电子课件—建筑材料(第三版)—A09-1616-第八章-建筑钢材.ppt
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- 电子 课件 建筑材料 第三 A09 1616 第八 建筑 钢材
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1、第八章第八章建筑钢材建筑钢材建筑材料 基本要求基本要求 概述概述 钢材的生产与分类钢材的生产与分类 钢材的化学成分与晶体组织钢材的化学成分与晶体组织 钢材的主要技术性能钢材的主要技术性能 钢材的冷强化及时效、热处理和焊接钢材的冷强化及时效、热处理和焊接 钢材的防火和防腐蚀钢材的防火和防腐蚀 建筑钢材的品种与及选用建筑钢材的品种与及选用主要内容主要内容基本要求 教学目标教学目标掌握建筑钢材的主要技术性质和技术标准;掌握建筑钢材的主要技术性质和技术标准;掌握建筑钢材的品种和选用方法;掌握建筑钢材的品种和选用方法;了解钢材化学组成、钢材的腐蚀与防止。了解钢材化学组成、钢材的腐蚀与防止。重点重点建筑钢
2、材的主要技术性能建筑钢材的主要技术性能常用建筑钢材的标准及选用常用建筑钢材的标准及选用 定义定义 特点特点 应用应用 意义意义 指用于工程建设的各种钢材。包括指用于工程建设的各种钢材。包括钢筋钢筋钢丝钢丝型钢型钢钢板钢板钢管钢管 优点优点v比强度高比强度高v塑性好、韧性好塑性好、韧性好v能承受冲击和振动荷载能承受冲击和振动荷载 缺点缺点v易生锈易生锈v耐火性能差耐火性能差v维护费用大维护费用大 建筑钢材可用于:建筑钢材可用于:v大跨度结构大跨度结构v多层及高层结构多层及高层结构v受动荷载作用的工业厂房受动荷载作用的工业厂房建筑钢材是建筑工程中常用的材料建筑钢材是建筑工程中常用的材料钢材的品种多
3、,性质差别大,为了掌握钢材的合理使用,应钢材的品种多,性质差别大,为了掌握钢材的合理使用,应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的理解。对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的理解。二、钢材的生产与分类 钢材的生产钢材的生产 钢材的分类钢材的分类生铁:铁碳合金,生铁:铁碳合金,C含量高,约为含量高,约为2.066.67,并含,并含较多杂质。较多杂质。钢:铁碳合金,铁钢:铁碳合金,铁Fe为主要元素:为主要元素:碳碳C含量含量2.06,杂质元素:杂质元素:Mn、Si、S、P、H、O、N等,含量少。等,含量少。冶 炼生 铁钢 生铁中的碳氧化,降低含C量,除去杂质元素,降低其含量高炉高炉熔融
4、熔融低碳钢:低碳钢:0.6%合金钢合金钢低合金钢:低合金钢:10%碳素钢碳素钢化化学学成成分分普通钢:普通钢:0.050%,0.045%优质钢:优质钢:0.035%,0.035%高级优质钢:高级优质钢:0.025%,0.025%,牌号后加牌号后加“高高”或或“A”特级优质钢:特级优质钢:0.015%,0.015%,牌号后牌号后加加“E”含硫量含硫量 含磷量含磷量高高低低钢钢材材质质量量沸腾钢:脱氧不充分,代号沸腾钢:脱氧不充分,代号“F”半镇静钢:介于半镇静钢:介于F与与Z之间,代号之间,代号“b”镇静钢:脱氧充分,代号镇静钢:脱氧充分,代号“Z”特殊镇静钢:脱氧彻底,代号特殊镇静钢:脱氧彻底
5、,代号“TZ”结构钢:建筑结构、机械制造(低、中碳钢)结构钢:建筑结构、机械制造(低、中碳钢)工具钢:各种工具(高碳钢)工具钢:各种工具(高碳钢)特殊钢:具有特殊物理、化学或机械性质特殊钢:具有特殊物理、化学或机械性质 (不锈钢、耐热钢、耐酸钢、)(不锈钢、耐热钢、耐酸钢、)脱脱氧氧程程度度结结构构用用途途以下为沸腾钢(以下为沸腾钢(A)与镇静钢()与镇静钢(B)两钢锭的纵剖面,请观察)两钢锭的纵剖面,请观察其结构差别,讨论其性能差异。其结构差别,讨论其性能差异。观察与讨论(B)镇静钢(A)沸腾钢解答:从图中可见,沸腾钢的气泡明显多于镇静钢,沸腾钢沸腾钢是脱氧不完全的钢,浇铸后在钢液冷却时有大
6、量一氧化碳气体外逸,引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多,化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差,但生产成本低,可用于一般地建筑结构。而镇静钢镇静钢是指在浇铸时,钢液平静地冷却凝固,基本无一氧化碳气泡产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实,品质好,但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载地重要结构。此外,还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢,其质量最好,称特殊镇静钢特殊镇静钢,其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,称为半镇静钢半镇静钢,其质量较好。观察与讨论工程概况:某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成,使用一段工程概况:某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而
7、成,使用一段时间后,屋架坍塌,请分析事故原因。时间后,屋架坍塌,请分析事故原因。案例分析钢结构屋架坍塌钢结构屋架坍塌 钢结构屋架首先是因为钢材的选用不当,中碳钢的塑性和韧性比首先是因为钢材的选用不当,中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差;低碳钢差;且其焊接性能较差,焊接时钢材局部温度高,形成了且其焊接性能较差,焊接时钢材局部温度高,形成了热影响区,其塑性及韧性下降较多,较易产生裂纹。热影响区,其塑性及韧性下降较多,较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。金钢中的低合金高强度结构钢。解答:案例分析 钢材的化学成
8、分钢材的化学成分碳碳:炼钢氧化过程中生成,主要以渗碳体:炼钢氧化过程中生成,主要以渗碳体Fe3C存在存在。含碳量含碳量钢的抗拉强度、硬度钢的抗拉强度、硬度塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性硅硅:脱氧剂,:脱氧剂,屈服强度和抗拉强度屈服强度和抗拉强度可焊性、冷加工性可焊性、冷加工性锰锰:脱氧、去硫,具有很强的脱氧、硫能力:脱氧、去硫,具有很强的脱氧、硫能力。可改善钢的热加工性,强度、硬度可改善钢的热加工性,强度、硬度锰含量过高,可焊接性锰含量过高,可焊接性有有 害害 元元 素素硫硫:来自炼铁原料:来自炼铁原料氧氧:常以:常以FeOFeO的形式存在。的形式存在。磷磷:来自炼铁
9、原料,钢的强度和硬度:来自炼铁原料,钢的强度和硬度最大害处:热脆性最大害处:热脆性热加工性、可焊接性热加工性、可焊接性冲击韧性、耐疲劳性、抗腐蚀性冲击韧性、耐疲劳性、抗腐蚀性最大害处:冷脆性最大害处:冷脆性低温冲击韧性、可焊接性低温冲击韧性、可焊接性最大害处:热脆性最大害处:热脆性 强度、机械性能、韧性、可焊性强度、机械性能、韧性、可焊性四、建筑钢材的主要技术性质 拉伸强度拉伸强度 冷弯性能冷弯性能 冲击韧性冲击韧性标准试件标准试件按照一定的要求,对表面进行车削按照一定的要求,对表面进行车削加工后的试件加工后的试件。非标准试件非标准试件不经过加工,直接在线材上切取不经过加工,直接在线材上切取的
10、试件。的试件。(1 1)拉伸过程分四个阶段:)拉伸过程分四个阶段:vOAOA:弹性阶段:弹性阶段vABAB:屈服阶段:屈服阶段vBCBC:强化阶段:强化阶段vCDCD:颈缩阶段:颈缩阶段1.1.低碳钢的拉伸过程低碳钢的拉伸过程0sAFSFsFs 屈服阶段最小的力屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力首次回针所对应的力),N),N;AoAo 钢材的原始截面积,钢材的原始截面积,mmmm2 2。v 屈服强度(屈服点)屈服强度(屈服点)上屈服点(上屈服点(B B上上):):试样首次屈服前的最大应力;试样首次屈服前的最大应力;下屈服点(下屈服点(B B下下):):不计初始瞬时效应的最小应力,不计初始瞬时
11、效应的最小应力,即即屈服点。屈服点。(2(2)拉伸性能指标()拉伸性能指标(4 4个)个)1.1.低碳钢的拉伸过程低碳钢的拉伸过程强屈比一般不低于强屈比一般不低于1.21.2,抗震结构一般不低于,抗震结构一般不低于1.251.25。0bAFbsb强屈比值得注意:值得注意:强屈比的概念强屈比的概念值值越大越大,可靠性越高可靠性越高,安全性越高安全性越高,但利用率降低,浪费增大。但利用率降低,浪费增大。v 抗拉强度抗拉强度定义:钢材所能承受的最大拉应力。定义:钢材所能承受的最大拉应力。计算式:计算式:试验时,一般以钢材出现颈缩为准。试验时,一般以钢材出现颈缩为准。最大拉力,最大拉力,N N1.1.
12、低碳钢的拉伸过程低碳钢的拉伸过程%100LLL001v 伸长率(塑性指标)伸长率(塑性指标)计算式:计算式:意义:意义:u 值值越大,塑性增强可避越大,塑性增强可避免结构过早破坏;免结构过早破坏;u加工性增强,安全性增强加工性增强,安全性增强。1.1.低碳钢的拉伸过程低碳钢的拉伸过程 A A1 1试样拉断后颈缩处的截面积,试样拉断后颈缩处的截面积,mm2;A A0 0表示钢材的原始截面积,表示钢材的原始截面积,mm2。伸长率伸长率和和断面收缩率断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。%100010AAAv 断面收缩率(塑性指标)断面收缩率(塑性指标)1
13、.1.低碳钢的拉伸过程低碳钢的拉伸过程硬钢强度高,塑性差,拉伸过程无明硬钢强度高,塑性差,拉伸过程无明显屈服阶段,无法直接测定屈服强度。显屈服阶段,无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。来代替屈服强度。条件屈服点条件屈服点0.2:使硬钢产生:使硬钢产生0.2%塑塑性变形时的应力。性变形时的应力。2.2.高碳钢的拉伸过程高碳钢的拉伸过程v定义:定义:冷弯性能指刚才在常温下承受弯曲变形的能力。冷弯性能指刚才在常温下承受弯曲变形的能力。v指标指标:弯心直径:弯心直径d d与试件厚度(直径)与试件厚度(直径)a a的比的比d/ad/a 弯曲的角度(弯曲的角度(9090
14、、180180)装好的试件装好的试件 弯曲弯曲180180 弯曲弯曲9090 v判断标准:判断标准:v意义:意义:能反映能反映试件弯曲处的塑性变形试件弯曲处的塑性变形,能揭示钢材是否存在,能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷也能对也能对钢材的焊接质量钢材的焊接质量进行严格的检验,能揭示焊件进行严格的检验,能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合,裂缝及夹杂物等缺陷。受弯表面是否存在未熔合,裂缝及夹杂物等缺陷。v 定义:定义:指钢材抵抗冲击荷载的能力指钢材抵抗冲击荷载的能力。v 试验方法:试验方法:标准试件的弯曲冲击韧性试验。标准试件的弯曲冲击韧性试
15、验。v 指标:指标:试试件缺口处单位截面积上所消耗的功件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作计作k,k,J/cmJ/cm2 2。k k值愈大,钢材的冲击韧性愈好。值愈大,钢材的冲击韧性愈好。问题:钢材的冲击韧性的影响因素?答:钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏答:钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感,因此,冲击韧性主要受下列因素影响:感,因此,冲击韧性主要受下列因素影响:p钢中的钢中的S、P等有害杂质含量;等有害杂质含量;p成分偏析程度;成分偏析程度;p轧制与焊接质量;轧制与焊接质量;p钢的加工硬化与时效;钢的加工硬化与时效;p环境温度等。环境温度等。钢材的冷加工
16、钢材的冷加工 钢材的时效钢材的时效 钢材的热处理钢材的热处理 钢材的焊接钢材的焊接冷冷加加工工v定义定义:指钢材在常温下进行的加工。:指钢材在常温下进行的加工。v方式:方式:冷拉冷拉冷拔冷拔冷轧:冷轧:v特点:特点:钢材经冷加工产生塑性变形,从而提高钢材经冷加工产生塑性变形,从而提高 其屈服强度,这一过程称为其屈服强度,这一过程称为冷加工强化冷加工强化 冷拉冷拉v定义定义:指钢材在常温下拉伸。:指钢材在常温下拉伸。v过程:过程:将钢筋拉至应力将钢筋拉至应力-应变曲线的强应变曲线的强 化阶段内任一点化阶段内任一点K K处,然后缓慢处,然后缓慢 卸去荷载。卸去荷载。v意义:意义:当再度加载时,其屈
17、服点将有所提高当再度加载时,其屈服点将有所提高塑性变形能力将有所降低;塑性变形能力将有所降低;钢筋经冷拉后,一般屈服点可提高钢筋经冷拉后,一般屈服点可提高 20%20%25%25%应力应力-应变曲线应变曲线冷拔冷拔v定义定义:是指将光圆钢筋通过硬质合金:是指将光圆钢筋通过硬质合金 拔丝模孔强行拉拔。拔丝模孔强行拉拔。v特点:特点:冷拔比纯拉伸作用强烈冷拔比纯拉伸作用强烈钢筋受拉、挤压作用钢筋受拉、挤压作用如:经过一次或多次的冷拔后得如:经过一次或多次的冷拔后得 到的冷拔低碳钢丝,屈服点可提到的冷拔低碳钢丝,屈服点可提 高高40%40%60%60%,但失去软钢的塑性,但失去软钢的塑性 和韧性而具
18、有硬钢的特点。和韧性而具有硬钢的特点。拉拔模孔拉拔模孔冷轧冷轧v定义定义:将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的:将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的 钢筋。钢筋。钢筋冷轧钢筋冷轧v特点:特点:提高强度、与混凝土的粘结力。提高强度、与混凝土的粘结力。钢筋在冷轧时,纵向与横向同时产生变形钢筋在冷轧时,纵向与横向同时产生变形因而因而能较好地保持其能较好地保持其塑性塑性和和内部结构均匀性内部结构均匀性。v冷加工的特点冷加工的特点 :提高屈服强度,但塑性变形降低提高屈服强度,但塑性变形降低v冷加工的目的:冷加工的目的:经过冷加工的钢材,可适当减小钢筋混凝土经过冷加工的钢材,可适当减小钢筋混凝土 结构设计截面
19、,或减小混凝土中配筋数量结构设计截面,或减小混凝土中配筋数量 从而达到节约钢材的目的。具有明显的经从而达到节约钢材的目的。具有明显的经 济效益。济效益。v注意:注意:冷拔钢丝屈强比较大,相应的安全储备较小。冷拔钢丝屈强比较大,相应的安全储备较小。冷冷加加工工 时时效效v定义定义:经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性 降低的现象。降低的现象。v分类:分类:自然时效自然时效 人工时效人工时效v特点:特点:钢筋冷拉以后再经过时效处理,其屈服点进一步提钢筋冷拉以后再经过时效处理,其屈服点进一步提高,抗拉强度也有提高,塑性、韧性有所降低。高,抗拉强度也有提高,
20、塑性、韧性有所降低。时效过程中应力的消减,弹性模量可基本恢复时效过程中应力的消减,弹性模量可基本恢复。v 自然时效:自然时效:将经过冷拉的钢材于将经过冷拉的钢材于常温下存放常温下存放151520d20d其强度、硬度提高,塑性、韧性降低其强度、硬度提高,塑性、韧性降低v 人工时效:人工时效:将经过冷拉的钢材将经过冷拉的钢材加热到加热到100100200200,并保持一段时间,并保持一段时间这使时效加速这使时效加速v 定义:定义:是指将钢材按一定规则加保温、和冷却、以改变是指将钢材按一定规则加保温、和冷却、以改变其组织,从而获得所需要性能的一种工艺措施。其组织,从而获得所需要性能的一种工艺措施。v
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