土木工程材料第八章 鋼材

1、第八章 鋼 材 主 講：李 瑞 璟共八十八頁鋼結(jié)構(gòu)建筑有許多優(yōu)點，與鋼筋混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、環(huán)保和節(jié)能效果；可實現(xiàn)構(gòu)架的輕量化和構(gòu)件的大型化，施工亦較為簡便。但同時也存在不少缺點，其中較突出(t ch)的一點是防火問題。美國紐約的世貿(mào)大廈為鋼結(jié)構(gòu)，2001年9月11日被恐怖主義者襲擊、倒塌，給人們提出了鋼結(jié)構(gòu)防火、防襲擊破壞的新課題。共八十八頁第一節(jié)鋼材的基本知識鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.06的鐵碳合金稱為生鐵。土木工程鋼材是指用于鋼結(jié)構(gòu)的各種( zhn)型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。優(yōu)點：品質(zhì)均

2、勻穩(wěn)定、強度高、塑性韌性好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。缺點：易銹蝕、維護(hù)費用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大.共八十八頁共八十八頁共八十八頁共八十八頁造假(zo ji)鋼材共八十八頁共八十八頁 一、鋼的冶煉(ylin) 將生鐵在煉鋼爐中冶煉，使碳的含量降低到預(yù)定的范圍，其他雜質(zhì)(zzh)含量降低到允許的范圍，經(jīng)燒鑄即得到鋼錠，再經(jīng)過加工工藝處理后、得到鋼材。鋼主要用三種方法冶煉：氧氣轉(zhuǎn)爐鋼 用純氧吹入鐵液中是碳和雜質(zhì)氧化電爐鋼 主要用廢鋼返回熔煉活動各種特殊鋼平爐鋼 以煤氣或重油作燃料，原料為鐵液、廢鋼鐵和適量的鐵礦石，利用空氣或氧氣和鐵礦石中的氧使碳和雜質(zhì)氧化共八十八頁共八十八頁共八十八頁共八十八頁共

3、八十八頁煉鋼(lin n)轉(zhuǎn)爐煉鋼澆鑄(jiozh)鋼錠共八十八頁煉鋼筋(gngjn)煉鋼(lin n)板共八十八頁 二、鋼的分類(fn li) 鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭(燃料)和石灰石(熔劑)等在高爐中經(jīng)高溫熔煉，從鐵礦石中還原出鐵而得。生鐵的主要成分是鐵，但含有較多的碳以及硫、磷、硅、錳等雜質(zhì)，雜質(zhì)使得生鐵的性質(zhì)硬而脆、塑性很差，抗拉強度很低，使用受到很大限制。煉鋼的目的就是通過生鐵在煉鋼爐內(nèi)的高溫氧化作用，減少生鐵中碳和硫、磷等雜質(zhì)含量，以顯著改善其技術(shù)性能，提高質(zhì)量。將生鐵中的含碳量降至2以下，使磷、硫等雜質(zhì)含量降至一定(ydng)范圍內(nèi)即成為鋼。共八十八頁按化學(xué)成分分

4、類(fn li)碳素鋼。碳素鋼的化學(xué)成分主要是鐵，其次(qc)是碳，故也稱鐵一碳合金，其含碳量為002一206。此外尚含有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。碳素鋼按含碳量又可分為：低碳鋼(含碳量小于0.25)、中碳鋼(含碳量為0.250.60)高碳鋼(含碳量大于0.60) 。合金鋼。合金鋼是指在煉鋼過程中，有意識地加入一種或多種能改善鋼材性能的合金元素而制得的鋼種。常用合金元素有：硅、錳、欽、釩、銀、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為低合金鋼(合金元素總含量小于5)、中合金銅(合金元素總含量為5一10)高合金鋼(合金元素總含量大于10)。 共八十八頁 按冶煉時脫氧(tu yng)程度

5、分類 沸騰鋼。煉鋼時僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全，這種鋼水澆入錠模時，會有大量的CO氣體從鋼水中外逸，引起鋼水呈沸騰狀 ，故稱沸騰鋼，代號為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，成分(chng fn)不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般建筑工程。鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，且同時能起去硫作用。這種鋼水鑄錠時能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼；代號為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號為“b”

6、。 共八十八頁沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼共八十八頁從圖中可見，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄(jiozh)后在鋼液冷卻時有大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不夠均勻、強度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產(chǎn)成本低，可用于一般地建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄時，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無一氧化碳?xì)馀莓a(chǎn)生,是脫氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實，品質(zhì)好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載地重要結(jié)構(gòu)。此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫氧程度與質(zhì)量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其

7、質(zhì)量較好。 共八十八頁第二節(jié) 鋼的晶體(jngt)組成和化學(xué)成分 鋼是一種(y zhn)多晶體材料。但晶體具有各向異性的特征，而多晶體則為各向同性。鋼的宏觀力學(xué)性能由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所決定。純鐵的晶格類型 鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強度和良好的塑性。共八十八頁1534Fe體心立方1390910Fe面心立方Fe體心立方純鐵的同素異晶轉(zhuǎn)變(zhunbin)鐵的冷卻曲線共八十八頁鋼晶格(jn )的兩種構(gòu)架鋼材的晶格并不都是完好無缺的

8、規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，它們將顯著(xinzh)地影響鋼材的性能，這是鋼材的實際強度遠(yuǎn)比理論強度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點缺陷、線缺陷和面缺陷。共八十八頁鋼的基本(jbn)晶體組織 鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為(chn wi)鋼的組織，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖象，故也稱顯微組織。片狀珠光體（1000倍） 針狀和塊狀鐵素體（100倍） 共八十八頁 鋼材在常溫下主要有三種顯微組織：鐵素體:鋼材中的鐵素體系碳在-Fe中的固溶體，由于-Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力較差，故鐵素體含碳量很少（小于0.02）

9、，由此決定其塑性、韌性(rn xn)好；但強度、硬度低。滲碳體:滲碳體為鐵和碳的化合物Fe3C，其含碳量高達(dá)6.67，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塑性差，性硬脆，抗拉強度低。珠光體:珠光體為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，含碳量較低(0.8)，層狀結(jié)構(gòu)，塑性較好，強度和硬度較高。 共八十八頁 此外，鋼材在溫度高于723 時，還存在奧氏體。奧氏體為碳在-Fe中的固溶體，溶碳能力較強，高溫時含碳量可達(dá)2.06，低溫下降至0.8。其強度、硬度(yngd)不高，但塑性好。碳鋼處于紅熱狀態(tài)時即存在這種組織，這時鋼易于軋制成型。 化學(xué)成分對鋼性能的影響 除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃料中引入一些的其他元素。這些成

10、分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為(chn wi)合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一類能劣化鋼材的性能，主要有氧、硫、氮、磷等。這些成分含量少，但對鋼的性能影響很大。 共八十八頁化學(xué)元素強度硬度塑性韌性可焊性其他碳（C）1% 冷脆性錳（Mn） 脫氧、硫劑鈦（Ti）強脫氧劑釩（V)時效磷（P）偏析、冷脆氮（N）冷脆性硫（S）氧（O）化學(xué)元素(hu xu yun s)對鋼材性能的影響 共八十八頁 磷主要溶于鐵素體中起強化作用，同時可提高鋼材的耐磨、耐蝕性，但塑性、韌性(rn xn)顯著降低，當(dāng)溫度很低時，對后二者影響更大，磷的偏析傾向強烈。冷脆性硫、氧主要存在于非金屬夾雜物

11、中，降低各種力學(xué)性能，硫化物造成的低溶點使鋼材在焊接時易于產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低可焊性，且有強烈的偏析作用；氧有促進(jìn)時效傾向的作用，氧化物所造成的低溶點亦使鋼的可焊性變壞。熱脆性 共八十八頁 第三節(jié) 鋼材(gngci)的力學(xué)性能 鋼材的力學(xué)性能(xngnng)主要有抗拉性能(xngnng)、沖擊韌性、耐疲勞和硬度等。抗拉性能 抗拉性能是建筑鋼材最重要的技術(shù)性質(zhì)。建筑鋼材的抗拉性能，可用低碳鋼受拉時的應(yīng)力一應(yīng)變圖來闡明，圖中明顯地分為以下四個階段：共八十八頁共八十八頁彈性階段(OA段)：在OA階段，如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點相對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限(jxin)。此階段應(yīng)力與應(yīng)

12、變成正比，即產(chǎn)生單位彈性應(yīng)變時所需的應(yīng)力大小。它是鋼材在受力條件下計算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。（彈性模量和彈性極限）屈服階段(AB段)：當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過A時，應(yīng)變增加的速度大于應(yīng)力增長速度，應(yīng)力與應(yīng)變不再成比例，開始產(chǎn)生塑性變形。圖中B上點是這一階段應(yīng)力最高點，稱為屈服上限，B下點稱為屈服下限。由于B下比較穩(wěn)定易測，因此以它作為材料抗力的指標(biāo)，稱為屈服點或屈服強度，用s表示。 共八十八頁 故般以B下點對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點。鋼材受力達(dá)屈服點后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計中一般以屈服點作為強度取值依據(jù)。強化階段(BC段)：當(dāng)荷載超過屈服點以后，由了試件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)

13、發(fā)生變化，抵抗變形能力(nngl)又重新提高，故稱為強化階段。對應(yīng)于最高點C的應(yīng)力，稱為強度極限或抗拉強度b。 工程上使用的鋼材，不僅希望具有高的屈服強度，還希望具有一定的屈強比。屈強比越小，鋼材在受力超過屈服點工作時的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。但如果屈強比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用碳素鋼的屈強比為0.580.63，合金鋼為0.650.75。共八十八頁 頸縮階段(CD段) 當(dāng)鋼材強化達(dá)到最高點后，在試件薄弱處的截面將顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，由于試件斷面急劇縮小，塑性變形迅速增加，拉力也就隨著下降，最后發(fā)生斷裂。將拉斷后的試件于斷裂處對接在一起(yq)，測得其斷后標(biāo)距Ll。標(biāo)距

14、的伸長值與原始標(biāo)距(L0)的百分比稱為伸長率。 共八十八頁伸長率是衡量鋼材塑性的指標(biāo)，它的數(shù)值越大，表示鋼材塑性越好。良好的塑性，可將結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力(超過屈服點的應(yīng)力)重分布，從而避免結(jié)構(gòu)過早破壞。5和10分別表示l0=5d 和l0=10d 時的伸長率。對同一種鋼材510。這是因為鋼材中各段在拉伸的過程中伸長量是不均勻的,頸縮處的伸長率較大，因此(ync)當(dāng)原始標(biāo)距l(xiāng)0與直徑d 0之比愈大，則頸縮處伸長值在整個伸長值中的比重愈小，因而計算得的伸長率就愈小。某些鋼材的伸長率是采用定標(biāo)距試件測定的，如標(biāo)距l(xiāng)0=100 mm或200 mm，則伸長率用100或200表示。 共八十八頁1) 若對于變形要求

15、嚴(yán)格的構(gòu)件，、兩種低碳鋼選用誰者更合適。 從、兩條曲線比較可知，低碳鋼的彈性模量E小于低碳鋼，也就是說，低碳鋼的抗變形能力不如低碳鋼。對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼更為合適。2) 使用、兩種鋼材(gngci)，哪一個安全性較高。 、兩種低碳鋼的屈服強度s相近，但低碳鋼的抗拉強度b高于，即其屈服強度比s/b 較小。屈服強度比值越小，反映鋼材超過屈服點工作時可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。(當(dāng)然，屈服比過小時，表示鋼材強度的利用率偏低，不合理。Q225鋼材的屈服比為0.580.63，普通的合金鋼的屈強比在0.670.75之間。) 共八十八頁冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，為鋼

16、材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以試驗時的彎曲角度(a)和彎心直徑(d)為指標(biāo)表示。鋼材冷彎試驗是通過直徑(或厚度(hud)為a的試件，采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d(d=na)，彎曲到規(guī)定的角度(180或90)時，檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，若無則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性能愈好。 共八十八頁 鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表明鋼材在靜荷下的塑性，而且冷彎是在苛刻(kk)條件下對鋼材塑性的嚴(yán)格檢驗，它能揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力及夾雜物等缺陷。在工程中，冷彎試驗還被用作對鋼材焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗的一種手段。共八十八頁沖擊韌

17、性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。將有缺口的標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)試件放在沖擊試驗機(jī)的支座上，用擺錘打斷試件，測得試件單位面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值ak表示ak值愈大，表明鋼材在斷裂時所吸收的能量越多，則沖擊韌性越好。 共八十八頁鋼材的沖擊(chngj)韌性越大,鋼材抵抗沖擊(chngj)荷載的能力越強。 ak值與試驗溫度有關(guān)。有些材料在常溫時沖擊韌性并不低，破壞時呈現(xiàn)韌性破壞特征。但當(dāng)試驗溫度低于某值時， ak突然大幅度下降，材料無明顯塑性變形而發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。 共八十八頁 鋼的化學(xué)成分及冶煉、加工質(zhì)量都對沖擊韌性能有明顯的影響。例如，鋼中磷、硫含

18、量較高，存在偏析、非金屬夾雜物、氣孔和焊接中形成的微裂紋等，都會使沖擊韌性顯著降低。除此以外，鋼的沖擊韌性受溫度的影響較大，沖擊韌性隨溫度的下降而減小，當(dāng)降到一定溫度范圍時，ak值急劇下降，從而可使鋼材出現(xiàn)(chxin)脆性斷裂這種性質(zhì)稱為鋼的冷脆性。所以，在負(fù)溫下使用的鋼材，特別是承受動荷載的重要結(jié)構(gòu)，必須要檢驗其低溫下的沖擊韌性。 共八十八頁硬度:硬度是衡量鋼的軟硬程度的一個指標(biāo)，它是表示鋼材表面局部體積內(nèi)，抵抗變形或破裂的能力，也即指抵抗其他更硬的物體壓入鋼材表面的能力。測定鋼材硬度的方法很多，建筑鋼材常用的是布氏法，所測硬度稱布氏硬度。 布氏硬度是用一定直徑D(mm)的硬質(zhì)鋼球,在規(guī)定

19、荷載P(N)作用下壓入試件表面，并持續(xù)(chx)一定時間后卸裁，量出壓痕直徑d(mm)，然后計算每單位壓痕球面積所承受的荷載值，即布氏硬度值(HD)，見圖。共八十八頁共八十八頁 鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開始形成細(xì)小斷裂，隨后由于(yuy)微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。 在一定條件下，鋼材疲勞破 壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增 加而降低（如圖所示）。 疲勞強度 受交變荷載反復(fù)作用，鋼材(gngci)在應(yīng)力低于其屈服強度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。 共八

20、十八頁 鋼材在無窮次交變荷載(hzi)作用下而不至引起斷裂的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為疲勞強度極限，實際測量時常以2106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材的疲勞強度與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。一般來說，鋼材的抗拉強度高，其疲勞極限也較高。 焊接(hnji)性能 焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。 共八十八頁焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾

21、向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強度不低于原有鋼材的強度。鋼材的化學(xué)成分對鋼材的可焊性有很大的影響。隨鋼材的含碳量、合金元素及雜質(zhì)(zzh)元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25時，可焊性明顯降低；硫含量較多時，會使焊口處產(chǎn)生熱裂紋，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量。鋼材的焊接須執(zhí)行有關(guān)規(guī)定 共八十八頁 鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強度不低于原有鋼材的強度。鋼材的化學(xué)成分對鋼材的可焊性有很大的影響。隨鋼材的含碳量、合金(hjn)元素及雜質(zhì)元素含量的提高，鋼材的可焊性降低。鋼材的含碳量超過0.25時，可焊性明

22、顯降低；硫含量較多時，會使焊口處產(chǎn)生熱裂紋，嚴(yán)重降低焊接質(zhì)量。鋼材的焊接須執(zhí)行有關(guān)規(guī)定。共八十八頁1994年10月21日韓國漢城漢江圣水大橋中段50 m長的橋體象刀切一樣墜入江中，造成多人死亡(swng)。該橋由韓國最大的建筑公司之一東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。 事故原因調(diào)查團(tuán)經(jīng)五個多月的各種試驗和研究，于次年4月2日提交了事故報告。事故原因主要有以下兩方面：a.東亞建筑公司沒有按圖紙施工，在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因。b.當(dāng)時韓國縮短工期及漢城市政當(dāng)局在交通管理上疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計負(fù)載限制為32 t，建成后交通流量逐年增加，超常負(fù)荷，倒塌

23、時負(fù)載為43.2 t。共八十八頁共八十八頁1999年月日晚時分前后，重慶市綦江縣城跨越綦河（長江支流）兩岸、連 接城東城西的人行彩虹橋（形似彩虹而名，系綦江縣形象工程）整體垮塌，人遇難，包 括名年輕武警戰(zhàn)士。 月日，經(jīng)事故調(diào)查組調(diào)查，彩虹橋突然垮塌是由兩方面的原因造成的。一是工程質(zhì) 量問題：彩虹橋的主要受力拱架鋼管焊接質(zhì)量不合格，存在嚴(yán)重缺陷，個別焊縫并有陳舊性 裂痕；鋼管內(nèi)混凝土抗壓強度不足，低于設(shè)計標(biāo)號的三分之一；連接橋梁、橋面和拱架的拉 索、錨具和鎦片嚴(yán)重銹蝕。二是工程承發(fā)包不合法：到日止，事故調(diào)查組找不到工程設(shè)計 專用章，設(shè)計手續(xù)不全，實際上是私人設(shè)計。施工承包者是一個掛靠國有的個體業(yè)

24、主(yzh)，其組 織的施工隊伍不具備進(jìn)行市政工程建設(shè)的技術(shù)力量和設(shè)備，不具有合法的市政工程施工資 質(zhì)。 共八十八頁工作人員正在對橋面進(jìn)行分解(fnji)切割 共八十八頁共八十八頁樂山市共八十八頁2000年12月18日綦江新虹橋，新虹橋為X型鋼筋混凝土人行拱橋，全長160米，凈跨130米，寬7.5米，工程(gngchng)總造價800萬人民幣 共八十八頁共八十八頁共八十八頁 第四節(jié) 冷加工時效(shxio)及其應(yīng)用 將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生一定的塑性變形，強度明顯提高，塑性 和韌性有所降低，這個(zh ge)過程稱為鋼材的冷加工強化。 工程中常對鋼筋進(jìn)行冷拉或冷拔加工，以期

25、達(dá)到提高鋼材強度和節(jié)約鋼材的目的。鋼筋冷拉是在常溫下將其拉至應(yīng)力超過屈服點，但遠(yuǎn)小于抗拉強度時即卸荷。冷拔是將6一8mm的光圓鋼筋，通過一鎢合金拔絲模孔而被強力拉拔，使其徑向擠壓縮小而縱向伸長。 共八十八頁 將經(jīng)過冷拉的鋼筋。于常溫下存放1520d，或加熱到100200并保持23h后，則鋼筋強度將進(jìn)，步提高，這個過程稱為時效處理，前者稱自然時效，后者稱為人工時效、通常對強度較低的鋼筋可采用自然時效，強度較高的鋼筋則需采用人工時效。 鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)生相對滑移，導(dǎo)致滑移面下的晶粒破碎，品格歪扭畸變，滑移面變很凹凸不平，對晶粒進(jìn)一步滑移起阻礙(z i)作用，亦即提

26、高了抵抗外力的能力，故屈服強度得以提高, 抗拉強度基本不變。同時，冷加工強化后的鋼材，由于塑性變形后滑移面減少，從而使其塑性降低，脆性增大，且變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼的彈性模量降低。 共八十八頁共八十八頁鋼筋經(jīng)冷拉及時效以后，屈服強度得到進(jìn)一步提高，且抗拉強度亦有所提高，塑性和韌性則要相應(yīng)降低(jingd)，彈性模量基本恢復(fù)。共八十八頁 建筑工程用鋼主要(zhyo)有鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土用鋼兩類。第五節(jié) 主要(zhyo)鋼種 碳素結(jié)構(gòu)鋼 國家標(biāo)準(zhǔn)GB 700-88碳素結(jié)構(gòu)鋼中規(guī)定，牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成。其中以“Q”代表屈服點；屈服點數(shù)值

27、共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 Mpa五種；質(zhì)量等級以硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少，分別為A、B、C、D符號表示； 共八十八頁 脫氧方法以F表示沸騰鋼、b表示半鎮(zhèn)靜鋼、Z、TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號(piho)中予以省略。隨著牌號(piho)的增大，對鋼材屈服強度和抗拉強度的要求增大，對拉長率的要求降低。 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(piho)和化學(xué)成分應(yīng)符合表8.1規(guī)定。碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能、牌號、等級指標(biāo)見表8.2。其冷彎性能指標(biāo)見表8.3 。 例如：Q235AF表示屈服點為235 MPa的A級沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。共八十八頁 隨著牌號的增大，其

28、含碳量增加，強度提高(t go)，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。同一鋼號內(nèi)質(zhì)量等級越高，鋼材的質(zhì)量越好，如Q235C、Q235D級優(yōu)于Q235A、Q235B級。 鋼結(jié)構(gòu)中，主要應(yīng)用的是碳素鋼Q235。還有其它幾種碳素結(jié)構(gòu)鋼常用于土木工程中。Q195強度不高，塑性、韌性(rn xn)、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤等。Q215與Q195鋼基本相同，其強度稍高，大量用做管坯、螺栓等。共八十八頁Q235強度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的牌號，大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板用于建造房屋和橋梁等。Q235良好的塑性可保證鋼結(jié)構(gòu)在超載、沖

29、擊、焊接、溫度應(yīng)力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能滿足一般(ybn)鋼結(jié)構(gòu)用鋼的要求 Q235-A一般用于只承受靜荷載作用的鋼結(jié)構(gòu)。 Q235-B適合用于承受動荷載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)， Q235-C適合用于承受動荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)， Q235-D適合用于低溫環(huán)境使用的承受動荷載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)。共八十八頁Q255強度高、塑性和韌性稍差，不易冷彎加工，可焊性較差，主要用做鉚接或栓接結(jié)構(gòu)，以及鋼筋混凝土的配筋。Q275強度、硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，不宜在建筑結(jié)構(gòu)中使用，主要用于制造(zhzo)軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板等。共八十八頁優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/

30、T 699-1999優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含量的不同(b tn)可分為：普通錳含量（錳含量0.8）鋼和較高錳含量（錳含量0.71.2）鋼兩組。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼材一般以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，硫、磷等雜質(zhì)含量比普通碳素鋼少，其他缺陷(quxin)限制也較嚴(yán)格，所以性能好，質(zhì)量穩(wěn)定。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，它表示鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)。如45號鋼，表示鋼中平均含碳量為0.45。 共八十八頁 數(shù)字后若有“錳”字或“Mn”，則表示屬較高錳含量的鋼，否則為普通錳含量鋼。如35Mn表示平均含碳量0.35，含錳量為0.71.0。若是沸騰鋼或半鎮(zhèn)靜鋼，還應(yīng)在牌號(piho)后面加“

31、沸”（或F）或“半”（或b）。 優(yōu)質(zhì)碳素鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量高，則強度高，但塑性和韌性降低。在建筑工程中，3045號鋼主要用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件和高強度螺栓等，45號鋼用做預(yù)應(yīng)力混凝土錨具，6580號鋼用于生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。 共八十八頁低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強度(qingd)結(jié)構(gòu)鋼的牌號的表示方法為：屈服強度(qingd)質(zhì)量等級，它以屈服強度(qingd)劃分成五個等級：295、Q345、Q390、Q420、Q460，質(zhì)量也分為五個等級：E、D、C、B、A。 國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1591-94低合金(hjn)高強度結(jié)構(gòu)鋼規(guī)定了各牌號的低合金(hjn)高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)

32、成分（見表8.4)、力學(xué)性能(見表8.5)。由于合金(hjn)元素的強化作用，使低合金(hjn)結(jié)構(gòu)鋼不但具有較高的強度，且具有較好的塑性、韌性和可焊性。低合金(hjn)共八十八頁 高強度結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，特別是大型結(jié)構(gòu)、重型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁工程、承受動力荷載(hzi)和沖擊荷載(hzi)的結(jié)構(gòu)。共八十八頁 鋼筋(gngjn)混凝土用鋼材 熱軋鋼筋 鋼筋混凝土用熱軋鋼筋，根據(jù)其表面狀態(tài)特征分為(fn wi)光圓鋼筋和帶肋鋼筋。其力學(xué)性能和用途見表8.6和表8.7共八十八頁I級鋼筋由碳素結(jié)構(gòu)(jigu)鋼軋制，其余均由低合金鋼軋制。I級鋼筋的強度較低，但塑

33、性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因而廣泛用作普通鋼筋混凝土構(gòu)件的受力筋及各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(jigu)的構(gòu)造筋。HRB335級和HRB400級鋼筋的強度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力鋼筋。HRB500級鋼筋強度高，但塑性和可焊性較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。共八十八頁 預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋 熱處理鋼筋是鋼廠將熱軋的帶肋鋼筋(中碳低合金鋼)經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理而成的。 其特點是塑性降低不大，但強度提高很多，綜合性能比較理想。其主要(zhyo)用于預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，代替碳素鋼絲。 冷拔低碳鋼絲 冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.58mm的Q235熱軋盤條鋼筋，經(jīng)冷拔

34、加工而成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB50204一92的規(guī)定，冷拔低碳鋼絲分為甲、乙兩級，甲級絲適用于作預(yù)應(yīng)力筋，乙級絲適用于作焊接(hnji)網(wǎng)、焊接(hnji)骨架、箍筋和構(gòu)造鋼筋。共八十八頁 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線 根據(jù)GB/T 5223-1995預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，抗增強度高達(dá)14701770 MPa，分為消除應(yīng)力光圓鋼絲（代號為S）、消除應(yīng)力刻痕鋼絲（SI）、消除應(yīng)力螺旋力鋼絲（SH）和冷拉鋼絲（RCD）四種?？毯垆摻z和螺旋肋鋼絲與混凝土的粘結(jié)力好，亦即鋼絲與混凝土的整體性能(xngnng)好；消除應(yīng)力鋼絲的塑性比冷拉鋼絲好。 預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲按松

35、弛分為兩級：級松弛（普通松弛）、級松弛（低松弛）。共八十八頁預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絲和標(biāo)記(bioj)方式為： 預(yù)應(yīng)力鋼絲 直徑抗拉強度代號松弛等級-GB/T 52231995 根據(jù)GB 52241995預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼絲以絞捻和消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理而制成。根據(jù)鋼絲的股數(shù)分為三種結(jié)構(gòu)類型：12、13、和17。17結(jié)構(gòu)鋼絞線以一根鋼絲為芯、6根鋼絲圍繞其周圍捻制而成。鋼絞線與混凝土的粘結(jié)力較好。 鋼絞線的標(biāo)記方式為：預(yù)應(yīng)力鋼絞線 結(jié)構(gòu)類型公稱直徑強度級別松弛(sn ch)等級GB/T 5224-1995共八十八頁 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材(gngci) 鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋

36、成形的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼；鋼材所用(su yn)的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。 熱軋型鋼 鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼有：工字鋼、H型鋼、T型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊型鋼等。型鋼由于截面形式合理，材料在截面上分布對受力最為有利，且構(gòu)件間連接方便，所以它是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要鋼材。型鋼的規(guī)格通常以反映其斷面形狀的主要輪廓尺寸來表示。共八十八頁 熱軋普通工字鋼工字鋼是截面為工字型、腿部內(nèi)側(cè)有1:6斜度的長條鋼材。工字鋼廣泛應(yīng)用于各種建筑結(jié)構(gòu)和橋梁，主要用于承受橫向彎曲（腹板平面內(nèi)受彎）的桿件，但不宜單獨用作軸心受壓構(gòu)件或雙向彎曲的構(gòu)件。熱軋H型鋼和剖

37、分T型鋼H型鋼由工字鋼發(fā)展而來，優(yōu)化了截面的分布。與工字鋼相比，H型鋼具有翼緣寬、側(cè)向剛度大、抗彎能力強、翼緣兩表面(biomin)相互平行、連接構(gòu)件方便、省勞力、重量輕、節(jié)省鋼材等優(yōu)點。共八十八頁 H型鋼分為寬翼緣（代號為HW）、中翼緣（HM）和窄翼緣H型鋼（HN）以及H型鋼樁（HP）。H型鋼截面形狀經(jīng)濟(jì)合理，力學(xué)性能好，常用于要求(yoqi)承載力大、截面穩(wěn)定性好的大型建筑（如高層建筑）。T型鋼由H型鋼對半剖分而成。熱軋普通槽鋼槽鋼是截面為凹槽形、腿部內(nèi)側(cè)有1:10斜度的長條鋼材。規(guī)格以“腰高度腿寬度腰厚度”（mm）或“腰高度”（cm）表示。同一腰高的槽鋼，若有幾種不同的腿寬和腰厚，則在其

38、后標(biāo)注a、b、c表示該腰高度下的相應(yīng)規(guī)格。槽鋼的規(guī)格范圍為540。槽鋼可用做承受軸向力的桿件、承受橫向彎曲的梁以及聯(lián)系桿件，主要用于建筑鋼結(jié)構(gòu)、車輛制造等。共八十八頁 鋼板和壓型鋼板 用光面軋輥軋制而成的扁平鋼材，以平扳狀態(tài)供貨的稱鋼板；以卷狀供貨的稱鋼帶。根據(jù)軋制溫度不同，又可分為熱軋和冷軋兩種。建筑用鋼板及鋼帶的鋼種主要是砍紊結(jié)構(gòu)鋼，重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、高壓容器等由采用低臺金鋼鋼板。 按厚度來分，熱軋鋼板分為厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度為0.354mm)兩種；冷軋鋼板只有薄板(厚度為0.2-0.4mm)一種。厚板可用于焊接結(jié)構(gòu);薄板可用作屋面或場面等圍護(hù)結(jié)構(gòu)或作為涂層鋼板的原料(y

39、unlio)如制作壓型鋼板等：鋼板可用來彎曲型鋼共八十八頁 . 薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、v形等形狀，稱為壓型鋼板。制作壓型鋼板的板材采用有機(jī)涂層薄鋼板(或稱彩色鋼板)般鋅薄鋼板、防腐薄鋼板或其他薄鋼板。 壓型鋼板具有(jyu)單位質(zhì)量輕、強度高、抗震性能好、施工快、外形美觀等特點，主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。共八十八頁 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼空心型鋼是用連續(xù)輥式冷彎機(jī)組生產(chǎn)的，按形狀(xngzhun)可分為方形空心型鋼（代號為F）和矩形空心型鋼（代號為J）。通用冷彎開口型鋼冷彎開口型鋼是用可冷加工變形(bin xng)的冷軋或熱軋鋼帶在連續(xù)輥式冷彎機(jī)組上生產(chǎn)的，按形狀分為

40、8種：冷彎等邊角鋼、冷彎不等邊角鋼、冷彎等邊槽鋼、冷彎不等邊槽鋼、冷彎內(nèi)卷邊槽鋼、冷彎外卷邊槽鋼、冷彎Z型鋼、冷彎卷邊Z型鋼。共八十八頁 鋼材的銹蝕(xi sh)和防止 鋼材(gngci)的腐蝕 鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱作腐蝕（銹蝕）。鋼材腐蝕的現(xiàn)象普遍存在，如在大氣中生銹，特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介質(zhì)或濕度較大時，情況就更為嚴(yán)重。腐蝕不僅使鋼材有效截面積均勻減小，還會產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會顯著降低鋼的強度、塑性韌性等力學(xué)性能。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。共八十八頁 化學(xué)腐蝕指鋼材與周圍的介質(zhì)（如氧氣(yngq)、二氧化碳、二

41、氧化硫和水等）直接發(fā)生化學(xué)作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蝕。在干燥環(huán)境中化學(xué)腐蝕的速度緩慢，但在溫度高和濕度較大時腐蝕速度大大加快。電化學(xué)腐蝕(fsh) 化學(xué)腐蝕 鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成，并含有雜質(zhì)，由于這些成分的電極電位不同，當(dāng)有電解質(zhì)溶液(如水)存在時，就會在鋼材表面形成許多微小的局部原電池。整個電化學(xué)腐蝕過程如下： 共八十八頁 陽極(yngj)區(qū)：Fe = Fe2+ + 2e陰極區(qū)：2H2O + 2e + 1/2O2 = 2OH- + H2O溶液區(qū)：Fe2+ 2OH-= Fe(OH)2 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O= 4 Fe(OH)3 水是弱電解質(zhì)溶液，而溶有CO2的水則成為有效的電解質(zhì)溶液，從而加速電化學(xué)腐蝕的過程。鋼材在大氣中的腐蝕，實際上是化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕共同(gngtng)作用所致，但以電化學(xué)腐蝕為主。共八十八頁 鋼材(gngci)的防護(hù) 鋼材的腐蝕既有內(nèi)因（材質(zhì)），又有外因(wiyn)（環(huán)境介質(zhì)的作用），