第6章 土木工程用钢课件.ppt

第六章 建筑钢材 土木工程用钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、槽钢和工字钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。 一、钢的冶炼与分类 1.钢的冶炼 钢的冶炼是将熔融的生铁进行氧化，使碳和其他杂质的含量降低到允许的范围内。 常用的钢的冶炼方法有三种：转炉法，平炉法 ，电炉法 。 2.钢的分类 按脱氧程度分类 ：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。 按化学成分分类：碳素钢 （低碳钢，中碳钢，高碳钢），合金钢（低合金钢，中合金钢，高合金钢）。 按有害杂质含量分类 ：普通钢，优质钢，高级优质钢，特级优质钢。 按用途分类 ：结构钢，工具钢，特殊钢。 土木工程中常用的钢种有普通碳素结构钢中的低碳钢和普通合金结构钢中的低合金钢。 二、钢的晶体组织和化学成分 1.钢的晶体组织 由于铁和碳结合方式的不同，碳素钢在常温下的基本晶体组织有三种。 铁素体：铁素体是碳溶于-Fe晶格（铁在常温下形成的体心立方晶格）中的固溶体。 渗碳体：渗碳体是铁和碳的化合物（Fe3C） 。 珠光体：珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 图6.1碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系图6.2含碳量对热轧碳素钢性质的影响b抗拉强度；k冲击韧性；HB硬度；伸长率；断面收缩率。 2.钢的化学成分 钢中主要化学成分是铁和碳元素，此外，还有少量的硅、锰、硫、磷、氮、氧、钛、钒等元素。 硅、锰：炼钢时为脱氧去硫而加入的。 硫、磷、氮：钢中有害元素。 氮：主要嵌溶于铁素体中，对钢性质的影响与碳、磷相似。 钛：强脱氧剂。 钒：弱脱氧剂。 三、钢材的主要技术性能 1.力学性能 （1）抗拉性能弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段弹性极限屈服极限抗拉强度 弹性模量强屈比图6.3低碳钢受拉时的应力-应变图 试件拉断后，标距的伸长与原始标距长度的百分率，称为断后伸长率。图6.4伸长率的测量%100001lll %100010AAA 式中，断面收缩率；A0试件原始横截面积，mm2；A1试件断后颈缩处横截面积，mm2。 试件拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量占试件原始横截面积的百分率，称为钢材的断面收缩率。 以残余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服强度，称为条件屈服点，用0.2表示。图6.5硬钢的屈服点0.2 （2）冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。图6.6钢材的冲击试验1摆锤；2试件 以试件打断时单位截面积上所消耗的功作为钢材的冲击韧性指标 。FAkk式中，k冲击韧性指标；Ak冲断试件所消耗的功（Ak=GH1-GH2，G为摆锤质量，见图6.6）；F试件断口处的截面积。 试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降平缓，当达到某一温度范围时，突然下降很多而呈脆性。这种现象称为钢材的冷脆性，此时的温度称为脆性临界温度。 图6.7含锰低碳钢k值与温度的关系 （3）耐疲劳性 在交变荷载反复作用下，钢材在应力低于其抗拉强度时发生突然破坏，这种现象称为疲劳破坏。 疲劳破坏的危险应力用疲劳强度或疲劳极限表示，它是指钢材在交变荷载作用下于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 试验表明，钢材承受的交变应力越大，则断裂时的交变循环次数越少，相反，交变应力越小，则交变循环次数越多；当交变应力低于某一值时，交变循环次数达无限次也不会产生疲劳破坏。 图6.8疲劳曲线示意图 （4）硬度 硬度是指钢材表面局部体积内抵抗硬物压入而产生的塑性变形的能力，亦即指抵抗其他更硬的物体压入钢材表面的能力，是衡量钢材软硬程度的一个重要指标。 测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法，较常用的为布氏法和洛氏法。 2.工艺性能 工艺性能是指钢材是否易于加工，能否满足各种成型工艺的性能。 （1）冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 钢材的冷弯性能用弯曲角度和弯心直径与试件厚度或直径的比值来表示。 图6.9冷弯试验示意图（d = a，180）1弯心；2试件；3支座 冷弯试验是将钢材按规定的弯心直径弯曲到规定的角度，弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，则认为冷弯性能合格。 （2）焊接性能 钢材的焊接性能是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能与原钢材尽可能相同，特别是强度应不低于原有钢材的强度。 焊接性能的好坏主要与钢的化学成分和含量有关。 四、钢材的冷加工与热处理 1.冷加工强化 冷加工是指将钢材在常温下进行的加工。 （1）冷拉 钢材通过张拉，其屈服点提高而抗拉强度基本不变，塑性和韧性相应降低。图6.10钢筋冷拉与时效前后应力-应变图的变化 （2）冷拔 冷拔加工是强力拉拔钢筋使其通过截面小于钢筋截面积的拔丝模。 经过一次或多次冷拔后，钢筋的屈服点可有较大提高，但其已失去软钢的塑性和韧性，具有硬钢的性质。 （3）冷轧 冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面按一定规律变化的钢筋。 图6.11冷拔加工示意图 2.时效处理 钢材随时间延长，强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象称为时效。 图6.10钢筋冷拉与时效前后应力-应变图的变化 3.热处理 热处理是指将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要的性能的一种工艺措施。 常用的热处理工艺有退火、正火、淬火和回火。 五、土木工程用钢种类与选用 1.土木工程用钢主要钢种 （1）碳素结构钢 碳素结构钢可分为4个牌号，即Q195，Q215，Q235，Q275。 钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。 例如：Q235AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。 碳素结构钢的屈服强度和抗拉强度随含碳量的增加而增高，伸长率则随含碳量的增加而下降。 碳素结构钢的塑性较好，适宜于各种加工，在冲击及适当超载的情况下也不会突然破坏；碳素结构钢的化学性能稳定，对轧制、加热或骤冷的敏感性小。 （2）低合金高强度钢 低合金高强度结构钢可分为8个牌号，即Q345，Q390，Q420，Q460，Q500，Q550，Q620，Q690。 钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服强度数值、质量等级符号等三部分按顺序组成。 例如，Q345B表示屈服强度不小于345MPa，质量等级为B级的低合金高强度结构钢。 低合金高强度结构钢具有较高的强度，同时还具有较好的塑性、韧性和可焊性。 2.混凝土结构用钢材 （1）热轧钢筋 热轧钢筋由加热钢坯轧制而成。 热轧钢筋按其表面特征可分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋两类。 （2）冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是热轧圆盘条经冷轧后，其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋。 冷轧后强度明显提高，但塑性随之降低，强屈比变小。 主要用于预应力钢筋混凝土梁、预应力混凝土轨枕或其他各种预应力混凝土结构。 （3）预应力混凝土用钢棒 预应力混凝土用钢棒是用低合金钢热轧圆盘条经冷加工后（或不经冷加工）淬火或回火所得。 预应力混凝土用钢棒强度高，锚固性好，预应力值稳定；施工方便，开盘后钢筋自然伸直，不需调直及焊接。 （4）预应力混凝土用钢丝 预应力混凝土用钢丝是采用索氏体化盘条经冷拉或冷拉后消除应力处理而制得的高强度钢丝。 预应力混凝土用钢丝强度高，柔性好。适用于大跨度屋架、吊车梁等大型构件的预应力结构。 （5）预应力混凝土用钢绞线 预应力混凝土用钢绞线是由两根、三根或七根钢丝捻成一束而成。 预应力混凝土用钢绞线强度高，柔性好，与混凝土粘结性能好。 多用于大型屋架、薄腹梁、大跨度桥梁等大负荷的预应力混凝土结构。 3.钢结构用钢材 钢结构用钢材主要有热轧型钢、冷弯薄壁型钢、热（冷）轧钢板和钢管等。 （1）热轧型钢 常用的热轧型钢有工字钢、槽钢、角钢、L型钢、H型钢及T型钢等 。 型钢由于截面形式合理，材料在截面上的分布对受力有力，且构件间连接方便，所以它们是钢结构采用的主要钢材。 （2）冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢通常由薄钢板经冷弯或模压而成，有空心薄壁型钢和开口薄壁型钢。 冷弯薄壁型钢由于壁薄，刚度好，能高效地发挥材料的作用，在同样负荷下，可减轻构件质量、节约材料，通常用于轻型钢结构。 （3）钢板材 钢板材包括钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板和彩色涂层钢板等。 六、钢材的防护 1.钢材的防火 为了避免高温对钢材力学性能的不利影响，在钢结构中应采取防火措施加以预防，特别是对于大跨度钢结构和高层建筑，一般采取包覆措施，其中包括设置防火板或涂刷防火涂料等。在钢筋混凝土结构中，应保证钢筋有一定厚度的保护层。 2.钢材的防腐蚀 （1）钢材的腐蚀 化学腐蚀：钢材与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀，称为化学腐蚀。 电化学腐蚀：金属表面形成原电池，导致电子流动而产生的腐蚀，称为电化学腐蚀。 应力腐蚀：钢材在应力状态下腐蚀加快的现象，称为应力腐蚀。 （2）腐蚀的防止 合金化 金属覆盖 非金属覆盖 混凝土结构中钢筋的防腐蚀。