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1、建筑钢材,二、 钢材的主要技术性能,1.力学性能 钢材的力学性能主要有抗拉性能、耐疲劳性能、冲击韧性、硬度和应力松弛等。（1）抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显分为以下四个阶段：,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,0,钢材拉伸过程的-图,OB弹性阶段,BC屈服阶段,CD强化阶段,DE颈缩阶段,C下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,（1）拉伸试验过程,0,钢材拉伸弹性阶段示意图,比例极限，MPa,B弹性极限，MPa,注：由于A、B两点相距较近，一般
2、认为p=B 。,0,钢材拉伸屈服阶段示意图,放大后,0,钢材拉伸强化阶段示意图,b 抗拉强度或强度极限,0,钢材拉伸颈缩阶段示意图,DE颈缩阶段,（2）拉伸过程的参数,强度指标屈服强度：抗拉强度：塑性指标伸长率：,伸长率的测量,屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s值；屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度；伸长率（）:表示钢材的塑性变形能力。钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。,例：
3、为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？,（2）冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。将有缺口的标准试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值表示，值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越多，则冲击韧性越好。 温度对冲击韧性的影响规律：常温下，随温度的下降冲击韧性平缓降低钢材断口呈韧性破坏；当温度降到某一温度时，冲击韧性突然大幅度下降即冷脆性 ，此时的温度为脆性转变温度，其值越低，表示钢材的冲击韧性越好。,图 冲击韧性试验图,(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机,1摆锤；2试件；3
4、试验台；4刻度盘；5指针,钢材冲击韧性的影响因素包括钢的化学成分、内部组织状态、冶炼轧制质量、环境。例如钢材内硫、磷含量高时，存在化学偏析时，含有非金属夹杂物，焊接形成裂缝时，冲击韧性都会降低。冲击韧性随温度的降低而下降，称为钢材的冷脆性，此时的温度为脆性临界温度。其数值越低，钢材的低温冲击性能越好。所以，在负温下使用且直接承受冲击荷载的结构，应选用脆性临界温度较使用温度低的钢材，并满足规范所规定的-20或-40 下冲击韧性指标的要求。,（3）疲劳强度 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。 钢材的疲劳破坏先在局部形成细小裂纹，由于微裂纹
5、尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。 钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2106次应力循环为基准。钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中几种情况。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。,工程现象 钢吊车梁裂缝 某钢厂原料跨吊车任务繁重，而冷轧跨吊车不太繁忙。两者互按同一标准设计，后者吊车梁使用40多年未发现裂缝，而前者因产生较多裂缝已更换。请分析裂缝的成因。 由于前者任务繁重，承受的交变荷载次数多，故
6、会产生疲劳破坏。,2.工艺性能 钢材的工艺性能主要有冷弯性能和焊接性能。（1）冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。,冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度（90或180）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。 钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。 通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它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。,伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性，而冷弯性能是钢材处于不利条件下的塑性，可以揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。,（2）焊接性能,可焊性是指在一定焊接工艺
7、条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。 可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均会降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金钢具有良好的可焊性。 焊接结构应选择含碳量较低的氧气转炉或平炉的镇静钢。当采用高碳钢及合金钢时，为了改善焊接后的硬脆性，焊接时一般要采用焊前预热及焊后热处理等措施。,3.钢材的热处理 按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢
8、材的热处理。 钢材的热处理通常有以下几种基本方法： () 淬火。将钢材加热至723（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。,() 回火。 将淬火后的或比较热脆,存在内应力的钢材重新加热到723以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能
9、均得以改善。,（）退火。退火是指将钢材加热至723以上某一温度(完全退火)或以下(低温退火)，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。（）正火。是将钢材加热到723以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小,冷加工时效及其应用,将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性 和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。,工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提高钢材强度和节约钢材的目的。钢筋冷拉是在常温下
10、将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。冷拔是将6一8mm的光圆钢筋，通过一钨合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。,将经过冷拉的钢筋。于常温下存放1520d，或加热到100200C并保持23h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称为人工时效，通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。 钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪扭畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶粒进一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高。同时，冷加工强化后的钢材，由于塑
11、,性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。 钢筋经冷拉及时效以后，屈服强度得到进一步提高，且抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则要相应降低，弹性模量基本恢复。,冷拔模孔,解：在常温下将钢材进行机械加工，使其产生塑性变形，以提高其屈服强度的过程称为冷加工强化。机械加工方法主要是对钢筋进行冷拉和冷拔。冷轧主要在钢厂进行。时效处理是将经过冷加工的钢材，在常温下存放1520天，或者加热到100200，并保持2小时以内，这个过程称为时效处理。常温放置称为自然时效，加热处理称为人工时效。冷拉并时效处理后的钢筋，其屈服点提高2025，抗拉强度也有提高，塑性和韧性
12、降低较大，弹性模量基本恢复。,例题：何谓钢的冷加工强化及时效处理？冷拉并时效处理后的钢筋性能有何变化？,在建筑工地和混凝土预制厂，经常对使用要求的强度偏低和塑性偏大的钢筋或低碳盘条钢筋进行冷拉或冷拔并时效处理，以提高屈服强度和利用率，节省钢材。同时还兼有调直、除锈的作用。这种加工所用机械比较简单，容易操作，效果明显，所以建筑工程中常采取此法。,补充知识,三、 钢筋混凝土用钢筋、钢丝和钢绞线,钢筋混凝土结构中，一般把直径在6mm以下的称之为钢丝；6mm及以上的称之为钢筋。 钢筋混凝土用钢材主要品种有热轧钢筋、冷拔钢筋、冷拔钢丝、热处理钢筋、碳素钢丝、剖痕钢丝及钢绞线等。按直条（盘圆）供货，直条钢
13、筋长度一般为6或9米长。,钢筋混凝土用钢材,1.热轧钢筋 钢筋混凝土用热轧钢筋，根据其表面状态特征分为光圆钢筋和带肋钢筋。,1.热轧钢筋,（1）生产采用钢锭经加热轧制自然冷却而成。（2）分类钢筋混凝土用热轧钢筋分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。 （3）牌号热轧直条光圆钢筋 ：HPB235热轧带肋钢筋：HRB335、HRB400、HRB500,H、R、B分别为热轧（Hotrolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）三个词英文首位字母。 推荐公称尺寸：光圆：8、10、12、16、20 ；带肋：6、8、10、12、16、20、25、32、40和50mm,HPB235光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊
14、接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋。 HRB335、HRB400带肋钢筋 的强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。 HRB500带肋钢筋强度高，但塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。 低碳钢热轧圆盘条主要用作中小型钢筋混凝土结构的受力钢筋和箍筋。,2.冷拔钢丝和冷轧带肋钢筋,（1）冷拔钢丝 冷拔低碳钢丝是由直径为6-8mm的Q195、Q215或Q235热轧圆盘条经冷拔而成。（2）冷轧带肋钢筋生产冷轧带肋钢筋由热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在表面冷轧成两面或三面有肋的钢筋。钢筋冷轧后允许进行低温回火
15、处理。牌号按抗拉强度分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170共五个牌号。 规格直径范围为412mm，推荐的公称直径为5、6、7、8、9、10mm,力学性能和工艺性能应符合GB13788的相关规定 。应用冷轧带肋钢筋用于非预应力构件，与热轧圆盘条相比，强度提高17%左右，可节约钢材30%左右；用于预应力构件，与低碳冷拔丝比，伸长率高，钢筋与混凝土之间的粘结力较大，适用于中、小预应力混凝土结构构件，也适用于焊接钢筋网。,3.预应力钢筋混凝土用热处理钢筋,大型预应力混凝土构件，由于受力很大，常采用高强度钢丝或钢绞线作为主要受力钢筋。预应力高强度钢丝是用优质碳素结构钢
16、盘条，经酸洗、冷拉或再经回火处理等工艺制成，钢铰线是由根直径为2.55.0的高强度钢丝，铰捻后经一定热处理清除内应力而制成。铰捻方向一般为左捻。,预应力混凝土用钢丝以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火、酸洗、冷拉等制成的用作预应力混凝土骨架的钢丝。预应力混凝土用钢丝按外形分为光圆钢丝(代号为P)、螺旋肋钢丝(代号为H)和刻痕钢丝(代号为I)三种。螺旋肋钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的肋条，如图所示。刻痕钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的压痕，如图所示。,预应力混凝土用钢丝,4.预应力钢筋混凝土用钢丝和钢绞线,预应力混凝土用钢丝的应用预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便
17、，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。,预应力混凝土用钢绞线，是以数根优质碳素结构钢丝经绞捻和消除内应力的热处理后制成。根据预应力混凝土用钢绞线(GB/T 52242003)的规定，钢绞线按捻制结构分为三种结构类型：12、13和17，分别用2根、3根和7根钢丝捻制而成，如图所示。 钢绞线属于冷加工强化和热处理钢材，具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度、大荷载及需要曲线配筋的预应力混凝土结构。 ,钢绞线,图 预应力钢绞线截面图,南京长江大桥 钢材部分进口,武
18、汉长江大桥 钢材全部进口,九江长江大桥,钢梁用国产15MnVNq钢,芜湖长江大桥,大桥采用低塔斜拉桥桥型，主跨米，采用低碳中强钢 14MnNbq钢,钢材的选用原则,主要从荷载性质（静载或动载）、连接方式（焊接、螺栓连接、铆接）、工作条件及（环境温度以及介质）建筑结构的重要性考虑经常承受动荷载或交变荷载的结构，选用韧性好、疲劳强度高的钢材。经常处于低温环境中的焊接结构，需选用塑性好、脆性临界温度低、冲击韧性好的钢材。焊接结构应注意化学成分对钢材性质的影响。具有纪念性的建筑，重荷载大跨度的结构以及其他重要性建筑选用材质好的钢材。,五、钢材的腐蚀,钢材与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀
19、）。腐蚀不仅使钢材有效截面积减小，还会产生局部锈坑，引起应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。,一、化学锈蚀 化学腐蚀指钢材与周围的介质直接发生化学作用，生成疏松的氧化铁而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。,3. 钢材的防锈,钢材的锈蚀既有内因（材质），又有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。,（1）合金法,这是一种极好的防止钢材锈蚀的技术措施，即在冶炼过程中加入能
20、提高抗腐蚀能力的合金元素，如铬、镍、锡、钛等，制成不同的合金钢，能有效地提高钢材的抗腐蚀能力。 （2）金属覆盖 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，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁）、镀铜和镀铬等。,（3）非金属覆盖,在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。,涂料通常分为底漆、中间漆和面漆。底漆要求有比较好的附着力和防锈能力，中间漆为防锈漆，面漆要求有较好的牢度和耐候性以保护底漆不受损伤或风化。一般应用为两道底漆（或一道底漆和一道中间漆）与两道面漆，要求高时可增加一道中间漆或面漆。使用防
21、锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈以及低漆、中间漆和面漆的匹配。 常用底漆有：红丹底漆、环氧富锌漆、云母氧化底漆、铁红环 氧底漆等。 中间漆有：红丹防锈漆、铁红防锈漆等。 面漆有：灰铅漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。,（4）混凝土用钢筋的防锈,在正常的混凝土中pH值约为12，这时在钢材表面能形成碱性氧化膜（钝化膜），对钢筋起保护作用。若混凝土碳化后，由于碱度降低会失去对钢筋的保护作用。此外，混凝土中氯离子达到一定浓度，也会严重破坏表面的钝化膜。 为防止钢筋锈蚀，应提高混凝土的密实度以及确保混凝土保护层的厚度，在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，限制含氯盐外加剂掺量并使用防锈剂等。,钢是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25 h，而裸露钢梁的耐火极限为0.25 h。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；至达600 时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。一般建筑钢材的耐热临界温度是540 ，火灾现场温度是800-1000 ，裸露的钢材在10-15min后达到临界温度，致使钢材的承载力急剧下降，结构发生扭曲变形，建筑物坍塌。,（5）混凝土用钢筋的防火,