土木工程材料 Building Materials （3） 第6章 建筑钢材 问题 体系 第一节 钢材的冶炼与分类 第二节 建筑钢材的化学组分与金相结构 第三节 建筑钢材的力学性能 第四节 钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接 第五节 建筑钢材的标准与选用 第六节 建筑钢材的锈蚀及防止 问题一：实际问题 1、15MnV表示什么？Q295-B、Q345-E属 于何种结构钢？ 2、钢筋混凝土用钢的主要种类、等级及使 用范围？ 问题一：理论问题 1、钢材中的化学元素主要有哪些？各对钢 材性能有何影响？ 2、钢材的热处理工艺有哪几种？各对钢材 的性能有何影响？ 3、低碳钢的应力应变图中各参数意义？ 4、钢材锈蚀的原因、主要类型及防锈措施 ？ 第一节 钢材的冶炼与分类 1、钢的冶炼 炼铁：焦炭氧化铁 铁 炼钢：铁中的杂质被氧化除去 钢 氧气转炉炼钢、平炉炼钢、电炉炼钢； 沸腾钢、镇静钢、半镇静钢； 元素成分：碳、硅、锰、磷、硫、氮、氧、氢； 钢的基本组成：固溶体、化合物、机械混合物。 第一节 钢材的冶炼与分类 炼钢的原理：是把熔融的生铁进行氧化 ，使碳的含量降低到预定范围，其它杂 质含量也降低到允许范围之内。 常用的炼钢方法有空气转炉法、氧气转 炉法、平炉法和电炉法等。 建筑用钢材主要是上述前三种方法冶炼 。 第一节 钢材的冶炼与分类 空气转炉钢的特点：用吹入铁液的空气 将碳和杂质氧化。由于吹炼中较易吸收 有害气体氮、氢等，以及冶炼时间短， 不宜准确控制成分，故其质量较差。 氧气转炉钢的特点：是利用纯氧进行吹 炼，此法能有效地去除磷和硫，钢中所 含气体很低，非金属杂质也较少，故质 量较好。 第一节 钢材的冶炼与分类 平炉钢的特点：是以煤气或重油作染料，原料 为铁液（或固体生铁）、废钢铁和适量的铁矿 石，利用空气中的氧和铁矿石中的氧使杂质氧 化。平炉钢的冶炼时间长，有足够的时间调整 、控制其成分；去除杂质和气体也较净，故质 量较好。 建筑钢材主要是经热轧（热变形加工）制成并 按照热轧状态供应的。热轧可使钢坯中大部分 气孔焊合，晶粒破碎细化，故钢材质量提高。 第一节 钢材的冶炼与分类 2、分类 冶炼和化学成分对性能的影响。 第一节 钢材的冶炼与分类 （1）按化学成分分类 （i）碳素钢：碳1.35%，锰 1.2，硅 0.4%，还含有少量磷、硫、氧、氮等对 钢材性能产生不利影响杂质。 低碳钢：含碳量0.6。 第一节 钢材的冶炼与分类 （ii）合金钢：在碳钢的基础上，加入一种或多 种合金元素（超过碳素钢限量的化学元素如锰 、硅、钒、钛等）得到合金钢。合金元素的作 用是改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性 能。 低合金钢：合金元素总量10。 第一节 钢材的冶炼与分类 （2）按照有害杂质含量分类 主要按硫磷含量，将非合金钢和低合金钢 分为： 普通钢 优质钢 高级优质钢 （3）按照用途分类 结构钢 工具钢 特殊性能钢 第一节 钢材的冶炼与分类 建筑上所用的主要是碳素结构钢中的低碳钢和普通钢 的低合金结构钢。 （4）按照脱氧程度的不同分类 沸腾钢：脱氧不充分，故浇注后在钢液冷却时有大量 一氧化碳气体外逸，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。 沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重，钢的 致密程度较差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差。 镇静钢 半镇静钢 第二节 钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 一、建筑钢材的金相组织及其对性能的影响 （1）各向同性：建筑钢材是晶体材料，（体心 立方晶格示意图7-8，下页）就每个晶粒而言， 其性质是各向不同的，但由于许多晶粒是不规 则聚集的，故建筑钢材是各向同性的。（晶粒 聚集示意图7-7，下页） （2）变形能力：铁晶格中容易导致滑移的面 是比较多的，这是建筑钢材变形能力较大的原 因。（晶格滑移面示意图7-9，下页） 第二节 钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 第二节 钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 （3）缺陷是建筑钢材实际强度远远低于理论强 度的原因。三种缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺 陷（各种缺陷插图7-10）。 （4）合金元素能使晶粒细化，增加滑移阻力、 提高强度，是提高钢材综合性能的重要途径。 （5）固溶强化：铁晶格中可溶入其它元素， 如碳、锰、硅、氮等，形成固溶体。形成固溶 体会使晶格畸变，因而强度提高，塑性和韧性 则降低，生产中常利用合金元素形成固溶体以 提高钢材强度，称为固溶强化。 第二节钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 （6）建筑钢材是基本成分是铁与碳，碳原子和 铁原子之间的结合方式有三种基本方式：固溶 体、化合物和机械混合物。由于结合方式不同 ，碳素钢在常温下形成基本的组织有铁素体、 渗碳体和珠光体。 （7）铁素体：是碳溶于铁晶格中的固溶体， 铁素体晶格原子间的空隙小，其溶碳能力很低 ，室温下仅能溶入小于0.005的碳。由于溶碳 少而且晶格滑移面较多，故其强度低，塑性好 。 第二节钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 （8）渗碳体：是铁与碳的化合物，分子式为 Fe3C，含碳量为6.67。它的晶体结构复杂， 性质脆硬，是碳钢中的主要强化成分。 （9）珠光体：是铁素体和渗碳体相间形成的层 状机械混合物。其层状可认为是铁素体基体上 的分布着硬脆的渗碳体片。珠光体的性能介于 铁素体和渗碳体之间。 第二节钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 二、钢的化学成分对钢材性能的影响 （1）碳：建筑钢材含碳量不大于0.8， 当含碳量提高，钢中的珠光体随之增多 ，故强度和硬度相应提高，而塑性和韧 性则相应降低。（图6-2） （2）硅：硅在钢中除少量呈非金属夹杂物 外，大部分溶于铁素体中。当含量较低 （小于1）时，可提高钢材的强度，对 塑性和韧性影响不明显。 第二节钢材的组织、化学成分及其对 钢材性能的影响 （3）锰：锰溶于铁素体中。锰能消减硫和 氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性 质改善。溶于铁素体中的锰，可提高钢 材的强度。 第三节钢材的组织、化学成分及 其对钢材性能的影响（略） （4）磷：是碳钢中的有害杂质。主要溶于铁素 体起强化作用。含量高，钢材的强度提高，塑 性和韧性下降。特别是温度愈低，对塑性和韧 性的影响愈大。磷在钢中的偏析倾向强烈，一 般认为，磷的偏析富集，使铁素体晶格产生严 重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因。磷使 钢材变脆、可焊性显著降低。可提高钢的耐磨 性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其它元素作 为合金元素使用。 （5）其它有害杂质：硫、氧、氮。 第三节 建筑钢材的力学性能 一、抗拉性能 二、冷弯性能 三、冲击韧性 四、硬度 五、耐疲劳性 第三节 建筑钢材的力学性能 一、抗拉性能 1、低碳钢受拉的应力应变图（下页） 弹性阶段（OA） 屈服阶段（A B） 强化阶段（B C） 颈缩阶段（C D） 万能试验机 第三节 建筑钢材的力学性能 一、抗拉性能 弹性阶段（OA）特征：应力消除后，变形 也消失。弹性、弹性极限P.。 屈服阶段（A B）特征：应力几乎不变，变 形迅速增加。下屈服点sL、上屈服点SU。 设计的强度取值依据。 强化阶段（B C）特征：变形随应力增加而 增加。抗拉强度。屈强比SU.。 颈缩阶段（C D）特征：应力下降，变形迅 速增加，直径缩小。伸长率。 伸长率计算公式： 伸长率与标距的关系（5 与10 ）（下页） 第三节 建筑钢材的力学性能 一、抗拉性能 伸长率与标距的关系（5 与10 ）： 第三节 建筑钢材的力学性能 一、抗拉性能 硬钢的屈服点0.2 第三节 建筑钢材的力学性能 一、抗拉性能 第三节 建筑钢材的力学性能 二、冷弯性能 概念：承受弯曲变 形的能力。 冷弯角和弯心直径 ，图6-6。 第三节 建筑钢材的力学性能 三、冲击韧性 概念：承受冲击荷载 的能力。 试验：图6-7。 影响因素：温度、时 间、加工条件。 冲击韧性试验设备 第三节 建筑钢材的力学性能 四、硬度 概念：表面局部抵 抗外物压入产生塑 性变形的能力。 测定方法：布氏法 、洛氏法和维氏法 。 布氏法：示意图。 第三节 建筑钢材的力学性能 五、耐疲劳性 概念：在交变应力作用下的结构构件， 钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生 断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。 疲劳极限：是指疲劳试验中试件在交变 应力作用下，于规定的周期内不发生断 裂所能承受的最大应力。 设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的 结构时，应当了解所用钢材的疲劳极限 。 第三节 建筑钢材的力学性能 五、耐疲劳性 测定疲劳极限时，应当根据结构使用条 件确定采用的应力循环类型、应力比值 （最小和最大应力之比）和周期基数。 第四节 钢材的冷加工及时效强 化、热处理和焊接 一、钢材的冷加工及时效强化 二、钢材的热处理 三、钢材的焊接 第四节 钢材的冷加工及时效强化 、热处理和焊接 南通装配式建筑（2010 年9月报道）：解决了建 筑工业化和抗震问题。 一周时间可建成。 装配式建筑需要工厂化 生产预制构件。 预制构件更需要钢材的 冷加工、热处理和焊接 。 一、钢材的冷加工及时效强化 冷加工强化处理：冷拉、冷拔或冷轧，使产生 塑性变形，从而提高屈服强度。 冷加工强化的原因：钢材在塑性变形中晶格的 缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格进 一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服强度 提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生 内应力，故钢材的弹性模量降低。 一、钢材的冷加工及时效强化 意义：工地和预制构建厂常利用这一原理，对钢筋和 盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强 度节约钢材。 时效：将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520天；或 加热到100200 并保持一定时间。这个过程称为 时效处理，前者称为自然时效，后者称为人工时效。 时效效果：冷加工后再经时效处理的钢筋，其屈服点 进一步提高，抗拉强度稍有增长，塑性进一步降低。 由于时效过程中内应力的消减，故弹性模量可基本恢 复。 冷加工时效强化的概念示意图6-9。 一、钢材的冷加工及时效强化 一、钢材的冷加工及时效强化 时效强化的原因：主要是溶于铁晶格中的 碳、氮原子有向缺陷移动集中甚至呈碳化物或 氮化物析出的倾向。当钢材在冷加工塑性变形 后，或者在使用中受到反复振动，则碳、氮原 子的移动、集中可大大加快，这将造成缺陷处 碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，因而强度 提高，塑性和韧性降低。 强度较高的钢材对自然时效几天无反应，必须 进行人工时效。 二、钢材的热处理（略） 热处理概念：是将钢材按一定规则加热、保温 和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的 一种工艺过程。热处理的方法有退火、正火、 淬火和回火。一般在生产厂进行。 退火：有低温退火和完全退火等。 低温退火：加热温度在相变以下，即铁素体等 基本组织转变温度以下。其目的是利用加温使 原子活跃，从而使加工中产生的缺陷减少，晶 格畸变减轻和内应力基本消除。 二、钢材的热处理（略） 完全退火：加热温度为8000C8500C，高于基 本组织转变温度，经保温以后适当速度缓冷， 从而达到改变组织并改善性能的目的。 淬火或回火：通常是两道相连的处理过程。 淬火：加热温度在基本组织转变温度以上，保 温使组织完全转变，即投入选定的冷却介质（ 如水或矿物油）中急冷，使转变为不稳定的组 织，淬火即完结。随后进行回火。 二、钢材的热处理（略） 回火：加热温度在转变温度以下（150 6500C内选定）。保温后，按一定速度冷 却至室温。其目的是：促进不稳定组织 转变为需要的组织；消除淬火产生的内 应力。 三、钢材的焊接（略） 概念：焊接联结是钢结构的主要联结