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第 八 章,钢材与铝合金,本 章 内 容,1、钢材的基本知识:铁和钢的概念。钢的分类。钢的冶炼和脱氧及其对钢质量的影响。 2、钢材的主要技术性质: 力学性质 工艺性能。 3、钢材的晶体组织与化学成分及其对钢性能的影响: 4、钢材的冷加工和热处理: 钢材的加工强化和时效处理 钢材的热处理。 5、建筑钢材的技术标准及选用: 碳素结构钢 低合金结构钢 钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。 6、建筑钢材的防锈:钢的锈蚀、钢材防锈的要点,第 一 节,钢的生产、分类与晶体组织,钢的冶炼方法简介,按照炼钢炉的种类,炼钢方法可分为: 1. 空气转炉炼钢法 一般炼制普通碳素钢。 2 .氧气转炉炼钢法 炼制优质碳素钢和合金钢。 3 .平炉炼钢法 用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。 4.电炉炼钢法,白口铁,液态生铁,吹入空气或氧气,钢,浇注成钢锭,脱 氧,钢的分类,1.按冶炼方法分 2.按质量分 按S和P元素含量,分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。,钢,转炉钢,沸腾钢,电炉钢,平炉钢,按冶炼方法分,按脱氧程度分,半镇静钢,镇静钢,特殊镇静钢,按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢,钢的分类,3.按化学成分 4.按用途分 分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢(如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。,钢,中碳钢,低合金钢,高碳钢,低碳钢,碳素钢,合金钢,中合金钢,高合金钢,C0.25%,C=0.25%0.60,C0.60,合金总含量5%,5%10,10,一、钢的生产,钢:铁碳合金,铁Fe为主要元素: 碳C含量2.11, 杂质元素:Mn、Si、S、P、H、O、N等,含量少。 生铁:铁碳合金,C含量高,约为2.116.69,并含较多杂质的。,生铁中的碳氧化,降低含C量,除去杂质元素,降低其含量,(一)冶炼,根据炼钢设备的不同,炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法:,三种主要炼钢方法的特点,炉种 原料 特 点 生产钢种,(二)脱氧与铸锭,沸腾钢: 碳、磷、硫等成分偏析严重,钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F) 半镇静钢: 脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B) 镇静钢: 脱氧充分,成分均匀纯净、杂质少、组织致密;冷脆性和时效敏感性较低,疲劳强度和可焊性较好。(Z) 特殊镇静钢: 脱氧很充分,晶粒细化,质量与性能比镇静钢更好。(TZ),问题:钢材的脱氧程度对钢材质量的影响?,答:脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO,在钢材铸锭时,碳与FeO反应生成CO气泡,并有一部分残留在钢中,造成微裂缝和成分偏析,降低致密性、强度和可焊性,低温下的韧性变差,冷脆性和时效敏感性增大等。 脱氧程度排序: 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢 钢材性能与质量排序: 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢,(三) 热加工,热加工:是在再结晶温度以上进行的压力加工,常用锻造、热压、扎制等多种方式。 热加工的作用:使内部气泡焊合,酥松结构致密,晶粒细化。 热加工效果:提高钢材的强度、塑性和质量。,问题:土木工程中常用的钢材有哪些?,答:土木工程中,使用的 主要钢种:碳素结构钢; 优质碳素结构钢 低合金结构钢; 常用钢材:钢结构用型钢 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。,第二节 建筑钢材的技术性能,钢材的力学性质 钢材的工艺性能,一、钢材的力学性质,钢材的力学性能,即是指钢材在外力(载荷)作用时表现出来的性能,包括:强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。,拉伸,压缩,弯曲,剪切,扭转,荷载形式,(一) 钢材力学性能特点,塑 性,钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率() 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 = (L1L0)/ L0 100% 断面收缩率() 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 = (F0F1)/ F0 100% 伸长率和断面收缩率的值越大,钢材的塑性越大,n=(L1-L0)/L0100%,=(F0-F1)/F0100%,拉伸试验机与样品的安装,卸荷后,永久变形,问题: 钢材的伸长率与钢材中的含碳量有何关系?,答: 伸长率反映钢材的塑性,伸长率越大,塑性越好。 钢材的塑性随着含碳量增加而变差,因此,钢材的伸长率随着含碳量增加而减小。,(二) 强 度,钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度,钢材的强度用拉伸试验测定。强度指标根据其变形特点分下列几个: 弹性极限(e) 表示钢材保持弹性变形, 不产生塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。 屈服强度( s) 表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力,是钢结构设计的依据。 条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢,则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。,低碳钢拉伸试验 -重要的材料性能:,钢材的拉伸试验曲线,问题:屈服现象的特征是什么?,答: 其特征是:钢材拉伸试验过程中,应力不增加而塑性变形不断增加。,问题: 钢材拉伸应力应变曲线中p和e的意义?它们与钢材中含碳量的关系?,答: p和e分别表示钢材拉伸过程中的塑性变形和弹性变形,当p较小时,钢材呈脆性断裂;当p较大时,钢材呈韧性断裂。 因此,钢材的含碳量越大, p越小,钢材脆性越大;反之亦然。,问题: 什么是屈强比,对选用钢材有何意义?,答:屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标,二者之比称为屈强比s /b。 在应用中,s /b愈小,则反映钢材的可靠性愈大,结构的安全性愈高。 但这个比值过小,则钢材的利用率低,不够经济;若屈强比较大,虽然钢材的利用率较大,但强度的储备过小,脆断倾向较大,不够安全。因此,屈强比最好在0.600.75,既安全又经济。,(三) 冲击韧性,钢材抵抗冲击(动)荷载作用的能力,称为冲击韧性,采用夏比V形缺口试件,用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。 测得试样冲击吸收功,用符号 Ak(J) 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0, 即得到材料的冲击韧度 ak。 ak (J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多,钢材的冲击韧性越好。 随温度降低,钢材由韧性断裂转变为脆性断裂,使冲击值降低的现象称为冷脆性,与之对应的温度称为冷脆转变温度。,冲击试验: 测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。 再测量试件断裂面积。,摆锤,试件,H0,H1,问题: 钢材的冲击韧性的影响因素?,答:钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感,因此,冲击韧性主要受下列因素影响: 钢中的S、P等有害杂质含量; 成分偏析程度; 轧制与焊接质量; 钢的加工硬化与时效; 环境温度等。,(四) 硬度,钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度,即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。,洛氏硬度测量原理图,布氏硬度测量原理图,(五)疲劳强度,在交变应力(动荷载)作用下,虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点,但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程,称为疲劳破坏。 材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。 钢材承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限次周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度),用-1 表示。,问题: 钢材的疲劳破坏过程怎样?其疲劳强度与哪些因素有关?,答:疲劳破坏过程包括再交变应力作用下,疲劳裂缝的产生扩展突然断裂。 其主要影响因素有: 内部缺陷(晶界、微孔、夹杂物等); 成分偏析; 过大的内应力,截面沿纵向的突变; 表面状态; 受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。,二、钢材的工艺性能,冷弯性能 可焊性 切削切工性能 锻造性能 热处理工艺性能,(一) 冷弯性能,1、定义:常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力,衡量钢材的冷塑性变形能力; 2、评价指标:用不同弯曲角度和不同弯心半径d相对于钢材厚度a的比值(d/a)表示; 3、试验方法:按一定的角与d/a值进行冷弯,试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。,钢材的冷弯试验,(二) 可焊性,1、定义:钢材在焊接后,焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能; 2、测量:将焊接的钢材试件进行拉伸试验,要求断裂处不在焊接点上。 3、影响因素: 化学成分(含碳量、S、P和气体杂质); 冶炼质量(镇静钢) 冷加工等。,合格,不合格,钢材的可焊性试验,三、加工硬化与时效对钢材性质的影响,1、冷加工处理 2、时效处理,1、冷加工处理,将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工,如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。 由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化,或形变硬化。 冷加工硬化原理: 钢材加工至塑性变形后,由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移,使滑移面下的晶粒破碎,经格歪扭,构成滑移面的凹凸不平,从而给使用中的变形造成附加阻力,提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。 加工硬化的效果: 屈服强度提高 塑性和韧性降低 可焊形变坏 硬脆倾向增加等。,钢材的重复拉伸,问题: 直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗?为什么?,答:不能。 因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低,可焊性变差,增加了焊接后的硬脆倾向,为了防止钢结构发生突然的脆性断裂,所以不能采用。,2、时效处理,将经过冷加工的钢筋,在常温下存放1520天,或在100120C保持一定时间,其强度进一步提高,弹性模量基本恢复,这个过程称为时效处理。 时效硬化原理: 由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子,随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出,形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上,阻碍晶粒的滑移,增加抵抗塑性变形的能力,从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。,时效处理,钢材产生实效的难易程度称为时效敏感性,用时效敏感系数表示: C值越大,时效敏感性越大。 为了尽快取得强化效果,可将冷拉过的钢筋加热到100200C保持2小时,以加速时效的发展,这种方法称为人工实效。 实际意义:承受动载或处于中温的钢结构,要求钢材具有较小的时效敏感性。但对于建筑上用的钢筋来说,可提高其屈服强度。,第四节 建筑钢材的标准与选用,建筑钢材主要有三大类:,钢结构用钢; 钢筋混凝土结构用钢; 其它用途用钢。,一、钢结构用钢,钢结构用钢有: 碳素结构钢 优质结构钢 低合金结构钢,(一) 碳素结构钢,1、钢的牌号: 根据国标GB700-1988,碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号,每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。 牌号的顺序:屈服强度字母Q、屈服强度数值、 质量等级(A、B、C、D)、 脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)。 例如:Q235AF,表示屈服强度为235MPa,A级沸腾(F)碳素结构钢。 2、钢牌号与性能的关系 钢牌号越大,钢的含碳量增加,强度与硬度增高,塑性和韧性降低,可焊性变差。,碳素结构钢,3、选用原则:应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。 例如: Q195和Q215号钢强度较低,塑性和韧性较大,易弯加工,可用于钢钉、螺栓等。 Q235A使用于承受静载作用的钢结构; Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构; Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构; Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构。 Q255和Q275强度较高,塑性和韧性较差,主要用于机械零件等,思考题: 1、碳素结构钢的牌号如何组成? 2、
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