鋼材的基本知識詳解(1)

1、.1 v鋼與鐵鋼與鐵 v鋼與生鐵的區(qū)分在于鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小含碳量的大小。 v含碳量小于含碳量小于2.11的鐵碳合金稱為的鐵碳合金稱為鋼鋼。 v含碳量大于含碳量大于2.11的鐵碳合金稱為的鐵碳合金稱為生鐵生鐵。 .2 v鋼材的特性鋼材的特性 v鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的，與非金屬鋼材是在嚴(yán)格的技術(shù)控制條件下生產(chǎn)的，與非金屬 材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性韌性材料相比，具有品質(zhì)均勻穩(wěn)定、強(qiáng)度高、塑性韌性 好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺點(diǎn)是好、可焊接和鉚接等優(yōu)異性能。鋼材主要的缺點(diǎn)是 易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)能耗大易銹蝕、維護(hù)費(fèi)用大、耐火性差、生產(chǎn)

2、能耗大. . .3 v土木工程所用鋼材主要有：土木工程所用鋼材主要有：用于鋼結(jié)構(gòu)的各用于鋼結(jié)構(gòu)的各 種型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的種型鋼、鋼板、鋼管和用于鋼筋混凝土中的 各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線、錨夾具等。各種鋼筋、鋼絲、鋼絞線、錨夾具等。 .4 & 鋼的冶煉 將生鐵在煉鋼爐中冶煉，使碳的含量降低到預(yù)定的 范圍，其他雜質(zhì)含量降低到允許的范圍，經(jīng)燒鑄即 得到鋼錠，再經(jīng)過加工工藝處理后、得到鋼材。 鋼主要用三種方法冶煉： 氧氣轉(zhuǎn)爐鋼 用純氧吹入鐵液中將碳和雜質(zhì)氧化 電爐鋼 主要用廢鋼返回熔煉得到各種特殊鋼 平爐鋼 以煤氣或重油作燃料，原料為鐵液、廢 鋼鐵和適量的鐵礦石，利用空氣或氧氣和鐵礦石

3、 中的氧使碳和雜質(zhì)氧化 .5 & 鋼的分類分類 鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭(燃料) 和石灰石(熔劑)等在高爐中經(jīng)高溫熔煉，從鐵礦石 中還原出鐵而得。生鐵的主要成分是鐵，但含有較 多的碳以及硫、磷、硅、錳等雜質(zhì)，雜質(zhì)使得生鐵 的性質(zhì)硬而脆、塑性很差，抗拉強(qiáng)度很低，使用受 到很大限制。煉鋼的目的就是通過生鐵在煉鋼爐內(nèi) 的高溫氧化作用，減少生鐵中碳和硫、磷等雜質(zhì)含 量，以顯著改善其技術(shù)性能，提高質(zhì)量。將生鐵中 的含碳量降至2以下，使磷、硫等雜質(zhì)含量降至 一定范圍內(nèi)即成為鋼。 .6 按化學(xué)成分分類 v碳素鋼。碳素鋼的化學(xué)成分主要是鐵，其次是碳， 故也稱鐵一碳合金，其含碳量為002一206

4、。 此外尚含有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。 碳素鋼按含碳量又可分為：低碳鋼(含碳量小于 025)、中碳鋼(含碳量為025一060)和 高碳鋼(含碳量 大于060)三種。其中低碳鋼 在建筑工程中應(yīng)用最多。 v合金鋼。合金鋼是指在煉鋼過程中，有意識地加入 一種或多種能改善鋼材性能的合金元素而制得的鋼 種。 .7 常用合金元素有：硅、錳、欽、釩、銀、鉻等。按合 金元素總含量的不同，合金鋼可分為低合金鋼(合金元 素總含量小于5)、中合金銅(合金元素總含量為5 一10)和高合金鋼(合金元素總含量大于10)。低合 金鋼為建筑工程中常用的主要鋼種。 按冶煉時脫氧程度分類 煉鋼時脫氧程度不同，鋼的質(zhì)量

5、差別很大，通?？?分為以下四種： v 沸騰鋼。煉鋼時僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全， 這種鋼水澆入錠模時，會有大量的CO氣體從鋼水中外逸， 引起鋼水呈沸騰狀 ，故稱沸騰鋼，代號為“F”。 .8 沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜 質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量 高，故被廣泛用于一般建筑工程。 v鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑， 脫氧完全，且同時能起去硫作用。這種鋼水鑄錠時 能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼；代號 為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分 均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土 等重要結(jié)構(gòu)工程。 v半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸

6、騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為 質(zhì)量較好的鋼，其代號為“b”。 .9 &鋼的晶體組成和化學(xué)成分 鋼是一種多晶體材料。但晶體具有各向異性的特 征，而多晶體則為各向同性。鋼的宏觀力學(xué)性能 由其內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分所決定。 純鐵的晶格類型純鐵的晶格類型 鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是 鐵-碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立 方晶格和面心立方晶格(見圖2-15)。其晶體結(jié)構(gòu) 中，各個原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié) 合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑 性。 .10 鋼晶格的兩種構(gòu)架鋼晶格的兩種構(gòu)架 鋼材的晶格并不都是完好無缺的規(guī)則排列，而是存 在許多缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能

7、，這是 鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根本原因。其主 要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。 .11 鋼的基本晶體組織鋼的基本晶體組織 鋼是以鐵（Fe）為主的 Fe-C合金。Fe-C合金于 一定條件下能形成具有 一定形態(tài)的聚合體，稱 為鋼的組織，在顯微鏡 下能觀察到它們的微觀 形貌圖象，故也稱顯微 組織。 片狀珠光體（片狀珠光體（10001000倍）倍） 針狀和塊狀鐵素體（針狀和塊狀鐵素體（100100倍）倍） .12 鋼材在常溫下主要有三種顯微組織： 鐵素體:鋼材中的鐵素體系碳在-Fe中的固溶體， 由于-Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力 較差，故鐵素體含碳量很少（小于0.02），由

8、此 決定其塑性、韌性好；但強(qiáng)度、硬度低。 滲碳體:滲碳體為鐵和碳的化合物Fe3C，其含碳量高 達(dá)6.67，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塑性差，性硬脆，抗拉 強(qiáng)度低。 珠光體:珠光體為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，含 碳量較低(0.8)，層狀結(jié)構(gòu)，塑性較好，強(qiáng)度和硬 度較高。 .13 此外，鋼材在溫度高于723 時，還存在奧氏體。 奧氏體為碳在-Fe中的固溶體，溶碳能力較強(qiáng)， 高溫時含碳量可達(dá)2.06，低溫下降至0.8。其 強(qiáng)度、硬度不高，但塑性好。碳鋼處于紅熱狀態(tài)時 即存在這種組織，這時鋼易于軋制成型。 化學(xué)成分對鋼性能的影響化學(xué)成分對鋼性能的影響 除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃料中 引入一些的其他

9、元素。這些成分可分為兩類：一類 能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、 Mn、Ti、V、Nb等；另一類能劣化鋼材的性能， .14 屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。這些成分 含量少，但對鋼的性能影響很大。 化學(xué)元素強(qiáng)度硬度塑性韌性可焊性其他 碳（碳（C C）1% 1%1% 冷脆性、脫氧 錳（錳（MnMn） 脫氧、硫劑 鈦（鈦（TiTi）強(qiáng)脫氧劑 釩（釩（V)V)時效 磷（磷（P P）偏析、冷脆 氮（氮（N N）冷脆性時效 硫（硫（S S）熱脆性 氧（氧（O O）熱脆性時效 化學(xué)元素對鋼材性能的影響化學(xué)元素對鋼材性能的影響 .15 k( J/c m2) 1200 1000 800 6

10、00 400 200 0 b(MPa) 60 50 40 30 20 10 HB 240 200 160 120 80 40 300 250 200 150 100 ,(%) HB 含碳量(%) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 b k .16 硅、錳、鈦、釩、鈮等為合金元素。硅、錳、鈦、釩、鈮等為合金元素。 磷、氮、硫、氧等為雜質(zhì)。磷、氮、硫、氧等為雜質(zhì)。 .17 & 鋼材的力學(xué)性能鋼材的力學(xué)性能 鋼材的力學(xué)性能主要有鋼材的力學(xué)性能主要有抗拉性能、沖擊韌性、耐?？估阅?、沖擊韌性、耐疲 勞和硬度勞和硬度等。等。 抗拉性能抗拉性能 抗拉性能是建筑鋼材最重要的技術(shù)性質(zhì)。

11、建筑鋼抗拉性能是建筑鋼材最重要的技術(shù)性質(zhì)。建筑鋼 材的抗拉性能，可用低碳鋼受拉時的應(yīng)力一應(yīng)變圖材的抗拉性能，可用低碳鋼受拉時的應(yīng)力一應(yīng)變圖 來闡明，圖中明顯地分為以下四個階段：來闡明，圖中明顯地分為以下四個階段： .18 動畫演示低碳鋼受拉應(yīng)力: .19 彈性階段(OA段)：在OA階段，如卸去荷載，試件 將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點(diǎn)相對應(yīng)的應(yīng) 力為彈性極限。此階段應(yīng)力與應(yīng)變成正比，即產(chǎn) 生單位彈性應(yīng)變時所需的應(yīng)力大小。它是鋼材在 受力條件下計(jì)算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。 屈服階段(AB段)：當(dāng)荷載增大，試件應(yīng)力超過A時， 應(yīng)變增加的速度大于應(yīng)力增長速度，應(yīng)力與應(yīng)變 不再成比例，開始產(chǎn)生塑性變形

12、。圖中B上點(diǎn)是這 一階段應(yīng)力最高點(diǎn)，稱為屈服上限，B下點(diǎn)稱為屈 服下限。由于B下比較穩(wěn)定易測， .20 故般以B下點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點(diǎn)。鋼材受力達(dá) 屈服點(diǎn)后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能 滿足使用要求。故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值 依據(jù)。 強(qiáng)化階段(BC段)：當(dāng)荷載超過屈服點(diǎn)以后，由了試件 內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，抵抗變形能力又重新提高， 故稱為強(qiáng)化階段。對應(yīng)于最高點(diǎn)C的應(yīng)力，稱為抗拉 強(qiáng)度。 工程上使用的鋼材，不僅希望具有高的屈服強(qiáng)度， 還希望具有一定的屈強(qiáng)比。屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力 超過屈服點(diǎn)工作時的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。 .21 但如果屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成

13、 浪費(fèi)。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.580.63，合金鋼為 065075。 頸縮階段(CD段) 當(dāng)鋼材強(qiáng)化達(dá)到最高點(diǎn)后，在試件薄弱處的截 面將顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”，由于試件斷面急 劇縮小，塑性變形迅速增加，拉力也就隨著下降，最 后發(fā)生斷裂。將拉斷后的試件于斷裂處對接在一起， 測得其斷后標(biāo)距Ll。標(biāo)距的伸長值與原始標(biāo)距(L0)的 百分比稱為伸長率。 .22 v主要指標(biāo)：主要指標(biāo)： v1.屈服強(qiáng)度：屈服強(qiáng)度： v2.2.抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度： s s f A b b f A s b 屈強(qiáng)比 屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)工作時的可靠性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。屈強(qiáng)比越小，鋼材在受力超過屈服點(diǎn)工作時的可靠

14、性越大，結(jié)構(gòu)愈安全。 屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費(fèi)。 常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.580.580.630.63，合金鋼為，合金鋼為0 065650 07575。 .23 v3.伸長率： 10 0 LL L 50 100 L =5d L =10d 同一鋼材的大于。主要原因是頸縮不均勻。同一鋼材的大于。主要原因是頸縮不均勻。 h L0 a l0=10a(或5a) L=l0+2h+2h1(或5a) h1 A O B C D 位移 l1(位移后的) l1(實(shí)際的) (a) 5 10 .24 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在常

15、溫下承受彎曲變形的能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能 力，為鋼材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以力，為鋼材的重要工藝性質(zhì)。鋼材的冷彎性能是以 試驗(yàn)時的試驗(yàn)時的彎曲角度彎曲角度(a)(a)和和彎心直徑彎心直徑(d)(d)為指標(biāo)表示。為指標(biāo)表示。 鋼材冷彎試驗(yàn)是通過直徑鋼材冷彎試驗(yàn)是通過直徑( (或厚度或厚度) )為為a a的試件，采的試件，采 用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑d(d=na)d(d=na)，彎曲到規(guī)定的角，彎曲到規(guī)定的角 度度(180(180或或9090) )時，檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起時，檢查彎曲處有無裂紋、斷裂及起 層等現(xiàn)象，若無則認(rèn)為冷彎性能合格。層等現(xiàn)

16、象，若無則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時鋼材冷彎時 的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性的彎曲角度愈大，彎心直徑愈小，則表示其冷彎性 能愈好。能愈好。 .25 90o d+2.5a d (a) (b) (c) 鋼筋冷彎試驗(yàn)裝置 a. 試樣安裝就緒 b. 彎曲180 c. 彎曲90 L h .26 鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表明鋼鋼材的冷彎性能和其伸長率一樣，也是表明鋼 材在靜荷下的塑性，而且冷彎是在苛刻條件下對鋼材在靜荷下的塑性，而且冷彎是在苛刻條件下對鋼 材塑性的嚴(yán)格檢驗(yàn)，它能揭示鋼材內(nèi)部組織是否均材塑性的嚴(yán)格檢驗(yàn)，它能揭示鋼材內(nèi)部組織是否均 勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力及夾雜物等缺陷。

17、在工程中，勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力及夾雜物等缺陷。在工程中， 冷彎試驗(yàn)還被用作對冷彎試驗(yàn)還被用作對鋼材焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)鋼材焊接質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)的的 一種手段。一種手段。 .27 沖擊韌性沖擊韌性 沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。單位沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。單位 面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值面積上所消耗的功，作為沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊值 表示表示, ,值愈大，表明鋼材在斷裂時所吸收的能量越值愈大，表明鋼材在斷裂時所吸收的能量越 多，則沖擊韌性越好。多，則沖擊韌性越好。 k W = A .28 影響沖擊韌性的因素：影響沖擊韌性的因素： 1. 化學(xué)成分化學(xué)成分及及冶煉、加

18、工質(zhì)量冶煉、加工質(zhì)量。如：鋼中磷、。如：鋼中磷、 硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物、氣孔和焊硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物、氣孔和焊 接中形成的微裂紋等，沖擊韌性顯著降低。接中形成的微裂紋等，沖擊韌性顯著降低。 2. 2. 溫度溫度。隨溫度的下降而減小，當(dāng)降到一定溫。隨溫度的下降而減小，當(dāng)降到一定溫 度范圍時，韌性急劇下降，有可能出現(xiàn)脆性斷裂度范圍時，韌性急劇下降，有可能出現(xiàn)脆性斷裂 冷脆性冷脆性。所以，在負(fù)溫下使用的鋼材，特別是承。所以，在負(fù)溫下使用的鋼材，特別是承 受動荷載的重要結(jié)構(gòu)，必須要檢驗(yàn)其低溫下的沖擊受動荷載的重要結(jié)構(gòu)，必須要檢驗(yàn)其低溫下的沖擊 韌性。韌性。 .29 硬度硬度

19、:硬度表示鋼材表面抵抗變形或破裂的能力。 硬度的測定方法很多，建筑鋼材常用洛氏法或布 氏法，所測硬度稱為洛氏硬度或布氏硬度。 布氏硬度是用一定直徑D(mm)的硬質(zhì)鋼球,在 規(guī)定荷載P(N)作用下壓入試件表面，并持續(xù)一定 時間后卸裁，量出壓痕直徑d(mm)，然后計(jì)算每單 位壓痕球面積所承受的荷載值，即布氏硬度值 (HD)，見圖。 洛氏硬度以壓入深度表示。 .30 .31 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度 的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破 壞。 .32 鋼材的鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先的，首先 在局部開始形成細(xì)小斷

20、裂，隨后由于微裂紋尖端在局部開始形成細(xì)小斷裂，隨后由于微裂紋尖端 的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時 疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生 的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。 在一定條件下，鋼材疲勞破在一定條件下，鋼材疲勞破 壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增 加而降低（如圖所示）。加而降低（如圖所示）。 .33 鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂鋼材在無窮次交變荷載作用下而不至引起斷裂 的最大循環(huán)應(yīng)力值，稱為的最大循環(huán)應(yīng)力

21、值，稱為疲勞強(qiáng)度極限疲勞強(qiáng)度極限，實(shí)際測量，實(shí)際測量 時常以時常以2106次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材的疲勞強(qiáng)度次應(yīng)力循環(huán)為基準(zhǔn)。鋼材的疲勞強(qiáng)度 與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成與很多因素有關(guān)，如組織結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)、合金成 分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。分、夾雜物和應(yīng)力集中幾種情況。一般來說，鋼材一般來說，鋼材 的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。 .34 & 焊接性能焊接性能 焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分焊接是把兩塊金屬局部加熱，并使其接縫部分 迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它迅速呈熔融或半熔融狀態(tài)，而牢固的連接起來。它 是是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式。 .35 v鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條 件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬 脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度 不低于原有鋼材的強(qiáng)度。 影響焊接質(zhì)量的主要因素：影響焊接質(zhì)量的主要因素： v鋼材的化學(xué)成分鋼材的化學(xué)成分 v焊接工藝焊接工藝 v焊條質(zhì)量焊條質(zhì)量 .36 & 冷加工時效及其應(yīng)用 將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之 產(chǎn)生一定的塑性變形，強(qiáng)度明顯提高，塑性和韌性 有所降低，這個過程稱為鋼材的冷加工強(qiáng)化。 工程中常對鋼筋進(jìn)行冷拉或冷拔加工