第8章建筑鋼材及鋁材

第八章建筑鋼材及鋁材

教學目標

1、了解鋼材的分類；

2、掌握鋼材的主要技術性能；

3、掌握鋼材的化學成分對鋼材性能的影響。教學重點難點

1、鋼材的標準與選用

第八章建筑鋼材及鋁材概述：

一、金屬材料類型：1、黑色金屬：鐵碳合金，其中又以鐵元素為主，常用的主要有鋼和鐵，又以鋼應用最廣。2、有色金屬：除黑色金屬以外的其他金屬及其合金通稱為有色金屬，比如銅、鋁及其合金。合金的定義：由兩種或兩種以上元素組成的金屬，其中至少一種為金屬元素。比如：1、鋼筋（主要以鐵元素為主，同時還含有碳等其他非金屬元素。）為黑色金屬。

2、鋁，如果是純鋁，就屬于有色金屬，如果在純鋁中加入了銅、鎂等其他元素就變成了鋁合金。

3、如主要成分為CaCO3和MgCO3

，因為均不是金屬元素，所以不是合金，是前面第二章講到的白云石，屬于石材。第一節(jié)鋼材的冶煉加工及分類上海寶鋼8.1鋼材的冶煉加工鋼的主要化學成分是Fe，但是如有想得到含F(xiàn)e100%純度的鋼是不可能的。理論上：把含碳量小于2%，含雜質(zhì)比較少的鐵碳合金稱為鋼。含碳量超過2%，稱為生鐵；含碳量小于0.08%，稱為工業(yè)純鐵。雖然鋼中的碳含量很低，但是對鋼材的性能影響卻非常大。鋼的冶煉過程也就是將生鐵中的含碳量盡量降低到一定限度，同時把其他雜質(zhì)的含量也降低到允許程度。工程上為什么不用鐵而是用鋼呢？英國在1878年曾用鑄鐵建造了一座跨海大橋，全長3160米，是用鑄鐵管做的橋墩，但是建成不到兩年，在一次臺風中，再加上火車的沖擊荷載作用，橋墩脆斷，橋梁倒塌，車毀人亡。此后，人們研究和比較了鋼材與鑄鐵的性能，發(fā)現(xiàn)鋼材不僅抗壓強度高、抗拉強度和抗沖擊韌性也好，更適合工程上使用。至今，人類已經(jīng)總結(jié)了兩百多年的使用鋼材建橋的經(jīng)驗。鋼的冶煉

冶煉方法應用目前氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法已成為現(xiàn)代煉鋼的主要方法，而平爐煉鋼法已基本被淘汰。8.1.2鋼材的分類按化學成份：碳素鋼和合金鋼。1）碳素鋼：根據(jù)含碳量又分為低碳鋼（含碳量小于0.25%）、中碳鋼（含碳量在0.25%~0.6%之間）和高碳鋼（含碳量大于0.6%）。2）合金鋼：根據(jù)合金元素的含量又可分為低合金鋼（合金元素總含量不大于5%）、中合金鋼（合金元素在5%~10%）和高合金鋼（合金元素在10%以上）。8.1.2鋼材的分類按脫氧方法：沸騰鋼（脫氧不完全的鋼）代號F、鎮(zhèn)靜鋼（脫氧完全的鋼）代號Z、半鎮(zhèn)靜鋼（脫氧程度介于兩種之間）代號b、特殊鎮(zhèn)靜鋼（脫氧程度比鎮(zhèn)靜鋼還充分徹底的鋼）代號TZ。按用途：結(jié)構鋼、工具鋼、特殊鋼（如不銹鋼、耐酸鋼、耐堿鋼、磁鋼等）。8.1.2鋼材的分類實際工程預算中鋼材經(jīng)常分為：1.型鋼簡單截面型鋼：圓鋼、帶肋鋼、方鋼、六角鋼、八角鋼等復雜截面型鋼：工字鋼、角鋼、槽鋼等。2.線材：如鋼筋、鋼絲等。鋼筋工程量計算公式：Q=0.617*D2*L（kg）D直徑，單位厘米，L長度單位米3.管材無縫鋼管、焊接鋼管等。4.板材光面鋼板、花紋鋼板、彩色涂層鋼板等。8.2建筑鋼材的主要技術性能8.2.1力學性能定義：是指鋼材在一定溫度條件下承受外力作用時，抵抗變形和斷裂的能力。分類：抗拉性能沖擊韌性耐疲勞性北海油田鉆井平臺為何會突然傾覆？1980年3月27日，北海油田鉆井平臺突然傾覆事故原因思考：1、撐桿破壞的原因？2、相鄰5個支桿破壞的原因？思考題答案：1、撐桿破壞的原因：撐桿在惡劣的海洋環(huán)境中受風浪和海流的長期反復作用與沖擊振動，產(chǎn)生了疲勞破壞，另外低溫作用也加劇了撐桿的脆性斷裂----鋼材的低溫冷脆性。2、相鄰五個支桿在撐桿破壞后，所承受的應力都超過了抗拉強度，過載破壞。8.2.1.1抗拉性能8.2.1.1抗拉性能低碳鋼受拉到拉斷，共經(jīng)歷了四個階段：彈性階段（I）：OA段是一條直線，應力與應變成正比，A為彈性極限強度；屈服階段（II）：AB段，鋼材失去了彈性變形的能力，應力增加不大，但應變迅速增加，發(fā)生了屈服現(xiàn)象。強化階段（III）：BC段，鋼材內(nèi)部組織發(fā)生了變化，提高了抵抗外力的能力。頸縮階段（IV）：CD段，變形迅速發(fā)展，應力下降，到D點發(fā)生試件的破壞。8.2.1.1抗拉性能---拉伸過程中的參數(shù)強度指標1、屈服強度：曲線上B上點和B下點對應的最大應力和最小應力分別稱為屈服上限和屈服下限。因為屈服下限的值比較穩(wěn)定，所以將其定義為材料屈服點和屈服強度。對于中、高碳鋼因為沒有明顯的屈服點，通常以殘余變形為0.2%的對應應力作為屈服強度。8.2.1.1抗拉性能---拉伸過程中的參數(shù)2、抗拉強度：鋼材受拉時，所能承受的最大應力，即C點對應的應力值稱為抗拉強度。由于鋼材受力大于屈服點后，會出現(xiàn)較大的塑性變形，而結(jié)構設計中，要求構件在彈性變形范圍內(nèi)工作，即使少量的塑性變形也要避免，所以工程中以鋼材的屈服強度作為結(jié)構設計取值的依據(jù)。8.2.1.1抗拉性能---拉伸過程中的參數(shù)抗拉強度在設計中雖然不能利用，但屈服強度和抗拉強度的比值（屈強比），卻是反映鋼材利用率大小和結(jié)構安全可靠程度的重要指標。屈強比越小，鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性越大，安全性越高，但是屈強比太小，鋼材的利用率太低，浪費材料，成本增加。所以鋼材的屈強比最好在0.6~0.75之間。注：鋼材受力超過屈服強度產(chǎn)生塑性變形，受力超過抗拉強度，結(jié)構破壞。8.2.1.1抗拉性能---拉伸過程中的參數(shù)3、伸長率：是試件拉斷后標距的伸長量與原始長度之比。鋼材的伸長率越大，塑性越好。工程中通常以δ5或δ10來表示鋼材的伸長率。δ5或δ10表示鋼材試件標距L0=5d0或10d0,（d0為拉伸試件原直徑）4、斷面收縮率：是指試件被拉斷后，頸縮處橫截面積的縮減量占原橫截面積的百分率。8.1.1.2沖擊韌性定義：指鋼材在沖擊荷載作用下抵抗破壞的能力。其大小用沖擊韌性值αk表示。αk

越大，則沖擊韌性越好。影響因素鋼中硫、磷含量增加會降低沖擊韌性。鋼的沖擊韌性還受溫度和時間的影響。對于承受沖擊荷載和振動荷載部位的鋼材，必須考慮沖擊韌性。8.2.1.3耐疲勞性定義：鋼材在承受交變荷載的作用時，會在遠低于屈服強度時發(fā)生破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。影響因素：疲勞破壞和裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展有關。疲勞破壞經(jīng)常突然發(fā)生，因而有很大的危險性，往往造成嚴重事故。微裂紋宏觀裂紋突然斷裂8.2.2鋼材的工藝性能定義：是指鋼材的加工處理性能。主要包括：鋼材的冷彎性能和焊接性能。工藝性能---冷彎性能指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。

冷彎試驗的指標：彎心直徑d與試件厚度（直徑）a的比值d/a；彎曲角度（90°或180°）；試樣彎曲外表面無肉眼可見裂紋則冷彎合格。通過冷彎試驗，更有助于暴露鋼材的某些內(nèi)在缺陷，它能揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應力和夾雜物等缺陷。觀看鋼筋彎曲視頻。鋼材工藝性能—焊接性能定義：指在一定焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)是否產(chǎn)生裂縫及脆硬影響，焊接后接頭強度是否與母體相近的性能?？珊感允芑瘜W成分及含量的影響。含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等，均會降低可焊性。含碳量小于0.25%的非合金鋼具有良好的可焊性。焊接結(jié)構應選擇含碳量較低的氧氣轉(zhuǎn)爐或平爐的鎮(zhèn)靜鋼。當采用中碳鋼、高碳鋼及合金鋼時，為了改善焊接后的硬脆性，焊接時一般要采用焊前預熱及焊后熱處理等措施。思考：某廠的鋼結(jié)構屋架采用中碳鋼，采用的是一般焊條直接焊接，使用一段時間后，屋架脫落??！為什么？？屋架脫落事故原因分析：1、鋼材選用不當，應選用含碳量較低的低碳鋼。2、連接方式不妥，因為中碳鋼焊接時易產(chǎn)生裂縫，應優(yōu)先選擇螺栓連接。3、焊條選用不妥，如果是中碳鋼焊接，應選用低氫型焊條，而且焊接前構件要預熱。8.2.2.3鋼筋的冷加工性能及時效處理1.冷加工強化冷加工強化是鋼材在常溫下，以超過其屈服點但不超過抗拉強度的應力對其進行的加工。建筑鋼材常用的冷加工有冷拉、冷拔、刻痕等。對鋼材進行冷加工的目的，主要是利用時效提高強度，利用塑性節(jié)約鋼材，同時也達到調(diào)直和除銹的目的。思考題：1、工程上為什么要對鋼筋進行冷加工？2、鋼筋經(jīng)過冷加工后有沒有副作用？如果有，有什么副作用？思考題答案：1、工程上對強度比使用要求偏低的鋼筋和塑性偏大的鋼筋進行冷加工后，可以提高其屈服強度和利用率，以達到節(jié)約鋼材的目的。另外鋼筋冷拉還有利于簡化施工工序，冷拉的同時也就完成了調(diào)直和除銹。2、有副作用。鋼筋冷拉后，屈服強度提高，屈強比降低，安全儲備降低。2.時效鋼材隨時間的延長，其強度、硬度提高，而塑性、沖擊韌性降低的現(xiàn)象稱為時效。時效分為自然時效和人工時效兩種。自然時效是將其冷加工后，在常溫下放置15～20d；人工時效是將冷加工后的鋼材加熱至100～200℃保持2h以上。經(jīng)過時效處理后的鋼材，其屈服強度、抗拉強度及硬度都將提高，而塑性和韌性降低。8.2.3鋼的化學成分對鋼性能的影響碳、硅、錳、硫、磷。其中硅和錳是有益元素，碳、硫、磷是有害元素。1、碳：土木工程中用的鋼材的含碳量普遍低于0.8%，在此范圍內(nèi)，隨著含碳量的增加，鋼的強度和硬度會提高，而塑性和韌性會降低。另外碳還會顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。2、硅：當硅的含量低于1%時，能顯著提高鋼的屈服強度和抗拉強度，且對塑性和韌性影響不大，還可提高抗腐蝕能力，改善鋼的質(zhì)量。3、錳：含量一般不超過2%，能消減硫引起的熱脆性，改善鋼材的熱加工性質(zhì)，提高鋼材的硬度和強度。硫：大大降低鋼的熱加工型和可焊性，也會降低鋼的沖擊韌性、疲勞強度和抗腐蝕性。磷：使鋼的屈服點和抗拉強度提高，但塑性和韌性顯著降低，溫度越低，對塑性和韌性的影響越大，增加鋼的冷脆性，并顯著降低鋼材的可焊性。8.3鋼材的標準與選用8.3.1.1碳素結(jié)構鋼使用在鋼結(jié)構建筑中的結(jié)構用鋼，主要有型鋼和鋼板。鋼結(jié)構常用鋼材其他型鋼工字鋼、槽鋼、圓鋼、角鋼等鋼板三角形網(wǎng)架星形網(wǎng)架碳素結(jié)構鋼問題：碳素結(jié)構鋼如何劃分牌號？牌號與性能之間的關系如何？結(jié)構鋼1.牌號表示法由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法符號等四個部分按順序組成；如：Q235－AF表示為屈服點不小于235MPa的A級沸騰鋼。2.牌號共有Q195、Q215、Q235、Q275四個牌號。其中Q235在工程上應用最廣。Q235大量用作制作鋼筋、型鋼、及鋼板。Q275用作生產(chǎn)機器零件和工具。低合金高強度鋼1.牌號表示方法由代表屈服點的拼音字母（Q）、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D、E）三部分按順序組成。如Q345A表示屈服點不小于345MPa的A級鋼。

2.牌號共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五個牌號。3.應用特別適用于重型結(jié)構、大跨度、大柱網(wǎng)結(jié)構、高層結(jié)構和橋梁結(jié)構。結(jié)構鋼表示方法

Hhot-rolled熱軋Ccool-rolled冷軋

Pplain平滑Rribbed帶肋

Bbars鋼筋

混凝土用鋼熱軋鋼筋1.生產(chǎn)采用鋼錠經(jīng)加熱軋制自然冷卻而成。2.分類鋼筋混凝土用熱軋鋼筋分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋兩種。

3.牌號熱軋直條光圓鋼筋：HPB235（一級）熱軋帶肋鋼筋：HRB335、HRB400、HRB500（二三四級鋼）

混凝土用鋼熱軋鋼筋的性能與應用：1、性能：隨著鋼筋級別的提高，其屈服強度和極限強度逐漸增加，而其塑性則逐漸下降。2、應用：非預應力混凝土宜選用HPB235、HRB335、HRB400。預應力混凝土宜選用HRB335、HRB400、HRB500。

熱軋型鋼

鋼結(jié)構常用型鋼有工字鋼、H型鋼、T型鋼、Z型鋼、槽鋼、等邊角鋼和不等邊角鋼等。H型鋼冷軋帶肋鋼筋定義：用低碳鋼熱軋盤圓條經(jīng)冷軋后制成。分類：CRB500、CRB650、CRB800、CRB970CRB1170。應用：在中小型預應力鋼筋混凝土結(jié)構構件中廣泛應用。

冷彎薄壁型鋼

冷彎薄壁型鋼通常用2mm～6mm薄鋼板冷彎或模壓而成，有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼及方形、矩形等空心薄壁型鋼?？捎糜谳p型鋼結(jié)構。預應力混凝土熱處理鋼筋定義：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。優(yōu)點：強度高、錨固性好、施工簡便。應用：主要用作預應力鋼筋混凝土軌枕，也應用于預應力梁、板結(jié)構及吊車梁等。8.3.3鋼材的選用1、滿足荷載要求?？估?、抗沖擊、抗疲勞2、滿足使用環(huán)境要求，溫度、抗銹蝕。3、滿足加工性能。即適合冷熱加工，同時具有良好的可連接性、可焊性。4、足夠的變形能力。塑性和韌性性能好，塑性好則結(jié)構破壞前結(jié)構變形明顯，能減少脆性破壞的危險。。5、鋼板厚度、結(jié)構滿足要求。討論：鋼材是否耐火？鋼是不燃性材料，但這并不代表鋼材能抵抗火災。耐火試驗及火災案例表明：以失去支撐能力表明，無保護層時鋼柱和鋼屋架的耐火極限只有0.25小時。溫度在200度以內(nèi)，鋼材的性能基本不變；超過300度，鋼材的屈服強度和極限強度顯著下降；超過600度，失去承載能力。所以鋼結(jié)構必須設防火保護層，主要以包覆法為主，以防火涂料、不燃性板材、混凝土、砂漿將鋼構件包裹起來。8.4鋁和鋁合金鋁為銀白色輕金屬，純鋁的密度為2.7g/cm^3，約為鋼的1/3。鋁的性質(zhì)活潑，在空氣中能與氧結(jié)合形成致密堅固的氧化鋁薄膜，覆蓋在下層金屬表面，阻止其繼續(xù)腐蝕。

2.鋁合金常用的鋁合金有：防銹鋁合金(LF)：主要合金元素—錳、鎂元素用于受力不大，耐腐蝕的構件和管道。硬鋁合金(LY)：主要合金元素—銅、鎂元素用于門窗、貨架、柜臺等的型材超硬鋁合金(LC)：主要合金元素——銅、鎂、鋅等元素