土木工程建筑鋼材分類、性能和結(jié)構

1、土木工程建筑鋼材分類、性能和結(jié)構鋼的冶煉和分類 鋼的冶煉 1煉鐵 2煉鋼 3脫氧 4軋鋼問：與鋼材相比含碳量高是鐵，還是含碳量低是鐵？鋼，是對含碳量質(zhì)量百分比介于0.02%至2.04%之間的鐵合金的統(tǒng)稱。1.鋼材的分類按脫氧程度分類 沸騰鋼 其代號為“F”。缺點：沸騰鋼中碳和有害雜質(zhì)磷、硫等的偏析較嚴重，鋼的致密程度較差。優(yōu)點：成品率較高，故成本較低。鎮(zhèn)靜鋼其代號為“Z”。優(yōu)點：組織致密，氣泡少，偏析程度小，各種力學性能比沸騰鋼優(yōu)越。半鎮(zhèn)靜鋼其代號為“b”。 特殊鎮(zhèn)靜鋼鋼的分類 按化學成份分類 碳素鋼：含碳量為的鐵碳合金碳素鋼根據(jù)含碳量可分為：低碳鋼（含碳小于）；中碳鋼（含碳）；高碳鋼（含碳大

2、于）合金鋼：碳素鋼中加入一定量的合金元素則稱為合金鋼合金元素：硅（Si）、錳（Mn）等 合金鋼按合金元素的總含量可分為低合金鋼（合金元素總含量小于5）；中合金鋼（合金元素總含量為502）；高合金鋼（合金元素總含量大于02）。鋼的分類按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類普通鋼優(yōu)質(zhì)鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼特級優(yōu)質(zhì)鋼。鋼的基本晶體結(jié)構及對鋼材性能的影響1純鐵的晶格類型 2鋼的基本晶體組織 （1）鐵素體（2）滲碳體 （3）珠光體 化學成分對鋼性能的影響 碳碳是決定鋼材性質(zhì)的主要元素。碳含量提高，強度和硬度相應提高，而塑性和韌性則相應降低。碳是顯著降低鋼材可焊性元素之一，含碳量超過時鋼的可焊性顯著降低。含碳量增加還增加鋼的冷脆性

3、和時效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。 化學成分對鋼性能的影響硅硅含量在2以內(nèi)，可提高鋼材的強度、疲勞極限、耐腐蝕性及抗氧化性，對塑性和韌性影響不明顯。硅是我國鋼筋用鋼的主加合金元素，主要用于提高鋼材的強度。 化學成分對鋼性能的影響錳錳對氧和硫的結(jié)合力大于鐵對氧和硫的結(jié)合力，因此錳能使有害的FeO、FeS分別形成MnO、MnS而進入鋼渣中，因而，錳能消減硫和氧所引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質(zhì)和可焊性改善。多余的錳溶于鐵素體中，可提高鋼材的強度。錳是我國低合金結(jié)構鋼的主加合金元素，錳含量一般在l2范圍內(nèi)。 化學成分對鋼性能的影響磷磷是碳素鋼中的有害雜質(zhì)。它可使鋼材的強度提高，但塑性和韌性顯著下降，同

4、時使鋼材冷脆性顯著增大。磷在鋼中的偏析傾向強烈，顯著降低鋼材的可焊性，焊接時焊縫容易產(chǎn)生裂紋?；瘜W成分對鋼性能的影響硫硫是鋼中很有害的元素。熱脆性：硫往往形成低熔點硫化鐵FeS，夾雜在鋼材中。鋼材在紅熱狀態(tài)下進行加工或焊接時，F(xiàn)eS已熔化，使鋼的內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，這種在高溫下產(chǎn)生裂紋的特性稱為熱脆性。硫所引起的熱脆性大大降低了鋼材的熱加工性和可焊性。硫偏析較嚴重，降低了鋼材的沖擊韌性、疲勞強度和抗腐蝕性?；瘜W成分對鋼性能的影響氧氧是鋼中的有害雜質(zhì)降低鋼的機械性能，特別是韌性。氧有促進時效傾向的作用。氧化物所造成的低熔點亦使鋼的可焊性變壞。 化學成分對鋼性能的影響氮氮可使鋼材的強度提高，但塑性特別是

5、韌性顯著下降。溶于鐵素體中的氮，有向晶格的缺陷處移動、集中的傾向，故可加劇鋼材的時效敏感性和冷脆性，降低可焊性。 02.3 建筑鋼材的主要力學性能 本節(jié)介紹抗拉性能 冷彎性能沖擊韌性 硬度耐疲勞性抗拉性能拉伸性能是建筑鋼材的重要性能。拉伸試驗中的重要技術指標屈服點抗拉強度伸長率抗拉性能彈性階段 彈性極限 屈服階段 屈服點 S 強化階段 極限抗拉強度b 頸縮階段 抗拉性能例題問題： 低碳鋼拉伸過程中屈服階段的特點是 。A、隨荷載的增加應力和應變成比例增加B、荷載不增加情況下仍能繼續(xù)伸長C、荷載增加，應變才相應增加，但應力與應變不是直線關系D、應變迅速增加，應力反而下降，直至斷裂答案：B抗拉性能屈

6、強比 定義屈強比指鋼材拉伸時的屈服強度和抗拉強度的比值，用Sb表示。 屈強比的工程意義屈強比越小，反映鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性大，因而結(jié)構的安全性高。但屈強比太小，反映鋼材不能有效地被利用。屈強比大，鋼材的強度利用較為充分，但鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性差。 例題問題： 下列關于鋼材的屈強比的敘述中，合理的是 。 、屈強比越高，結(jié)構越安全，且鋼材利用率也較高 、屈強比越高，結(jié)構越安全，但鋼材利用率不高 、屈強比越高，結(jié)構越不安全，但鋼材利用率較高 、屈強比越高，結(jié)構越不安全，且鋼材利用率較低答案：C抗拉性能伸長率 試樣拉斷后，標距的增量（L）與原始標距（L0）之比，稱為伸長率，以表

7、示。按下式計算伸長率： 抗拉性能5與 02標距與直徑之比越大，則頸縮處伸長值在整個伸長值中的比重越小。通常以5和02分別表示L05d0和L002d0時的伸長率，d0為試件的原直徑。對于同一鋼材，5大于02。 抗拉性能中、高碳鋼拉伸特點抗拉強度高；伸長率??；沒有明顯的屈服階段。屈服極限（點）確定故常以發(fā)生殘余變形時的應力作為屈服強度，稱為條件屈服強度，用表示。中、高碳鋼拉伸時應力應變圖 02.3.2 冷彎性能冷彎性能定義指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力 鋼材的冷彎性能指標（彎曲程度）是通過試件被彎曲的角度和彎心直徑與試件厚度（或直徑）的比值確定的02.3.3 沖擊韌性沖擊韌性定義指鋼材抵抗沖擊荷

8、載而不破壞的能力。沖擊韌性指標（沖擊韌性值K）擺錘打擊帶V型缺口試件，在V型刻槽處將其打斷，試件單位截面積上所消耗的功，即為鋼材的沖擊韌性值。K越大，沖擊韌性越好。02.3.3 沖擊韌性沖擊韌性的影響因素鋼材的化學成分；組織狀態(tài)；冶煉；加工。例如，鋼材中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。02.3.3 沖擊韌性鋼材的冷脆性與脆性臨界溫度沖擊韌性隨溫度的降低而下降，開始下降緩和，當達到一定溫度范圍時，突然下降很多而呈脆性，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性；這時的溫度稱為脆性臨界溫度。脆性臨界溫度的數(shù)值越低，鋼材的抗低溫沖擊性能越好。負溫下使用的結(jié)構，應選用

9、脆性臨界溫度比使用溫度低的鋼材。 硬度 布氏硬度測定示意圖 02.3.5 耐疲勞性 疲勞破壞鋼材在交變荷載作用下應力遠小于抗拉強度時發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞極限指疲勞試驗中試件在交變荷載作用下，在規(guī)定的周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力，周期基數(shù)一般為200萬次或400萬次以上。影響因素抗拉強度高，其疲勞強度也高。內(nèi)部組織和表面質(zhì)量有關，疲勞裂紋是在應力集中處形成和發(fā)展的。設計重復荷載進行疲勞驗算的結(jié)構，應了解所用鋼材的疲勞極限 鋼材的冷加工強化及時效處理冷加工強化將鋼材于常溫下進行冷加工（如冷拉、冷拔或冷軋），使之產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強度，稱為冷加工強化，這個過程稱為冷加工強化處理。

10、建筑鋼材常見的冷加工方法有：冷拉：將鋼材在常溫下進行拉伸至超過屈服點再卸載的加工方法。冷拔；冷軋；冷扭；刻痕等。 冷拔鋼材的冷加工強化及時效處理鋼筋經(jīng)冷拉后性能變化的規(guī)律：鋼筋經(jīng)冷拉后，屈服點將提高，抗拉強度不變，但塑性和韌性下降。冷拉的目的提高鋼材的屈服點、節(jié)約鋼材。 低碳鋼冷加工強化 1. 冷加工強化產(chǎn)生冷加工強化的原因鋼材在冷加工時晶格缺陷增多，晶格畸變，對位錯運動的阻力增大，因而屈服強度提高，塑性和韌性降低。 F位錯螺型位錯 2. 時效處理 時效的定義鋼材隨時間的延長，屈服強度、抗拉強度和硬度提高，而塑性和沖擊韌性下降的現(xiàn)象。產(chǎn)生時效的原因：主要是-Fe晶格中的碳、氮原子的移動、集中甚

11、至呈碳化物或氮化物析出的傾向。 熱處理退火淬火回火正火鋼材的焊接 幫條焊對焊搭接焊廣州大學 程從密第38頁，共61頁02.5 鋼材的防火和防腐蝕 鋼材的高溫性能 鋼材的防火及防火措施 鋼材的銹蝕與防止 鋼材的高溫性能 鋼材屬于不燃燒材料，可是在火災條件下，裸露的鋼結(jié)構會在十幾分鐘內(nèi)發(fā)生倒塌破壞。當溫度小于175時，受熱鋼材強度略有升高，隨后強度伴隨溫度急劇地下降；當溫度為500時，受熱鋼材強度僅為其常溫強度的30%；而當溫度達到750時，可認為鋼材強度已全部喪失。 廣州大學 程從密第40頁，共61頁鋼材的防火及防火措施 鋼材的防火及防火措施 鋼材的銹蝕與防止 鋼材銹蝕的原因 鋼材的銹蝕指其表面

12、與周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應而遭到的破壞。根據(jù)鋼材表面與周圍介質(zhì)的作用不同，銹蝕可分為下述兩類：& 化學銹蝕 & 電化學銹蝕鋼材的銹蝕與防止 化學銹蝕指鋼材表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的銹蝕，如鋼材在常溫和高溫時發(fā)生氧化形成Fe3O4。氧化性氣體有空氣、氧、水蒸汽、二氧化碳、二氧化硫和氯等，反應后生成疏松氧化物。化學銹蝕速度隨溫度、濕度提高而加速。干濕交替環(huán)境下腐蝕更為嚴重，在干燥環(huán)境下腐蝕速度緩慢。鋼材的銹蝕與防止 電化學銹蝕定義：指鋼材與電解質(zhì)溶液相接觸而產(chǎn)生電流，形成原電池作用而發(fā)生的腐蝕(主要腐蝕類型）。機理應力腐蝕鋼材的銹蝕與防止 防止鋼材腐蝕的措施 合金化金屬覆蓋非金屬覆蓋混凝土

13、用鋼筋的防銹土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應用建筑常用鋼種碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼低合金高強度結(jié)構鋼鋼結(jié)構用鋼熱軋型鋼冷彎薄壁型鋼棒材、鋼管和板材混凝土結(jié)構用鋼熱軋鋼筋冷軋鈕鋼筋冷軋帶肋鋼筋預應力混凝土用鋼絲鋼絞線碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼的牌號組成：代表屈服點的字母Q + 屈服點數(shù)值 + 質(zhì)量等級符號 + 脫氧方法符號。如Q235-BF符號意義如下： 碳素結(jié)構鋼碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼的特點是：生產(chǎn)過程中對硫、磷等有害雜質(zhì)控制較嚴（S、P）；一般都用平爐、氧氣堿性轉(zhuǎn)爐（爐襯為堿性材料）或電弧爐冶煉，脫氧程度較高；大部分為鎮(zhèn)靜鋼，因此質(zhì)量較穩(wěn)定。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼的鋼號用兩位數(shù)

14、字表示，它表示平均含碳量的萬分數(shù)。例如：45號鋼，表示平均含碳量為的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼。當鋼材中含錳量較高時，在鋼號后加注“Mn”。例如：45Mn即表示平均含碳量為，含錳的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼。在優(yōu)質(zhì)碳素鋼中，只有三個鋼號屬沸騰鋼，應在鋼號后加注“F”，其余均為鎮(zhèn)靜鋼。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼的應用用于重要結(jié)構的鋼鑄件及高強螺栓，常用3045號鋼；預應力鋼筋混凝土中用于制作錨具，常用45號鋼；用于碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線，常用6580號鋼。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼低合金高強度結(jié)構鋼低合金高強度結(jié)構鋼定義在碳素結(jié)構鋼基礎上加入總量小于5的合金元素。所加合金元素主要有錳、硅、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼低合金高強度結(jié)構鋼牌號有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等5個牌號；如：Q 345 A優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構鋼低合金高強度結(jié)構鋼2.熱軋鋼筋熱軋鋼筋根據(jù)表面形狀分光圓鋼筋帶肋鋼筋月牙肋鋼筋表面及截面形狀 1.熱軋鋼筋光圓鋼筋牌號：HPB235軋制用鋼：Q235碳素結(jié)構鋼特點：強度較低，但具有塑性好，伸長率高（525），便于彎折成型，容易焊接。應用：可用作中、小型鋼筋混凝土結(jié)構的主要受力鋼筋，構件的箍筋，鋼、木結(jié)構的拉桿等。可作為冷軋帶肋鋼筋、冷拔低碳鋼絲的原材料。 1.熱軋鋼筋帶肋鋼筋 (1)牌號:HRB335、HRB400、HRB500三個牌號。H、R、B分別為熱軋（H