土木工程材料（第二章.pptx
土木工程材料教案（第二章土木工程材料教案（第二章学习目标：了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系熟练掌握钢材的力学性能的意义、测定方法及影响因素熟悉建筑钢材的强化机理与强化方法掌握土木工程常用的建筑钢材的分类及其选用原则 第1页/共24页2.1钢材的分类2.1.1钢材按化学成分分类钢材是以铁为主要元素，含碳量为0.02%-2.06%，并含有其他元素的合金材料。1.碳素钢低碳钢：C0.25%中碳钢：C=0.25%0.6%高碳钢：C0.6%第2页/共24页2.2.合金钢合金钢低合金钢：合金元素低合金钢：合金元素5%5%中合金钢：合金元素中合金钢：合金元素5%10%5%10%高合金钢：合金元素高合金钢：合金元素10%10%2.1.22.1.2按品质（杂质含量）分类按品质（杂质含量）分类普通钢：普通钢：S0.050%S0.050%；P0.045%P0.045%优质钢：优质钢：S0.035%S0.035%；P0.035%P0.035%高级优质钢：高级优质钢：S0.025%S0.025%；P0.025%P0.025%特级优质钢：特级优质钢：S0.015%S0.015%；P0.025%P0.025%2.1.32.1.3按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类沸腾钢；镇静钢；半镇静钢；特殊镇静钢。沸腾钢；镇静钢；半镇静钢；特殊镇静钢。第3页/共24页2.2建筑钢材的主要技术性能钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能。2.2.1抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的性能。钢材受拉时，在产生应变的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段（OA）、屈服阶段（AB）、强化阶段（BC）和颈缩阶段（CD）。第4页/共24页第5页/共24页弹性模量：在弹性阶段，应力和应变的比值为常数弹性模量：在弹性阶段，应力和应变的比值为常数称为弹性模量。称为弹性模量。E=/E=/。A A点对应的应力称为弹性极点对应的应力称为弹性极限（限（pp）。）。屈服强度：在屈服阶段，外力不增大，而变形继续屈服强度：在屈服阶段，外力不增大，而变形继续增加，这时相应的应力称为屈服极限或屈服强度增加，这时相应的应力称为屈服极限或屈服强度（s s）。）。抗拉强度：在应力抗拉强度：在应力-应变图上，对应于最高点应变图上，对应于最高点C C的应的应力称为抗拉强度（力称为抗拉强度（bb）。）。伸长率、断面收缩率伸长率、断面收缩率第6页/共24页2.2.2冲击韧性钢材的冲击韧性越大，抵抗冲击荷载的能力越强。K K值与试验温度有关。有些材料常温时冲击韧性不低，破坏时却呈现脆性破坏。2.2.3耐疲劳性受交变荷载反复作用时，钢材在应力低于屈服强度的情况下突然发生脆性破坏的现象，称为疲劳破坏。钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。实际测量长以2106次应力循环为基准。第7页/共24页2.2.4工艺性能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，以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示。钢材冷弯时的弯曲角度越大，d/越小，表示冷弯性能越好。2.焊接性能钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，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，特别是强度不低于原有钢材的强度。第8页/共24页2.32.3钢材的组成结构及其对性能的影响（略）钢材的组成结构及其对性能的影响（略）2.42.4钢材的强化与加工钢材的强化与加工2.4.12.4.1冷加工强化冷加工强化1.1.冷加工强化的机理冷加工强化的机理将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷扎使其产生塑性将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷扎使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。称为冷加工强化处理。在冷加工时，依靠塑性变形时位错密度提高和变形抗在冷加工时，依靠塑性变形时位错密度提高和变形抗力增大这两方面的相互促进，很快导致金属强度和硬力增大这两方面的相互促进，很快导致金属强度和硬度提高，但也会导致其塑性降低。度提高，但也会导致其塑性降低。2.2.冷加工强化的方法冷加工强化的方法（1 1）冷拉（）冷拉（2 2）冷拔（）冷拔（3 3）冷扎）冷扎第9页/共24页2.4.2时效处理冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15-20d，或加热至100-200后保持一定时间（2-3h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性进一步降低，弹性模量则基本恢复，这个过程称为时效处理。时效处理有两种方法：（1）自然时效：在常温下存放15-20d。适宜于低强度钢筋。（2）人工时效：加热至100-200后保持一定时间（2-3h）。适宜于高强度钢筋。第10页/共24页第11页/共24页2.4.3热处理（略）2.5土木工程常用金属材料的性质及应用2.5.1建筑常用钢种1.碳素结构钢（1）牌号及表示方法 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 例“Q235-A.F”（2）碳素结构钢技术性能与应用 表2-3化学成分 表2-4力学性能 表2-5工艺性能第12页/共24页Q195-强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于扎制薄板和盘条。Q215-基本与Q195相同，强度稍高，大量用作管坯、螺栓。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，大量用于制作钢筋、型钢和钢板。Q255-强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性差，主要用作铆接或拴接结构，以及钢筋混凝土的配筋。第13页/共24页2.优质碳素结构钢大部分为镇静钢，对有害杂质含量控制严格，质量稳定，综合性能好，但成本较高。31个牌号，如“10F”“45Mn”“30”。性能主要取决于含碳量。含碳量越高，强度高，但塑性和韧性降低。3045主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，45用作预应力混凝土锚具。6580用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。第14页/共24页3.低合金高强度结构钢（1）牌号 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 例“Q345B”（2）技术性能与应用表2-6化学成分 表2-7力学性能低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比，具有较高的强度，综合性能好。可节约用钢20%30%，对减轻结构自重有利。主要用于扎制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和混凝土结构中，特别适用于各种重要结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。第15页/共24页2.5.2钢结构用钢1.热扎型钢钢结构常用型钢：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢。型钢规格标记，如“H340*250*9*14”“T248*199*9*14”“L40*5”2.冷弯薄壁型钢（1）结构用冷弯空心型钢（方型F、矩形J）（2）通用冷弯开口型钢（角钢、槽钢等）3.棒材、钢管和板材第16页/共24页2.5.3混凝土结构用钢钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成。1.热扎钢筋建筑工程用量最大的钢材品种之一，主要用于钢筋砼结构和预应力砼结构的配筋。热扎光圆钢筋HPB235 H(Hot rolled),P(Plain),B(Bars)。热扎带肋钢筋HRB335、HRB400、HRB500 H(Hot rolled),R(Ribbed),B(Bars)。第17页/共24页第18页/共24页HPB235是用Q235扎制的。强度较低，但塑性好，便于弯折成型，易于焊接。广泛用于中小型钢筋砼结构的主要受力钢筋、箍筋，钢、木结构拉杆等；可为冷扎带肋钢筋、冷拔低碳钢丝原材料。HRB335、HRB400用低合金镇静钢和半镇静钢扎制的，以硅、锰为主要固溶强化元素。强度较高，塑性和可焊性均较好。广泛用于大中型钢筋砼结构主筋，经冷拉可作为预应力筋。HRB500用中碳低合金镇静钢扎制的。除硅、锰外，还加入钒或钛为固溶强化元素，使强度提高的同时保证塑性和韧性。主要用于预应力筋。第19页/共24页2.冷扎扭钢筋冷扎扭钢筋是采用低碳钢无扭控冷热扎盘条经砸扁和冷扭转而成的具有连续螺旋状的钢筋。刚度大，不易变形，与混凝土的握裹力大，无需加工直接用于混凝土工程，可节约钢材30%。3.冷扎带肋钢筋冷扎带肋钢筋是由热扎圆盘条冷扎后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或二面横肋的钢筋。CRB550 为普通混凝土钢筋d=412mm。CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170为预应力钢筋d=4、5、6mm。第20页/共24页4.预应力混凝土用钢丝预应力混凝土钢丝是以优质碳素结构钢盘条为原料，经淬火、酸洗、冷拉制成的。比普通热扎钢筋强度高许多，可节省钢材、减少截面、节省混凝土。主要用于桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。5.钢绞线钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝绞捻和消除应力的热处理而制成。具有强度高、柔性好、质量稳定、成盘供应无需接头等优点。适用于大型物价、薄腹梁、大跨度桥梁等负荷大、跨度大的预应力混凝土结构。第21页/共24页2.5.4铝合金及其制品1.铝及铝合金铝为银白色轻金属，塑性好，但强度较低。纯铝建筑上很少用。铝合金不但强度提高，装饰性、大气稳定性也大大提高，应用广泛。2.铝合金制品通过热挤压、扎制、铸造等工艺，铝合金可被加工成各种门窗、龙骨、压型板、花纹板、管材、型材、棒材。第22页/共24页2.6钢材的腐蚀与防护2.6.1钢材的腐蚀1.化学腐蚀（氧化反应）2.电化学腐蚀（原电池反应）2.6.2钢材的防护1.钢材的防腐（1）耐候钢（2）金属覆盖（3）费解金属覆盖（4）混凝土构件防锈（保护层、阻锈剂、镀锌、环氧树脂涂层）2.钢材的防火防火以包覆法为主，防火涂料、不然性板材或混凝土和砂浆包裹等。第23页/共24页
