裂等现象。图,8-6,为试件厚度为,a,、弯心直径为,0.5a,、弯心角度为,180,的冷弯实验示意图。,7.1.2.5,可焊接性,可焊接性是指钢材在焊接后，体现其焊头联结牢固程度和硬脆倾向大小的一种性能。钢材在焊接过程中，由于高温作用，焊缝及其附近的过热部位将发生晶体组织和晶体结构的变化，使焊缝周围的钢材承受硬脆现象，降低了焊件的使用性能。可焊性良好的钢材，焊接后的焊头牢固可靠，硬脆倾向小，仍能保持与母材基本相同的性质。钢的化学成分、冶炼质量及冷加工等都对钢材的可焊性影响较大。,7.1.2.6,钢材的腐蚀性,钢材因受周围介质的化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀，亦称为锈蚀。根据环境介质对钢材的作用，钢材腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种。化学腐蚀是由于钢材与氧化介质（如,O,2,，,CO,2,，,SO3,，,CL,2,与,H,2,S,等）接触产生化学反应，在钢材表明形成疏松的氧化物。这种反应在干燥环境下进展缓慢，但在温度和湿度较高的条件下，进展缓慢。电化学腐蚀也称湿腐蚀，由于钢材的组成非均一体，但其表面有水分存在时，构成电解质水膜，产生电极电位差，建立许多微电池，出现金属离子反应而引起腐蚀。钢材的腐蚀将影响工程结构的耐久性，严重时会导致结构的破坏，在使用期间应给以足够的重视。,7.1.2.2 冲积韧性,8,7-4,冲击韧性试验示意图,7-5,布氏硬度试验示意图,7-6,冷弯试验示意图,7-4 冲击韧性试验示意图7-5 布氏硬度试验示意图7,9,7.1.3,影响钢材技术性质的主要因素,钢材中的主要影响因素对其技术性能的影响如下：,碳,是影响钢材性能的主要因素。随着含碳量的提高，钢材的强度和硬度相应提高，塑形和韧性相应降低，但当含碳量超过,1.0%,时，钢材的强度反而下降。此外，随着含碳量的增加，还会增大钢材的冷脆性和时效敏感性，降低抗腐蚀性和可焊性。,硅,少量的硅可以提高钢材的强度和硬度，而对塑形和韧性的影响不大。但含硅量过高时，将显著降低钢材的塑形和韧性，增大冷脆性，并使可焊性变坏。,锰,锰可以明显提高钢材的强度和硬度，还能与钢中的硫,S,化合成,MnS,入渣减少,S,对钢材性能的危害。钢材中的含锰量过高时，也会降低钢材的塑形、韧性及可焊性。,硫,硫是钢中的有害杂质，大多数硫以,FeS,的形式存在于钢材中，这是一种强度低且较脆的夹杂物，受力时容易引起应力集中，降低钢的强度和疲劳强度，对热加工和焊接很不利，应严格控制其含量。,磷,磷是钢中的有害物质，它虽然可增加钢材的强度和耐腐蚀性，但却显著增大钢的冷脆性，并降低可焊性，也应严格控制其含量。,氮,氮是钢中的有害杂质，其对钢性能的影响与磷相近，应限制含氮量。,氧,大多数氧以,FeO,的形式存在于钢材中，是一种很脆的物质，会使钢的塑形、韧性和疲劳强度显著降低，并增大时效敏感性。,7.1.3 影响钢材技术性质的主要因素钢材中的主要影响因素对,10,7.1.3.2,钢材加工工艺的影响,钢水铸锭后，可通过,热加工、热处理、冷加工,等工艺加工成各种型材、板材和管材等。,1,）热加工,热加工有热压、轧制等工艺。钢锭通过热加工后，不仅能股得到形状和尺寸合乎要求的钢材，而且能够消除钢材中的气泡、细化晶粒，提高钢的强度。轧制次数越多，强度提高的过程也就越大。,2,）热处理工艺,钢的热处理是对其进行加热、保温和冷却的综合操作工艺。钢的热处理工艺有：退火、正火、淬火、回火等形式，通过这些工艺来改变钢的晶体组织，以改善钢的性质。,淬火,是将钢材加热到,723 910,以上（视含碳量而定），然后在水、铅或油浴中淬冷。淬火能明显提高钢的硬度和耐磨性，但其属性和韧性显著降低，且有很大的内应力，脆性很高。,回火,是将淬火后的钢材在,723,以下的温度范围内重新加热，主要是为了消除淬火后钢件的内应力和脆性。低温回火（,150300,）将保持钢的高强度和高硬度；中温回火（,300500,）；可保持钢的高弹性极限和屈服强度；高温回火（,500600,）既有一定的强度和硬度，又有适当的塑形和韧性。把淬火和高温回火的联合处理工艺称为调质，是目前用来强化钢材的有效措施。,退火,是将钢材加热到,723 910,以上，然后退火炉中缓慢冷却。退火可降低钢的硬度，提高塑形和韧性，
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