建筑钢材.ppt
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第7章建筑钢材,7.1钢的冶炼与分类7.2建筑钢材的主要技术性能7.3建筑钢材的技术标准及应用7.4钢材的质量控制,.钢的冶炼与分类,建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢(如工字钢、角钢、槽钢、钢管)、钢板、和用于钢筋砼结构中的各种钢筋、钢丝和钢绞线。
钢材因有良好的物理及机械性能,被广泛应用于工业与民用建筑中。
.钢的冶炼钢是指以铁为主要元素,含碳量一般在以下,并含有其他元素的铁碳合金。
含碳量大于,并含有较多、等杂质的铁碳合金为生铁。
生铁抗拉强度低、塑性差,尤其是炼钢生铁硬而脆,不易加工,更难以使用。
根据炉种不同,建筑钢材分为转炉钢、平炉钢、和电炉钢三种。
.钢的分类根据化学成分、品质和用途不同,钢可分成不同的种类。
.按脱氧方法分类将生铁(及废钢)在熔融状态下进行氧化,除去过多的碳及杂质即得钢液。
钢液在氧化过程中会含有较多,故在冶炼后期,须加入脱氧剂(锰铁、硅铁、铝等)进行脱氧,然后才能浇铸成合格的钢锭。
下一页,返回,转炉钢,平炉出钢,电炉钢,.钢的冶炼与分类,脱氧程度不同,钢材的性能就不同,因此,钢又可分为沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢。
()沸腾钢:
仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧,属脱氧不完全的钢。
其组织不够致密,有气泡夹杂,所以质量较差,但成品率高,成本低。
()镇静钢:
用必要数量的硅、锰和铝等脱氧剂进行彻底脱氧的钢。
其组织致密,化学成分均匀,性能稳定,是质量较好的钢种。
由于产率较低,故成本较高,适用于承受振动冲击荷载或重要的焊接钢结构中。
()特殊镇静钢:
特殊镇静钢质量和性能均高于镇静钢,成本也高于镇静钢。
上一页,下一页,返回,.钢的冶炼与分类,.按化学成分分类钢按化学成分不同分为碳素钢、合金钢。
()碳素钢。
碳素钢按含碳量的不同又分为:
低碳钢(碳含量),中碳钢(碳含量为)和高碳钢(碳含量)。
()合金钢。
合金钢是在碳素钢中加入某些合金元素(锰、硅、钒、钛等)用于改善钢的性能或使其获得某些特殊性能。
合金钢按合金元素含量不同分为:
低合金钢(合金元素含量),中合金钢(合金元素含量为)和高合金钢(合金元素含量)。
上一页,下一页,返回,.钢的冶炼与分类,.按品质分类根据钢材中硫、磷的含量,钢材可分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。
.按用途分类钢材按主要用途的不同可分为结构钢(钢结构用钢和混凝土结构用钢)、工具钢(制作刀具、量具、模具等)和特殊钢(不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等)。
上一页,返回,.建筑钢材的主要技术性能,.力学性能.抗拉性能抗拉性能是建筑钢材的重要性能。
这一性能可以通过受拉后钢材的应力与应变曲线反映出来。
图-()为建筑工程中常用低碳钢受拉后的应力应变曲线。
图中的屈服强度()、抗拉强度()和伸长率()是钢材的重要技术指标。
()屈服点(屈服强度)是结构设计取值的依据,低于屈服点的钢材基本上是在弹性状态下正常工作,该阶段为弹性阶段。
应力与应变的比值为常数,该常数为弹性模量E(E/)。
下一页,返回,图-钢受拉时的应力应变曲线,返回,.建筑钢材的主要技术性能,()抗拉强度()。
试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性变形的能力又重新提高,这一阶段称为强化阶段。
对应于最高点d的应力值称为极限抗拉强度,简称抗拉强度。
图-()表示高碳钢受拉时的应力应变曲线。
与低碳钢的应力应变曲线比,高碳钢应力应变曲线的特点是:
抗拉强度高、塑性变形小和没有明显的屈服点。
其结构设计取值是人为规定的条件屈服点(),即将钢件拉伸至塑性变形达到原长的时的应力值。
()伸长率()表示钢材被拉断时的塑性变形值(ll)与原长(l)之比,即如图-所示,上一页,下一页,返回,图-钢材的伸长率,返回,.建筑钢材的主要技术性能,.冲击韧性冲击韧性是指钢材受冲击荷载作用时,吸收能量、抵抗破坏的能力,以冲断试件时单位面积所消耗的功()来表示。
值越大,钢材的冲击韧性越好。
影响冲击韧性的因素有钢的化学组成、晶体结构及表面状态和轧制质量,以及温度和时效作用等。
随环境温度降低,钢的冲击韧性亦降低,当达到某一负温时,钢的冲击韧性值()突然发生明显降低,此为钢的低温冷脆性(如图-所示),此刻温度称为脆性临界温度。
随着时间的推移,钢的强度会提高,而塑性和韧性降低的现象称为时效。
上一页,下一页,返回,图-温度对冲击韧性的影响,返回,.建筑钢材的主要技术性能,.硬度钢材的硬度是指其表面抵抗重物压入产生塑性变形的能力。
测定硬度的方法有布氏法和洛氏法,较常用的方法是布氏法,其硬度指标为布氏硬度值()。
布氏法是利用直径为D()的淬火钢球,以一定的荷载犉()将其压入试件表面,得到直径为犱()的压痕,以压痕表面积犛除荷载犉,所得的应力值即为试件的布氏硬度值,以不带单位的数字表示。
.耐疲劳性能钢材承受交变荷载反复作用时,可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏,这种破坏称为疲劳破坏。
钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度或疲劳极限来表示,是指疲劳试验中试件在交变应力作用下,在规定的周期内不发生疲劳破坏所能承受的最大应力值。
上一页,下一页,返回,.建筑钢材的主要技术性能,.工艺性能.冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是建筑钢材的重要工艺性能。
图-表示钢材的冷弯试验,规范规定用弯曲角度和弯心直径与试件厚度(或直径)的比值来表示冷弯性能。
冷弯性能实质反映了钢材在不均匀变形下的塑性,在一定程度上比伸长率更能反映钢的内部组织状态及内应力、杂质等缺陷,因此可以用冷弯的方法来检验钢的质量。
根据不同的钢筋规格对应不同的弯心直径。
上一页,下一页,返回,图-钢材的冷弯试验,返回,.建筑钢材的主要技术性能,.可焊性能绝大多数钢结构、钢筋骨架、接头、埋件及连接等都采取焊接方式。
焊接质量除与焊接工艺有关外,还与钢材的可焊性有关。
当含碳量超过后,钢的可焊性变差。
硫能使钢的焊接处产生热裂纹而硬脆。
锰可克服硫引起的热脆性。
沸腾钢的可焊性较差。
其他杂质含量增多,也会降低钢的可焊性。
.冷加工及热处理.冷拉强化和时效处理冷加工是指钢材在常温下进行的加工,常见的冷加工方式有:
冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。
钢材经冷加工产生塑性变形,从而提高其屈服强度,这一过程称为冷加工强化处理。
上一页,下一页,返回,.建筑钢材的主要技术性能,实际工程中,往往按工程要求,所选的钢筋塑性偏大,强度偏低,或者利用号钢时,可以通过冷拉及时效处理来调整其性质,并达到节省钢材的目的。
冷拉是冷加工的一种,是将钢筋在常温下拉伸,使其产生塑性变形,从而达到提高其屈服强度和节省钢材的目的(图-)。
.热处理热处理是将钢材按一定规则加热、保温和冷却,以获得需要性能的一种工艺过程。
热处理的方法有淬火、回火、退火和正火。
建筑工程所用钢材一般只在生产厂进行热处理,并以热处理状态供应。
在施工现场,有时需对焊接钢材进行热处理。
上一页,下一页,返回,图-钢筋冷拉曲线,返回,.建筑钢材的主要技术性能,()淬火:
将钢材加热至以上某一温度,并保持一定时间后,迅速置于水中或机油中冷却,这个过程称钢材的淬火处理。
钢材经淬火后,强度和硬度提高,脆性增大,塑性和韧性明显降低。
()回火:
将淬火后的钢材重新加热到以下某一温度范围,保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温,这一过程称为回火处理。
()退火:
退火是指将钢材加热至以上某一温度,保持相当时间后,放在退火炉中缓慢冷却。
()正火:
正火是将钢材加热到以上某一温度,并保持相当长时间,然后在空气中缓慢冷却,得到均匀、细小的显微组织。
钢材正火后强度和硬度提高,塑性较退火小。
上一页,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,.钢结构用钢材钢结构是用各种型钢、钢板,经焊接、铆接或螺栓连接而成的工程结构,如厂房、桥梁等。
下面介绍常用钢结构用钢的牌号及性能。
()碳素结构钢。
碳素结构钢又称普通碳素结构钢。
国家标准碳素结构钢()将碳素结构钢以其力学性能划分为不同牌号。
碳素结构钢牌号由至时,钢的含碳量逐渐增多,强度提高,塑性降低,冷弯及可焊性下降。
质量等级由至时,钢中有害杂质、含量逐渐减少,低温冲击韧性改善,质量提高。
下一页,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,及钢的强度低,常用于轧制各种型钢、钢板、钢管,以及制作铆钉、螺栓、钢丝等;钢虽然强度高,但塑性及可焊性较差,可用于钢筋混凝土配筋和钢结构中的构件及螺栓等;钢既有较高的强度,又有较好的塑性及可焊性,是建筑工程中应用广泛的钢种。
国家标准碳素结构钢对碳素结构钢的化学成分、力学性能做出了具体的规定,见表-、表-和表-。
()低合金高强度结构钢。
低合金高强度结构钢是在低碳钢基础上,加入适量合金元素冶炼而成的。
它比碳素结构钢具有更高的屈服强度,同时还有良好的塑性、冷弯性、可焊性、耐腐蚀性和低温冲击韧性,更适用于大跨度、重型、高层钢结构和桥梁工程。
上一页,下一页,返回,表-碳素结构钢的化学成分,返回,表-碳素结构钢的力学性能,返回,表-碳素结构钢的弯曲试验,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,低合金高强度结构钢的化学成分、力学性能见表-、表-。
在钢结构中常采用低合金高强度结构钢、轧制型钢、钢板来建设桥梁、高层及大跨度建筑。
在重要的钢筋混凝土结构或预应力钢筋混凝土结构中,主要应用低合金钢加工成的热轧带肋钢筋。
()钢结构用型钢。
热轧型钢。
热轧型钢有角钢(等边和不等边)、工字钢、槽钢、型钢、型钢、型钢等。
其标记由一组符号组成,包括型钢名称、横断面主要尺寸,型钢标准号及钢牌号与钢种标准等。
例如,用碳素钢轧制的,尺寸为的等边角钢,应标示为:
上一页,下一页,返回,表-低合金高强度结构钢的化学成分,返回,表7-5低合金结构钢的拉伸性能,返回,表7-5低合金结构钢的拉伸性能,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,热轧等边角钢:
冷弯薄壁型钢。
通常是用厚薄钢板冷弯或模压而成,有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。
其标示方法与热轧型钢相同。
钢板、压型钢板。
用光面轧辊轧制而成的扁平钢材,以平板状态供货的称钢板,以卷状供货的称钢带。
按轧制温度不同,钢板分为热轧和冷轧两种;热轧钢板按厚度分为厚板(厚度大于)和薄板(厚度为)两种;冷轧钢板只有薄板(厚度为)一种。
上一页,下一页,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,.钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝.热轧钢筋钢筋混凝土用热轧钢筋有热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋及余热处理钢筋。
经热轧成型并自然冷却的成品光圆钢筋,称为热轧光圆钢筋;其成品为带肋钢筋,称为热轧带肋钢筋。
经热轧成型后立即穿水,进行表面控制冷却,然后利用芯部余热完成回火处理所得的成品钢筋,称为余热处理钢筋。
热轧带肋钢筋外形如图-所示。
国家标准钢筋混凝土用钢第部分:
热轧光圆钢筋()、钢筋混凝土用钢第部分:
热轧带肋钢筋()及钢筋混凝土用余热处理钢筋()规定,热轧光圆钢筋分为、;热轧带肋钢筋分为、及三个牌号,热轧钢筋力学性能及工艺性能应符合表-规定。
上一页,下一页,返回,图-热轧带肋钢筋外形,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,余热处理钢筋分为、,表达方式见表-。
级钢筋,是用碳素钢轧制而成的光圆钢筋。
它的强度较低,但具有塑性好,伸长率高,便于弯折成型,容易焊接等特点,可作为冷轧带肋钢筋的原材料。
、级钢筋,是用低合金镇静钢和半镇静钢轧制而成的,以硅、锰作为主要固溶强化元素。
其强度较高,塑性和可焊接性能较好,广泛用于大、中型钢筋混凝土结构的主筋。
冷拉后也可作预应力筋。
级钢筋,是用中碳低合金镇静钢轧制而成,其中以硅、锰为主要合金元素,使之在提高强度的同时保证其塑性和韧性,是房屋建筑的主要预应力钢筋。
上一页,下一页,返回,表-热轧钢筋技术性质,返回,表-余热处理钢筋表达方式,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,.冷轧带肋钢筋热轧盘条钢筋经冷轧后,在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋,即成为冷轧带肋钢筋。
根据冷轧带肋钢筋()规定,冷轧带肋钢筋按抗拉强度分为四个牌号,分别为、。
、分别为冷轧、带肋、钢筋。
其性质见表-。
.冷拔低碳钢丝和碳素钢丝()冷拔低碳钢丝。
将直径为的、或热轧圆条经冷拔而成,冷拔使钢筋受到更强烈拉伸和挤压的作用,塑性变形更大,其屈服点可以提高,塑性和韧性降低更大,使其具有硬钢的性质。
上一页,下一页,返回,表-冷轧带肋钢筋技术性质,返回,.建筑钢材的技术标准及应用,()碳素钢丝。
将含碳量较高的优质碳素钢盘条筋,经酸洗、拔制或者回火处理制成,具有强度高(,)、柔性好、无接头、施工方便、安全可靠等特点,适用于大跨度屋架、吊车梁等大型构件及形折板配筋。
碳素钢丝由钢厂供货,成本较高。
上一页,返回,.钢材的质量控制,.钢材化学成分对钢性能的影响()碳。
碳是决定钢材性质的主要元素。
当含碳量低于时,随着含碳量的增加,钢的抗拉强度和硬度提高,而塑性、断面收缩率及韧性降低,同时还使钢的冷弯、焊接及抗腐蚀等性能降低,并增加钢的冷脆性和时效敏感性。
()磷、硫。
磷使钢强度、硬度提高,塑性和韧性降低,尤其增加钢的冷脆性,此外,还降低钢的其他性能。
硫使钢的焊接性能降低,焊接时易产生脆裂现象,称热脆性;硫的存在还使钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性及耐蚀性降低。
下一页,返回,.钢材的质量控制,()氧、氮。
氧、氮也是钢中的有害元素,氮使钢强度增加,但显著降低钢的塑性、韧性,以及冷弯性和可焊接性,增加时效敏感性;氧使钢的强度、塑性均降低,增加热脆性和时效敏感性。
()合金元素。
掺入合金元素锰和硅会提高钢的强度,锰还可以克服由硫、氧引起的热脆性;钒()、钛()、铌()都是有益的合金元素,能细化晶粒,使钢强度、韧性提高,而塑性和加工性稍有降低。
若考虑到不同元素对钢性质的影响并加以利用,则可以生产出多种低合金钢和合金钢。
.钢的锈蚀与防护钢的锈蚀,主要是受电化学腐蚀作用的结果。
上一页,下一页,返回,.钢材的质量控制,由于钢表面上晶体组织不同、杂质分布不均,以及受力变形、表面不平整等内在原因,若遇潮湿环境,就构成许多“微电池”,尤其在有充足空气条件下,就造成较严重的电化学腐蚀。
防止钢的锈蚀,在钢结构中,一方面选择质量好、表面缺陷少的钢材;同时,最根本的方法是防止潮湿和隔绝空气。
在钢筋混凝土中,防锈尤其是对预应力承重结构的防锈,首先也是严格控制钢筋、钢丝质量;其次,是采取提高混凝土密实度,适当加大保护层厚度,以及控制氯盐掺量,或者掺加亚硝酸盐等阻锈剂等措施,来防止钢筋锈蚀。
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