建筑鋼材-鋼材的主要技術性質(zhì)（建筑材料課件）

鋼材的主要技術性質(zhì)力學性能力學性能了解建筑鋼材的主要技術性能：力學性能學習目標沖擊韌性02抗拉性能01疲勞強度03硬度04鋼材的主要技術性質(zhì)建筑鋼材的性能主要有力學性能、工藝性能和化學性能。其中，力學性能和工藝性能的主要技術指標如圖8-2所示。鋼材的力學性能和工藝性能既是設計和施工人員選用鋼材的主要依據(jù)，也是生產(chǎn)鋼材和控制材質(zhì)的重要參數(shù)。材料的力學性能指材料在外力作用下表現(xiàn)出變形和破壞方面的特性，而鋼材的力學性能，是衡量鋼材性能好壞的重要指標之一。01抗拉性能一、抗拉性能拉伸是建筑鋼材的主要受力形式，所以拉伸性能是建筑工程中選用鋼材的重要指標。現(xiàn)以低碳鋼為例，通過在試驗機上進行拉伸試驗，并根據(jù)拉伸試驗得到的數(shù)據(jù)，繪制出圖8-3所示的鋼材應力（s）—應變（e）曲線。一、抗拉性能（1）彈性階段（Ⅰ）。試樣在受力時發(fā)生變形，卸除拉伸力后變形能完全恢復，該過程為彈性變形階段。圖8-3中，OA段的圖形是一條通過原點的直線，應力與應變成正比，與A點對應的應力為彈性極限強度，以sp表示，低碳鋼sp=200MPa。處于彈性階段時，計算的指標為彈性模量E=s/e=tana。彈性模量E反映鋼材抵抗彈性變形的能力強弱，是衡量材料剛度的重要指標。在拉伸應力一定的條件下，彈性模量值越大，則材料產(chǎn)生的彈性變形就越小，即s=Ee一、抗拉性能（2）屈服階段（Ⅱ）。AB段的圖形是一條波動的曲線，應力基本不變，但變形增加較快，試件表面可觀察到45°滑移線，開始出現(xiàn)塑性變形。塑性變形過程中，曲線呈現(xiàn)擺動，擺動的最大應力和最小應力分別稱為屈服上限和屈服下限。由于屈服下限數(shù)值較為穩(wěn)定，將其定義為材料屈服極限ss。屈服強度是彈性變形轉變?yōu)樗苄宰冃蔚霓D折點，當外力超過屈服點時，產(chǎn)生不可恢復的變形，鋼材不能正常使用。由此可見，屈服強度是設計中鋼材強度取值的依據(jù)，也是工程結構計算中非常重要的一個參數(shù)。一、抗拉性能（3）強化階段（Ⅲ）。BC段是一段上升的曲線。這是因為當載荷卸到零時，鋼材抵抗塑性變形的能力重新得到提高，稱為強化階段。鋼材受拉力時所能承受的最大應力值稱為抗拉強度。屈服極限和抗拉強度之比稱為屈強比（ss/sb），它能反映鋼材的利用率和結構安全可靠程度。屈強比越小，其結構的安全可靠程度越高。如果屈強比過小，則說明鋼材強度的利用率偏低，造成鋼材浪費。建筑結構合理的屈強比一般為0.60～0.75。一、抗拉性能（4）頸縮階段（Ⅳ）。CD段是一段下降的曲線。隨著變形的不斷發(fā)展，在有雜質(zhì)或缺陷處，試件的斷面急劇縮小即頸縮（如圖8-4所示），直到D點發(fā)生試件的破壞。計算的指標為伸長率d，即試件拉長后，標距長度的增量與原標距長度之比，用下式計算伸長率反映鋼材拉伸斷裂時所具有的塑性變形能力，它是衡量鋼材塑性性能的重要技術指標。一、抗拉性能對于圓柱形拉伸試樣，當原始標距與試件的直徑之比愈大，則頸縮處伸長段的比例愈小，因而計算的伸長率會小些。通常以δ5和δ10分別表示L0=5d0和L0=10d0（d0為試件直徑）時的伸長率。對同一種鋼材，δ5應大于δ10。

中碳鋼與高碳鋼（又稱硬鋼）的拉伸曲線與低碳鋼不同，它們的屈服現(xiàn)象不明顯，難以測定屈服點。一般將受拉時，試件長度為原標距長度的0.2%時所對應的應力值，作為硬鋼的屈服強度，也稱條件屈服點，用σ0.2表示，如圖8-5所示。02沖擊韌性二、沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材在沖擊載荷作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力，用沖擊韌性指標來表示。建筑鋼材的沖擊韌性利用沖擊試驗來測定，如圖8-6所示，即用帶有V形缺口的標準試件，在擺錘試驗機上進行沖擊彎曲試驗，測量在沖擊負荷作用下缺口處單位截面積上所消耗的功，即韌性指標越大，表示試件被沖斷時所吸收的功越大，鋼材的韌性越好。二、沖擊韌性鋼材的沖擊韌性受其晶體結構、化學成分、軋制與焊接質(zhì)量、溫度及時間等因素的影響。試驗表明，同一種鋼材的沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其變化曲線如圖8-7所示。二、沖擊韌性由圖8-7可知，在較高溫度環(huán)境下，值隨溫度下降緩慢降低，破壞時呈韌性斷裂。當溫度降至一定范圍內(nèi)，隨溫度降低時值開始大幅度降低，鋼材開始發(fā)生脆性斷裂，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。發(fā)生冷脆時的溫度范圍，稱為脆性轉變溫度范圍。隨著時間的延長，鋼材的強度和硬度升高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為時效。時效是降低鋼材沖擊韌性的重要因素之一。03疲勞強度三、疲勞強度鋼材承受交變荷載的反復作用時，可能在遠低于屈服強度時突然發(fā)生破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。研究標明，鋼鐵的疲勞破壞要經(jīng)歷疲勞裂紋的萌生、緩慢發(fā)展和迅速斷裂3個過程。交變應力作用下，材料內(nèi)部的各種缺陷處（如氣孔、白點、非金屬夾雜物等）、成分偏析（即分布不均）處、構件截面沿長度方向的急劇變化處、構件集中受力處等，都是容易產(chǎn)生微裂紋的地方，裂紋處形成應力集中，使微裂紋逐漸擴展成肉眼可見的宏觀裂紋，宏觀裂紋再進一步擴展，直到最后導致突然斷裂。疲勞極限或者疲勞強度是指疲勞破壞時的危險應力，特點是材料破壞時其強度遠低于抗拉強度，不易引起人們注意，因此疲勞破壞危害極大。一般把鋼材承受荷載106～107次時，不發(fā)生破壞的最大應力作為疲勞強度。04硬度四、硬度硬度是指鋼材抵抗硬物壓入時產(chǎn)生局部變形的能力。鋼材的硬度常用壓痕單位面積上所受壓力或壓痕的深度作為衡量指標，常用的測定方法有布氏法和洛氏法。1）布氏法利用布氏法可測得鋼材的布氏硬度，其測量原理是用一定直徑的鋼球或硬質(zhì)合金球，在規(guī)定的試驗壓力作用下壓入試樣表面。經(jīng)規(guī)定的保持時間（鋼材的保持時間一般為10～15s）后，測量試樣表面的壓痕直徑，試驗壓力除以壓痕球形表面積所得之商，即為布氏硬度。四、硬度硬度是指鋼材抵抗硬物壓入時產(chǎn)生局部變形的能力。鋼材的硬度常用壓痕單位面積上所受壓力或壓痕的深度作為衡量指標，常用的測定方法有布氏法和洛氏法。2）洛氏法洛氏硬度以測量壓痕深度表示材料的硬度值。按照荷載和壓頭類型不同，常用的洛氏硬度值可分為HRA，HRB和HRC三種。洛氏硬度操作簡便、壓痕較小，可用于成品檢驗。但若材料中有偏析及組織不均勻等缺陷，則所測硬度值重復性差。鋼材的主要技術性質(zhì)工藝性能工藝性能了解建筑鋼材的主要技術性能：工藝性能學習目標焊接性能02冷彎性能01冷加工性能及時效處理0301冷彎性能一、冷彎性能建筑鋼材不僅應具有優(yōu)良的力學性能，還應有良好的工藝性能，以滿足施工工藝的要求。良好的工藝性能，可以保證鋼材能夠順利通過各種處理而不損壞其質(zhì)量。冷彎性能是指鋼材在常溫下受彎曲變形的能力。鋼材的冷彎性能指標，常用彎曲的角度α、彎心直徑d與試件的直徑（或厚度）a的比值來表示。α角越大，d/a越小，表明試件冷彎性能越好，如圖8-8所示。鋼材的技術指標中，對不同鋼材的冷彎指標均有具體規(guī)定。當按規(guī)定的彎曲角度α和d/a值對試件進行冷彎時，試件受彎處不發(fā)生裂縫、斷裂或起層，即認為冷彎性能合格。一、冷彎性能圖8-9所示為鋼材冷彎試驗示意圖。鋼材的冷彎性能和伸長率均可反映鋼材的塑性變形能力。其中，伸長率反映試件均勻變形，而冷彎性能可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，以及是否存在內(nèi)應力和夾雜物等缺陷。此外，工程中還經(jīng)常用冷彎試驗來檢驗建筑鋼材的焊接質(zhì)量。02焊接性能二、焊接性能建筑工程中，焊接連接是鋼結構的主要連接方式。此外，焊接連接還廣泛應用于鋼筋骨架、鋼筋接頭、鋼筋網(wǎng)、連接件和預埋件。因此，鋼材應具有良好的可焊性?？珊感允侵冈谝欢ê附庸に嚄l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，焊接后接頭處的強度是否與母體相近。鋼材的焊接主要采用電弧焊和接觸對焊。鋼材的化學成分和冶煉質(zhì)量對焊接性能有很大影響。例如，鋼材中的錳、硅、釩等雜質(zhì)均會降低其可焊性，尤其是其中的硫成分，它能使焊縫處產(chǎn)生熱裂紋并硬脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性。一般情況下，對焊接結構用鋼，宜選用含碳量低、雜質(zhì)含量少的鎮(zhèn)靜鋼。對于高碳鋼和合金鋼，為改善焊接后的硬脆性，焊接時一般要采用焊前預熱和焊后熱處理等措施。此外，選用合理的焊接工藝，也是提高焊接質(zhì)量的重要措施之一。03冷加工性能及時效處理三、冷加工性能及時效處理1）冷加工強化處理將鋼材在常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生塑性變形，從而提高其屈服強度的過程，稱為冷加工強化處理。鋼材經(jīng)冷加工后的屈服強度，可作為結構設計的強度取值依據(jù)。注意鋼材經(jīng)過冷加工后強度的提高，是以犧牲鋼材的延性即塑性和沖擊韌性為代價的。所以冷加工之后的鋼材，脆硬性增加，塑性和韌性降低，一般不用于抗震結構、承受動荷載的結構。三、冷加工性能及時效處理2）時效鋼材經(jīng)冷加工后，在常溫下存放15～20d或加熱至100～200℃保持2h左右，其屈服強度、抗拉強度及硬度進一步提高，而塑性及韌性繼續(xù)降低，這種現(xiàn)象稱