教学课件第七章 建筑钢材和木材.ppt

道路建筑材料道路建筑材料第七章第七章 建筑钢材和木材建筑钢材和木材【学习目标学习目标】 掌握建筑钢材的主要品种及技术性质；掌握建筑钢材的主要品种及技术性质； 掌握路桥结构用钢材品种及技术要求；掌握路桥结构用钢材品种及技术要求； 了解木材的构造及性质。了解木材的构造及性质。7.1 钢材的分类及技术性质钢材的分类及技术性质 钢材具有强度高、塑性好、韧性好，可焊钢材具有强度高、塑性好、韧性好，可焊接、铆接，但易锈蚀、耐火性差等特点。接、铆接，但易锈蚀、耐火性差等特点。 钢材的冶炼：钢材的冶炼： （1）炼铁）炼铁 （2）炼钢）炼钢矿渣铁水冶炼铁矿石 钢渣钢水冶炼铁水或铁块、废钢 一、钢材的分类一、钢材的分类 1、按化学成分分类、按化学成分分类 主要化学成分：主要化学成分：Fe，还含少量，还含少量C 、Si、Mn、 Ti 、 V 、P、S、O等。等。 其中，其中，P、S、O为有害元素，会增为有害元素，会增加钢的冷脆性，降低焊接性能、塑性加钢的冷脆性，降低焊接性能、塑性和冲击韧性。和冲击韧性。（1）根据含碳量高低：）根据含碳量高低：低碳钢：低碳钢：0.25%中碳钢：中碳钢： 0.25%0.6%高碳钢：高碳钢：0.6% 含碳量越高，钢材强度和硬度越大，但塑含碳量越高，钢材强度和硬度越大，但塑性和韧性越低，焊接性变差，耐锈蚀性降低，性和韧性越低，焊接性变差，耐锈蚀性降低，冷脆性变大。冷脆性变大。（2）根据合金元素含量高低：）根据合金元素含量高低：低合金钢：低合金钢：5%中合金钢：中合金钢：5%10%高合金钢：高合金钢：10% 低合金钢具有良好的塑性、韧性、焊接性低合金钢具有良好的塑性、韧性、焊接性及较好的耐蚀性，故在工程中应用广泛。及较好的耐蚀性，故在工程中应用广泛。 合金元素的作用：合金元素的作用： 硅（硅（Si）：有助于提高钢材的抗腐蚀性、抗）：有助于提高钢材的抗腐蚀性、抗氧化性，但含量增加会降低钢材的焊接性能；氧化性，但含量增加会降低钢材的焊接性能； 锰（锰（Mn）：有助于提高钢材的强度、硬度、）：有助于提高钢材的强度、硬度、韧性和耐磨性，但含量越高，会减弱钢材的抗韧性和耐磨性，但含量越高，会减弱钢材的抗腐蚀能力，降低焊接性能；腐蚀能力，降低焊接性能； 钛（钛（Ti）：强脱氧剂，使钢内部组织致密，）：强脱氧剂，使钢内部组织致密，能显著提高钢材的强度，改善韧性、可焊性，能显著提高钢材的强度，改善韧性、可焊性，但略微降低塑性；但略微降低塑性； 钒（钒（V）：弱脱氧剂，提高强度和韧性。）：弱脱氧剂，提高强度和韧性。2、根据炼钢过程中脱氧程度不同，分：、根据炼钢过程中脱氧程度不同，分：沸腾钢（沸腾钢（F）镇静钢（镇静钢（Z）半镇静钢（半镇静钢（B）特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZ）（1）沸腾钢（）沸腾钢（F） 脱氧不完全的钢，脱氧不完全的钢，FeO含量较高。含量较高。 塑性较好，但韧性和可焊性较差，成本塑性较好，但韧性和可焊性较差，成本低，可用于一般建筑结构中，但不适用于承低，可用于一般建筑结构中，但不适用于承受冲击荷载、在低温下工作的焊接结构和其受冲击荷载、在低温下工作的焊接结构和其他重要结构。他重要结构。（2）镇静钢（）镇静钢（Z） 脱氧充分，质量均匀，结构致密，可焊性脱氧充分，质量均匀，结构致密，可焊性好，抗侵蚀性强，但成本较高。好，抗侵蚀性强，但成本较高。 可用于承受冲击荷载和其他重要结构。可用于承受冲击荷载和其他重要结构。（3）半镇静钢（）半镇静钢（b） 介于前两者之间，介于前两者之间，是建筑工程中应用最广是建筑工程中应用最广泛的钢材。泛的钢材。（4）特殊镇静钢（）特殊镇静钢（TZ） 质量最好，质量最好，适用于特别重要的结构工程。适用于特别重要的结构工程。3、根据钢材的用途分：、根据钢材的用途分：结构钢：常用的结构钢为结构钢：常用的结构钢为低碳钢低碳钢和和低合低合金高强度结构钢金高强度结构钢工具钢：主要用于各种切削工具、量具工具钢：主要用于各种切削工具、量具及模具的钢材及模具的钢材特殊钢：具有某种特殊物理、化学性质特殊钢：具有某种特殊物理、化学性质的钢，如耐酸钢、耐热钢和不锈钢等。的钢，如耐酸钢、耐热钢和不锈钢等。二、建筑钢材的技术性质二、建筑钢材的技术性质力学性质：抗拉强度、塑性、冲击韧性、力学性质：抗拉强度、塑性、冲击韧性、 耐疲劳性和硬度耐疲劳性和硬度工艺性质：加工性能（冷弯性能和焊接性能等）工艺性质：加工性能（冷弯性能和焊接性能等）1、力学性质、力学性质 （1）抗拉性能（低碳钢为例）抗拉性能（低碳钢为例） 钢筋的钢筋的拉伸试验拉伸试验分四个阶段：分四个阶段： 弹性阶段弹性阶段、屈服阶段屈服阶段、强化阶段强化阶段和和颈缩阶段颈缩阶段。低碳钢拉伸试验：应力低碳钢拉伸试验：应力应变曲线应变曲线 应应变变应应力力b bspes 弹性阶段弹性阶段 弹性比例极限弹性比例极限 弹性模量弹性模量 反映钢材抵抗弹性变形的能力。反映钢材抵抗弹性变形的能力。 屈服阶段屈服阶段 下屈服点比较稳定，取屈服强度下屈服点比较稳定，取屈服强度 作为钢筋作为钢筋强度设计的依据强度设计的依据。psEEbsb屈强比屈强比评价钢材可靠性的指标评价钢材可靠性的指标 屈强比越小，安全空间越大，安全性越高，屈强比越小，安全空间越大，安全性越高，但屈强比过小，会使钢材强度的利用率偏低，但屈强比过小，会使钢材强度的利用率偏低，浪费材料。浪费材料。 屈强比一般在屈强比一般在0.60.75之间。之间。 强化阶段强化阶段 钢筋钢筋抗拉强度抗拉强度（抗拉强度极限值）（抗拉强度极限值） 颈缩阶段颈缩阶段 钢材薄弱处断面面积不断减小，塑性变钢材薄弱处断面面积不断减小，塑性变形不断增大，产生形不断增大，产生“颈缩颈缩”现象，最终导现象，最终导致钢筋断裂。致钢筋断裂。应应变变应应力力2 . 0% 2 . 0中、高碳钢拉伸应力应变曲线中、高碳钢拉伸应力应变曲线 中、高碳钢屈服现象中、高碳钢屈服现象不明显，没有明显的不明显，没有明显的屈服阶段。屈服阶段。 规定以残余应变为规定以残余应变为0.2%时对应的应力作时对应的应力作为中、高碳钢的屈服为中、高碳钢的屈服强度，用强度，用 表示。表示。0.20ll断裂后钢筋拼合后的长度断裂后钢筋拼合后的长度钢筋的原长钢筋的原长（2）塑性）塑性 钢材在外力作用下，能钢材在外力作用下，能承受的塑性变形的总能力。承受的塑性变形的总能力。 用用伸长率伸长率或或断面收缩率断面收缩率表示。表示。 伸长率伸长率 断面收缩率断面收缩率000100%AAAAA 原有横截面面积原有横截面面积; 断口处截面面积。断口处截面面积。伸长率和断面收缩率越大，钢材的塑性越好。伸长率和断面收缩率越大，钢材的塑性越好。 （3）冲击韧性）冲击韧性 指钢材抵抗冲击荷载的能力。指钢材抵抗冲击荷载的能力。 试验参考图试验参考图7- 4：冲击试验机：冲击试验机 用破坏后缺口处单位面积上所消耗的功用破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示来表示 。2( /)kJ cm影响冲击韧性大小的因素：影响冲击韧性大小的因素： S、P含量越多，冲击韧性越差；含量越多，冲击韧性越差； 杂质含量越多，冲击韧性越差；杂质含量越多，冲击韧性越差； 焊接中形成的微裂缝，会降低冲击韧性；焊接中形成的微裂缝，会降低冲击韧性； 环境温度越低，钢材呈现冷脆性，冲击环境温度越低，钢材呈现冷脆性，冲击韧性降低。韧性降低。温度对低合金钢冲击韧性的影响温度对低合金钢冲击韧性的影响050100150200-120-80-40040试验温度，试验温度，冲击韧性，J/cm冲击韧性，J/cm2 2脆性破坏脆性破坏过渡区过渡区塑性破坏塑性破坏（4）耐疲劳性）耐疲劳性疲劳强度疲劳强度 受交变荷载反复作用，钢材的应力在远低受交变荷载反复作用，钢材的应力在远低于其抗拉强度的情况下突然发生破坏的现象，于其抗拉强度的情况下突然发生破坏的现象，称称疲劳破坏疲劳破坏。 钢材能承受交变荷载循环作用的次数越多，钢材能承受交变荷载循环作用的次数越多，钢材的耐疲劳性能越强。钢材的耐疲劳性能越强。 钢材在钢材在11061107次交变荷载作用下，而不至次交变荷载作用下，而不至于引起断裂的最大循环应力值，称于引起断裂的最大循环应力值，称疲劳强度极限疲劳强度极限。020406080100120024681012141618应力循环次数(n)，lgn应力循环次数(n)，lgn应力，应力， 疲劳极限疲劳极限静力抗拉强度静力抗拉强度（5）硬度）硬度间接评价强度间接评价强度 指钢材抵抗硬物压入其表面的能力，也指钢材抵抗硬物压入其表面的能力，也反映钢材的耐磨性能。反映钢材的耐磨性能。 测定钢材硬度采用压入法，根据压头压测定钢材硬度采用压入法，根据压头压 在钢材表面的压痕面积或深度来确定。在钢材表面的压痕面积或深度来确定。 硬度值越大，反映钢材强度越大，抵抗硬度值越大，反映钢材强度越大，抵抗塑性变形的能力越强。塑性变形的能力越强。2、钢材的工艺性能、钢材的工艺性能（1）冷弯性能）冷弯性能 指钢材在常温下指钢材在常温下承受一定程度弯曲变形承受一定程度弯曲变形而不破坏的能力而不破坏的能力。 检查弯曲处，检查弯曲处，无裂缝、断裂及起皮现象无裂缝、断裂及起皮现象，则认为冷弯性能合格。，则认为冷弯性能合格。 评价指标评价指标：弯曲角：弯曲角 、弯心直径、弯心直径 越大，越大， 越小，冷弯性能越好。越小，冷弯性能越好。dd（2）焊接性能）焊接性能 焊接焊接钢结构主要的连接方式，是将钢结构主要的连接方式，是将两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固地连接起来。熔融或半熔融状态，而牢固地连接起来。 焊接性能焊接性能指指常规工艺条件下获得良好焊接常规工艺条件下获得良好焊接接头的性能。接头的性能。 焊接要求焊接要求：焊口处没有裂缝、气孔、夹渣焊口处没有裂缝、气孔、夹渣等缺陷，等缺陷，焊缝及附近焊缝及附近受热影响区受热影响区力学力学性能不性能不低于母材低于母材。 影响可焊性的因素：影响可焊性的因素： 含碳量太高，焊接接头硬脆性增加，可焊含碳量太高，焊接接头硬脆性增加，可焊性越差；性越差； 合金元素、杂质含量越多，可焊性越差；合金元素、杂质含量越多，可焊性越差； S含量越多，焊口处易产生热裂纹，焊接含量越多，焊口处易产生热裂纹，焊接质量越差。质量越差。（3）冷加工冷加工性能及性能及时效时效处理处理 冷加工强化处理冷加工强化处理 将钢材在常温下进行冷加工，使之产生将钢材在常温下进行冷加工，使之产生塑性变形，从而提高屈服强度，但钢材的塑性变形，从而提高屈服强度，但钢材的塑性、韧性会降低，这个过程称塑性、韧性会降低，这个过程称冷加工强冷加工强化处理化处理。 常见的冷加工方法：常见的冷加工方法： 冷拉冷拉将热轧钢筋用冷拉设备进行张将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉，使之伸长。拉，使之伸长。屈服强度屈服强度提高提高20%30%，节约钢材，但塑性降低。节约钢材，但塑性降低。 冷拔冷拔将光圆钢筋通过拔丝模强行拉将光圆钢筋通过拔丝模强行拉拔，不仅受拉，同时还受到挤压作用。拔，不仅受拉，同时还受到挤压作用。 经冷拔，经冷拔，屈服强度屈服强度提高提高40%60%，但，但塑性降低很多。塑性降低很多。拔丝模拔丝模拔丝模构造示意图拔丝模构造示意图 时效时效 钢材经冷加工后，在常温下存放钢材经冷加工后，在常温下存放15d20d或加热至或加热至100 200，保持，保持2h左右，其左右，其屈屈服强度、抗拉强度服强度、抗拉强度会进一步提高，而塑性和会进一步提高，而塑性和韧性降低的现象。韧性降低的现象。钢材冷拉、时效强化示意图钢材冷拉、时效强化示意图（4）钢材的热处理）钢材的热处理 淬火淬火加热到一定温度，在冷却液中迅速冷却。加热到一定温度，在冷却液中迅速冷却。 回火回火加热到较高温度，在空气中冷却。加热到较高温度，在空气中冷却。 退火退火加热到一定温度，炉中缓慢冷却。加热到一定温度，炉中缓慢冷却。 正火正火加热到一定温度，空气中缓慢冷却。加热到一定温度，空气中缓慢冷却。淬火：强度和硬度提高，但脆性变大，塑性淬火：强度和硬度提高，但脆性变大，塑性和韧性降低。和韧性降低。回火：消除钢材淬火时产生的内应力，使其回火：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。硬度降低，恢复塑性和韧性。退火：可消除钢材中的内应力，硬度降低，退火：可消除钢材中的内应力，硬度降低，塑性和韧性提高。塑性和韧性提高。正火：强度和硬度提高，塑性提高。正火：强度和硬度提高，塑性提高。7.2 路桥结构用钢材品种及技术要求路桥结构用钢材品种及技术要求钢结构用钢：型钢钢结构用钢：型钢钢筋混凝土结构用钢：钢筋、钢钢筋混凝土结构用钢：钢筋、钢丝、钢绞线等丝、钢绞线等路桥结构用钢路桥结构用钢一、钢结构用钢一、钢结构用钢 1 1、碳素结构钢、碳素结构钢划分方法：划分方法： （1 1）按屈服强度：）按屈服强度： Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q275Q275四个牌号四个牌号 （2 2）按脱氧程度：）按脱氧程度： F F、Z Z、b b、TZTZ四个脱氧程度四个脱氧程度 （3 3）按）按P P、S S含量：含量： A A、B B、C C、D D四个质量等级四个质量等级牌号牌号表示方法：表示方法： 屈服强度字母屈服强度字母+屈服强度数值屈服强度数值 +质量等级（质量等级（A、B、C、D） +脱氧程度符号（脱氧程度符号（F、Z、TZ）举例：举例：Q235AF表示：屈服强度为表示：屈服强度为235MPa的的A级沸腾钢级沸腾钢牌号与性能之间的关系：牌号与性能之间的关系： 牌号牌号C C含量含量强度硬度强度硬度，塑性韧性，塑性韧性 质量等级质量等级（ADAD）P P、S S含量含量塑性韧性塑性韧性 脱氧程度脱氧程度（F TZF TZ）O O含量含量塑性韧性塑性韧性 特点特点：强度适中，有良好的承载力，：强度适中，有良好的承载力，具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好。性也好。 应用应用：可以制造钢筋、型钢和钢板。：可以制造钢筋、型钢和钢板。广泛用于建筑工程建造房屋和桥梁等。广泛用于建筑工程建造房屋和桥梁等。2、低合金高强度结构钢、低合金高强度结构钢 在碳素结构钢的基础上加上小于在碳素结构钢的基础上加上小于5%的一种或几种合金元素形成的结构钢。的一种或几种合金元素形成的结构钢。 属于脱氧完全的镇静钢。属于脱氧完全的镇静钢。 加入合金，可提高钢材强度和硬度，加入合金，可提高钢材强度和硬度，还能改善塑性和韧性。还能改善塑性和韧性。划分方法划分方法： （1 1）按屈服强度：）按屈服强度： Q345 Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460、Q500Q500、 Q550Q550、 Q620Q620、 Q690Q690八个牌号八个牌号 （2 2）按）按P P、S S含量：含量： A、B、C、D、E五个质量等级五个质量等级 牌号：牌号：Q+屈服强度屈服强度+质量等级质量等级 如：如：Q420DQ420D 特点特点：强度高、塑性和冲击韧性：强度高、塑性和冲击韧性好、耐锈蚀、自重轻、节约钢材。好、耐锈蚀、自重轻、节约钢材。 应用应用：尤其适用于高层建筑、大：尤其适用于高层建筑、大跨度建筑等。跨度建筑等。 3、桥梁用结构钢、桥梁用结构钢 要求：具有较高强度、良好的塑性和要求：具有较高强度、良好的塑性和韧性、可焊性及较高的疲劳强度，良好的韧性、可焊性及较高的疲劳强度，良好的抗腐蚀性。抗腐蚀性。 牌号：屈服强度字母牌号：屈服强度字母+屈服强度数值屈服强度数值+“桥桥”字拼音字母字拼音字母+质量等级（质量等级（C、D、E） 举例：举例：Q420qD4、路桥结构常用钢种、路桥结构常用钢种（1）型钢）型钢 角钢、工字钢、槽钢、角钢、工字钢、槽钢、H型钢等型钢等等边角钢和不等边角钢等边角钢和不等边角钢等边槽钢和不等边槽钢等边槽钢和不等边槽钢H型钢型钢（2）钢板）钢板 可用于承受桥梁重要结构（如可用于承受桥梁重要结构（如梁、墩），也可用于桥梁附属结构梁、墩），也可用于桥梁附属结构（如伸缩装置、支座等）以及施工（如伸缩装置、支座等）以及施工临时结构（如施工平台、围护结构临时结构（如施工平台、围护结构等）。等）。U型钢板型钢板钢板桩围堰施工钢板桩围堰施工（3）钢管）钢管 常用于高耸结构（流线型外表可减常用于高耸结构（流线型外表可减小风压）、钢管拱桥的主拱圈，桥梁的小风压）、钢管拱桥的主拱圈，桥梁的附属构件（如栏杆），施工辅助结构（附属构件（如栏杆），施工辅助结构（脚手架、钢管桩等）。脚手架、钢管桩等）。 举例：钢管混凝土，用于桥梁结构举例：钢管混凝土，用于桥梁结构（拱桥、斜拉桥）中，具有高强轻质、（拱桥、斜拉桥）中，具有高强轻质、抗震性好及施工方便等特点。抗震性好及施工方便等特点。 无锡蓉湖大桥无锡蓉湖大桥 独塔式斜拉桥，主独塔式斜拉桥，主塔为钢双柱独塔形式，塔为钢双柱独塔形式，钢管内填充微膨胀砼，钢管内填充微膨胀砼，其结构国内罕见。其结构国内罕见。 二、钢筋混凝土结构用钢材二、钢筋混凝土结构用钢材 由碳素结构钢和低合金结构钢由碳素结构钢和低合金结构钢加工而成。加工而成。 主要有：热轧光圆钢筋、热轧主要有：热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋、钢丝、钢绞线等。带肋钢筋、钢丝、钢绞线等。1、热轧光圆钢筋、热轧光圆钢筋 强度低，塑性及焊接性能好，伸缩率高，便强度低，塑性及焊接性能好，伸缩率高，便于弯折成型和进行各种冷加工。于弯折成型和进行各种冷加工。 表示方法：表示方法：HPB235，HPB300 H热轧（热轧（hot rolled） P光圆（光圆（plain） B钢筋（钢筋（bars） 数字数字钢筋屈服强度钢筋屈服强度2、热轧带肋钢筋、热轧带肋钢筋 表面带有两条纵肋，沿长度方向均表面带有两条纵肋，沿长度方向均匀分布横肋。匀分布横肋。 表示方法：表示方法：HRB335，HRB400，HRB500。 R带肋（带肋（ribbed）热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋钢筋套筒连接钢筋套筒连接3、钢丝、钢丝 多为冷拔低碳钢丝，由多为冷拔低碳钢丝，由Q235Q235热轧盘条经冷拔而成热轧盘条经冷拔而成。 碳素钢丝碳素钢丝优质碳素结优质碳素结构钢经冷拔而成构钢经冷拔而成 刻痕钢丝刻痕钢丝碳素钢丝经碳素钢丝经压痕轧制而成压痕轧制而成 强度较高，但塑性降低很多。多用于小型预强度较高，但塑性降低很多。多用于小型预应力结构以及大型桥梁的特定构件，如斜拉桥应力结构以及大型桥梁的特定构件，如斜拉桥的斜拉索、悬索桥的缆索及吊索等。的斜拉索、悬索桥的缆索及吊索等。4、钢绞线、钢绞线 指预应力钢丝在生产过程中经冷拔指预应力钢丝在生产过程中经冷拔后，在绞线机上以一根钢丝为中心，其后，在绞线机上以一根钢丝为中心，其余钢丝围绕在周围进行螺旋状绞合，再余钢丝围绕在周围进行螺旋状绞合，再经过回火处理消除内应力得到。经过回火处理消除内应力得到。 有有2股、股、3股、股、7股之分。股之分。 强度高，与混凝土粘结性好，多用强度高，与混凝土粘结性好，多用于大跨度的预应力混凝土结构中。于大跨度的预应力混凝土结构中。THE END