建筑用鋼張愛菊32課件

建筑用鋼主講人：張愛菊鋼材的主要技術(shù)性能二鋼材的力學(xué)性能04鋼材的主要技術(shù)性能鋼材的冷加工及時效鋼材的工藝性能鋼材的化學(xué)成分及其影響04鋼材的力學(xué)性能(1)抗拉性能因為低碳鋼在拉伸過程中所表現(xiàn)的荷載與變形的關(guān)系具有代表性，所以一般以低碳鋼的拉伸試驗為研究鋼材的抗拉性質(zhì)的典型的例證。低碳鋼的拉伸試件分二種，分別是細(xì)長試件和粗短試件，其中細(xì)長試件的標(biāo)距長度L是試件直徑d的10倍，粗短試件的標(biāo)距長度L是試件直徑d的5倍，低碳拉伸試件如圖9-1所示。鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-1鋼材拉伸試件及頸縮現(xiàn)象(a)拉伸試件(b)低碳的頸縮鋼材的主要技術(shù)性能04

由低碳鋼在拉伸過程中形成的應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)關(guān)系圖(圖9-2)可知，低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個階段。

（1)彈性階段(O—A)

（2)屈服階段(A—B)

（3)強(qiáng)化階段(B—C)

（4)頸縮階段(C—D)鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-2低碳鋼受拉的應(yīng)力-應(yīng)變圖鋼材的主要技術(shù)性能04（1)彈性階段(O—A)在OA范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，如果卸去外力，試件則恢復(fù)原來的形狀，這個階段稱為彈性階段。彈性階段的最高點A所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限σp。當(dāng)應(yīng)力稍低于A點時，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性正比例關(guān)系，其斜率稱為彈性模量，用E表示，E=σ/ε=tanα。

鋼材的主要技術(shù)性能04（2)屈服階段(A—B)當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限σp后，應(yīng)力和應(yīng)變不再成正比關(guān)系，應(yīng)力在B上至B下小范圍內(nèi)波動，而應(yīng)變迅速增長。在σ-ε關(guān)系圖上出現(xiàn)了一個接近水平的線段。如果卸去外力已出現(xiàn)塑性變形，AB稱為屈服階段。B下所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服極限σs。鋼材受力達(dá)屈服后，雖然尚未破壞，但變形發(fā)展迅速，已經(jīng)不能滿足使用要求，所以設(shè)計中一般以屈服強(qiáng)度作為鋼材強(qiáng)度取值的依據(jù)。鋼材的主要技術(shù)性能04

對于外力作用下屈服現(xiàn)象不明顯的鋼材，如中、高碳鋼，規(guī)定卸載后產(chǎn)生0.2%塑性應(yīng)變時的應(yīng)力值作為屈服強(qiáng)度，用表示，如圖中、高碳鋼的應(yīng)力—應(yīng)變圖(曲線)。鋼材的主要技術(shù)性能04（3)強(qiáng)化階段(B—C)當(dāng)應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度后，由于鋼材內(nèi)部組織產(chǎn)生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展，鋼材抵抗外力的能力重新提高。在σ-ε關(guān)系圖上形成BC段的上升曲線，這一過程稱為強(qiáng)化階段。對應(yīng)于最高點C的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示，它是鋼材所能承受的最大應(yīng)力。鋼材的主要技術(shù)性能04

抗拉強(qiáng)度在工程中不能直接利用，但屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比，用表示）是評價鋼材受力特征的一個參數(shù)，屈強(qiáng)比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，材料越不容易發(fā)生危險的脆性破壞，但屈強(qiáng)比過小，鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，不夠經(jīng)濟(jì)。建筑鋼材合理的屈強(qiáng)比一般為0.6～0.75。鋼材的主要技術(shù)性能04（4)頸縮階段(C—D)當(dāng)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度σb后，在試件薄弱處的斷面將顯著縮小，塑性變形急劇增加，產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象并很快斷裂。將斷裂后的試件拼合起來，量出標(biāo)距兩端點間的距離，按下式計算出伸長率δ：鋼材的主要技術(shù)性能04

伸長率是反映鋼材塑性變形能力的一個重要指標(biāo)，在工程中具有重要意義，越大，說明材料的塑性性質(zhì)好，破壞前會有較大的塑性變形，可防止突發(fā)性的破壞。工程上一般規(guī)定＞5%的材料為塑性材料；

＜5%的材料為脆性材料。鋼材的主要技術(shù)性能04

試件拉斷后，其頸縮處橫截面面積減縮量占原橫截面面積的百分率，稱為材料的截面收縮率（用表示），截面收縮率也是反映鋼材塑性變形程度的一個指標(biāo)，計算公式如式：鋼材的主要技術(shù)性能04(2)沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。它是用試驗機(jī)擺錘沖擊帶有V形缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件的背面，將其折斷后試件單位截面積上所消耗的功，作為鋼材的沖擊韌性指標(biāo)，以αk表示(J/cm2)。

αk值越大，表明鋼材的沖擊韌性愈好(如圖9-3)。鋼材的主要技術(shù)性能04

圖9-3沖擊韌性試驗圖(a)試件尺寸；(b)試驗裝置；(c)試驗機(jī)1—擺錘；2—試件；3—試驗臺；4—刻度盤；5—指針鋼材的主要技術(shù)性能04

鋼材的沖擊韌性與鋼的化學(xué)成分、冶煉方法、溫度及加工等有關(guān)，當(dāng)鋼中硫、磷含量較高、存在化學(xué)偏析、非金屬雜質(zhì)、焊接中形成的微裂紋等，都會使沖擊韌性顯著下降。此外，溫度對鋼材的沖擊韌性的影響也很大，鋼材在負(fù)溫條件下，沖擊韌性會顯著下降，鋼材會由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為脆性狀態(tài)，這一現(xiàn)象稱為鋼材的冷脆性。實用過程中，對鋼材冷脆性評定，通常是在-20℃、-30℃、-40℃三個溫度下分別測定其沖擊功或沖擊值，由此來判斷鋼材脆性轉(zhuǎn)變溫度的高低，要求鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于其實際使用環(huán)境的最低溫度。鋼材的主要技術(shù)性能04(3)疲勞強(qiáng)度鋼材在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下，往往在應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度時就發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險應(yīng)力用疲勞極限來表示，它是指疲勞試驗時試件在交變應(yīng)力作用下，于規(guī)定周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力。一般把鋼材承受交變荷載106~107次不發(fā)生破壞所能承受的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度。鋼材的主要技術(shù)性能04

一般認(rèn)為，鋼材的疲勞破壞是由拉應(yīng)力引起的，抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。鋼材疲勞斷裂過程，一般認(rèn)為是在重復(fù)的交變荷載作用下，雖然其所受應(yīng)力值遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度，甚至小于鋼材的屈服強(qiáng)度，但在構(gòu)件的最薄弱部分，首先產(chǎn)生很小的疲勞裂紋，并隨交變荷載循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)展，從而使鋼材的有效承載面積不斷縮小，以致不能承受所加荷載而突然斷裂。因此，當(dāng)制作承受反復(fù)交變荷載作用的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件時，應(yīng)對所用鋼材進(jìn)行疲勞測試。鋼材的主要技術(shù)性能04(4)硬度是指鋼材抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生局部變形的能力。測定鋼材硬度常用布氏法。布氏法是用一直徑為D的硬質(zhì)鋼球，在荷載P(N)的作用下壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的時間后卸去荷載，用讀數(shù)放大鏡測出壓痕直徑d，以壓痕表面積(mm2)除荷載P，即為布氏硬度值HB。HB值越大，表示鋼材越硬。如圖9-4。鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-4布氏硬度測定示意圖鋼材的主要技術(shù)性能04(1)冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是建筑鋼材的重要工藝性能。鋼材的冷彎性能指標(biāo)是用彎曲角度和彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值來衡量的。試驗時采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值愈小，表示對冷彎性能的要求愈高。如圖9-5所示

鋼材的冷彎性能和伸長率都是塑性變形能力的反映。鋼材的工藝性能鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-5鋼材冷彎

(a)試樣安裝；(b)彎曲90°；(c)彎曲180°；(d)彎曲至兩面重合；(e)規(guī)定彎心鋼材的主要技術(shù)性能04(2)焊接性能工程中要求鋼材具有良好的可焊性。可焊性是在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂縫及脆性傾向，焊接后的力學(xué)性質(zhì)，特別是強(qiáng)度不得低于原鋼材的性質(zhì)。鋼材在焊接過程中，由于局部溫度很高，導(dǎo)致焊縫及其附近的過熱區(qū)將會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，使焊縫周圍產(chǎn)生硬脆傾向，降低焊件的部分力學(xué)性能，影響焊件的使用?？珊感粤己玫匿摬模附雍蟮暮割^牢固可靠，硬脆傾向小，焊縫處及附近仍能保持與母材基本相同的性質(zhì)。鋼材的主要技術(shù)性能04

鋼的化學(xué)成分、冶煉質(zhì)量及冷加工都會影響焊接性質(zhì)。

含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量超過0.3%可焊性變差。鋼材中所含的硫、磷及氣體雜質(zhì)均會顯著降低可焊性；鋼材中過多的合金元素也將不同程度地降低可焊性因此，焊接結(jié)構(gòu)鋼宜選用含碳量較低，雜質(zhì)含量少的平爐鎮(zhèn)靜鋼，對于高碳鋼和合金鋼，為改善焊接質(zhì)量，一般需要采用焊前預(yù)熱及焊后熱處理等措施，來改善鋼材焊接后表現(xiàn)的硬脆性。鋼材的主要技術(shù)性能04(1)冷加工強(qiáng)化鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生一定塑性變形后，其屈服強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性及彈性模量降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工強(qiáng)化。鋼材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷軋。以鋼筋的冷拉為例(圖9-6)，圖中OBCD為未經(jīng)冷拉時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。鋼材的冷加工及時效鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-6鋼筋經(jīng)冷拉時效后應(yīng)力-應(yīng)變圖的變化鋼材的主要技術(shù)性能04冷拉鋼筋冷拉后屈服強(qiáng)度可提高15%~20%，冷拔后屈服強(qiáng)度可提高40%~60%。冷拔是將外形為光圓的盤條鋼筋從硬質(zhì)合金拔絲?？字袕?qiáng)行拉拔(如圖9-7)，由于?？字睆叫∮阡摻钪睆剑摻钤诎沃七^程中既受拉力又受擠壓力，使強(qiáng)度大幅度提高但塑性顯著降低。鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-7冷拔?？卒摬牡闹饕夹g(shù)性能04冷軋是將圓鋼在軋鋼機(jī)上軋成斷面按一定規(guī)律變化的鋼筋，可增大鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力，提高鋼筋的屈服強(qiáng)度。鋼筋在冷軋時，縱向與橫向同時產(chǎn)生變形，因此能較好地保持塑性性質(zhì)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性。鋼材的主要技術(shù)性能04(2)鋼材的時效鋼材經(jīng)冷加工后，隨時間的延長，鋼材屈服極限和強(qiáng)度極限逐漸提高而塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象，稱為時效。經(jīng)過冷拉的鋼筋在常溫下存放15~20d，或加熱到100~200℃并保持一定時間，這個過程稱為時效處理，前者為自然時效，后者為人工時效一般強(qiáng)度較低的鋼材采用自然時效，而強(qiáng)度較高的鋼材則采用人工時效。鋼材的主要技術(shù)性能04(1)碳是決定鋼材性能的主要元素。

如圖9-8所示，隨著含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降。但當(dāng)含碳量大于1.0%時，由于鋼材變脆，強(qiáng)度反而下降。(2)硅、錳加入硅和錳可以與鋼中有害成分FeO和FeS分別形成SiO2、MnO和MnS而進(jìn)入鋼渣排出，起到脫氧、降硫的作用。硅導(dǎo)致冷脆性，錳消除熱脆性鋼材的化學(xué)成分及其影響鋼材的主要技術(shù)性能04圖9-8含碳量對熱軋?zhí)妓劁撔再|(zhì)的影響σb—抗拉強(qiáng)度；αk—沖擊韌性；HB—硬度；δ—伸長率；φ—面積縮減率

鋼材的主要技術(shù)性能04(3)硫、磷硫不溶于鐵而以FeS的形式存在，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點的共晶體。當(dāng)鋼材溫度升至1000℃以上進(jìn)行熱加工時，共晶體熔化，晶粒分離，使鋼材沿晶界破裂，這種現(xiàn)象叫做熱脆性。磷能使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，