§ 8 金属材料 _ 建筑钢材

1. 制作人—依巴丹 §8金属材料_建筑钢材

2. 钢材的特点及其在建筑工程中的应用 • 钢材是土木工程中使用量最大的金属材料， • 包括用于钢结构工程中的各种型钢（如角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和用于钢筋混凝土结构工程中的各种钢筋及钢丝。

3. §8 金属材料_建筑钢材 • 第一节 钢的冶炼和分类 • 第二节 建筑钢材的主要性能 • 第三节 建筑钢材的技术标准及选用 • 第四节 钢筋混凝土用钢材

4. 优点： （1）质量均匀，性能可靠 • （2）强度、硬度高 • （3）塑性、韧性好 • 缺点： （1）易锈蚀 • （2）维修费用高 • （3）耐火性差

5. （一）钢材的特点 • 1、钢材的优点： • （1）良好的力学性能：抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度都很高，具有一定的塑性和韧性，常温下能承受较大的冲击和振动荷载； • （2）良好的加工性能：可以铸造、锻压、焊接、铆接或螺栓连接，便是装配等。 • 2、钢材的缺点：易锈蚀，维修费用大，耐火性差。

6. （二）钢材的应用 • 1、建筑上由各种型钢组成的钢结构安全性大，自重较轻，适用于大跨度和高层结构。 • 2、钢筋与混凝土组成的钢筋混凝土结构，虽然自重大，但节省钢材，同时由于混凝土的保护作用，很大程度上克服和钢材易锈蚀、维修费用高的缺点。

7. 第一节 钢的冶炼和分类 • 一、钢的冶炼 • 钢是由生铁冶炼而成。生铁中碳的含量为2.06％～6.67％，磷、硫等杂质的含量也较高。生铁硬而脆、无塑性和韧性、不能进行焊接、锻造、轧制等加工。

8. 炼钢的原理： • 冶炼 • 生铁钢材 • 氧化，将碳和其它杂质的含 • 量的含量降低到允许范围

9. （一）钢的冶炼方法 • 转炉炼钢法 • 平炉炼钢法 • 电炉炼钢法

10. （二）脱氧处理 • 1、为什么要进行脱氧处理？ • 在冶炼的过程中，由于氧化作用使部分铁被氧化，并残留在钢水中，降低了钢的质量。因此，在炼钢后期精炼时，要进行脱氧处理。

11. 2、如何进行？ • 在炉内或钢包中加入脱氧剂（锰铁、硅铁、铝锭等）进行脱氧，使氧化铁还原为金属铁。

12. 按照脱氧程度的分类 • 脱氧程度 浇注钢锭时 材质 • 沸腾钢 脱氧不完全 大量的CO • 气泡逸出 差 • 镇静钢 脱氧彻底 表面平静 好 • 半镇静钢 脱氧程度和材质介于以上二者之间

13. 二、钢的分类 • （1）钢按化学成分可分为 • 碳素钢和合金钢两类。 • （2）碳素钢根据含碳量可分为： • 低碳钢（含碳量小于0.2％）， • 中碳钢（含碳量0.25％～0.6％）， • 高碳钢（含碳量大于0.60％）

14. （4）按钢在熔炼过程中脱氧程度的不同分为：（4）按钢在熔炼过程中脱氧程度的不同分为： • 脱氧充分为镇静钢和特殊镇静钢（代号为Z和TZ）， • 脱氧不充分为沸腾钢（代号为F），介于二者之间为半镇静钢（代号为b）。

15. 第二节 建筑钢材的主要性能 • 钢材的性能主要包括 • 力学性能、 • 工艺性能 • 和化学性能。

16. 一、力学性能 • （一）拉伸性能 • 拉伸是建筑钢材的主要受力形式，所以，拉伸性能是表示钢材性能和选用钢材的重要依据。 • 以低碳钢为例。

17. 图8-1为低碳钢拉伸过程的应力－应变关系图。 • 从图中可以看出，低碳钢拉伸过程经历了四个阶段： • 弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

21. 1、弹性阶段（0→A） • （1）特点：弹性。在该阶段，若缷去外力，试件能恢复原来的形状。 • （2）指标： • ①A点所对应的应力值——弹性极限，用σP表示。

22. ②弹性模量，用E表示， • E＝σ/ε。 • 弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是计算钢材在受力条件下变形的重要指标。

23. 2、屈服阶段（A→B） • （1）特点：屈服——变形迅速增加，外力则大致在恒定的位置波动，这就是所谓的“屈服现象”，似乎钢材不能承受外力而屈服。 • （2）指标：屈服强度（也称为屈服点）——下屈服点B下点所对应的应力值，用σs表示。

24. 3、强化阶段（B→C） • （1）特点：强化——钢材抵抗外力的能力重新提高。 • （2）抗拉强度（强度极限）——C点所对应的应力值，用σb表示。

25. 4、颈缩阶段（C→D） • （1）特点：颈缩——其抵抗变形的能力明显降低，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小，直至断裂。 • （2）指标：伸长率δ。

26. 屈服强度、抗拉强度、伸长率这三项指标对于钢材来说具有重要意义，现分述如下。屈服强度、抗拉强度、伸长率这三项指标对于钢材来说具有重要意义，现分述如下。

27. （1）屈服强度（也称为屈服点） • 屈服强度按下式计算：

28. 式中：σs——钢材的屈服强度（MPa）； • Fs——钢材拉伸达到屈服点时的屈服荷载（N）； • A0——钢材试件的初始横截面积（mm2）。 • 屈服强度是确定钢材容许应力的主要依据。

29. （2）抗拉强度（也称为强度极限） • 抗拉强度按下式计算：

30. 式中：σb——钢材的抗拉强度（MPa）； • Fb——钢材的极限荷载（N）； • A0——钢材试件的初始横截面积（mm2）。 • 抗拉强度是钢材受拉时所能承受的最大应力值。

31. 屈服强度σs与抗拉强度σb的比值σs/σb称为屈强比。屈服强度σs与抗拉强度σb的比值σs/σb称为屈强比。 • σs/σb↑，利用率↑，安全可靠程度↓。 • σs/σb↓，利用率↓，安全可靠程度↑。 • 建筑结构用钢合理的屈强比一般为0.60～0.75。

32. （3）伸长率 • 伸长率按下式计算：

33. 式中：δ——伸长率（当L0＝5d0时，为δ5；当L0＝10d0时，为δ10）；式中：δ——伸长率（当L0＝5d0时，为δ5；当L0＝10d0时，为δ10）； • L1——试件拉断后标距间的长度（mm）； • L0——试件原标距间长度（mm），如图8-2所示。

34. 伸长率δ是衡量钢材塑性的一个重要指标，δ↑，塑性↑。对于钢材来说，一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而使钢材用于结构的安全性越大。伸长率δ是衡量钢材塑性的一个重要指标，δ↑，塑性↑。对于钢材来说，一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，避免应力集中，从而使钢材用于结构的安全性越大。

37. （二）冲击韧性 • 定义：冲击韧性——是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。 • 指标： • 冲击韧性值ak（J/cm2），ak↑，冲击韧性↑。 • 试验如图8-3。

38. 冲击韧性实验：如图8-3

39. 影响因素： • （1）钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制、焊接质量都会影响冲击韧性。 • 举例说明。

40. （2）温度↓，冲击韧性↓。 • 冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。 • 这时的温度称为脆性临界温度。

41. 如图所示：

42. 它的数值越低，钢材的低温冲击韧性越好。 • 所以，在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较使用温度低的钢材。

43. （3）时间↑，冲击韧性↓。 • 时效—— • 钢材随时间的延长，其强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。

44. （三）硬度 • 定义：硬度——是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力，亦即钢材表面抵抗塑性变形的能力。 • 指标：布氏硬度值HB，HB↑，硬度↑。测定钢材硬度常用布氏法，试验如图8-4。 • 材料的强度越高，抵抗塑性变形的能力越强，硬度值也就越大。

45. （四）疲劳强度 • 疲劳破坏—钢材在交变应力作用下，应力在远低于抗拉强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。 • 钢材疲劳破坏的应力指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示， • 它是指试件在交变应力的作用下，不发生疲劳破坏的最大应力值。

46. 二、工艺性能 • 钢材的工艺性能是指钢材在加工过程中表现出的性能，它直接影响钢材的加工质量。

48. （一）冷弯性能 • 定义：冷弯性能——是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 • 指标：①弯曲的角度α；②弯心直径d与试件直径（或厚度）a的比值d/a来表示。弯曲角度α越大，d/a越小，说明试件冷弯性能越好，如图8-5。

49. 冷弯实验：

50. （二）冷加工强化及时效 • 1、冷加工强化 • 定义：冷加工强化——钢材在常温下，经过以超过其屈服强度但不超过抗拉强度的应力进行加工，产生一定塑性变形，屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。