鋼結構基礎知識系列講座之一ppt課件VIP

鋼結構基礎知識系列講座之一,鋼橋及結構用鋼,2009.11,第一部分,鋼的分類和鋼板新國家標準,1.鋼的分類按不同方式鋼可以有很多種分類,1.1按化學成份分類按是否加入合金元素,可分為碳素鋼和合金鋼:碳素鋼是指鋼中除為了脫氧而加入硅(Si)、錳（Mn）等合金元素外，不含其它合金元素的鋼。按含碳量高低又可分為低碳鋼C0.25%中碳鋼0.25%C0.60%高碳鋼C0.60%,合金鋼指除Si，Mn等元素外還含有其它合金元素（如鉻、鎳、鉬、鈦、釩、銅、鋁、鈮等和稀有元素，有的還含有某些非金屬元素（如硼、氮等）的鋼。按鋼中所含的主要合金元素不同，可分為錳鋼、硅鋼、硼鋼等,1.2按冶煉方法分類按煉鋼爐設備的不同，可分為轉爐鋼、電爐鋼、平爐鋼。平爐鋼工藝落后已基本不采用。,1.3按脫氧程度分類（1）沸騰鋼（F）沸騰鋼脫氧不完全，組織不致密，性能差。結構一般不用沸騰鋼。（2）鎮(zhèn)靜鋼（Z）脫氧完全，組織致密，成分較均勻，性能較好。（3）半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。(新規(guī)范已取消),1.4按質量分類（1）普通鋼S0.05%，P0.045%（2）優(yōu)質鋼S0.035%，P0.035%（3）高級優(yōu)質鋼S0.030%，P0.030%,1.5按用途分（1）結構鋼包括碳素結構鋼和合金結構鋼碳素結構鋼一般S0.055%，P0.045%優(yōu)質碳素結構鋼S、P含量均小于0.040%（2）合金結構鋼在優(yōu)質碳素鋼的基礎上，適當加入一種或多種合金元素，用來提高鋼的強度、韌性和淬透性。,（3）工具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼（4）特殊性能鋼如軸承鋼、不銹鋼、彈簧鋼、高溫合金鋼等,2.板帶鋼的分類板帶鋼產量在鋼材中所占比例約為45%65%板帶鋼的寬度B與厚度H比值很大，一般B/H可達5000以上。,板材-寬厚比和表面積很大的扁平鋼材通常是對剪切成定尺長度的產品而言，成卷供應的稱為帶鋼或板卷，其中寬度大于600mm稱寬帶鋼，小于600mm稱窄帶鋼。具有一定定尺長度板材常稱為鋼板,2.1按規(guī)格不同分（1）中厚板中板厚度420mm厚板厚度2060mm特厚板厚度60160mm（2）薄板（包括帶鋼）厚度0.24mm極薄帶材（箔材）厚度0.0010.2mm,2.2按生產方法分類（1）熱軋鋼板-鋼坯加熱后進行軋制（2）冷軋鋼板-鋼坯不加熱進行軋制，一般用于軋制極薄板,2.3按用途分類橋梁鋼板、結構鋼板、鍋爐鋼板、造船鋼板、汽車鋼板、裝甲鋼板、電工鋼板、彈簧鋼板等,2.4按表面特征分類鍍鋅板（熱鍍鋅板、電鍍鋅板）鍍錫板復合鋼板彩色涂層鋼板,3.建筑結構用鋼的新國家標準我國建筑結構用鋼板采用下列國家標準：碳素結構鋼建筑結構用鋼板低合金高強度結構鋼橋梁用結構鋼,3.1碳素結構鋼（1）普通碳素結構鋼-常用的鋼種國標碳素結構鋼（GB/T700-2006）牌號質量等級Q195-Q215A、BQ235A、B、C、DQ275A、B、C、DQ-屈服強度的“屈”字漢語拼音235-屈服強度值（MPa）按厚度為16mm定義,2006標準較1988標準作了如下修改脫氧方法中取消了半鎮(zhèn)靜鋼取消Q255牌號化學成份中將碳、錳的含量區(qū)間值修改為上限值，取消各牌號鋼材的碳、錳的含量下限值，較大幅度提高錳含量上限值。Q195牌號鋼的P、S含量分別由0.045%和0.050%降低為0.035%和0.040%其它化學成份，力學性能均有不同改變和提高,碳素結構鋼是20年來首次修訂，應用時注意下列各點：設計中選用Q235-A（B）級鋼時，應選用鎮(zhèn)靜鋼，不應選用沸騰鋼。在保證力學性能情況下，A級鋼的碳、錳、硅含量不作為交貨條件。故焊接結構不宜于用235-A級鋼。由于厚度大于60100mm的Q235級鋼屈服強度提高了約7%，按現(xiàn)行規(guī)范設計其強度儲備裕度較大。,（2）優(yōu)質碳素結構鋼（GB/T699-1999）一般不用于建筑鋼結構而用于一些工具類等專用用途鋼中。在GB/T699-99中鋼的分類為：按冶金質量分為：優(yōu)質鋼高級優(yōu)質鋼A特級優(yōu)質鋼E按使用加工方法分：壓力加工用鋼UP切削加工用鋼UC鋼的牌號多達31種序號。,3.2建筑結構用鋼板（GB/T19879-2005）該標準為原冶金行業(yè)標準高層建筑用鋼板（YB4104-2000）修訂升級后的國標，已于2005年頒布執(zhí)行。本標準鋼板簡稱GJ鋼板，是我國建筑鋼結構專用的第一鋼材品種，其綜合性能優(yōu)于低合金高強度結構鋼（GB/T1591-1994）生產的鋼材。有Q235GJ、Q345GJ、Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ等牌號用于重要的建筑結構中。,3.3低合金高強度結構鋼（GB/T1591-2008）從2009年10月1日開始實施，與1994標準相比主要變化如下：擴大了標準適用范圍；增加了Q500、Q550、Q620、Q690強度級別，取消了Q295級別；加嚴了對S、P等有害元素控制；增加了鋼材碳當量及裂紋敏感系數的計算公式及規(guī)定；,修改了鋼材的交貨狀態(tài)，取消了調質鋼的規(guī)定修改了鋼材力學性能值及厚度組距的規(guī)定，明確屈服強度為下屈服強度；提高了沖擊吸收能量值增加了各牌號鋼的厚度方向性能要求。,牌號質量等級Q345A、B、C、D、EQ390A、B、C、D、EQ420A、B、C、D、EQ460C、D、EQ500C、D、EQ550C、D、EQ620C、D、EQ690C、D、E,3.4橋梁用結構鋼（GB/T714-2008）從2009年10月1日開始實施，與2000年標準相比變化如下：增加了Q460q、Q500q、Q550q、Q620q、Q690q鋼級；修改了鋼化學成份規(guī)定，加嚴了對S、P有害元素的控制；修改了碳當量計算公式；增加了裂紋敏感系數的規(guī)定；增加了爐外精煉的要求；,修改了鋼材的交貨狀態(tài)；修改了鋼材厚度效應規(guī)定；提高了沖擊吸收能量值，取消了時效沖擊的規(guī)定；增加了各牌號鋼厚度方向性能要求；修改了檢驗規(guī)則；,牌號質量等級Q235qC、D、EQ345qC、D、EQ370qC、D、EQ420qD、EQ460qD、EQ500qD、EQ550qD、EQ620qD、EQ690qD、E注：q為“橋”字漢語拼音，表示橋梁用鋼。,3.5GB/T1591-2008和GB/T714-2008的比較（1）化學成份比較CQ460以前“714”比“1591”低0.02%，Q460后一樣SiQ420以前“714”比“1591”高0.05%，Q420后低0.05%Mn兩規(guī)范相近“714”在Q620以前設下限1%P“714”比“1591”低0.05%S“714”比“1591”低0.050.10Nb、V、N“714”比“1591”較低Ti“714”比“1591”低較多Mo“714”比“1591”較高,（2）可焊接指標的比較碳當量（CEV）熱軋、控軋交貨：按牌號，厚度“714”比“1591”低0.010.04%正火軋制，正火加回火交貨；按牌號，厚度，714比1591低0.040.08%熱機械軋制（TMCP）或TMCP加回火狀態(tài)交貨；兩規(guī)范大體相當焊接裂紋敏感指數（Pcm）TMCP或TMCP加回火狀態(tài)交貨（C0.12%）兩規(guī)范大體相當,（3）鋼的拉伸性能（=16100mm）“714”“1591”Rel(下屈服強度)Mpa各級鋼下降10404060Rm（MPa）高出Rm155120變動范圍160-190MPaA（%）兩規(guī)范相當,.,注：上屈服強度（ReH）和下屈服強度（ReL）的圖解,（4）V型沖擊試驗溫度和沖擊吸收能量=12150mm，0C，-20C，-40C“714”“1591”Q345Q46047J34JQ500Q69047JC、D、E級分別為55J、47J、31J,3.6選用鋼材級別及質量等級的基本原則橋梁中的主體結構選用橋梁用結構鋼。要求低溫沖擊高的橋梁采用質量等級高的橋梁鋼。要求較好焊接性能的焊接結構選用CEV或Pcm較低的鋼材。交貨狀態(tài)應與鋼的牌號，質量等級相適應外，還應與結構焊接，制作工藝相適應。臨時結構及橋梁中的輔助結構選用碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼，并選用與制作相應的質量等級，一般在A、B、C級中選用。,第二部分,碳鋼的基礎知識,1.金屬與合金構造的基本概念,非晶體和晶體一切物質都是由原子組成的，固態(tài)物質按其構造不同分非晶體與晶體。原子作不規(guī)則排列稱非晶體，如玻璃，塑料等。原子作有規(guī)則排列稱為晶體，金屬都是晶體。,1.1晶粒和晶界在金屬的金相組織中可見金屬是由許多小塊所組成，把這些小塊稱為晶粒，晶粒與晶粒的交界稱為晶界。金屬晶粒愈細其強度、塑韌性愈高。,1.2合金按照構造不同可分為：固溶體二種或二種以上的元素在固態(tài)時能相互溶解的稱固溶體，如碳溶解于鐵中?；衔锒N或二種以上的元素按一定比例化合而成一種新的化合物。如鐵與碳的化合物Fe3C。機械混合物二種或二種以上的組元，在固態(tài)時既不溶解又不化合，形成緊密地混合物。如20號鋼就是由75%的鐵素體和25%珠光體組成,1.3鐵碳合金狀態(tài)圖碳鋼和鑄鐵都是鐵碳合金，鐵碳合金圖是鐵碳合金在緩慢加熱和冷卻時組織性能的轉變規(guī)律。也是研究鐵碳合金及加工的理論基礎和重要工具。這里介紹碳鋼（碳的含量小于2.11%）的狀態(tài)圖。,（1）鐵碳合金狀態(tài)圖,（2）鐵碳合金狀態(tài)圖各區(qū)域的組織AC線為液相線。各種成份的合金溫度高于AC線全部為液體，冷卻到AC線開始結晶析出奧氏體。AE線為固態(tài)線。溫度降到AE線時，組織中的液體全部結晶為奧氏體。AESG區(qū)域內的組織為奧氏體GS線又稱A3線，含碳量0.8%，GS線以上全部為奧氏體PSK線又稱A1線，是一條溫度為723水平線，這個溫度是奧氏體和珠光體相互轉化的溫度,1.4碳鋼組織的基本組成物鐵素體碳溶解于鐵中形成的固溶體。常用表示。其組織性能與純鐵相近，具有較低強度和硬度，良好的塑韌性。奧氏體碳溶解于r鐵中形成的固溶體。它的強度、硬度低，具有極好的塑性，溫度愈高，強度及硬度愈低，塑性愈好。,滲碳體鐵和碳形成的化合物Fe3C。鋼中碳含量愈高，F(xiàn)e3C數量愈多，其性能硬而脆。珠光體鐵素體和滲碳體組成的緊密機械混合物。它隨碳含量增加而增加，強度和硬度增加，塑韌性降低。,1.5碳鋼的室溫組織亞共析鋼鋼的含碳量小于0.8%共析鋼鋼的含碳量等于0.8%過共析鋼鋼的含碳量大于0.8%,2.鋼的熱處理鋼熱處理目的在于改變或改善鋼的性能，它是通過鋼在熱處理過程中的組織轉變來實現(xiàn)的。中厚板生產中常用的熱處理作業(yè)有退火、正火、淬火與回火。,2.1退火將剛加熱到A3或A1溫度以上2030，保溫一定時間后，緩慢冷卻到室溫的過程。目的是降低鋼的硬度，便于加工。細化晶粒和消除內應力，為以后熱處理作準備。,2.2正火將鋼加熱到A3或Acm以上3050，經保溫使鋼完全奧氏體化，然后再流通空氣中冷卻。正火的珠光體比退火更細，硬度和強度略高于退火。常用正火代替退火。正火也稱?；?。,2.3淬火將鋼加熱到A3或A1線以上3050，經過保溫后投入水或油中使其迅速冷卻的過程。目的是提高鋼的硬度，在極快冷卻速度下，淬火后的鋼可得到高硬度的馬氏體。對含碳量很低的鋼進行淬火其硬度提高是有限的。,2.4回火淬火加回火鋼淬火后提高了硬度和強度，但同時帶來了沖擊韌性的降低，凡是淬火后的鋼都必須回火。把淬火后的鋼重新加熱到A1線（723）以下，保溫一段時間后再冷卻的方法稱回火?；鼗饻囟扔邥r，鋼的強度和硬度下降愈多，而塑韌性提高愈多。按回火加熱溫度不同，可分為三種回火。,（1）低溫回火回火溫度在150200左右，使其脆性降低，沖擊韌性提高，硬度降低較少，用于高硬度，高耐磨用鋼（2）中溫回火回火溫度在300450左右，鋼的硬度下降，韌性提高，常用于彈簧類用鋼（3）高溫回火回火溫度在500650左右，淬火鋼內應力大部分消除，強度、硬度降低，塑、韌性提高，具有最好的綜合性能。鋼材在淬火后進行高溫回火又稱調質處理。,3.碳鋼中的化學元素及其對性能影響（1）常存元素由于煉鋼原料含有或在冶煉過程中為脫氧目的而加的，是不可避免的。（2）偶存元素某一爐鋼中意外含有的一些元素（如廢鋼中摻雜不同的合金鋼）不是經常有的。（3）合金元素為了某一目的而添加的元素。,碳（C）含碳量對鋼性能影響最大，含碳量增高，鋼的強度、硬度增加，而塑性和韌性下降，使可焊性變壞。硅（Si）最基本的脫氧劑。硅溶解于鐵素體，能使鋼的強度、硬度增加，但降低塑、韌性，不希望硅含量太高。錳（Mn）錳能脫氧，形成MnS而降低S對鋼的有害作用，減少脆性。錳在控軋中是十分重要元素，能細化晶粒，提高強度，增加韌性，但含量太高易形成貝氏體，對韌性不利。,硫（S）S在鋼中形成MnS后，在低溫軋制時，易沿晶粒開裂，鋼的各向異性加大，對塑、韌性不利，含量愈低愈好。磷（P）能溶于鐵素體中，而使鋼的強度、硬度增加，沖擊韌性降低，低溫時尤甚。這種有害元素愈少愈好。,鉬（Mo）加入Mo是為了進一步提高強度鎳（Ni）、鉻（Cr）、銅（Cu）它們可提高鋼的強度，Ni在0.5%以下可改善鋼韌性鋁（Al）終脫氧劑。鋼中存在可溶鋁時，對性能是有利的，形成AlN可細化晶粒，固定N可提高鋼的韌性。,鈮（Nb）、釩（V）、鈦（Ti）等微合金化元素的作用在控制軋制工藝中，加入Nb、V、Ti元素在鋼中形成碳、氮或碳氮化合物，起到抑制晶粒長大及彌散強化作用，得到強度和韌性同時提高。,第三部分結構用鋼新國標的解讀,GB/T1591-2008及GB/T714-20082008-12-06發(fā)布2009-10-01實施,1.可焊性的指標1.1碳當量（CEV）由熔煉分析成分按下式計算CEV=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15把鋼中合金元素的含量按其對淬硬性影響和作用換算成碳的相當含量?？勺鳛樵u定鋼材焊接性的一種參考指標。國外有許多不同公式表達。,1.2裂紋敏感性指數（Pcm）由熔煉分析成分按下式計算：Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cv/20+Mo/15+V/10+5B表示金屬材料在焊接時產生裂紋的敏感程度（采用日本鋼結構協(xié)會提出的公式）,2.鋼的冶煉方法標準規(guī)定“鋼由轉爐或電爐冶煉，必要時加爐外精煉”。,2.1煉鋼工藝流程示意圖,2.2煉鋼的基本任務四脫（脫碳、脫氧、脫磷、脫硫）二去（去氣、去夾雜）二調整（調整成分和溫度）,2.3轉爐煉鋼工藝及示意圖（1）氧氣轉爐煉鋼是國內最主要的煉鋼方法。主要工藝：裝料吹煉脫氧出鋼濺渣護爐倒渣。,裝料吹氧出鋼倒渣,（2）轉爐煉鋼系統(tǒng)示意圖（頂吹）,2.4電爐煉鋼（1）電爐煉鋼是靠電極與金屬料之間放電產生電弧，使電能在弧光中轉變?yōu)闊崮?，熔化金屬和爐渣的煉鋼方法。優(yōu)點：熱效率高，可達65%溫度高，可達3000溫度易調控爐內可脫S、P和O設備簡單，占地少,（2）電弧爐結構電弧爐體由金屬構件和耐火材料筑成的爐襯組成。,2.5爐外精煉（二次冶金）初煉是將爐料在氧化性氣氛的爐內進行熔化，脫磷、脫碳，去除雜質和脫氧合金化，獲得初煉鋼水。精煉是將初煉的鋼水在真空，隋性氣體或還原性氣氛的容器內進一步脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和成份的微調等。,鋼水爐外精煉的優(yōu)點：縮短冶煉時間，提高生產率改善鋼的質量，擴大品種調節(jié)煉澆節(jié)奏，實現(xiàn)多爐連澆降低生產成本,3.交貨狀態(tài)3.1標準規(guī)定的內容：“1591”規(guī)定：熱軋、控軋、正火、正火軋制或正火加回火、熱機械軋制（TMCP）或熱機械軋制加回火狀態(tài)。“714”規(guī)定：Q345qQ460q熱軋、控軋、正火、正火軋制、熱機械軋制（TMCP）Q460qQ690q淬火+回火，TMCP、TMCP+回火。,3.2軋鋼生產的原料及其比較鋼錠初軋坯連鑄坯成材率低較低最高所需設備不需特別設備需要初軋廠需要連鑄設備表面質量缺陷多良好良好內部質量頭底部有鋼錠大，頭底部缺缺陷，偏軋后便于陷所占比析嚴重除去缺陷例小，偏析少,3.3連續(xù)鑄鋼連鑄坯鋼液經過連續(xù)鑄鋼機（連鑄機）直接生產鋼坯的方法，使用這種方法生產來的鋼坯稱連鑄坯。其工藝流程如圖所示。,3.4中厚板生產主要工藝流程板坯加熱除鱗(粗軋)精軋熱矯直（快速冷卻）切頭、切尾、取試樣、切定尺標志。這些工藝是由軋機、矯直機、定尺剪，快速冷卻等裝備來完成的。,3.5交貨狀態(tài)(1)熱軋普通軋制中厚板都需要將鋼坯加熱后進行軋制,稱熱軋,普通熱軋軋制溫度較高。,（2）控軋-控制軋制(CR)ControlRolling通過使所有熱軋條件(加熱溫度，各軋制道次的溫度、壓下量)的最佳化，人為地使奧氏體狀態(tài)相變成微細的鐵素體組織的控制調整技術（奧氏體調整）控軋操作比通常熱軋制在溫度低的范圍進行。,（3）熱機械軋制（TMCP）Thermo-MechanicalControlProcess在控制軋制之后，在奧氏體向鐵素體相變的溫度區(qū)域進行快速冷卻，使相變組織更加細化,以此獲得更高的強度。高度的控制軋制，或組合了控制軋制和控制冷卻的軋制方法稱TMCP。它是當今高性能鋼材主要生產手段，是提高鋼材的強度、韌性和焊接性的一種控制工藝技術。,各種軋制程序的模式示意圖,（4）正火將鋼加熱到A3以上30-50度使鋼完全奧氏體化，將鋼在正火爐中加熱保溫后，工件出爐冷卻。正火的珠光體比退火后細，硬度和強度也略高于退火。,（5）正火軋制在控制軋制的基礎上，按正火工藝進行軋制，欲得到正火鋼的性能。它比爐內正火鋼的均勻性較差。這是參照歐洲標準新提的一種軋鋼工藝。,（6）淬火加回火淬火和回火通常聯(lián)在一起進行，目的是穩(wěn)定淬火后的組織和尺寸，降低和消除淬火應力。淬火后再進行高溫回火稱調質處理，得到回火索氏體組織。調質處理后，既有足夠高的強度，并有良好的塑、韌性。這是強化鋼材重要的熱處理方法。,（7）正火+回火，TMCP+回火這是標準新增的兩種熱處理工藝?；鼗鹉康氖谦@得所需的綜合性能，不同的回火溫度可以獲得不同的組織。,3.6各種交貨狀的