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1、第七章 建筑钢材,主讲人：张 超 长安大学 公路学院 http:/202.117.64.98/ec/C24/index.asp,2,主要内容,第一节 钢材的基本概念,炼钢示意图,炼铁示意图,7.1.1 钢材技术性质钢材的冶炼,7.1 .1钢材技术性质钢材的冶炼,金属铁和钢材特性对比,根据冶炼方式 炼钢炉的不同: 平炉钢 转炉钢 电炉钢 脱氧程度: 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 根据含碳量 低碳钢，碳含量 0.25%; 中碳钢:碳含量0.30%0.55%; 高碳钢：0.6%.,沸腾钢,镇静钢,7.1 .2钢材技术性质钢材的类型,根据合金含量 低合金钢，合金含量5%; 中合金钢，合金含量5%10%;
2、高合金钢，合金含量15%; 根据质量 普通钢， P0.045%, S 0.055%; 优质钢， P0.0350.040%, S 0.040%; 根据用途 结构钢； 工具钢； 特殊钢。 用于路桥工程的钢材通常属于 普通碳素结构钢 低合金结构钢.,7.1.2 钢材技术性质钢材的类型,第二节 钢材的技术性质,拉伸性能：在拉伸过程中，低碳钢通常经历四个阶段：,O,A,Bup,Bdown,C,D,I,II,III,IV,7.2.1 钢材技术性质力学性质：拉伸能力,(I)弹性阶段拉伸过程的最初阶段，应力应变曲线是一条直线，应力与应变呈正比，与A 点对应的应力 为弹性极限；,(III)强化阶段当应力超过屈服
3、点后，由于钢材内部组织在受力时的畸变，使钢材性能得到强化，表现出抗塑性变形能力重新得以提高。对应最高点C的应力值 用于表征钢材的抗拉强度；,(II)屈服阶段 超过A点之后，应力应变不再成正比，出现明显的塑性变形，此现象称为屈服；以屈服阶段形成的下屈服点Bdown作为钢材的屈服点 ，可用来表征钢材的屈服强度；,(IV)颈缩阶段:受力超过C点后，钢材抗变形能力明显降低，尺寸断面因变形迅速而被拉细，所以称为颈缩阶段，到达D点钢材被拉断。,屈服强度 屈服强度是钢结构的基本力学指标，当钢构件受到的应力超过屈服点时，一方面将产生不可恢复的永久变形，同时当应力超过屈服点时，受力较高的部分应力不再提高，而自动
4、将荷载重新分配给应力较低的部分，因此，屈服强度是确定钢结构允许应力的主要依据； 抗拉强度 是钢材所能承受的最大拉应力，高于此应力钢材将丧失对变形的抵抗能力。抗拉强度不能直接作为结构设计计算依据，但屈服强度和抗拉强度的比值，即“屈强比”对钢材应用有较大意义。该比值越小，钢结构的安全性、可靠性越高，但比值过小，则意味着钢材有效利用率的浪费； 条件屈服点 对中碳钢或高碳钢，拉伸时没有明显的屈服现象，难以测出屈服点，则规定产生残余变形为原标距长度的0.2%时所对应的应力值，作为确定屈服强度的依据，称为条件屈服点.,7.2.1 钢材技术性质力学性质：拉伸能力,7.2.1 钢材技术性质力学性质：塑性,钢材
5、的塑性可用拉伸过程得到的伸长率和断面收缩率来表示.,式中：表示伸长率（%）； L0表示钢材原标距的长度(mm)； L1表示钢材拉断后标距部 分的长度(mm),式中：表示断面收缩率（%）； A0表示钢材原横截面(mm2)； A1表示钢材拉断后断口处横 截面（mm2）,两项指标越大，表示钢材的塑性越强。通常要求伸长率要大于5%,收缩率要在10%以上.,7.2.1 钢材技术性质力学性质：冲击韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。在专用设备上，V字形钢材经受摆锤的冲击作用，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功k来表示该性能；k越大，冲击韧性越好； 冲击韧性受内因的化学成分，金属晶格完善程度以及外因的
6、冶炼质量、环境温度等因素有关。特别是当环境温度降低至某一温度时，钢材的冲击韧性会骤然下降呈脆性，即钢材的冷脆性。冷脆性对应的温度看作是钢材的脆性温度，该温度越低，钢材的低温冲击韧性越好.,7.2.1 钢材技术性质力学性质：耐疲劳性和硬度.,钢材在交变荷载反复作用下，常常在最大应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这就是钢材的疲劳破坏； 通常把钢材承受交变荷载11061107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度； 硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力。根据硬度检测方法的不同，可得到布氏硬度或洛氏硬度，其中常用布氏硬度作为钢材的硬度指标。硬度值越大，说明钢材的抗塑性变形能力越强。 上述钢材的性质包括了力
7、学性质、塑性、韧性、硬度等，除抗疲劳性之外，实际上真正独立的性能是强度和塑性.,7.2.2 钢材工艺性能冷弯性能,冷弯性能 定义：常温条件下，钢材承受弯曲变形的能力，是一种更加严格的塑性能力的评价手段； 意义：反映钢材缺陷的一种工艺性能； 表示方法：弯曲角度，弯心直径与厚度（或直径）的比值.,7.2.2 钢材工艺性能可焊接性能,可焊接性能 定义：表示钢材是否适应通常的焊接方法与工艺的性能； 要求：焊接处不形成裂纹、气孔和夹渣等缺陷。强度不会低于原有钢材，不硬脆； 影响因素：取决于钢中的化学成分，特别是碳含量，小于0.25%时具有良好的可焊性.,7.2.2 钢材工艺性能冷加工和实效.,冷加工及时
8、效 定义：冷加工通常指冷拉拔工艺。通过冷拉拔使钢材的屈服强度得以提高，同时增加钢材的有效长度。时效是指经历自然放置或高温加热一段时间后，其冷拉拔效果更加显著的现象； 意义：提高屈服强度2030%，节约钢材1020%； 特点：在提高强度和长度的同时，钢材的塑性、韧性则会降低.,7.2.3 钢材技术性质钢材中的化学元素,钢材中除了Fe元素之外，还含有C、Si、Mn、P、S、O、N、Ti、V等元素，其中C元素是钢中必须的元素，Si、Mn、Ti、V等元素对钢材起到性能改善的积极作用；而P、S、O、N等对钢材的性质起到消极作用，直接影响到钢材的质量； 钢材中的碳是决定钢材性质的核心元素，随C元素含量的增
9、加，钢材的强度、硬度提高，而钢材的塑性和抗冲击韧性降低.,7.2.3 钢材技术性质钢材中的化学元素,钢材中的S元素对钢材性质造成极为不利的影响，其中硫和铁元素以形成FeS的形式，分布在铁金属晶格的晶界处。由于该FeS的熔点较低，当钢材加热达到一定温度时，这些硫化物会首先熔化，在钢材内部留下裂缝和缺陷，从而严重降低钢材质量； P元素同样对钢材带来危害，它以磷和铁的化合物形式存在，造成钢材的强度、塑性和冲击韧性等众多性能的显著降低。尤其在低温时对钢材的塑性和韧性影响程度更加明显； Mn元素具有较强脱硫和去氧能力，同时提高钢材的强度和硬度，是我国低合金钢的主要合金元素； V和Ti也具有显著的脱氧功能
10、，能提高钢材的强度、改善钢材的韧性等.,第三节 常用钢材,7.3.1 常用钢材钢材的牌号,钢材牌号是某一钢材的名称，通过牌号能够直接掌握钢材的一些主要特征。牌号划分方法以钢材的用途和分类进行。 碳素结构钢牌号： 由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成，其中 “Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa； 必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢； 例如：某碳素钢的牌号是Q235-AF，其含义是指钢材的屈服值不低于235MPa，其质量为A级，脱氧程度较低
11、的沸腾钢. 碳素结构钢共有5个牌号，Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等，其中Q235兼顾了强度和塑性要求，是应用最多的钢种.,7.3.1 常用钢材钢材的牌号,优质碳素结构钢 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0.45%的钢，钢牌号为“45” ； 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn； 沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b； 最后可加上用途，例如桥梁用“q”. 将这些方面综合在一起： 以万分数表示的含碳量+元素符号+脱氧方法符号+专门用途符
12、号 例如：45Mnbq，其含义是含碳量0.45%，主要合金元素是Mn，且脱氧程度是半镇静，并用于桥梁结构。,7.3.1 常用钢材钢材的牌号.,合金结构钢 合金钢中常见的合金元素有：Mn、Si、Ti、V等； 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示; 钢中主要合金元素（除个别微合金元素外），当平均合金含量1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量。当合金元素平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4等; 优质高级合金钢后缀A，特级优质合金钢后缀E;其中质量高低取决于钢材中两种有害元素S、P含量的多少； 例如：18Cr2Ni
13、4WA，其含义是含碳量0.18%；Cr2含义是Cr含量在1.5%至2.5%之间；Ni4含义是Ni含量达到3.5%以上；A含义是该合金钢属于优质合金钢，相应的S、P含量0.025%.,7.3.2 常用钢材桥梁结构钢,桥梁结构用钢 根据屈服强度的不同，其牌号从235到690共九个； 每个牌号根据S、P含量划分有2到3个质量等级； 主要合金元素是Mn，但含量最高不超1.8%； 其力学强度包括了屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、抗冲击功以及180度弯曲试验等.,7.3.2 常用钢材混凝土用钢,7.3.2 常用钢材混凝土用钢,与热轧带肋钢筋对应，在工地上通过冷加工可得到冷轧带肋钢筋。这种钢筋的特点是屈服强
14、度高，有更高的经济效益，但塑性降低，变脆变硬，同时屈强比高，安全储备小。因此强调安全的重要建筑物现场，已不再采用这样的冷加工工艺.,热轧钢筋,冷轧钢筋,冷轧钢筋机,本章小结,通过冶炼工艺和技术控制，可生产出不同品种和不同质量的钢材； 钢材的主要技术性质是力学性质和塑性，主要包括了强度、塑性、韧性和硬度等； 钢材性质在很大程度上受其中所含除铁之外元素的性质和数量的影响，一些元素对钢材性能有积极的影响，而另外一些性质则对钢材造成消极作用； 钢材通过牌号的设置，表现出各产品的主要性能特征.,课堂讨论,什么是钢材的屈强比？屈强比与钢材结构安全性的关系是什么？ 钢材拉伸试验时，伸长率是否与钢材样品的长度有关？ 钢筋混凝土用钢是普通碳素钢还是优质结构钢？,敬请关注后续章节！ 祝大家学习愉快！,