土木工程材料课件第七章.ppt

第七章建筑钢材 基本要求7.1概述7.2基本知识7.3技术性质7.4冷加工和时效7.5技术标准及选用目录 基本要求本章学时讲课3实验0.5主要内容建筑钢材的特点、分类及应用建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能 建筑钢材的冷加工及时效强化常用建筑钢材的标准及选用重点建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能常用建筑钢材的标准及选用Back基本要求 §7.1概述定义分类特点应用意义Back 指用于工程建设的各种钢材，包括：型钢钢板钢丝钢筋定义钢筋型钢钢板钢丝Back概述 分类金属材料有色金属黑色金属铜、铝及合金钢结构钢筋生铁(c>2.06%)按化学成分可分为:黑色金属和有色金属Back 优点比强度高塑性好、韧性好能承受冲击和振动荷载加工性好特点缺点易锈蚀维护费用大Back 建筑钢材可用于:大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房应用钢桥Back 建筑钢材是建筑中常用的材料钢材的品种多，性质差别大，为了掌握钢材的合理使用，应对钢材的生产、组成、性质和用途等知识有一定的了解。本章的重点是钢材的技术性质（主要是抗拉性能）、技术标准和选用。意义Back §7.2基本知识钢材的冶炼过程及其对钢材质量的影响冶炼原理炉种的影响分类按化学成份分按质量分按结构用途分Back 将熔融的生铁水或焦炭及铁矿石加入炼钢炉中精炼，使炭及其它杂质氧化而挥发或变成氧化物进入渣内，降低炭及其它杂质的含量。冶炼原理钢材的冶炼过程及其对钢材质量的影响Back 过程焦炭铁矿石生铁高炉熔融生铁精炼氧化还原钢铸锭钢锭建筑钢材图7.2.1钢材的冶炼过程 炉种的影响及氧化程度炉种的影响及氧化程度见表7.2.1和表7.2.2。表7.2.1炉种的影响炉型原料吹入气体冶炼时间钢材质量成本应用氧气转炉熔融铁水氧气15-30分钟好低优质碳素钢及合金钢平炉生铁、铁矿石等空气5-12小时好高同上及特殊用途的钢电炉废钢、生铁空气短最好高同上 冶炼中为除去杂质而进行的氧化部分铁不可避免的被氧化使钢锭内生成许多气泡降低了钢的质量为了使FeO和Fe2O3还原为Fe,在炼钢的后阶段必须脱氧。脱氧程度的影响 表7.2.2脱氧程度及钢材质量钢种脱氧程度冷却情况钢材质量沸腾钢不充分浇筑时有大量CO逸出差半镇静钢介于二者之间好镇静钢充分平静冷却，无CO逸出组织致密、成分均匀、机械性能好特殊镇静钢最充分最好Back 碳素钢低碳钢C<0.25%√中碳钢C=0.3～0.55%高碳钢C>0.6%合金钢低合金钢<5%√中合金钢=5～10%钢合金钢>10%按化学成分分类分类 表7.2.3碳素结构钢的化学成分（GB700—88）牌号等级化学成分%脱氧方法CMnSiSP≤Q1950.06~0.120.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.0450.045F、b、ZBQ235A0.14~0.220.30~0.650.300.0500.045F、b、ZB0.12~0.200.30~0.700.045C≤0.180.35-0.800.0400.040ZD≤0.170.0350.035TZQ255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045ZB0.045Q2750.20~0.380.50~0.800.350.0500.045Z 按质量分普通钢P≯0.045%,S≯0.055%优质钢P≯0.035-0.04%,S≯0.04%高级优质钢P≯0.025%,S≯0.025%分类按结构用途分结构钢各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢工具钢刀具、模具特殊钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢Back §7.3建筑钢材的技术性质拉伸性能低碳钢的应力－应变图强度塑性冲击韧性冷弯性能Back 工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中的钢材的基本性能有：机械性能拉伸性能冲击韧性疲劳强度工艺性能冷弯性能焊接性能Back 拉伸性能录像拉伸性能是建筑钢材的主要性能钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力—应变图来反映。屈服强度抗拉强度伸长率拉伸性能 低碳钢的应力应变图见图7.3.1σBCDAδσbσSUσPσSLε弹性阶段σ/ε=Eσp--弹性极限屈服阶段△ε＞△σ产生塑性变形B—上屈服点B′—下屈服点σs—屈服强度强化阶段：内部组织变化，恢复部分强度σb--抗拉强度颈缩阶段：过C点后，试件抵抗变形的能力下降，变形集中在某局部进行，产生颈缩破坏0图7.3.1低碳钢的应力应变图Back 定义屈服强度是指钢材开始丧失随变形的抵抗能力,并开始产生大量变形的能力。意义是弹性变形转变为塑性的转折点当外力超过屈服点时，产生不可恢复的变形，钢材内部的应力自动分配至低应力部位所以说，屈服点是确定钢结构容许应力值的依据屈服强度 公式屈服强度σs－屈服强度Fs－屈服应力Ao－试件截面积对屈服不明显的钢,规定以产生0.2%残余变形时的应力f02作为屈服强度σ02，见图7.2.3σε0.2%O图7.3.2低碳钢的应力应变图 定义σb是指钢材能承受的最大拉应力.意义当外力大于抗拉强度时，钢材完全丧失对变形的抵抗能力而断裂因此，在结构设计中不能应用拉伸强度 定义σs/σb反映了钢材的可利用率和安全性的大小意义屈强比对钢材的可利用率和安全性来说是重要的。(表7.3.1,图7.3.3)合理屈强比：碳素钢0.58—0.63低碳合金结构钢0.65—0.75屈强比（σs/σb） σbσs2σs1σε图7.3.3屈强比的意义Backσs/σb低σs/σb高可利用率小大安全性大小表7.3.1钢材的屈强比、可利用率及安全性之间的关系 指钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。定义塑性伸长率指标和公式δn—伸长率L0—the原标点间距L1—拉断后标点间距n=5dor10dd—钢筋直径δ5＞δ10d0L0L1图7.3.4伸长率的测定 断面收缩率Ψ—断面收缩率A0—原断面面积A1—拉断后断面面积指标和公式 指标和公式说明伸长率是表示钢材塑性变形能力的重要指标钢结构一般在弹性范围内工作但在应力集中处，应力可能超过屈服点,有一定的塑性变形因此可以保持应力重新分布，从而避免结构破坏Back 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力定义试验方法用摆锤打击有槽口的标准试件，直到试件破坏单位面积所消耗的功Back冲击韧性 Ak—试件破坏时的冲击功A—试件槽口处截面积公式Flash-冲击韧性试验冲击韧性 αk与温度有关(图7.3.5)温度较低时，发生脆性断裂的现象发生脆性断裂时的温度为脆性断裂温度温度较低时，冷脆性好冷脆性冲击韧性韧性断裂脆性断裂Tep：脆性临界温度范围TAk图7.3.5脆性断裂、韧性断裂及脆性临界温度范围 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力如果钢材承受弯曲变形的程度大，那么钢材的冷弯性好定义指标弯曲角度α及弯心直径/（钢板厚度或直径）(d/a)冷弯性能Back 试验以规定的α和d/a进行弯曲检查受弯部位如不裂纹、不起层或断裂，则为合格冷弯性能录像冷弯性能 冷弯是通过弯曲处的塑性变形来实现的，因此它也是反映钢材在静荷载下塑性的一个指标。在拉伸试验中，钢材试件的塑性变形则是局部不均匀变形.冷弯试验常常能反映钢材内部组织的均匀程度，存在内应力和夹杂物等缺陷因此可以用冷弯性来检查钢材的质量，如焊接质量说明Back冷弯性能 将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称之为冷拉钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度冷拉F图7.3.6冷拉示意图Back冷弯性能 将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉、而且受挤压以提高强度。每次冷拔断面缩小应为10%以下，可多次冷拔在这个过程中，强度可提高40-60%，效果好与冷拉冷拔Back冷弯性能 §7.4建筑钢材的冷加工与时效冷加工与时效的定义冷加工与时效强化原理冷加工与时效强化的意义Back 冷加工指在常温下对钢材进行冷拉、冷拔和冷轧处理冷加工强化钢材经冷加工后强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象时效经冷拉钢材随时间延长强度提高,塑性、韧性下降的现象叫做时效可分为两类：分为自然时效和人工时效Back定义 时效自然时效处理经冷拉的钢材在常温下存放15-20天其强度和硬度提高，塑性和韧性降低的现象人工时效处理经冷拉的钢材在加热至100-200℃，并保持一段时间这将使时效加速定义 时效敏感性因时效而导致性能改变的程度大，导致塑性、韧性降低。故动荷载重要结构，敏感性好。说明有些钢材即使没有经过冷加工处理，长时间过后也会出现时效，但不如冷加工后表现明显。Back定义 冷加工时效强化的原理由于钢材在加工时产生塑性变形所至，当晶体在外力作用下，在弹性阶段金属原子偏离平衡位置产生的变形，在外里去除后可以恢复---弹性变形；当外力继续增大，使晶格的歪曲程度超过弹性变形之后，晶格产生滑移，造成永久性变形。由于晶粒表面的畸变及滑动平面的细小碎屑，使晶体在该平面上继续滑动产生困难，抵抗变形的能力增大，因而屈服极限及硬度提高。由于塑性变形后钢材可能产生滑移的区域几乎均已滑动，因此塑性降低。原理Back 时效强化的原理在高温下固溶在α-Fe中的氮和氧的原子，在温度降低后溶解度下降，但未完全析出，在存放过程中逐渐析出并扩散到晶粒缺陷处，形成固体微粒，阻碍晶粒发生滑移，而提高了对塑性变形的抵抗能力。原理 σεOO1BD1CDC1K1K未冷拉屈服点B冷拉屈服点:σs变大塑性和韧性降低时效σs,σν变大塑性和韧性降低图7.4.1　冷加工和时效强化示意图 建筑钢材的冷加工与时效可提高强度，冷拉后屈服强度可提高20-30%，时效处理后还可使抗拉强度提高。可节约钢材20-30%。对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，为避免过大脆性，出现突然断裂，要求采用时效敏感小的钢材。意义Back §7.5建筑钢材的技术标准与选用钢结构用钢材碳素结构钢低合金高强度结构钢钢筋混凝土结构用钢材热轧钢筋冷轧带肋钢筋冷拉低碳钢丝Back 建筑钢材的技术标准与选用建筑钢材包括：型钢钢管钢板钢丝钢筋常用的钢材品种为：碳素钢与低合金钢二大类。Back 钢结构用钢材我国钢结构用的钢材主要有碳素结构钢低合金钢碳素结构钢指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧钢板、型钢等。现行国家标准为《碳素结构钢》（GB700-88）Back 牌号及其表示方法如flash中所示Q235-AF:屈服强度是235MPa,A级,沸腾钢钢结构用钢材 碳素结构钢的技术要求技术要求包括：化学成分力学性质冶炼方法交货状态表面质量下面重点介绍前两个性质。 化学成分各种不同牌号的碳素结构钢的化学成分应符合GB700-88的要求。 表7.5.1碳素结构钢的化学成分（GB700-88）牌号质量等级化学成分（%）CMnSiS不大于Q195—0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045Q215AB0.09～0.150.25～0.550.300.0500.0450.045Q235ABCD0.14～0.220.12～0.20≤0.18≤0.170.35～0.800.300.0500.0450.0400.0350.0450.0450.0400.035Q255AB0.18～0.280.40～0.700.300.0500.0450.045Q275—0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045 碳素结构钢的拉伸和冲击试验指标应符合下表规定：碳素结构钢的力学性能指标（GB700-88）力学性能冷弯试验碳素结构钢的冷弯试验指标（GB700-88） 表7.5.2碳素结构钢的力学性能（GB700—88）牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点(N/mm)抗拉强度σb(N/mm)伸长率（%）温度（℃）V型冲击功（纵向）J钢材厚度（直径）mm钢材厚度（直径）mm≤16＞16~40≤16＞16~40≥≥≥Q195—(195)(185)315~3903332——Q215AB215205335~4103130—20—27Q235ABCD235225375~4602625—20—-20—272727Q255AB255245410~5102423—20—27Q275—275265490~6102019—— Tab.7.5.3碳素结构钢抗弯试验指标(GB700-88)牌号试样方向冷弯试验B=2a180°钢材厚度（直径）（mm）60＞60~100＞100~200弯心直径dQ195纵横00.5a——Q215纵横0.5aa1.5a2a2a2.5aQ235纵横a1.5a2a2.5a2.5aaQ2552a3a3.5a－Q2753a2a4.5a－ 各类牌号钢材的性能牌号与性能的关系根据国家标准GB700-88的规定，碳素结构钢按屈服点分为五个牌号如表7.5.1和表7.5.2所示，当牌号增大时，钢材的含碳量提高，伸长率降低，冷弯性能也降低。质量等级：取决于钢材内有害杂质S、P的含量，钢材的质量与好，其焊接性能和低温抗冲击性能也提高。 各类牌号钢材的性能碳素结构钢的选用建筑钢结构中最常用的牌号为Q235(综合性能符合建筑工程的要求)。因为Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能满足一般钢结构用钢的要求。Q235的C级和D级钢，其S和P的含量低，所以主要作重要的焊接结构。尤其适用于低温条件下，受冲击荷载作用的焊接钢结构。 各类牌号钢材的性能碳素结构钢的选用Q195及Q215：强度低，但塑性和韧性好，易冷加工，在轧制、焊接加工成受冲击、偶然荷载等情况下，能保证安全使用。Q255及Q275：强度高，但塑性和韧性差，可焊接差，不易冷加工；可用作砼配筋和钢结构中的构件及螺栓（在机械零件及工具中常用之）。选用钢材，主要根据工程结构的重要性、荷载类型、焊接要求及使用环境温度等条件选择。Back 定义在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的结构钢。常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。牌号及其表示方法现行国家标准《低合金结构钢》（GB1591-94）共有5个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。低合金高强度结构钢Back 牌号由以下四部分组成(如flash所示)低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的化学组成(GB1591-94)如表7.5.4所示。低合金高强度结构钢的力学性能(GB1591-94)如表7.5.5所示。如表7.5.5所示，低合金钢的强度大大高于碳素结构钢，并且具有良好的塑性和韧性、耐磨性、耐蚀性及耐低温性也好于碳素钢，其生产工艺和成本都与碳素钢相近。 比采用碳素结构钢节省钢材，而且可以减轻自重，延长使用寿命，尤其适用于大跨度结构和桥梁工程等。低合金高强度结构钢 表7.5.4低合金高强度结构钢的化学成分（GB1591-94）牌号质量等级化学成分（%）C≤MnSiP≤S≤VNbTiAl≥Cr≤Ni≤Q295AB0.160.160.80～1.500.80～1.500.550.550.0450.0400.0450.0400.02～0.150.02～0.150.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.20—— 续表Q345ABCDE0.020.020.200.180.181.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.600.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.02～0.150.02～0.150.02～0.150.02～0.150.02～0.150.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.20——0.0150.0150.015 续表Q390ABCDE0.200.200.200.200.201.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.601.00～1.600.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.20——0.0150.0150.0150.300.300.300.300.300.700.700.700.700.70 续表Q420ABCDE0.200.200.200.200.201.00～1.701.00～1.701.00～1.701.00～1.701.00～1.700.550.550.550.550.550.0450.0400.0350.0300.0250.0450.0400.0350.0300.0250.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.200.02～0.20——0.0150.0150.0150.400.400.400.400.400.700.700.700.700.70Q460CDE0.200.200.201.00～1.701.00～1.701.00～1.700.550.550.550.0350.0300.0250.0350.0300.0250.02～0.200.02～0.200.02～0.200.015～0.0600.015～0.0600.015～0.0600.02～0.200.02～0.200.02～0.200.0150.0150.0150.700.700.700.700.700.70 表7.5.5低合金高强度结构钢的力学性能（GB1591-94）牌号质量等级拉伸试验180°弯曲试验d=弯心直径a=试验厚度（直径）屈服点(MPa)抗拉强度σbMpa伸长率δ5%冲击功（纵向）（J）厚度（直径、边长）mm≤15＞16~35+20℃0℃钢材厚度(直径)（mm）≥≥≤16＞16~100Q295AB295295275275390~570390~570232334d=2ad=2ad=3ad=3a Q345ABCDE345345345345345325325325325325470~630470~630470~630470~630470~63021212222223434d=2ad=2ad=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ390ABCDE390390390390390370370370370370490~650490~650490~650490~650490~65019192020203434d=2ad=2ad=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3a续表 Q420ABCDE420420420420420380380380380380520~680520~680520~680520~680520~68018181919193434d=2ad=2ad=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3ad=3ad=3aQ460CDE460460460420420420550~720550~720550~72017171734d=2ad=2ad=2ad=3ad=3ad=3a续表 钢筋混凝土结构用钢材可以分为：热轧钢筋冷拉钢筋冷拔低碳钢丝钢绞线Back 包括热轧光圆钢筋(Tab.7.5.6)及热轧变形钢筋。热轧钢筋按屈服强度及抗拉强度分为四个等级。其品种、牌号、力学性能及其应用见下表7.5.7。热轧钢筋Back 表7.5.6建筑用低碳热轧圆盘条力学性能及工艺性能牌号力学性能冷弯试验180℃d＝弯心直径a＝试样直径σs（MPa）σb（MPa）δ10（％）≥Q215Q2352152353754102723d＝0d＝0.5a Tab.7.5.7热轧钢筋力学性能及工艺性能表（GB/T701-1997、GB1499-1998）牌号公称直径（mm）屈服强度σs（MPa）抗拉强度σb（MPa）伸长率δ5(%)冷弯试验180℃d＝弯心直径a＝试样直径≥HRB3356～2528～5033549016d＝3ad＝4aHRB4006～2528～5040057014d＝4ad＝5aHRB5006～2528～5050063012d＝6ad＝7a 应用HRB335和HRB400主要用于非预应力和预应力混凝土。HRB500主要用于预应力混凝土。Back 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋主要力学性能和工艺性能如表7.5.8所示。Back级别代号抗拉强度σb(MPa)不小于伸长率不小于(%)冷弯180°D－弯心直径d－钢筋公称直径应力松驰σcom=0.7σb反复弯曲次数δ10δ1001000h≮(%)10h≮(%)CRB550CRB650CRB800CRB970CRB127055065080097011708－－－－－4444D=3dD=3dD=3dD=3dD=3d－8888－5555－3333表7.5.8冷轧带肋钢筋主要力学性能和工艺性能 级别代号抗拉强度σb(MPa)不小于伸长率不小于(%)冷弯180°D－弯心直径d－钢筋公称直径应力松驰σcom=0.7σb反复弯曲次数δ10δ1001000h≮(%)10h≮(%)CRB550CRB650CRB800CRB970CRB127055065080097011708－－－－－4444D=3dD=3dD=3dD=3dD=3d－8888－5555－3333表7.5.8冷轧带肋钢筋主要力学性能和工艺性能Back 这是一类冷加工钢筋。将直径为6.5-8㎜的碳素结构钢的Q235或Q215盘条，通过拔丝机进行多次冷拔而成。冷拔低碳钢丝分为甲、乙两级。甲级冷拔钢丝主要用作预应力筋；乙级冷拔钢丝可用作普通钢筋（非预应力筋），也可用于焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋等。冷拔低碳钢丝的力学性能要求见下表7.5.9。冷拔低碳钢丝Back Tab.7.5.9冷拔低碳钢丝的力学性能(GBJ204-83)钢丝级别直径mm抗拉强度N/mm2（Kgf/cm2）伸长率（标距100mm）（%）反复弯曲(180°)应用ⅠⅡ≥甲级54650（65）700（70）600（60）650（65）32.54预应力筋乙级3～5550（55）24非预应力筋 Chapter7THEEND