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土木工程材料建筑钢材第1页，本讲稿共36页钢材与混凝土相比的优点：1.抗拉强度高2.塑性好3.韧性好4.性能稳定5.比强度高土木工程材料 第2章 建筑钢材第2页，本讲稿共36页钢材与混凝土相比的缺点：1.易生锈2.防火性能差3.自重大土木工程材料 第2章 建筑钢材 建筑钢材是指用于钢结构的各种型材、板材、钢管和用于混凝土结构的钢筋、钢丝、钢绞线等第3页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.1 金属的微观结构及钢材的化学组成 2.1.1金属的微观结构 钢材是金属晶体 什么是晶体？什么是晶体？钢材有晶体的特性吗？钢材有晶体的特性吗？原子晶胞晶粒晶体金属第4页，本讲稿共36页 固体在热力学上最稳定的状态是处于0K时的状态。此时，其内部能量最低，晶体中的原子按理想的晶格点阵排列。实际的真实晶体中，在高于0K的任何温度下，都或多或少的存在着对理想晶体结构的偏离，即存在着结构缺陷。钢材也非完美，其中的缺陷类型主要有三种。土木工程材料 第2章 建筑钢材第5页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 在金属晶体中，位错及其它类型的缺陷是大量存在的。位错的存在使金属的实际屈服强度远低于在无缺陷理想状态下的理论强度。空位使位错的阻力减小，钢材强度减小。而间隙原子、杂质原子和晶界面使位错的阻力增大，钢材的强度增大而塑性降低。第6页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.1.1钢材的化学组成 钢的基本成分是铁和碳，此外还有某些合金元素和杂质元素。钢材与铁的区别在于碳含量，钢材的碳含量在2%以下。按化学成分钢材可分为碳素钢和合金钢两类。碳素钢按碳含量可分为：第7页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 合金钢按合金元素的总含量可分为：钢材中各元素对钢材的性能有不同的影响。现对钢材中主要合金元素和杂质元素的存在形态及其对钢材性能的影响作简要介绍。第8页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 碳 碳是钢材中最重要的合金元素，故钢材也被称为铁-碳合金。钢材中碳原子与铁原子的结合有三种基本方式：固溶体、化合物和机械混合物。与此相对应，碳素钢在常温下形成的基本组织也有三种：铁素体、渗碳体和珠光体。结合方式基本组织固溶体铁素体化合物渗碳体机械混合物珠光体第9页，本讲稿共36页铁素体:钢材中的铁素体系碳在-Fe中的固溶体，由于-Fe体心立方晶格的原子间的空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少，由缺陷对钢材性能的影响可知其塑性、韧性好；但强度、硬度低。渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。珠光体:珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8)，层状结构，性能介于铁素体与渗碳体之间。土木工程材料 第2章 建筑钢材第10页，本讲稿共36页 碳素钢中上述基本组织含量与含碳量的关系如下图：基本组织的相对含量（%）0 0.8 2.0含碳量（%）土木工程材料 第2章 建筑钢材第11页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 图2-8可见，随碳含量增大，b抗拉强度先增大后减小，HB硬度增大，k冲击韧性减小，伸长率减小，面积缩减率减小，即塑性降低。除此之外，碳含量增大还会降低钢材的可焊性和抗大气锈蚀性，增加冷脆性和时效敏感性。硅、锰 硅和锰是两种重要的合金元素，通常在炼钢后期作为脱氧剂加入。可提高钢材的强度，而且对塑性和韧性的影响不明显。第12页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 钛、钒、铌 钛、钒和铌是我国钢材中常见的合金元素。其作用是作为晶种细化晶粒，都可以提高强度。磷、硫、氧、氮 是杂质元素。磷会加剧钢材的冷脆性，即在低温下脆性增大，塑性和韧性显著降低，可焊性降低，强度提高。氮的影响与磷类似。硫会加剧钢材的热脆性，即在高温下脆性增大，故显著降低可焊性，还使强度降低。氧的影响与硫类似。第13页，本讲稿共36页化学元素化学元素强度强度 硬度硬度 塑性塑性 韧性韧性 可焊性可焊性其他其他碳（碳（C C）1%1%冷脆、时效冷脆、时效抗大抗大气锈蚀气锈蚀硅（硅（SiSi）1%1%脱氧剂脱氧剂锰（锰（MnMn）脱氧剂脱氧剂钛（钛（TiTi）强脱氧剂强脱氧剂钒（钒（V)V)时效时效铌（铌（NbNb）磷（磷（P P）冷脆性冷脆性硫（硫（S S）热脆性热脆性氧（氧（O O）冷脆性冷脆性 氮（氮（N N）冷脆、时效冷脆、时效土木工程材料 第2章 建筑钢材化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影响第14页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 炼钢时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通常可分为以下三种：沸腾钢 脱氧不完全，这种钢水浇入锭模时，会有大量的CO气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。第15页，本讲稿共36页镇静钢 脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢；代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。土木工程材料 第2章 建筑钢材半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。第16页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.2 建筑钢材的主要力学性能 2.2.1抗拉性能 是钢材最重要的性能之一。由拉伸实验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材抗拉性能的主要技术指标。第17页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材DDA图图2-9 低碳钢受拉时的应力低碳钢受拉时的应力-应变图应变图RmA=L/LR=P/AReLReH第18页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材0.2%图图2-10 硬钢的屈服点硬钢的屈服点R0.2第19页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.2.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。它反映的也是钢材的塑性，与伸长率有很好的相关关系。另外，也反映了钢材的冶炼质量和焊接质量。钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。第20页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.2.2 冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性实验试验确定的。试验以摆是通过标准试件的弯曲冲击韧性实验试验确定的。试验以摆锤打击刻槽的试件，于刻槽处将其打断。以试件单位面积上锤打击刻槽的试件，于刻槽处将其打断。以试件单位面积上打断时所消耗的功作为钢材的冲击韧性值，以打断时所消耗的功作为钢材的冲击韧性值，以KV表示。表示。钢材的冲击韧性对钢的化学成分、内部组织状态，钢材的冲击韧性对钢的化学成分、内部组织状态，以及冶炼、轧制质量都较敏感。此外，还与温度和时以及冶炼、轧制质量都较敏感。此外，还与温度和时间有关。间有关。第21页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始时下降平缓，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，这时的温度称为脆性临界温度。随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降，这种现象称为时效。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。第22页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.2.4 硬度 钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。布氏硬度：用一直径为D的淬火钢球，以荷载P将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得直径为d的压痕。以压痕表面积除荷载P，所得商即为该试件的布氏硬度值，以HB表示。钢材的布氏硬度值HB与抗拉强度Rm之间有较好的相关关系。第23页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.2.5 耐疲劳性 在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限（r）来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。第24页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.3 钢材的冷加工强化及时效强化、热处理和焊接 2.3.1钢材的冷加工强化及时效强化 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化。将经过冷加工后的钢材于常温下存放1520天，或加热到100200C并保持一段时间。这一过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称人工时效。第25页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.3.1钢材的热处理 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。热处理的方法有退火、正火、淬火和回火。2.3.1钢材的焊接第26页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.4 钢材的防火和防腐蚀2.4.1钢材的防火2.4.2钢材的锈蚀和防止1.钢材被腐蚀的主要原因 （1）化学腐蚀 （2）电化学腐蚀 金属在潮湿气体以及导电液体（电解质）中，由于电子流动而引起的腐蚀，称为电化学腐蚀。第27页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材 在钢铁表面，原电池的两极反应如下：阴极：Fe-2e=Fe2+阳极：2H+2e=H2 Fe2+2(OH)-=Fe(OH)2 Fe(OH)2又与水中溶解的氧发生下列反应:4Fe(OH)2+O2+2H 2O=4Fe(OH)3 （3）应力腐蚀2.防止钢材腐蚀的措施第28页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.5 建筑钢材的品种与选用2.5.1建筑钢材的主要钢种 1.碳素结构钢 牌号的表示方法：Q 屈服点数值 质量等级代号 脱氧程度代号例：Q235BZ第29页，本讲稿共36页Q235强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求 Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构，Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构，Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。土木工程材料 第2章 建筑钢材第30页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.低合金高强度结构钢 牌号的表示方法：Q 屈服点数值 质量等级代号 由于合金元素的强化作用，使低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。低合金高强度结构钢广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。第31页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.5.2常用建筑钢材1.低碳钢热轧圆盘条 强度较低，但塑性好，便于弯折成形，容易焊接。主要用做箍筋，以及作为冷加工的原料，也可作为中、小型钢筋混凝土结构的受力钢筋。第32页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材第33页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材2.钢筋混凝土用热轧钢筋 钢筋混凝土用热轧钢筋共分为四级钢筋，根据其表面状态分为光圆钢筋和带肋钢筋。I级钢筋为光圆钢筋，其余三级为带肋钢筋。I级钢筋不带肋，与混凝土的握裹力不好，其末端需做180弯钩。第34页，本讲稿共36页I级钢筋由碳素结构钢轧制，其余均由低合金钢轧制。I级钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，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级和HRB400级钢筋的强度较高，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级钢筋强度高，但塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。土木工程材料 第2章 建筑钢材第35页，本讲稿共36页土木工程材料 第2章 建筑钢材第36页，本讲稿共36页