土木工程材料第七章土木工程用钢材及铝合金.ppt
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1、基本要求 7.0 概述 7.1 钢的生产和分类 7.2 化学成分对钢材性能的影响 7.3 钢的技术性质 7.4 钢材的冷加工和热处理 7.5 钢材(结构)的连接 7.6 木工程用钢、钢材的标准和选用 7.7 钢材的腐蚀和防护 7.8 铝及铝合金,第七章 土木工程用钢材和铝合金,基 本 要 求,主要内容化学成分对钢材性能的影响建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能建筑钢材的冷加工、时效强化及热处理常用建筑钢材的标准及选用钢材的腐蚀与防护,金属材料分类,金属材料,有色金属,黑色金属,铜、铝及合金,钢 结 构,钢 筋,生铁(c2.06%),按化学成分可分为:黑色金属和有色金属,Back,7.0 概
2、述,定义:指用于工程建设的各种钢材,包括:型钢钢板钢丝钢筋,建筑钢材,优点比强度高塑性好、韧性好能承受冲击和振动荷载加工性好便于装配施工,建筑钢材,缺点易锈蚀,耐火性差维护费用大,Back,应用:大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房,建筑钢材,钢桥,Back,铁路钢轨,钢结构厂房,总高度:324.8米左右总质量:约11500吨结构形式:钢架镂空结构(总用钢量7000吨,12000个金属部件,250万只铆钉),巴黎艾菲尔铁塔,武汉长江大桥,2008年奥运会“鸟巢”工程,钢结构总用钢量4.2万吨,铝是世界上最为广泛应用的金属之一。优点:质量轻,可装配化生产 在空气中的稳定性和阳极处理后的
3、极佳外观应用:铝合金型材,用于门窗、隔断等,铝合金,Back,铝合金门窗,铝合金型材,7.1 钢的生产和分类,钢的冶炼 钢材的加工方法 钢的分类 钢材的分类,Back,一、钢的冶炼,生铁的冶炼:还原反应为主钢的冶炼:氧化,Back,钢的生产分为两步:(1)炼铁;(2)炼钢。,钢:含碳量为0.062.0%;生铁:含碳量2(2.116.67%);铸铁:含碳量为24);工业纯铁:含碳量小于0.04%。,冶炼过程,焦炭,铁矿石,生铁,高炉熔融,生铁,精炼,氧化,钢,脱氧铸锭,钢锭,建筑钢材,钢材的冶炼过程,还原,加工,二、钢材的加工方法,大部分为压力加工,根据加工温度的不同分为冷加工和热加工。轧制 锻
4、造 拉拔 挤压,碳素钢低碳钢 C0.6%合金钢低合金钢 10%,按化学成分分类,三、钢的分类,按质量分,普通钢 P0.045%,S0.055%优质钢 P0.035-0.04%,S0.04%高级优质钢 P0.025%,S0.025%,按结构用途分,结构钢 各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢工具钢 刀具、模具特殊钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢,Back,三、钢的分类,按冶炼时脱氧程度分,沸腾钢 镇静钢半镇静钢特殊镇静钢,Back,三、钢的分类,四、钢材的分类,型钢类钢板类钢管类钢丝类,方形管,Z型钢,花纹钢板,压型钢板,H型钢,矩形管,1.碳。决定钢材性能的最重要元素(硬化元素),b抗拉强度k冲
5、击韧性A 伸长率Z 断面收缩率HB 硬度,有益元素:硅、锰、钛、钒;有害元素:硫、磷、氮、氧、氢。,7.2 化学成分对钢材性能的影响,主要出现在合金钢或特殊合金钢中的元素:锰(Mn):提高强度、硬度及耐磨性,改善热加工性能;但会减弱钢的抗腐蚀性能和焊接性能。铬(Cr):显著提高强度、硬度和耐磨性,但会降低塑性和韧性;可提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性(不锈钢、耐热钢)。钼(Mo):碳化作用剂,防止钢材变脆,高温时保持钢材的强度。镍(Ni):提高强度的同时保持良好的塑性和韧性,较高的耐酸碱性,高温下有防锈和耐热能力。钨(W):增强抗磨损性。,工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中的钢材的基本性能有:,机械/
6、力学性能拉伸性能 冲击韧性 疲劳强度工艺性能冷弯性能 焊接性能,Back,7.3 建筑钢材的技术性质,拉伸性能是建筑钢材的主要性能钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力应变图来反映。屈服强度抗拉强度伸长率,一、力学性能,1.抗拉性能,低碳钢单轴拉伸试验,c,d,a,b,p,0,b,b,s,s,弹性阶段:oa屈服阶段:ab强化阶段:bc颈缩阶段:cd,低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图,弹性极限 p、上屈服强度s、下屈服强度s、抗拉强度b,屈服强度(s)是确定容许应力的主要依据;,硬钢的屈服点,中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象,规范以0.2%残余变形所对应的应力值作为名义屈服强度,用p0.2表示
7、。,钢材的屈强比、有效利用率及安全性之间的关系,合理屈强比:碳素钢 低合金结构钢 合金结构钢,屈强比(s/b),(1)伸长率A,Lu拉断后标距部分长度mm;L0原标距长度mm。,通常取L0=5d0或L0=10d0,伸长率分别为A和A11.3。相同钢材,AA11.3。,2.塑性,伸长率的测定,(2)断面收缩率 Z,A0试件的原截面面积,mm2;A1试件断裂后颈缩处的横截面积,mm2;,3.韧性,钢材抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性k表示。,k冲击韧性(J/cm2);Ak 试件冲断时吸收的冲击能(J);F试件槽口处最小横截面积(cm2)。,温度对钢材冲击韧性影响很大。,钢的脆性转变温度,冲击韧性骤然
8、下降而成脆性(冷脆性),负温条件下使用的结构,设计时必须考虑钢材的低温冲击韧性。,4.耐疲劳性,疲劳破坏:是指钢材在交变荷载反复作用下,在远小于抗拉强度时发生的突然破坏。疲劳强度: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循环应力。,5.硬度,钢材抵抗硬物压入表面的能力。常用的硬度指标为布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)和维氏硬度(HV)。,1.冷弯性能,在更苛刻的条件下检验钢材的塑性;以试验时的弯曲角度和弯心直径作为指标来表示;弯曲角度愈大,弯心直径愈小,表示对冷弯性能要求愈高;冷弯性能合格:弯曲处无裂纹、断裂及起层等现象。,二、工艺性能,2.焊接性,获得良好的焊接
9、接头,不易形成裂纹、气孔、夹渣。,7.4 钢材的冷加工与热处理,钢材的冷加工与时效处理钢材的热处理,Back,一、钢材的冷加工与时效,冷加工:钢材在再结晶温度以下(即常温)的机械加工。如冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。强度和硬度明显提高,塑性和韧性有所降低。时效:钢材经冷加工后,随着时间的延长,其屈服强度和抗拉强度逐渐提高,而塑性和韧性逐渐降低的现象。,自然时效:常温下存放1520天;人工时效:加热至100200并保持2h左右;时效敏感性:因时效而使钢材性能改变的程度。,思考:对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构,如桥梁、钢轨、锅炉等,应选时效敏感性大还是小的钢材?,O,O1,B,D1,
10、C,D,C1,K1,K,未冷拉:s在B点处,冷拉:s变大(K点)塑性和韧性降低,冷拉+时效:s、b变大塑性和韧性降低,工程中往往是冷加工和时效处理同时采用。,钢筋的冷拉与时效处理,二、钢材的热处理,加热,保温,退火,退火。降低硬度,提高塑性,消除组织缺陷和内应力。正火。与退火相比,钢的硬度、强度较高,而塑性减小。淬火。获得高强度、高硬度的组织,但塑性和韧性显著降低。回火。消除淬火产生很大的内应力,减低脆性。,正火,淬火,回火,7.5 钢材(结构)的连接,焊接连接 螺栓连接 铆钉连接 钢筋机械连接,Back,一、焊接连接,焊接是各种型钢、钢板、钢筋等钢材的主要连接方式。分类:熔化焊、压力焊、钎焊
11、,优点:方便适用,不需要附加零件,不需要在钢材上开孔,构造简单,节省钢材,制作方便,易于采用自动化操作,生产效率高;焊缝连接的刚度大,密封性好。注意:(1)钢的化学成分、冶炼质量及冷加工等都可能影响焊接性能。(2)钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验,包括拉伸试验和冷弯试验,要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。,二、螺栓连接,优点:安装和拆卸方便,适用于需要装卸结构的连接和临时性连接,是大型装配式构件的主要连接形式之一。缺点:需在板件上开孔和拼装,增加制作工作量,螺栓孔使截面削减,并且浪费钢材。,螺栓连接的种类,三、铆钉连接,优点:塑性、韧性和整体性好,连接变形小,传力可靠,承受动力荷载时的疲
12、劳性好,质量易于控制。缺点:构造复杂,用钢量大,施工麻烦,打铆时噪声大,劳动条件差。,四、钢筋机械连接,优点:施工简单、工艺性能良好、接头质量可靠、不受钢筋焊接性的制约、可全天候施工、节约钢材和能源等。标准:钢筋机械连接通用技术规程(JGJ107-2003),常用机械连接接头类型:挤压接头、螺纹接头(1)带肋钢筋套筒挤压连接:将需要连接的带肋钢筋,插于特制的钢套筒内,利用挤压机压缩套筒,使之产生塑性变形,靠变形后的钢套筒与带肋钢筋之间的紧密咬合来实现钢筋的连接。适用于钢筋直径为1640mm的HRB335、HRB400带肋钢筋的连接。,(2)钢筋螺纹接头连接:适用于HR335、HR400钢筋的连
13、接。,7.6 土木工程用钢、钢材的标准和选用,土木工程用钢的主要类别 钢结构用钢材 钢筋混凝土用钢材 专门结构用钢材,Back,1、碳素结构钢,(GB 700-2006),(1)牌号,Q235 AF,Q215 B的含义?,一、土木工程用钢的主要类别,(2)选用原则:以冶炼方法和脱氧程度来区分钢材品质,选用时应根据结构的工作条件、承受荷载的类型、受荷方式、结构的连接方式和使用温度等因素综合考虑。(3)技术要求:,化学成分:见表7-4机械性能:s、b、A、冲击吸收功(表7-5);冷弯试验:弯曲角度180o,弯心直径有所不同(表7-6)。,(4)技术特性:力学性能稳定,塑性好,在各种加工中敏感性小,
14、构件在焊接、超载、受冲击和温度应力等不利的情况下能保证安全;并且冶炼方便,成本较低。,2.低合金高强度结构钢,GB/T 1591-2008,牌号的含义同碳素结构钢。,(1)牌号,Q345 A的含义?,(2)技术要求,化学成分:表7-7机械性能:s、b、A等(表7-8)冷弯试验:弯曲角度180o,弯心直径有所不同。(表7-9),(3)技术特性:高强度、高硬度,良好的塑性和韧性,耐磨、耐腐蚀、耐低温性好;具有含碳量0.2%,具有较好的可焊性;冶炼方便,成本低。(4)应用:轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋,广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构,特别适用于各种重型结构、高层建筑、大柱网及大跨度结构。,3、优质
15、碳素结构钢,(GB/T 699-1999),08F、10F、15F;08、10、15、80、85;15Mn70Mn,F:沸腾钢,15:平均含碳量0.15,Mn:较高含锰量,(1)牌号,共31个牌号。,(2)技术要求,化学成分:有害元素S0.035%,P0.035%机械性能。s、b、A、Z、HBW等;推荐热处理及温度。,四、合金结构钢,(GB/T 3077-1999),如:30CrMnSiA;20SiMn2MoV,30:含碳量0.30,Si:含硅量1.50Mn2:含锰量1.502.49,(1)牌号:77个牌号表示:两位数字、合金元素符号、合金元素平均含量、冶金质量等级,3:含量2.503.49;
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