土木材料第2章建筑钢材.ppt
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1、土木工程材料第二章 金属材料张德思教授主讲,第一节 钢材的分类 1.按化学成分分类()碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁,其次是碳,故也称铁一碳合金。其含碳量为0.022.06。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为:低碳钢(含碳量小于0.25)、中碳钢(含碳量为0.250.60)高碳钢(含碳量大于0.60),()合金钢。是指在炼钢过程中,有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有:硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同,合金钢可分为低合金钢(合金元素总含量小于)中合金钢(合金元素总含量为10)高合金钢(合金元素总含量大于1
2、0)。,2.按冶炼时脱氧程度分类()沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧,则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时,会有大量的气体从钢水中外逸,引起钢水呈沸腾状,故称沸腾钢,代号为“。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。,()镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂,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“”。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的结构工程。,()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,
3、其代号为“”。()特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢,故其质量最好,适用于特别重要的结构工程,代号为“TZ”。,3.按有害杂质含量分类 接钢中有害杂质磷()和硫(S)含量的多少,钢材可分为以下四类:()普通钢。磷含量不大于0.045;硫含量不大于0.050%。()优质钢。磷含量不大于0.035%;硫含量不大于0.035%。()高级优质钢。磷含量不大于0.025%;硫含量不大于0.015%。()特级优质钢。磷含量不大于0.025%;硫含量不大于0.015%。,第二节 钢材的技术性质1.抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳
4、钢(软钢)受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标,见图2.低碳钢受拉时的应力一应变图,()屈服点:当试件拉力在 范围内时,如卸去拉力,试件能恢复原状,应力与应变的比值为常数,因此,该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时,称屈服下限下所对应的应力为屈服强度或屈服点,记做s。设计时一般以s作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材,规定以0.2残余变形时的应力0.2作为屈服强度。,()抗拉强度:从图2中曲线逐步上升可以看出:试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性变形的能力又重新提高,称为强化阶段。对应于最高点的应力称为抗拉强度,用b表示。设计中抗拉强度虽然不能利用,但屈强
5、比sb有一定意义。屈强比愈小,反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大,因而结构的安全性愈高。但屈强比太小,则反映钢材不能有效地被利用。,(3)伸长率:图2中当曲线到达点后,试件薄弱处急剧缩小,塑性变形迅速增加,产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll,标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即,伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大,故当原始标距与试件的直径之比愈大,则颈缩处伸长中的比重愈小,因而计算的伸长率会小些。通常以5和10分别表示L0=5d0和 L0=10d0(0为试件直径)时的伸长率。对同一种钢材,5应大于10。,2.冷弯性能 冷弯性能是
6、指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是钢材的重要工艺性能。冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度(90、180)及弯心直径 对试件厚度(或直径)a的比值(/a)区分的,试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验,试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层,即认为冷弯性能合格。,3.冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件,于刻槽处将其打断,试件单位截面积上所消耗的功,即为钢材的冲击韧性指标,用冲击韧性ak(/cm2)表示。ak值愈大,冲击韧性愈好。,钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明,冲击韧性随温度
7、的降低而下降,其规律是开始下降缓和,当达到一定温度范围时,突然下降很多而呈脆性,这种脆性称为钢材的冷脆性。,发生冷脆时的温度称为临界温度,其数值愈低,说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。随时间的延长而表现出强度提高,塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年,但是钢材如经受冷加工变形,或使用中经受震动和反复荷载的影响,时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性,对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。,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。常用的测定硬度的方法有
8、布氏法和洛氏法。布氏法的测定原理是利用直径为()的淬火钢球,以P()的荷载将其压入试件表面,经规定的持续时间后卸除荷载,即得到直径为()的压痕,以压痕表面积()除荷载,所得的应力值即为试件的布氏硬度值,以数字表示,不带单位。洛氏法测定的原理与布氏法相似,但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值,洛氏法压痕很小,常用于判定工件的热处理效果。,5.耐疲劳性 在反复荷载作用下的结构构件,钢材往往在应力远小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。一般认为,钢材的疲劳破坏是
9、由拉应力引起的,因此,钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关,一般抗拉强度高,其疲劳极限也较高。由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的,故钢材的疲劳极限不仅与其内部组织有关,也和表面质量有关。,6.焊接性能钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。如硫产生热脆性,使焊缝处产生硬脆及热裂纹。又如,含碳量超过0.3,可焊性显著下降等。,第三节 钢材的化学成分及晶体组织1.钢材的化学成分及对性能的影响 钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等,在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。(1)碳:土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内,随着
10、钢中碳含量的提高,强度和硬度相应提高,而塑性和韧性则相应降低,碳还可显著降低钢材的可焊性,增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低抗大气锈蚀性。,(2)硅:当硅在钢中的含量较低(小于1%)时,可提高钢材的强度,而对塑性和韧性影响不明显。()锰:锰是我国低合金钢的主加合金元素,锰含量一般在1%范围内,它的作用主要是使强度提高,锰还能消减硫和氧引起的热脆性,使钢材的热加工性质改善。,()硫:硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中,具有强烈的偏析作用,降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹,显著降低可焊性。()磷:为有害元素,含量提高,钢材的强度提高,塑性和韧性显著下降,特别
11、是温度愈低,对韧性和塑性的影响愈大,磷在钢中的偏析作用强烈,使钢材冷脆性增大,并显著降低钢材的可焊性。,磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性,在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。()氧:为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内,可降低钢的机械性能,特别是韧性,氧有促进时效倾向的作用,氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。()氮:氮对钢材性质的影响与碳、磷相似,使钢材的强度提高,塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性,降低可焊性。,在有铝、妮、钒等的配合下,氮可作为低合金钢的合金元素使用。()钛:钛是强脱氧剂。它能显著提高强度,改善韧性和可焊性,减少时效倾向,是常用的合金元素。()
12、钒:钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度,并能减少时效倾向,但增加焊接时的淬硬倾向。,2.钢材的晶体组织 钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的,这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不同的晶格,如体心立方晶格是原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点而构成的空间格子;面心立方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心而构成的空间格子。铁和碳两种元素可以不同的形态存在,这种形态称为晶体组织。,2.2 钢的基本晶体组织 碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中,其Fe和有以下三种结合形式:固溶体铁(Fe)中固溶着微量的碳(C);化合物铁和
13、碳结合成化合物Fe3;机械混合物固溶体和化合物的混合物。以上三种形式的Fe合金,于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体,称为钢的组织,在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像,故也称显微组织。,钢的基本组织主要有以下几种:()铁素体 钢材中的铁素体为在一Fe中的固溶体,由于一Fe体心立方晶格的原子间空隙小,溶碳能力较差,故铁素体含量很少(小于0.02),由此决定其塑性、韧性很好,但强度、硬度很低。()奥氏体 奥氏体为在一Fe中的固溶体,溶碳能力较强,高温时含碳量可达2.06,低温时下降至0.8。其强度、硬度不高,但塑性好,在高温下易于轧制成型。,()渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C,其含量高
14、(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,含量较低(0.8),层状结构,塑性较好,强度和硬度较高。,第4节.钢材的冷加工和热处理1.钢材的冷加工 将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧,使产生塑性变形,从而提高屈服强度,这个过程称为钢材的冷加工强化。冷加工强化的原理是:钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多,而缺陷的晶格严重畸变,对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用,故钢材的屈服点提高,塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力,故钢材的弹性模量降低。,工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理,对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工,以提
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