新型高性能钢材ppt课件.ppt

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1、内容提要,高性能钢材的发展趋势高强度钢的特点及其应用低屈强点钢和极低强度钢的特点及其应用耐火结构钢的特点及其应用耐候钢的特点及其应用高效焊接钢的特点及其应用特殊性能钢的特点及其应用高性能钢材的展望,1.高性能钢材的发展趋势,高性能钢材的发展趋势主要有：(1) 高强度等级钢材和超厚板钢材,(3) 高效焊接钢,满足建筑高层化和大跨距的发展需求,(2) 低屈强比钢和极低强度钢,提高结构的抗震性能,提高钢材焊接性能，尤其是提高大厚度钢板的焊接性能,1.高性能钢材的发展趋势,高性能钢材的发展趋势主要有：(4) 耐火结构钢,节省钢结构耐火被覆成本提高钢结构抗火性能,(5) 耐候钢,提高钢结构的防腐涂装和耐

2、久性能,高强度钢定义,？,指屈服强度大于420MPa的钢材。而国外的研究主要集中在屈服强度名义值约为690MPa的钢材。 低合金结构钢，经调质处理后，具有很好的综合力学性能，其抗拉强度Sb1200MPa时，叫高强度钢。其抗拉强度Sb 1500MPa时，称为超高强度钢。,2.高强度钢的特点及其应用,2.1 高强度钢的特点,含一种合金元素的高强度合金钢有铬钢、镍钢、锰钢等； 含两种合金元素的合金钢有铬镍钢、铬锰钢、铬钼钢等； 含三种以上合金元素的高强度合金钢有铬锰硅钢、铬镍钨钢、铬镍钼钢、铬锰钛钢、铬锰钼钒钢等。,中合金超高强度钢,低合金超高强度钢,高合金超高强度钢,超高强度钢,2.2 高强度钢的

3、分类-国家标准,(1) 低合金钢按主要质量等级 普通质量低合金钢 优质低合金钢 特殊质量低合金钢,优质低合金钢主要包括：,可焊接的高强度结构钢（Q295B、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E、Q390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390E）；,低合金耐候钢，09CuPCrNi-A、09CuPCrNi-B、09CuP、16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、15MnCuCr-QT；,2.2 高强度钢的分类,特殊质量低合金钢主要包括：, 低合金高强度钢（Q420A、Q420B、Q420C、Q420D、Q420E、Q460C、Q460D、Q460E）；, 保证厚度方

4、向性能的低合金钢（GB/T 5313规定的所有低合金钢牌号）；,2.2 高强度钢的分类,(2) 低合金钢主要性能及使用特性分类如下：, 可焊接低合金高强度结构钢,Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等。, 低合金耐候钢,09CuPCrNi、09Cu、16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、15MnCuCr-QT等。, 低合金钢筋钢 低合金钢 矿用低合金铜 其他低合金钢,2.2 高强度钢的分类-国际标准,2.国际标准 ISO 4948/2 按照钢的主要质量级别和主要性能及使用特性： 合金优质钢 合金特殊钢,1.国际标准 ISO 4948/1 根据化学成分： 非合金钢 合金钢

5、,2.2 高强度钢的分类-欧洲标准,按照化学成分 非合金钢 合金钢,欧洲标准EN10020钢级的定义和分类,按照主要质量等级分类 合金优质钢 合金特殊钢,2.2 高强度钢的分类-美国标准,美国标准ASTMA749术语定义低合金高强度钢为一组高强度用钢。 其强度和在某些条件下具有的耐大气腐蚀性能是通过加入适量的一种或多种合金元素而得到的。,2.2 高强度钢的分类-日本标准,日本标准JISGO203钢铁术语为了更好地改善钢的性能或使钢具有所要求的性能而加入一种、两种或以上的合金元素。 含合金元素超过相关表格的数值的称为合金钢。 按合金元素含量多少： 高合金钢 低合金钢,2.3 高强度钢的应用,国外

6、目前主要使用490MPa 级和590MPa 级钢材，780MPa 级钢材也正在积极推广使用。 日本已开发出屈强比小于0.8 的590MPa 和780MPa 的高强厚钢板（80100mm）,国外建筑用高强度钢的力学性能,2.3 高强度钢的应用,位于德国柏林的索尼中心大楼，采用了S460和S690高强度钢材，有效减小了构件截面，降低了结构体重,2.3 高强度钢的应用,澳大利亚悉尼星城饭店采用了S690高强度钢材,厚度超过40mm 时也能保证钢材力学性能、并具有良好焊接性能的建筑用特厚钢板和特厚H 型钢也已研制成功，钢板厚度达90100mm，H 型钢翼缘厚度达7090mm。,2.3 高强度钢的应用,

7、2.3 高强度钢的应用,北京奥运会主体育场“鸟巢”主体工程，采用“津西牌”250250 mm、300300 mm等规格H型钢产品,2.3 高强度钢的应用,中央电视台新大楼使用300300mm、400400mm等规格H型钢产品,2.3 高强度钢的应用,我国现行的标准 低合金高强度结构钢(GB1591-94)有5 个强度等级，即Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，目前的主要建筑用钢为Q235 和Q345(相当于490MPa 级)。 在国内，高强度钢材的应用虽然缺乏规范的指导，但在实际工程中也有少量的应用，如北京奥运会体育场鸟巢和央视新大楼也大量使用了Q420和Q460等高强度钢材。,

8、2.3 高强度钢的应用,中国自主创新的Q460钢材,撑起了鸟巢的钢筋铁骨,2.3 高强度钢的应用,在输电塔上，2002年华东电力设计院设计的500KV从工程，塔身下面的四段主材率先采用了Q390钢管，实现了我国输电线路中高强钢管塔应用零的突破；,吴淞口大跨越钢塔架,2.3 高强度钢的应用,2005年投运的750KV官厅兰州东段输电塔线路工程，率先使用了Q420高强钢，又实现了高强钢在角钢输电塔中应用的突破，并且由于使用了高强度钢材使得铁塔重量降低10左右。,官厅兰州东段输电塔,2.3 高强度钢的应用,广州新电视塔全部采用高强钢，总重5.5万吨，外筒大约3万吨，混凝土15万立方米，电视塔的总重量

9、达到10万吨以上。 “细腰”最小处直径仅30多米，可抗8级地震 。,2.3 高强度钢的应用,让业内震惊的是，组成新电视塔的一万多个钢构件竟然没有一个是相同的。这是由塔身扭转的造型决定的。,2.3 高强度钢的应用,世界最高摩天轮,3 低屈强点钢和极低强度钢的特点及其应用,低屈服点钢定义,？,低屈服点钢材习惯上称之为“软钢”。其中屈服点较低的一种，即：极低屈服点钢材，指的是通过不断降低钢材中的碳以及其他合金元素的含量、掌握好轧制时的最佳温度及轧制后经过必要的热处理等手段，得到屈服点一般在80120MPa之间、延伸率50的钢材。,3.1 低屈强点钢和极低强度钢的特点,极低屈服点钢的屈服应变仅为普通钢

10、材的1/3，屈强比为普通低碳钢的1/2.5，变形能力约为普通低碳钢的2倍。 软钢与普通低碳钢的化学成分及力学性能比较见下表。,3.1 低屈强点钢和极低强度钢的特点,日本新日铁最先提出软钢抗震阻尼器构件，并于1995年成功开发了用于阻尼器的极低屈服点钢，牌号为BLY-100，BLY-225等，其屈服强度波动范围有严格的要求，拉伸曲线如右图所示。,3.1 低屈强点钢和极低强度钢的特点,川崎制铁于1998年开发出类似的极低屈服点钢，牌号为RIVER FLEX100。JFE成立以后也把建筑构造用低屈服点钢纳入钢板产品目录，牌号为JFE-LY100。 台湾中钢于1997年研制成功该钢种，牌号LYS100

11、。 我国的武汉钢铁集团近年来也在积极研发生产类似性能的钢种。,3.1 低屈强点钢和极低强度钢的特点,良好的滞回特性 能吸收大量的能量 避免主体结构的破坏 屈服强度低 屈服点波动范围很窄 良好的低周疲劳抗力 耗能性能稳定 兼容性较好,软钢的特点：,3.1 低屈强点钢和极低强度钢的特点,软钢耗能装置： 梁式耗能器、锥形钢悬臂耗能器、加劲阻尼耗能装置、圆环（方框）耗能器、钢板耗能器、剪切钢板耗能器、屈曲约束型耗能支撑及钢板剪力墙等。,锥形钢棒耗能器,锥形钢板耗能器,带锥形钢棒耗能器的隔震支座,X形加劲钢板耗能装置,三角形加劲钢板耗能装置,开孔式加劲钢板耗能装置,（a）普通圆环耗能器 （b）双环耗能器

12、 （c）局部加强双环耗能器（d）X形加劲圆环耗能器,（a）蜂窝状耗能器 （b）槽型耗能器 （c）单圆孔形软钢阻尼器 （d）双X形软钢阻尼器,剪切钢板耗能器,铅粘弹性耗能器,无粘结支撑及其截面形式,3.2 低屈强点钢的应用实例,三角形加劲耗能装置(TADAS),（a）正常使用时,见局部放大,见局部放大,（b）地震时,TADAS与结构的工作机理示意图（局部放大）,4 耐火结构钢的特点及其应用,耐火结构钢定义,？,耐火钢的概念是日本于上世纪80年代率先提出的。耐火钢是指通过在钢材中添加耐高温的合金元素Mo、Cr、Nb等，使得钢材在600oC时的屈服强度不小于常温屈服强度的23，且其他性能(如可焊性等

13、)与相应规格的普通结构钢基本一致。,4 耐火结构钢的特点及其应用,传统结构钢和耐火钢在室温性能相同时，其屈服强度对温度的敏感性,4.1 火灾对钢结构的危害,钢材虽为非燃烧材料，但钢不耐火，温度为400时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半，温度达到600时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，当建筑采用无防火保护措施的钢结构时，一旦发生火灾，结构很容易遭到破坏。,1967年美国蒙哥马利市的一个饭店发生火灾，钢结构屋顶被烧塌；1970年美国50层的纽约第一贸易办公大楼发生火灾，楼盖钢梁被烧扭曲10cm左右；1990年英国一幢多层钢结构建筑在施工阶段发生火灾，造成钢梁、钢柱和楼盖钢桁架的严重破坏；

14、2001.9.11 9时03分，被劫持的美洲航空公司第77次航班波音757客机撞向纽约世贸中心大楼南楼 ，双塔楼中1号楼10时28分倒塌，2号楼9时50分倒塌。 美国“911”事件是引发全球对建筑用耐火钢开发热潮的起源,美国911世贸大厦,我国一些建筑物的钢结构屋盖在发生火灾倒塌的实例。重庆天原化工厂钢屋架1960.2.1820min倒塌上海文化广场钢屋架1969.12倒塌天津市体育馆钢屋架1973.5.519min倒塌长春卷烟厂钢木屋架1981.4.5倒塌北京友谊宾馆剧场钢木屋架1983.1220min倒塌唐山市棉纺织厂钢梁1986.2.820min倒塌北京高压气瓶厂钢屋架1986.4.8倒

15、塌江油电厂俱乐部钢屋架1987.4.2120min倒塌 泉州钢结构冷库 钢结构 1993 3600m2的库房倒塌昆山市的一轻钢结构厂房 钢结构 1996 4320m2的厂房烧塌北京某家具城 钢结构 1998 整体倒塌,央视辅楼,济南奥体中心体育馆发生火灾事故,某12000m2大型工业厂房，主体结构为三连跨双坡轻型门式刚架，平面尺寸为63m 192m，柱距8m，檐高9m，屋脊高度11.52m，两端山墙抗风柱间距7m，设有3吨吊车，厂房围护体系采用聚苯乙烯夹芯保温彩色钢板。 车间内设有一条喷涂生产线，电焊火花引燃了生产线上的玻璃钢瓦片，造成大火，火灾持续时间约20分钟。因火灾时车间内的可燃物数量有

16、限，且在风势作用下燃烧速率高，热量散发快，车间内部升温不算太高，大多数受灾钢材表面呈褐色，局部呈浅黑色。幸好主体结构未倒塌，否则不堪设想。,现在欧美、日本、韩国和澳大利亚等发达国家相继开展了耐火钢的研究和生产。我国宝钢、武钢等于20世纪90年代后期也开始耐火钢的研究开发工作，并取得了一定的成功。 使用耐火钢，能够大幅度地降低防火涂料的厚度甚至可以不用其他防火保护措施，但目前耐火钢在我国应用相对还较少。,4.2 耐火结构钢的应用实例,2001年10月武钢为建于上海的中国残疾人体育艺术培训基地提供了急需的耐火耐候钢管(WGJ510C2 )219mm和273mm共计200多吨,4.2 耐火结构钢应用

17、实例,2002年8月,武钢为北京国家大剧院提供406mm和508mm耐火耐候钢管(WGJ510C2)共计240根，近300吨，用于钢管劲性柱。,4.2 耐火结构钢的应用实例,马钢耐火钢试制成功以后，共向上海中福城工程供应H300150和H400150两种规格的耐火钢共1400多吨，用作高层住宅楼的钢梁。上海中福城一期工程现已完工，用户反映加工和焊接性能优良。,5 耐候钢的特点及其应用,耐候钢的定义,？,耐候钢是指在恶劣环境条件下（主要是指腐蚀较强的环境），具有较强工作性能的钢材。 耐候钢的特点： 在大气中具有更优良的抗蚀性能 价格较为低廉,5.1 耐候钢的特点,耐候钢原理：钢中加入磷、铜、铬、

18、镍等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。 耐候钢是可减薄使用、裸露使用或简化涂装，而使制品抗蚀延寿、省工降耗、升级换代的钢系，也是一个可融入现代冶金新机制、新技术、新工艺而使其持续发展和创新的钢系。,5.1 耐候钢的特点,耐候钢制造工艺：耐候钢一般采用精料入炉-冶炼(转炉、电炉-微合金化处理-吹氩-LF精炼-低过热度连铸(喂入稀土丝)-控轧控冷等工艺路线。 由于钢中加入稀土元素，耐候钢得到净化，夹杂物含量大为减少。,5.2 耐候钢的应用,5.2 耐候钢的应用,上海世博会澳大利亚国家馆完成对其独特的耐候钢覆层外墙的最后

19、装饰,5.2 耐候钢的应用,西南部俯瞰图,5.2 耐候钢的应用,上海世博会澳大利亚国家馆,6 高效焊接钢的特点及其应用,高效焊接钢的定义,？,指金属材料对焊接加工的适应性和金属在一定的焊接方法、焊接材料、工艺参数及结构型式条件下，获得优质焊接接头的难易程度。 控温控轧技术（TMCP技术）是高性能钢板降低焊接预热温度所采用的一项关键技术。,日本明石海峡桥,6 高效焊接钢的特点及其应用,6 高效焊接钢的特点及其应用,6 高效焊接钢的特点及其应用,6 高效焊接钢的特点及其应用,1998年4月5日，世界上目前最长的吊桥日本明石海峡大桥正式通车。,不锈钢定义,？,在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的一

20、种高合金钢。,7.不锈钢的特点及其应用,7.不锈钢的特点及其应用,不锈钢的分类：,马氏体型 铁素体型 奥氏体型 双相型 沉淀硬化型(奥氏体型不锈钢约占不锈钢总产量的70),不锈钢的特点：,表面美观以及使用可能性多样化 耐腐蚀性能好，比普通钢长久耐用 耐腐蚀性好 强度高，因而薄板使用的可能性大 耐高温氧化及强度高，因此能够抗火灾 常温加工，即容易塑性加工 因为不必表面处理，所以简便、维护简单 清洁，光洁度高 焊接性能好,7.不锈钢的特点及其应用,7.不锈钢的特点及其应用,不锈钢的历史 ：,1929年 德国 188不锈钢 1913年 英国 铁素体（FeCr合金） 1917年 法国 含Cr和Ni的特

21、殊钢 1934年 法国 双相不锈钢 1946年 美国 马氏体沉淀硬化不锈钢及半奥氏体沉淀硬化不锈钢 1925-1935年 英美德等国 大量使用17Cr铁素体不锈钢和18r-8Ni奥氏体不锈钢。 70年代以后 低及超低C不锈钢,7.不锈钢的特点及其应用,不锈钢的历史 ：,我国不锈钢的生产始于1949年，起初仅限于马氏体不锈钢Cr13。 1952年中国开始生产不锈钢1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。 60年代开始生产沉淀硬化不锈钢。 1991年左右AOD（氩氧脱碳）及VOD（真空氧脱碳）炉外精炼技术开始引进国内，并试制低碳不锈钢。,7.不锈钢的特点及其应用,7.不锈钢的特点及其应用,8 高性能钢材

22、的展望,我国在高性能钢材的应用条件方面也正在不断完善。如新的低合金钢国标增加了500MPa、550MPa、620MPa、690MPa等级别高强度钢与TMCP钢，冷弯型钢国标增加了390MPa高强度钢，耐候钢增加了500MPa、550MPa级高强度钢。 国家强制性标准钢结构设计规范也开始新的修订，并计划列入关于高性能钢应用的指导性条文。,8 高性能钢材的展望,多重结构体系具有两个以上的整体型子结构，当其中一个整体型子结构在意外事件作用下遭受一定程度破坏时，其它整体型子结构依然具备一定的承载能力，能够保持整个结构体系的整体稳定性。显然，不同子结构具有不同的重要性，并应具有不同的安全储备度。对于重要程度高的子结构应采用高强材料，而对于次要子结构则可采用普通材料、且要求具有足够的延性和滞回耗能能力。,北京电视中心,