土木工程材料第二章.ppt

,第二章,建筑钢材,buildingsteels,工程中使用的各种钢材：型钢、钢板、钢筋、钢丝、钢门窗、建筑五金特点：1.品质均匀，强度高，塑性、韧性好，能承受冲击和振动荷载，易于加工和装配。2.易锈蚀，耐火性差。,2.1钢材的化学成分和分类,钢的冶炼,钢：含碳量为0.062.0%并含有某些其它元素的铁碳合金。钢的生产分两步：（1）炼铁（2）炼钢钢的冶炼过程：氧化：把熔融的生铁进行氧化，使碳含量降低到预定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。脱氧：精炼后的钢液中还留有一定量的氧化铁，使钢的质量降低。为了消除它的影响，在精练结束后加入脱氧剂以去除钢液中的氧。钢的冶炼方法：转炉炼钢法，平炉炼钢法，电弧炉炼钢法,2.1.1钢材的化学成分,钢是以铁为主要元素、含碳量在2%以下，并含有其他元素的材料。钢的冶炼以生铁为主要原料。钢材中的化学成分，主要是铁，其次是碳，还含有少量的有益合金元素硅和锰；还可含有改善提高性能的钒、铌、钛、铬、镍、铝和稀土元素等有益合金元素；还含有微量磷、硫、氮、氧和氢等有害元素。,2.1.2钢材的分类,2.1.2.1碳素钢按含碳量分类,低碳钢C0.6,2.1.2.2合金钢按合金元素总含量分类,低合金钢合金元素10,2.1.2.2按冶炼时脱氧程度分类,（1）沸腾钢（F）；（2）镇静钢（Z）；（3）半镇静钢（b）；（4）特殊镇静钢（TZ）。,2.1.2.3按钢材品质(硫、磷等杂质含量)分类,（1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢;（4）特级优质钢。,2.1.2.4按钢材用途分类,（1）结构钢；（2）工具钢；（3）特殊钢；（4）专用钢。建筑上常用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。,2.2建筑钢材的主要技术性能,2.2.1力学性能,2.2.1.1拉伸性能,拉伸性能是钢材最主要的技术性能。拉伸试验可测得钢材的重要技术性能参数：屈服强度、抗拉强度、伸长率。抗拉强度是钢材强度的特征值，测定钢材强度的主要方法是拉伸试验。钢材受拉时，在产生应力的同时相应地产生应变，应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。,=L/L,b,e,S,P,P/A,f,0,p,s,b,低碳钢受拉力的应力应变图,e,S,低碳钢(软钢）从开始受拉直至断裂经历了四个阶段：（1）弹性阶段：弹性模量（E）和弹性极限（p）（2）屈服阶段：上屈服强度（ReH）、下屈服强度（ReL）（3）强化阶段：抗拉强度（Rm）、屈强比（ReL/Rm）（4）颈缩阶段：断面急剧缩小后断裂中碳钢、高碳钢（硬钢）无明显屈服台阶，通常把规定塑性延伸率为0.2%时的应力作为其屈服强度（Rp0.2）。,硬钢的屈服点Rp0.2,0,0.2,断后伸长率A:,L0试件原始标距，；Lu断裂试件拼合后标距，。,do,l0,l1,试件断后标距的测量,2.2.1.2冲击韧性,钢材抵抗冲击荷载作用的能力。,用冲击韧性值度量。冲击韧性值以摆锤冲断V型缺口试件时单位面积所消耗的功来表示。冲击韧性值越大，钢材冲击韧性越好，其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。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，应保证钢材具有一定的冲击韧性。,温度对钢材的冲击韧性有重大影响。冲击韧性随温度的降低而下降，开始下降缓和，当温度降到一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，这一现象称为钢材的冷脆性，这一温度范围称为脆性转变温度。转变温度越低，说明钢的低温冲击韧性越好。,脆性转变温度一般为2060,160,120,80,0,40,-80,-40,0,40,t,含锰低碳钢ak值与温度的关系,2.2.1.3耐疲劳性疲劳破坏：钢材受交变荷载反复作用在远小于抗拉强度情况下就发生突然破坏。疲劳强度（疲劳极限）：疲劳破坏的危险应力。钢材在交变荷载作用下在规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。钢材耐疲劳强度与内部组织、成分偏析及各种缺陷有关。,2.2.1.4、硬度,钢材的硬度是衡量其表面抵抗塑性变形的能力。常用的硬度测定方法：布氏硬度法：压入法，指标为布氏硬度值HB，数值越大表示钢材越硬。各类钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。根据这些相关关系可以直接在钢结构上测出钢材的HB值并估算出该钢材的抗拉强度。,布氏法：,D,P,d,布氏硬度测定示意图,2.2.2工艺性能,2.2.2.1冷弯性能,钢材在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯性能用弯曲角度及弯芯直径与试件厚度（或直径）的比值两个参数来表征。弯曲角度愈大，弯芯直径与试件厚度或直径的比值愈小则钢材的冷弯性能愈好。冷弯试验是将钢材按规定的弯心直径弯曲到规定的角度，通过检查被弯曲后钢材试件拱面和两侧面是否发生裂纹、起层或断裂来判定合格与否。,冷弯试验示意图,2.2.2.2焊接性能,通过对焊件局部区域的加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使焊件间达到原子结合的方法。焊接方法（1）熔焊；（2）压焊；（3）钎焊。可焊性好的钢材对焊接加工的适应性强，即在一定的焊接工艺条件下，能取得良好的焊接结果，焊接区域不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷。可焊性取决于材料本身性质，还受焊接工艺、焊件形状、环境条件等因素影响。钢的化学成分、冶炼质量及冷加工等都可影响焊接性能。,2.3钢的组成和加工方法对钢材性能的影响,2.3.1钢的组织及其对钢性能的影响,2.3.1.1钢的组成对钢材性能的影响碳（C）：影响钢材性能的主要元素。含量增加，强度、硬度提高，塑性、韧性降低，可焊性、耐蚀性降低，冷脆性和时效倾向增大。硅（Si）：有益元素。可提高强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，对可焊性和冷加工性能有所影响。锰（Mn）：有益元素。炼钢时起脱氧、降硫作用，消减热脆性，改善热加工性质和可焊性。提高强度、硬度及耐磨性，略微降低塑性和韧性。,磷（P）：有害杂质。显著降低塑性和韧性，特别是降低低温冲击韧性，产生冷脆性。硫（S）：有害杂质。发生热脆性现象，显著降低热加工性和可焊性。降低韧性、耐疲劳性及耐蚀性。氧（O）：有害杂质。氧化物存在使强度、塑性和韧性下降，热脆性增加，可焊性降低。氮（N）：有害杂质。含量增加，塑性、韧性大大降低，加剧时效敏感性和冷脆性，焊接性能变差。，氢（H）：有害杂质。引起白点和内部裂纹，性能变差。,钛（Ti）：提高强度和韧性。钒（V）：提高强度、韧性和耐磨性。铌（Nb）：改善可焊性，提高强度、耐腐蚀性。塑性、韧性有所下降。铝（Al）：提高冲击韧性，抗氧化性和抗蚀性，耐高温腐蚀能力。影响热加工性能、焊接性能。铬（Cr）：显著提高强度、硬度和耐磨性，抗氧化性和耐蚀性。镍（Ni）：提高强度，保持塑性和韧性，有耐腐蚀能力、防锈和耐热能力。铜（Cu）：提高耐大气腐蚀性。钼（Mo）：降低淬透性。硼（B）：降低淬透性。,2.3.1.2钢的组织结构对钢性能的影响,钢材由无数微细晶粒构成，碳与铁结合的方式不同可形成不同的晶体组织，使钢材的性能产生显著差异。纯铁晶体结构：体心立方晶体面心立方晶体钢的基本晶体组织：铁素体奥氏体渗碳体珠光体钢中碳原子与铁原子的三种基本结合形式：固溶体、化合物和机械混合物。,晶体组织,晶粒聚集示意,钢材属晶体材料，其宏观力学性能是晶体力学性能的表现。晶体力学性能决定于其原子排列方式及原子间的相互作用力。钢材晶体结构中原子以金属键结合。晶体由许多晶粒组成，晶粒中原子规则排列。描述原子在晶体中排列形式的空间格子称晶格。晶格按原子排列的方式不同分为若干类型。,体心立方晶体铁原子排列示意,(a)体心立方晶格；(b)晶胞,间隙原子,空位,刃型位错,(a),(c),(b),(a)点缺陷空位和间隙原子；(b)线缺陷刃型位错；(c)面缺陷晶界面,晶格缺陷示意图,钢中的碳有三种存在形式：碳溶解于铁晶格中形成固溶体；碳与铁结合形成金属化合物；碳以石墨形态独立存在。钢中铁碳合金构成的基本组织常温下有三种：铁素体：碳溶于Fe中的固溶体，强度、硬度很低，塑性好，冲击韧性很好；渗碳体：金属化合物Fe3C，抗拉强度很低，硬脆，很耐磨，塑性几乎为零；珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物，强度较高，塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间。碳素钢的含碳量小不大于0.8%时，其基本组织为铁素体和珠光体；含碳量增大时，珠光体含量增大，铁素体相应减少，强度、硬度随之提高，塑性和冲击韧性相应下降。,2.3.2加工方法对钢材性能的影响,钢材的各种加工，会影响各基本组织含量的比例、晶格的形态、晶粒的粗细等，从而使钢材的性能发生变化。2.3.2.1冷加工强化和时效强化对钢材性能的影响冷加工：指钢材在常温下，通过冷拉、冷拔、冷轧、或冷扭等方式，使钢材产生塑性变形的机械加工方法。时效：钢材经冷加工后，随着时间延长，钢的屈服强度和抗拉强度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低，弹性模量基本恢复的现象。,自然时效：将冷加工后的钢材于常温下存放1520天；人工时效：将冷加工后的钢材加热到100200C并保持一定时间。冷加工强化：钢材经冷加工后再经时效处理，其屈服强度和抗拉极限强度增加，硬度增加，塑性和韧性降低。,钢筋经冷拉时效后应力应变图的变化：,O,O,B,K1,C1,C,D1,D,未冷拉,经冷拉时效后,K,2.3.2.2热加工对钢材性能的影响热加工：将钢材加热到塑性变形阶段后，再进行整体成型加工的方法。主要有热锻造和热轧。多用热轧。用于生产型材、板材和管材。通过热轧能消除钢材中的气泡，细化晶粒，提高质量。2.3.2.3热处理对钢材性能的影响热处理：钢材在固态范围内进行加热、保温和冷却，以改变其金相组织和显微结构组织，从而获得所需要性能的一种工艺过程。,（1）退火和正火退火：加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷却。改善组织，减轻晶格畸变，消除组织缺陷和内应力，改善性能。正火：加热到一定温度，保温后在空气中缓慢冷却。硬度、强度提高，塑性减小。细化晶粒，消除组织缺陷。（2）淬火和回火淬火：加热到基本组织转变温度以上，保温后放入冷却介质中快速冷却。提高强度、硬度，显著降低塑性和韧性。回火：加热到相变温度以下，保温后在空气中冷却。降低脆性，改善机械性能。,室温,性能,冷加工程度,回复,再结晶,晶粒长大,热处理温度,6,d,s,5,b,冷加工及退火对性能的影响示意图,d.晶粒尺寸,s.屈服强度,b.拉伸强度；,.伸长率,2.4建筑用钢,2.4.1土木工程常用钢种,2.4.1.1碳素结构钢（/T2006）,2.4.1.2低合金高强度结构钢（/T2008）,2.4.1.3优质碳素结构钢（/T1999）,2.4.1.4合金结构钢（/T30771999）,碳素结构钢的牌号由4个要素组成：,脱氧程度代号，F代表沸腾钢；,b代表半镇静钢；Z代表镇静钢；,TZ代表特殊镇静钢,质量等级代号分A、B、C、D4级,钢材屈服点数值,钢材屈服点代号，以“屈”字汉语拼音首位字母“Q”表示,碳素结构钢的牌号,低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢牌号由三个要素组成,质量等级符号分：A，B，C，D，E5级,屈服点数值,屈服点代号“Q”,优质碳素结构钢,表示方法：以平均含碳量（以0.01%为单位）、含锰量标注、脱氧程度代号组成。性能：主要取决含碳量。含碳量高，强度高，但塑性和韧性降低。用途：用作钢铸件、高强度螺栓、预应力混凝土锚具、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,合金结构钢,牌号表示方法：以平均含碳量、合金元素符号、合金元素平均含量、冶金质量等级四部分组成。性能：具有较高的强度和较好的综合性能。用途：用于轧制各种型钢、钢板、钢管、铆钉、螺栓、螺帽及钢筋，用于各种重型结构、大跨度结构、高层建筑等。,2.4.2混凝土结构用钢材,2.4.2.1钢筋混凝土结构用钢材（1）热轧钢筋热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋。热轧钢筋按外形可分为光圆钢筋和带肋钢筋（俗称螺纹钢），带肋钢筋可提高混凝土与钢筋的粘结力。热轧直条钢筋按屈服点分成四个强度等级，牌号为：光圆钢筋为HPB后面加屈服强度的数值；带肋钢筋为HRB（F)后面加屈服强度数值。在施工图纸中分别用符号代替：级钢筋级钢筋级钢筋级钢筋,（2）冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后在其表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋，也可经低温回火处理。牌号为“CRB”后面加抗拉强度最小值的数字。冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性好、与混凝土粘结牢固、节约钢材、质量稳定等优点，宜做中小型预应力混凝土构件的受力主筋、架力筋、箍筋和构造钢筋。,2.4.2.2预应力混凝土结构用钢材（1）预应力混凝土用钢棒用低合金钢热轧盘条经冷加工淬火和回火所得。主要用于预应力混凝土梁、轨枕或其他预应力混凝土结构。（2）预应力混凝土用螺纹钢筋一种热轧成带有不连续的外螺纹的直条钢筋。主要用于核电站、水电站、桥梁、隧道和高速铁路等重要工程。,（3）预应力混凝土用钢丝用优质碳素结构钢经冷拔或再经回火等工艺处理制成的高强度钢丝。主要用作大跨度桥梁、大型屋架、吊车梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。（4）预应力混凝土用钢绞线由冷拉光圆钢丝及刻痕钢丝捻制成的用于预应力混凝土结构的钢绞线。常用于岩土锚固及大跨度建筑工程中。,2.4.3钢结构用钢材,2.4.3.1热轧型钢具有一定截面形状和尺寸的实心长条钢材。（1）角钢：广泛用于建筑结构和工程结构，如：房梁、桥梁、输电塔、起重运输机械、容器架及仓库货架等。（2）L型钢：主要用于海洋工程结构和要求较高的建筑工程结构。（3）工字钢：广泛用于各种建筑结构、桥梁、支架、机械等。（4）槽钢：主要用于建筑结构、车辆制造和其他工业结构，常与工字钢配合使用。（5）H型钢：常用于要求承载能力大、截面稳定性好的大型建筑、桥梁、起重运输机械、机械基础、支架和基础桩等。（6）扁钢：主要用于建筑上用作房架结构件、扶梯、桥梁及栅栏等，也可用作焊管和叠轧薄板的坯材。,2.4.3.2冷弯薄壁型钢一种经济的截面轻型薄壁钢材。建筑用压型钢板。2.4.3.3钢管和钢板（1）钢管无缝钢管和焊接钢管。（2）钢板建筑结构用钢板彩色涂层钢板花纹钢板,2.4.4钢纤维混凝土用钢材,钢纤维原材料可使用碳素结构钢、合金结构钢和不锈钢。生产方式有钢丝切断、薄板剪切、熔融抽丝和铣削。钢纤维直径控制在0.450.7mm，长径比控制在5080。按抗拉强度分为1000、600和380三个等级。,2.5钢材的防护,2.5.1防腐,化学锈蚀：钢材与周围介质直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。,(2)电化学腐蚀：钢材由不同的晶体组织构成并含有杂质，这些成分的电极电位不同，有水存在时发生电化学反应。,水膜,钢材,杂质(阴极),Fe(阳极),2.5.1.1腐蚀钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。腐蚀使钢材有效截面积均匀减小；产生局部锈坑引起应力集中；显著降低钢的强度、塑性、韧性等力学性能。,在阳极：(氧化),FeFe2+2e,在阴极：(还原),2H+2eH2,Fe+2OHFe(OH)2,Fe(OH)2又与水中溶解的O2发生如下反应：,4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)2,2.5.1.2防腐方法（1）采用耐腐蚀性强的钢材,耐候钢即耐大气腐蚀钢。在碳素钢和低合金钢中加入少量的铜、铬、镍、钼等合金元素制成。这种钢在大气作用下能在表面形成一种致密的防腐保护层，同时保持钢材具有良好的焊接性能。,（2）隔离环境中的侵蚀性介质用耐腐蚀性好的金属以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。常用方法有镀锌、镀锡、镀铜和镀铬。在钢材表面用非金属材料作为保护膜。（3）电化学保护阴极保护技术。,2.5.2防火,无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25小时，裸露钢梁的耐火极限仅为0.15小时。温度在200以内可以认为钢材的性能基本不变；超过300以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；到达600时已失去承载能力。没有防火保护层的钢结构是不耐火的。,防火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，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。（1）防火涂料分膨胀型（薄型）和非膨胀型（厚型）。（2）不燃性板材石膏板、硅酸钙板、蛭石板、珍珠岩板、矿棉板岩棉板等通过粘结剂或钢钉、钢箍等固定在钢构件上。,