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建 筑 材 料,第八章 建筑钢材,扬州大学水利学院,第八章 建筑钢材,第一节 概 述 第二节 力学性能与工艺性能 第三节 铁碳合金的晶体结构 第四节 化学元素的影响 第五节 压延加工与热处理 第六节 建筑钢材的牌号与应用 第七节 腐蚀与防护,第一节 概 述,一、定义 钢铁材料:包括生铁和钢材,是应用最广,产量最大的金属材料,又称为黑色金属材料。 生铁:铁矿石在高炉内通过焦炭还原得到的铁碳合金,其含碳量大于2%,并含有较多Si、Mn、S、P等杂质。 生铁又分为炼钢生铁和铸造生铁(铸铁)。铸铁又分为可段铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。,第八章 第一节,第一节 概 述,一、定义 钢:将生铁在熔融状态下氧化,除去过多的碳和杂质,再经脱氧得到的以铁元素为主,含碳量在2%以下,并含有微量其他元素的材料。 建筑钢材:包括各种钢板、钢管,用于钢结构的型材(圆钢、角钢、槽钢、工字钢等)和用于钢筋混凝土的线材(钢筋、钢丝)等。,第八章 第一节,第一节 概 述,各类钢材,第八章 第一节,第一节 概 述,各类钢结构,第八章 第一节,第一节 概 述,各类钢结构,第八章 第一节,第一节 概 述,二、特点 纯铁质软,易加工,但强度低,几乎不能用于工业。 生铁抗拉强度低,塑性差,尤其是炼钢生铁硬而脆,不易加工,难以使用;铸铁虽然可加工,但冲击韧性差,使用范围有限。 钢材则强度高,韧性、塑性好,质量均匀,性能可靠,加工性好,应用极为广泛。但易锈蚀,高温时易丧失强度。,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 1. 按冶炼方法分: 空气转炉炼钢法:成本低,质量差 氧气转炉炼钢法:质量较好,常用方法 平炉炼钢法:质量好,成本较高,常用方法 电炉炼钢法:质量最好,成本高,多用于冶炼合金钢,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 2. 按脱氧程度分: 沸腾钢F:脱氧不充分。组织不致密,气泡多,化学成分偏析较严重,不均匀,质量较差,但成本低、产量高,故被广泛用于一般建筑工程。 半镇静钢b 镇静钢Z:脱氧充分,S含量低。组织致密,成分均匀,性能稳定,质量好,多用于重要结构、受冲击荷载结构或焊接结构。 特殊镇静钢TZ:彻底脱氧。质量最好,适用于特别重要的结构工程。,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 3. 按化学成分分: )碳素钢(非合金钢) 碳素钢的化学成分主要是铁,其次是碳,故也称铁碳合金。含碳量为0.02%2.06%。此外尚含极少量的Si、Mn和微量的S、P等元素。 低碳钢:C0.6。,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 3. 按化学成分分: 2)合金钢 在炼钢过程中,有意加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有: Si、Mn、V、Ti、Nb、 Al、Cr等。 低合金钢:合金元素总含量10%。,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 4. 按质量(有害杂质含量)分: 普通钢:S0.05%,P0.045% 优质钢: S0.035%,P0.035% 高级优质钢A:S0.025%,P0.025% 特级优质钢E:S0.015%,P0.025%,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 5. 按使用特性分: 结构钢:包括碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金高强度结构钢、合金结构钢等。其中碳素结构钢、低合金高强度结构钢是制作建筑钢材的常用品种。 工具钢:一般含碳量高,硬度高,便于热处理。主要用于制作钻头、刀具、磨具、钢钎等工具。 特殊性能钢 专门用途钢:有耐候钢NH、高耐候钢GNH或GNHL、桥梁用钢q、压力容器用钢R、低温压力容器用钢DR 、铁道用钢、船舶用钢等。,第八章 第一节,第一节 概 述,三、分类 6. 按加工工艺分: 压钢:用热轧、冷轧、冷拔等工艺制得的各种钢材,工程中应用最广泛。 锻钢:经捶打或锻压成型的钢材,锻打工艺可改善钢材组织结构,提高质量,用于重要结构。 铸钢:用钢液直接浇注成型的钢材,其化学成分可调节,机械性能高。但铸钢件必须进行热处理,消除内应力。,第八章 第一节,第一节 概 述,水压机,第八章 第一节,1962年,上海江南造船厂制造的1.2万吨压力的自由锻造水压机,是我国第一台万吨级水压机。 2006年12月30日,由中国一重自行设计制造的世界上吨位最大、技术最先进的15000吨重型自由锻造水压机试车成功。 2008年2月21日,由中国二重自主设计制造安装调试的目前世界最大自由锻160MN水压机,进入试生产。 到10月13日,成功锻制重量达到340t的超大型支承辊和直径达到5860mm的超大型滚圈。这台世界最大水压机不仅能够锻制600t超大型钢锭,而且锻件最大直径可达6500mm,投产后将能实现MkW核电低压转子锻件、重型核电容器锻件、超大型支承辊及其他大型锻件的国产化,极大提升我国重型装备制造业的制造能力,从而在国民经济建设和国防建设中发挥重要作用。,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 1. 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为屈服点、抗拉强度和伸长率。,第八章 第二节,低碳钢(软钢)的应力-应变图,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 1. 抗拉性能 抗拉性能的技术指标由拉力试验测定。 -曲线可分为四阶段:弹性阶段OB、屈服阶段BC、强化阶段CD、颈缩阶段DE。 各阶段对应的应力指标如下:,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 1. 抗拉性能 屈服强度s 当拉伸进入塑性变形的屈服阶段BC时,称屈服下限C下所对应的应力值为屈服强度或屈服点,记做s。 设计时一般以s作为强度取值的依据。 对屈服现象不明显的钢材,规定以0.2%残余变形时的应力作为屈服强度,记作0.2。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 1. 抗拉性能 极限强度b 最高点的应力值称为抗拉极限强度或强度,记作用b。 屈强比s/b 设计中极限强度虽然不能利用,屈强比愈小,反映钢材受力超过屈服点后的可靠性愈大,安全性愈高。但屈强比太小,则说明钢材不能被有效利用,浪费较多。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 1. 抗拉性能 伸长率 试件拉断后,标距部分的伸长量L,与原始标距L0的比值称为伸长率。 伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长量较大,故试件越短,则计算出的越大,即5应大于10。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 2. 硬度 硬度指材料抵抗外物压入其表面,产生塑性变形的能力。 硬度指标及反映了钢材的软硬程度,又可估算钢材的强度,还可检验钢材热处理效果。 一般情况下,硬度越高,强度越高,耐磨性越好,但脆性越大。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 2. 硬度 常用的硬度测定方法有两种: 布氏法的测定原理是利用直径为D(mm)的淬火钢球或合金球,以P(N)的荷载将其压入试件表面,经规定的持续时间后卸除荷载,得到直径为d(mm)的压痕,用荷除P以载压痕表面积F(mm2) ,即为试件的布氏硬度值HB,无单位。 洛氏法测定的原理与布氏法相似,但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值。洛氏法压痕很小,常用于判定工件的热处理效果。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 3. 冲击韧性 冲击韧性是指材料抵抗冲击荷载的能力。 钢材的冲击韧性指标是通过夏比(V形缺口标准试件)试验确定的。冲击韧性akv表示单位面积上所吸收的冲击功。akv值愈大,冲击韧性愈好。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 3. 冲击韧性 钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态,以及冶炼、轧制质量都比较敏感。例如P、S含量较高,存在偏析、非金属杂物和加工中形成微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。 冲击韧性还与试验温度有关。冲击韧性随温度的降低而下降,当试验温度低于某值时,冲击韧性会突然大幅度下降,材料发生脆性断裂,这种脆性称为钢材的冷脆性。 承受动荷载、负温的结构必须检验钢材的冲击韧性和冷脆性。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,一、力学性能 4. 耐疲劳性 在反复荷载作用下,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。 一般认为,钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的,因此,钢材的疲劳极限与其抗拉强度有关。一般抗拉强度高,其疲劳极限也较高。 由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的,故钢材的疲劳极限不仅与其内部组织有关,也和表面质量有关。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,二、工艺性能 1. 可焊性 指焊接后焊缝处的性质与母材性质的一致程度。 焊接过程中,由于高温和焊后的急速冷却,会使焊缝及附近的钢材发生组织构造变化,产生内应力、局部变形、变硬变脆,甚至产生微裂缝,降低了钢材质量。 影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。如含碳量超过0.3,可焊性显著下降;杂质及其他元素增加,可焊性下降;特别是硫S,会使焊缝处产生硬脆及热裂纹,称热脆性。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,二、工艺性能 2. 冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 试件按规定的弯曲角和弯心直径进行冷弯试验,试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层现象,即认为冷弯性能合格。 钢材中C、P含量较高或曾经经过不正常热处理,其冷弯性能往往不合格。,第八章 第二节,第二节 力学性能与工艺性能,二、工艺性能 2. 冷弯性能 钢材的冷弯性能和其伸长率一样,也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性,而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检验。 冷弯试验能揭示钢材内部组织的均匀性,以及存在内应力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中,这些缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映不出来。 在工程实践中,冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量的一种手段,能揭示焊件表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物等缺陷。,第八章 第二节,第三节 铁碳合金的晶体结构,一、纯铁的晶体组织 纯铁的晶体组织是形成铁碳合金的基础,对钢铁性能有一定影响。随温度不同,纯铁的晶体组织有两种晶格形式: 体心立方晶格-Fe:723以下时,铁原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点; 面心立方体晶格-Fe:9101390时,铁原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心。 -Fe比-Fe具有更好的塑性。,第八章 第三节,第三节 铁碳合金的晶体结构,二、铁碳合金的晶体组织 钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的,这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。 铁和碳两种元素可以不同的形态存在,这种形态称为晶体组织。 碳素钢在冷却过程中,其铁Fe和碳C有三种结合形式: 固溶体:Fe中固溶着微量的C或其他元素 化合物:Fe和C结合成化合物Fe3C 机械混合物:固溶体和化合物的混合物,第八章 第三节,第三节 铁碳合金的晶体结构,二、铁碳合金的晶体组织 三种形式的铁碳合金,在一定条件下能形成具有一定形态的聚合体,称为钢的金相组织,也称显微组织。 钢的基本组织主要有以下几种: 1)铁素体 固溶体 钢材中的铁素体为C在-Fe中的固溶体,由于-Fe晶格的原子间隙小,溶碳能力较差,故铁素体含C量很少,小于0.02%,因此铁素体的塑性、韧性很好,但强度、硬度很低。,第八章 第三节,第三节 铁碳合金的晶体结构,二、铁碳合金的晶体组织 2)奥氏体 固溶体 奥氏体为C在-Fe中的固溶体,-Fe溶碳能力较强,高温时含碳量可达2.06%,低温时也有0.8%。奥氏体的强度、硬度较高,塑性、韧性好,在高温下易于轧制成型。 3)渗碳体 化合物 含C量高达6.67%,晶体结构复杂,塑性差,性硬脆,抗拉强度低,但耐磨性好。,第八章 第三节,第三节 铁碳合金的晶体结构,二、铁碳合金的晶体组织 4)珠光体 机械混合物 珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物,含C量0.8%,较低,通常为层状结构,性能介于铁素体和渗碳体之间,塑性较好,强度、硬度较高。 5)莱氏体 机械混合物 当温度高于723时,莱氏体是奥氏体与渗碳体的机械混合物;当
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