《建筑材料》第二十一次課(第七章)

《建筑材料》教案

第七章金屬材料——鋼材建筑工程系主講教師：李棱雪分類1、黑色金屬：是以鐵元素為主要成分的金屬及其合金，常用的主要有鋼和鐵，鋼應(yīng)用最廣。2、有色金屬：是除黑色以外的其他金屬，其中鋁是一種重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和裝飾材料。

7.1鋼材的生產(chǎn)與分類

7.2技術(shù)性質(zhì)

7.3冷加工和時(shí)效

7.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用目錄基本要求重點(diǎn)建筑鋼材的拉伸性能、沖擊韌性及冷彎性能常用建筑鋼材的標(biāo)準(zhǔn)及選用§7.1鋼材的生產(chǎn)與分類定義特點(diǎn)應(yīng)用冶煉分類定義鋼材是一種以鐵為主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和錳Mn)的材料；含碳量超過(guò)2%，稱為生鐵；含碳量小于0.04%，稱為工業(yè)純鐵。建筑鋼材的主要品種1.型鋼簡(jiǎn)單截面型鋼：圓鋼、方鋼、六角鋼、八角鋼等；復(fù)雜截面型鋼：工字鋼、角鋼、槽鋼、鋼軌等。2.線材如鋼筋、鋼絲等。3.管材無(wú)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。優(yōu)點(diǎn)比強(qiáng)度高塑性好、韌性好能承受沖擊和振動(dòng)荷載加工性好特點(diǎn)缺點(diǎn)易銹蝕維護(hù)費(fèi)用大

建筑鋼材可用于:大跨度結(jié)構(gòu)多層及高層結(jié)構(gòu)受動(dòng)荷載作用的工業(yè)廠房應(yīng)用鋼橋7.1.1冶煉鋼材的冶煉過(guò)程及其對(duì)鋼材質(zhì)量的影響冶煉原理爐種的影響將焦炭及鐵礦石加入煉鋼爐中精煉，將鐵置換出來(lái)，同時(shí)生成碳的氧化物——生鐵生鐵經(jīng)過(guò)高溫氧化——使炭及其它雜質(zhì)氧化而揮發(fā)或變成氧化物脫氧冶煉原理焦炭鐵礦石生鐵高爐熔融生鐵精煉氧化還原鋼鑄錠鋼錠建筑鋼材鋼材的冶煉過(guò)程爐種的影響及氧化程度爐型原料吹入氣體冶煉時(shí)間鋼材質(zhì)量成本應(yīng)用氧氣轉(zhuǎn)爐熔融鐵水氧氣15-30分鐘較好低優(yōu)質(zhì)碳素鋼及合金鋼平爐生鐵、鐵礦石等空氣5-12小時(shí)好高同上及特殊用途的鋼

電爐廢鋼、生鐵空氣短最好高同上冶煉中為除去雜質(zhì)而進(jìn)行氧化部分鐵不可避免的被氧化使鋼錠內(nèi)生成許多氣泡降低了鋼的質(zhì)量為了使FeO

和Fe2O3還原為Fe,在煉鋼的后階段必須脫氧。脫氧程度的影響

鋼種脫氧程度冷卻情況鋼材質(zhì)量沸騰鋼不充分澆筑時(shí)有大量CO逸出差半鎮(zhèn)靜鋼介于二者之間好鎮(zhèn)靜鋼充分平靜冷卻，無(wú)CO逸出組織致密、成分均勻、機(jī)械性能好特殊鎮(zhèn)靜鋼最充分最好脫氧程度及鋼材質(zhì)量碳素鋼低碳鋼C<0.25%√中碳鋼C=0.3～0.55%高碳鋼C>0.6%合金鋼低合金鋼

<5%

√中合金鋼=5～10%高合金鋼>10%按化學(xué)成分分類7.1.2分類按質(zhì)量分普通鋼

P≯0.045%,S≯0.055%優(yōu)質(zhì)鋼

P≯0.035-0.04%,S≯0.04%高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼

P≯0.025%,S≯0.025%按結(jié)構(gòu)用途分結(jié)構(gòu)鋼

各種工程構(gòu)件及機(jī)械零件,屬低碳鋼或中碳鋼工具鋼

刀具、模具特殊鋼不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼

§7.2建筑鋼材的技術(shù)性質(zhì)

工程中的鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼材的基本性能有：機(jī)械性能拉伸性能

沖擊韌性

疲勞強(qiáng)度工藝性能冷彎性能

焊接性能拉伸性能是建筑鋼材的主要性能鋼材受拉后的技術(shù)性能指標(biāo)可以用低碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變圖來(lái)反映。

7.2.1拉伸性能屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度伸長(zhǎng)率鋼筋的拉伸實(shí)驗(yàn)低碳鋼受拉到拉斷，共經(jīng)歷了四個(gè)階段彈性階段（I）：測(cè)定彈性模量。屈服階段（II）：測(cè)定屈服強(qiáng)度。強(qiáng)化階段（III）：測(cè)定抗拉強(qiáng)度。頸縮階段（IV）：測(cè)定伸長(zhǎng)率。σε0鋼材拉伸彈性階段示意圖A0彈性階段σp—彈性極限，MPa。σpσε0

鋼材拉伸屈服階段示意圖A0B下B上BAB下B上B屈服階段放大后σε0

鋼材拉伸強(qiáng)化階段示意圖A0B下B上CDDDDD強(qiáng)化階段σbσb——抗拉強(qiáng)度或強(qiáng)度極限。CBσε0D鋼材拉伸頸縮階段示意圖A0B下B上BCDE——頸縮階段定義

屈服強(qiáng)度是指鋼材開(kāi)始喪失隨變形的抵抗能力,并開(kāi)始產(chǎn)生大量變形的能力。意義是彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄缘霓D(zhuǎn)折點(diǎn)當(dāng)外力超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，鋼材內(nèi)部的應(yīng)力自動(dòng)分配至低應(yīng)力部位所以說(shuō)，屈服點(diǎn)是確定鋼結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力值的依據(jù)屈服強(qiáng)度公式

屈服強(qiáng)度σs－屈服強(qiáng)度Fs－屈服應(yīng)力Ao－試件截面積對(duì)屈服不明顯的鋼,規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力f0.2作為屈服強(qiáng)度σ0.2。

σε0.2%O硬鋼的應(yīng)力應(yīng)變圖定義

σb

是指鋼材能承受的最大拉應(yīng)力.意義當(dāng)外力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，鋼材完全喪失對(duì)變形的抵抗能力而斷裂因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不能應(yīng)用拉伸強(qiáng)度定義σs/σb反映了鋼材的可利用率和安全性的大小意義屈強(qiáng)比對(duì)鋼材的可利用率和安全性來(lái)說(shuō)是重要的合理屈強(qiáng)比：碳素鋼0.58—0.63低合金結(jié)構(gòu)鋼0.65—0.75屈強(qiáng)比（σs/σb）σbσs2σs1σεσs/σb低σs/σb高可利用率小大安全性大小鋼材的屈強(qiáng)比、可利用率及安全性之間的關(guān)系指鋼材在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力。定義塑性伸長(zhǎng)率指標(biāo)和公式δn—伸長(zhǎng)率L0—原標(biāo)點(diǎn)間距L1—拉斷后標(biāo)點(diǎn)間距n=5dor10dd—鋼筋直徑

δ5＞δ10d0L0L1圖7.3.4伸長(zhǎng)率的測(cè)定伸長(zhǎng)率的意義說(shuō)明伸長(zhǎng)率是表示鋼材塑性變形能力的重要指標(biāo)鋼結(jié)構(gòu)一般在彈性范圍內(nèi)工作但在應(yīng)力集中處，應(yīng)力可能超過(guò)屈服點(diǎn),有一定的塑性變形，因此可以保持應(yīng)力重新分布，從而避免結(jié)構(gòu)破壞習(xí)題1.從新進(jìn)貨的一批鋼筋（碳素鋼）中抽樣，并截取2根試樣作拉伸實(shí)驗(yàn)，測(cè)得如下結(jié)果：屈服下限荷載分別為72.3KN和72.2KN，抗拉極限荷載分別為104.5KN和108.5KN，鋼筋公稱直徑為16mm，試件標(biāo)距長(zhǎng)度為80mm，拉斷后的標(biāo)距長(zhǎng)度分別為96mm和94.4mm。試計(jì)算該鋼筋的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率。其強(qiáng)度利用率和結(jié)構(gòu)安定性如何？2.硬鋼無(wú)明顯屈服點(diǎn)，因此無(wú)法確定其屈服強(qiáng)度大??？錯(cuò)3.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，抗拉強(qiáng)度是確定鋼材強(qiáng)度取值的依據(jù)？錯(cuò)4.鋼材的屈強(qiáng)比越大，表示使用時(shí)的安全度越低？對(duì)沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力定義試驗(yàn)方法

用擺錘打擊有槽口的標(biāo)準(zhǔn)試件，直到試件破壞單位面積所消耗的功7.2.2沖擊韌性Ak—試件破壞時(shí)的沖擊功F—試件槽口處截面積公式?jīng)_擊韌性αk與溫度有關(guān)

溫度較低時(shí)，發(fā)生脆性斷裂的現(xiàn)象脆性轉(zhuǎn)變溫度越低,表明鋼材低溫條件下沖擊韌性?

冷脆性沖擊韌性韌性斷裂脆性斷裂Tep：脆性臨界溫度范圍Tak硫、磷含量高，存在化學(xué)偏析，含非金屬夾雜物，焊接形成裂紋，溫度降低等，均會(huì)降低沖擊韌性。對(duì)于承受沖擊荷載和振動(dòng)荷載部位的鋼材，必須考慮沖擊韌性。沖擊韌性影響因素思考題請(qǐng)觀察圖中Ⅰ、Ⅱ兩低合金鋼曲線，若在東北地區(qū)，應(yīng)選用何種鋼更有利？曲線中棕色段代表脆性斷裂，藍(lán)色段代表脆性轉(zhuǎn)變范圍，黑色段代表韌性斷裂。

從上圖中可知，低合金鋼Ⅰ的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于Ⅱ，即說(shuō)明鋼材的低溫沖擊韌性較好。東北地區(qū)冬季氣溫低，主要考慮低溫沖擊韌性問(wèn)題，選用Ⅰ更有利。指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力如果鋼材承受彎曲變形的程度大，那么鋼材的冷彎性好定義指標(biāo)彎曲角度α及彎心直徑d與試件厚度（直徑）a的比值d/a7.2.3冷彎性能試驗(yàn)以規(guī)定的α和d/a進(jìn)行彎曲檢查受彎部位如不裂紋、不起層或斷裂，則為合格冷彎性能冷彎是通過(guò)彎曲處的塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此它也是反映鋼材在靜荷載下塑性的一個(gè)指標(biāo)。冷彎試驗(yàn)常常能反映鋼材內(nèi)部組織的均勻程度，存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷

因此可以用冷彎性來(lái)檢查鋼材的質(zhì)量，如焊接質(zhì)量說(shuō)明冷彎性能伸長(zhǎng)率與冷彎性能的關(guān)系A(chǔ)、B兩種鋼材,A鋼材δ5及δ10均略大于B鋼材。但從圖所知，A鋼材的冷彎性能卻不如B鋼材。請(qǐng)分析原因，及A與B兩種鋼材內(nèi)部組織的差異。

伸長(zhǎng)率反映的是鋼材在均勻變形下的塑性變形能力。鋼材在使用中，為避免正常受力時(shí)在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中發(fā)生脆斷，要求其塑性良好，即具有一定的伸長(zhǎng)率，可以使缺陷處超過(guò)材料的屈服點(diǎn)時(shí)，隨著發(fā)生塑性變形使應(yīng)力重新分布，而避免鋼材提早破壞。

冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。而這些缺陷在拉伸試驗(yàn)中常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。

習(xí)題1.下列選項(xiàng)哪些屬于冷彎試驗(yàn)意義？_ABDE__A.能反映試件彎曲處的塑性變形B.揭示鋼材是否存在內(nèi)部組織不均勻、內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷C.可反映鋼材在均勻變形條件下的塑性變形能力D.也能對(duì)鋼材的焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，能揭示焊件受彎表面是否存在