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1、第二章,建筑钢材,土木工程材料,学习目标,通过本章的学习：,（,1,）,掌握钢材力学,性能的几个指标参,数：抗拉、冷弯、,冲击韧性、耐疲劳,和硬度等,；,（,2,）理解抗拉变形,过程中的几个阶段,和对应的应力指标；,（,3,）由抗拉曲线得,到钢材弹塑性评价,的几个指标参数；,（,4,）了解影响钢材,性能的化学成分因,素。,本章内容,2.1,建筑钢材基本知识,2.1.1,建筑钢材概述,2.1.2,钢的冶炼加工及其对钢,材质量的影响,2.1.3,钢的分类,2.1.4,钢材的加工,2.2,建筑钢材的主要技术性能,2.2.1,力学性能,2.2.2,工艺性能,2.3,建筑钢材的技术标准及应用,2.3.1
2、,碳素结构钢,2.3.2,优质碳素结构钢,2.3.3,低合金高强度结构钢,2.4,常用建筑钢材,超柔性,大跨度,高耸细长,复杂大悬空,原因之一：,船体钢板材料缺陷，造船工程师只考虑到要增加钢的强度没有,想到要增加其韧性。在“泰坦尼克号”沉没地点的水温中，发现了,钢材的冷,脆性,，即在,-40,0,的温度下，钢材的力学行为由,韧性变成脆性,，从而导致,灾难性的,脆性断裂,。,原因之二：连接船体各部分的固定铆钉，是用掺有矿渣的劣质金属制成的。,其中的矿渣含量竟然超过了标准钢材的,2,倍。根据冶金学理论，这种,过量的不,纯物质使得铆钉在剧烈的撞击过程中很容易发生断裂,。,经典案例：,凄美悲壮的浪漫故
3、事,-,“泰坦尼克号”沉没事故,2.2,建筑钢材的主要技术性能,2.2.1,建筑钢材的力学性能,?,标准试件,按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件，消除断部尺度,效应影响。,l,0,A,0,d,0,l,?,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,头部,头部,工作段,?,2.2.1.1,抗拉性能,?,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢）,?,一条曲线的故事：,应力,-,应变拉伸曲,线。,?,拉伸性能是建筑钢材,最重要,的性能。,从低碳钢的应力,-,应变关系中可看出，,低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶,段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段,和颈缩阶段。,?,通过对钢材进行抗拉试验所测得的
4、,弹性模量、屈服强度、抗拉强度和,伸长率,是钢材的四个重要技术性质,指标,。,?,E,式中：,材料的应变,;,材料的应力,;,E,材料的弹性模量,应力与应变,2.2,建筑钢材的主要技术性能,2.2.1,建筑钢材的力学性能,1.,应力：,物体由于外因（受力、湿,度、温度场变化等）而变形时，,在物体内各部分之间产生相互作,用的内力。,2.,应变：,用以描述一点处变形的程,度的,力学量,F,F,A,L,L,0,L,1,0,0,0,1,L,L,L,L,L,?,?,?,?,?,A,F,A,N,?,?,?,注：,1,）这种应力计算公式代表的是荷载作用界面平均应力，对于复杂界面或者孔洞,存在应力集中和分布不
5、均情况需计算局部应力分布；,2,）应变的这种计算同样是测试范围,L,0,的平均应变，可以直接从应力应变曲线得,到，对于均值连续几何形态统一规则适用性较好，否则需要用用引伸计等手段,测试局部应变。,?,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢）,1,）弹性阶段,OA,一条通过原点,的直线，应力与应变成正比。,弹性,?,弹性模量,E,值的大小反映了钢材抵抗,弹性变形的能力。,A,点对应,的应力。,:,p,?,?,?,?,tg,E,?,?,0,L,L,?,?,?,O,A,F,?,?,低碳钢受拉的应力应变图,p,?,E,1,E,2,?,图形的特点：,?,试件的特点：,?,计算的指标：,A,B,C,D,?,弹性
6、极限,?,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢）,2,）屈服阶段,AB,一条波动的曲,线，应力增加很小，而应变增加,很大。,所能承受的拉,力增加很小，而塑性变形迅速,增加，似乎钢材不能承受外力,屈服强度（也叫屈服点）,点对,应的应力,下,B,A,F,s,s,?,?,0,L,L,?,?,?,?,图形的特点：,?,试件的特点：,?,计算的指标：,O,A,F,?,?,低碳钢受拉的应力应变图,p,?,A,C,D,B,B,上,B,下,:,s,?,s,?,屈服。,?,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢）,B,B,上,B,下,A,弹塑性,塑性阶段,3,）强化阶段,BC,一段上升的曲线。,抵抗塑性变形的能力又重新,
7、提高,抗拉强度,:,b,?,A,F,b,b,?,?,?,图形的特点：,?,试件的特点：,?,计算的指标：,0,L,L,?,?,?,O,A,F,?,?,低碳钢受拉的应力应变图,p,?,A,C,D,B,B,上,B,下,s,?,b,?,C,点对应的应力。,强化。,?,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢）,4,）颈缩阶段,CD,一段下降的曲线。,变形迅速发展，在有杂质或,缺陷处，断面急剧缩小,，直到断裂。,伸长率,：,%,100,0,0,1,?,?,?,L,L,L,?,?,图形的特点：,?,试件的特点：,A,F,?,?,0,L,L,?,?,?,O,p,?,A,C,D,B,B,上,B,下,s,?,b,?,
8、L,1,L,0,?,计算的指标：,颈缩,?,2.2.1.1,抗拉性能（低碳钢）,1,）硬钢,-,高碳钢：,强度高，塑性差，拉伸过,程无明显屈服阶段，无法,直接测定屈服强度。用条,件屈服强度,0.2,来代替屈服,强度。,2,）条件屈服点,0.2,：,使硬钢产生残余变形达到,原始标距,0.2%,变形时的应,力作为规定屈服极限。,3,）代表性的材料：,预应力高强度钢筋和高强,钢丝。,o,A,0.2%,a,b,oa,总变形。,ba,弹性变形,99.8%,。,ob,塑性变形,0.2%,。,?,2.2.1.1,抗拉性能（高碳钢）,1,）杨氏模量：,E=,tan(,),杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的,
9、物理量,定义在胡克定律适用的范围内，,单轴应力和单轴形变之间的比。,2,）屈服强度,:,s,结构设计中钢材强度取值的依据,3,）抗拉强度,:,b,钢材所能承受的最大应力,屈强比,屈强比,，利用率,，安全可靠程度,4,）伸长率,:,衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑,性越好,b,s,?,?,?,b,s,?,?,%,100,0,0,1,?,?,?,L,L,L,?,A,F,?,?,0,L,L,?,?,?,O,p,?,A,C,D,B,B,上,B,下,s,?,b,?,s,?,b,?,b,?,s,?,?,2.2.1.2,钢材力学性能的评价指标,(1,）钢材的,p,和,s,越高，表示,钢材对小量塑性变形的
10、抵抗能力,越大,。因此，在不发生塑性变形的条件下，所能承受的应力,就越大。,p,与,b,差值越大的钢，说明超过屈服点后的强度储备,能力越大，,结构的安全性高,。,(2,）,屈强比,（,s,/,b,）钢材的屈服点（屈服强度）与抗拉强度,的比值，称为屈强比。它也代表了,钢材强度储备,的大小，屈,强比越大，结构零件的可靠性越高，屈强比越小，强度储备,大。但屈强比太小则钢筋强度的有效利用率低。一般碳素钢,屈强比为,0.6-0.65,，低合金结构钢为,0.65-0.75,合金结构钢为,0.84-0.86,。,评价钢材拉伸性能的指标,(3,）,伸,长,率,：,指,金,属,材,料,受,外,力,（拉力）作用断
11、裂时，试棒伸长的,长度与原来长度的百分比，伸长率,按试棒长度的不同分为：试棒的标,距等于,5,倍直径，短试棒求得的伸长,率，代号为,5,；试棒的标距等于,10,倍直径，长试棒求得的伸长率，代,号为,10,。,伸长率是钢材发生断裂时,所能承受的永久变形的能力。,试件的伸长率，,%,；,l,0,拉伸前的标距长度；,l,1,拉断后的标距长度；,l,0,拉伸前的标距长度；,l,1,拉断后的标距长度。,0,0,0,0,1,100,?,?,?,l,l,l,?,(4,）断面收缩率,：是试件断裂后，缩颈处横断面面积的最,大缩减量占横截面的百分率。在工程中钢材的,塑性指标通,常用伸长率和断面收缩率表示,。塑性是
12、指钢材在受力破坏,之前可以经受永久变形的能力，以,表示。,评价钢材拉伸性能的指标,?,2.2.1.2,冲击韧性,1,）定义：,钢材的冲击韧性,是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。,2,）冲击韧性实验：,当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开,V,型缺口，试样吸,收的能量等于重摆所作的功,W,。冲击韧性的大小用缺口处单位面积上所消,耗的功,k,来表示。,3,）,k,值影响因素：,试验温度,有些材料在常温时冲击韧性并不低。但,当试验温度低于某值时，,k,突然大幅度,下降，材料无明显塑性变形而发生脆性,断裂，这种性质称为钢材的,冷脆性,。,?,硫、磷含量高，存在化学偏析，,含非金属夹杂物
13、，焊接形成裂纹，,温度降低等，均会降低冲击韧性。,?,内部组织缺陷、冶金和轧制焊接,质量等关系大。,?,失效敏感性越大钢材，时效后冲,击韧性和强度降低迅速。,?,对于承受冲击荷载和振动荷载部,位的钢材，必须考虑冲击韧性。,?,2.2.1.2,冲击韧性,4,）影响冲击韧性的因素,注：泰坦尼克号沉没事故是钢材低温冷脆和杂质成分造,成脆性破坏所致。,钢板,冲击荷载,脆断,塑性变形,?,2.2.1.3,疲劳强度,1,）疲劳破坏,受交变荷载反复作用，钢材在应力低于,其屈服强度的情况下突然发生,脆性断裂,破坏,的现象。,2,）钢材的疲劳破坏一般是由,拉,应力,引起,首先在局部开始形成细小断裂，随后由,于微
14、裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩,大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。,3,）,疲劳破坏是在,低应力状态,下突然发,生的，所以危害极大，往往造成灾难性,的事故。,4,）疲劳影响因素,疲劳受内部组织和表面质量双重那个影,响。,钢材疲劳曲线示意图,1,）定义,：,硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能,力。是材料,弹性、塑性、变形强化率、强度和,韧性,等参数的综合指标。,2,）计算方法：,荷载,P,除以压痕表面积。,3,）测定方法：,布氏法、洛氏法和维氏法，常用方法是布氏法,和洛氏法。,4,）硬度影响因素：,材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相,关系，如：钢材的,HB,值与抗拉强度之间有较好,的相关
15、关系。,?,2.2.1.4,钢材的硬度,D,钢球直径,/mm,；,d,压痕直径,/mm,；,p,加在钢球上的实验力,/N,；,h,压痕深度,/mm,；,布氏法,冷弯性能,指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材,重要的工艺性能。,1),冷弯试验的指标,弯心直径,d,与,试件厚度（直径）,a,的比值,d/a,；,弯曲角度,（,90,或,180,）；,试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。,2),冷弯试验,更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存在内部组织不,均匀、内应力和夹杂物等缺陷。也反映钢材冶金质量和焊接质量。,?,2.2.1.5,钢材的冷弯性能,a,2,d,?,2.2.1.
16、5,钢材的冷弯性能,a,d,2,V,模具形弯曲装置,a,d,l,d,l,a,a,支辊式弯曲装置,虎钳式弯曲装置,滑块,耳轴,翻板,a,a,d,0,翻板式弯曲装置,钢筋类别,公称直径,（,mm,）,屈服强度,(MPa),抗拉强度,(MPa),伸长率,(%),冷,弯,低碳钢热轧圆盘条,Q215,/,215,375,27,d=0,冷弯,180,无,裂纹,d=,弯心直,a=,试样直径,Q235,/,235,410,23,d=0.5a,钢筋砼用热轧光圆钢筋,8,20,235,370,23,d=a,钢筋砼用热轧带肋钢,筋,HRB335,6,25,28,50,335,490,16,d=3a,d=4a,HRB
17、400,6,25,28,50,400,570,14,d=4a,d=5a,HRB500,6,25,28,50,500,630,12,d=6a,d=7a,冷带,肋钢筋,CRB550,/,/,550,8,d=3a,冷弯,180,无裂纹,CRB650,/,/,650,反复弯曲,4,次，无裂纹,注；,a=4,时，弯心半径,=10,；,a=5,时，弯心半径,=15,a=6,时，弯心半径,=15,CRB800,/,/,800,CRB970,/,/,970,CRB1170,/,/,1170,冷轧扭,钢筋,/,/,/,580,4.5,d=3a,冷弯,180,无裂纹,冷拔螺旋,钢筋,LX550,/,/,550,8
18、,d=3a,冷弯,180,无裂纹,LX650,/,/,650,4,d=4a,LX800,/,/,800,4,d=5a,拉伸强度及弯曲试验性能指标应符合各项要求,?,2.2.1.5,钢材的冷弯性能,?,2.2.1.6,钢材的焊接性能,1,）焊接,把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状,态，而牢固的连接起来。它是钢结构的主要连接形式。,2,）焊接性能：,是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附,近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，,焊接后钢材的力学性能，特,别是强度不低于原有钢材的强度,。,3,）影响因素,：钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。,4,）选择,焊接结构用钢，选含碳量较
19、低的氧气转炉或平炉镇静钢。对高,碳钢及合金钢，需要采用焊前预热及焊后热处理等措施。,（,1,）有益元素,1,）碳（,C,）。碳是形成钢材强度的主要成分，是钢材中除铁以外最,主要的元素。含碳量高，则,钢材强度高,，但同时,钢材的塑性、韧性、,冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降,。因此，建筑钢材对含碳量要,加以限制，一般,不应超过,0.22,，在焊接结构中还应低于,0.20,。,2,）硅（,Si,）。硅是,强脱氧剂,，是制作镇静钢的必要元素。,硅适量,时可提高钢材的强度而不显著影响其塑性、韧性、冷弯性能及可焊,性,。在碳素镇静钢中硅的含量为,0.12,0.3,，在低合金钢中为,0.2,0.55,。过
20、量时会恶化钢材的可焊性及抗锈蚀性。,3,）锰（,Mn,）。锰是有益元素，它能,显著提高钢材的强度而不过多,降低塑性和冲击韧性,。锰有,脱氧作用,，是,弱脱氧剂,。同时还可以,消,除硫引起的钢材热脆现象及改善冷脆倾向,。锰是低合金钢中的主要,合金元素，含量一般为,1.2,1.6,，过量时会降低钢材的可焊性。,4,）钒（,V,）。钒是钢中合金元素，能,提高钢材的强度和抗锈蚀性,，,又不显著降低塑性。,?,2.2.1.6,化学元素对钢材力学性能影响,（,2,）有害元素,1,）硫（,S,）是有害元素，属杂质。硫在钢材温度达到,800,1000,时生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，易出现裂缝，称为,热脆,。
21、硫,还会,降低钢材的冲击韧性、可焊性、疲劳强度及抗锈蚀能力,。因,此，对硫的含量必须严加控制，一般不超过,0.045,0.05,，,Q235,的,C,级与,D,级钢要求更严。,2,）磷（,P,）可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力，但却,严重降低钢,材的塑性、韧性和可焊性，特别是在温度较低时使钢材变脆,（,冷,脆,），既在低温条件下使钢材的塑性和韧性显著降低，钢材容易,脆裂。因而应严格控制其含量，一般不超过,0.045,。但采取适当,的冶金工艺处理，磷也可作为合金元素，含量在,0.05,0.12,之,间。,3,）氧（,O,）和氮（,N,）是有害元素，,氧能使钢材热脆,，其作用比,硫剧烈；,氮能使钢材冷脆,，与磷类似，故其含量应严格控制。由,于氧和氮在冶炼过程中容易逸出，一般不会超过极限含量，故不,作含量要求。,?,2.2.1.6,化学元素对钢材力学性能影响,谢谢大家！,请各位专家批评指正！,
