道路建筑材料 第七章 鋼材

第七章建筑鋼材主講人：張超長安大學(xué)公路學(xué)院2主要內(nèi)容鋼材的技術(shù)性質(zhì)7.2常用鋼材簡介7.3鋼材的基本概念7.1第一節(jié)鋼材的根本概念煉鋼示意圖煉鐵示意圖7.1.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——鋼材的冶煉7.1.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——鋼材的冶煉特性鐵鋼材含碳量2~4.3%0.03~2%主要雜質(zhì)硅、錳以及硫磷適量硅、錳以及少量硫磷機(jī)械加工性可鑄造不可鍛造、延展可澆鑄、鍛造、易延展性能特征受壓能力遠(yuǎn)大于受拉能力、性脆很高的抗拉能力，塑性顯著金屬鐵和鋼材特性比照根據(jù)冶煉方式

——煉鋼爐的不同:平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼

——脫氧程度:沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼根據(jù)含碳量

低碳鋼，碳含量＜0.25%;

中碳鋼:碳含量0.30%~0.55%;

高碳鋼：＞0.6%.沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼7.1.2鋼材技術(shù)性質(zhì)——鋼材的類型根據(jù)合金含量

——低合金鋼，合金含量＜5%;

——中合金鋼，合金含量5%~10%;

——高合金鋼，合金含量＞15%;根據(jù)質(zhì)量

——普通鋼，P≤0.045%,S≤0.055%;

——優(yōu)質(zhì)鋼，P≤0.035~0.040%,S≤0.040%;根據(jù)用途

——結(jié)構(gòu)鋼；

——工具鋼；

——特殊鋼。用于路橋工程的鋼材通常屬于

——普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

——低合金結(jié)構(gòu)鋼.7.1.2鋼材技術(shù)性質(zhì)——鋼材的類型第二節(jié)鋼材的技術(shù)性質(zhì)拉伸性能：在拉伸過程中，低碳鋼通常經(jīng)歷四個階段：OABupBdownCDIIIIIIIV7.2.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——力學(xué)性質(zhì)：拉伸能力(I)彈性階段——拉伸過程的最初階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線是一條直線，應(yīng)力與應(yīng)變呈正比，與A點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限；(III)強(qiáng)化階段——當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)后，由于鋼材內(nèi)部組織在受力時的畸變，使鋼材性能得到強(qiáng)化，表現(xiàn)出抗塑性變形能力重新得以提高。對應(yīng)最高點(diǎn)C的應(yīng)力值用于表征鋼材的抗拉強(qiáng)度；(II)屈服階段——超過A點(diǎn)之后，應(yīng)力應(yīng)變不再成正比，出現(xiàn)明顯的塑性變形，此現(xiàn)象稱為屈服；以屈服階段形成的下屈服點(diǎn)Bdown作為鋼材的屈服點(diǎn)，可用來表征鋼材的屈服強(qiáng)度；(IV)頸縮階段:受力超過C點(diǎn)后，鋼材抗變形能力明顯降低，尺寸斷面因變形迅速而被拉細(xì)，所以稱為頸縮階段，到達(dá)D點(diǎn)鋼材被拉斷。屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度是鋼結(jié)構(gòu)的根本力學(xué)指標(biāo)，當(dāng)鋼構(gòu)件受到的應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時，一方面將產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形，同時當(dāng)應(yīng)力超過屈服點(diǎn)時，受力較高的局部應(yīng)力不再提高，而自動將荷載重新分配給應(yīng)力較低的局部，因此，屈服強(qiáng)度是確定鋼結(jié)構(gòu)允許應(yīng)力的主要依據(jù)；抗拉強(qiáng)度是鋼材所能承受的最大拉應(yīng)力，高于此應(yīng)力鋼材將喪失對變形的抵抗能力?？估瓘?qiáng)度不能直接作為結(jié)構(gòu)設(shè)計計算依據(jù)，但屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值，即“屈強(qiáng)比〞對鋼材應(yīng)用有較大意義。該比值越小，鋼結(jié)構(gòu)的平安性、可靠性越高，但比值過小，那么意味著鋼材有效利用率的浪費(fèi)；條件屈服點(diǎn) 對中碳鋼或高碳鋼，拉伸時沒有明顯的屈服現(xiàn)象，難以測出屈服點(diǎn)，那么規(guī)定產(chǎn)生剩余變形為原標(biāo)距長度的0.2%時所對應(yīng)的應(yīng)力值，作為確定屈服強(qiáng)度的依據(jù)，稱為條件屈服點(diǎn).7.2.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——力學(xué)性質(zhì)：拉伸能力7.2.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——力學(xué)性質(zhì)：塑性鋼材的塑性可用拉伸過程得到的伸長率和斷面收縮率來表示.式中：δ表示伸長率（%）；L0表示鋼材原標(biāo)距的長度(mm)；

L1表示鋼材拉斷后標(biāo)距部分的長度(mm)式中：Ψ表示斷面收縮率（%）；A0表示鋼材原橫截面(mm2)；

A1表示鋼材拉斷后斷口處橫截面（mm2）兩項指標(biāo)越大，表示鋼材的塑性越強(qiáng)。通常要求伸長率要大于5%,收縮率要在10%以上.7.2.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——力學(xué)性質(zhì)：沖擊韌性沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。在專用設(shè)備上，V字形鋼材經(jīng)受擺錘的沖擊作用，以破壞后缺口處單位面積上所消耗的功ɑk來表示該性能；ɑk越大，沖擊韌性越好；沖擊韌性受內(nèi)因的化學(xué)成分，金屬晶格完善程度以及外因的冶煉質(zhì)量、環(huán)境溫度等因素有關(guān)。特別是當(dāng)環(huán)境溫度降低至某一溫度時，鋼材的沖擊韌性會驟然下降呈脆性，即鋼材的冷脆性。冷脆性對應(yīng)的溫度看作是鋼材的脆性溫度，該溫度越低，鋼材的低溫沖擊韌性越好.7.2.1鋼材技術(shù)性質(zhì)——力學(xué)性質(zhì)：耐疲勞性和硬度.鋼材在交變荷載反復(fù)作用下，常常在最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度時就發(fā)生破壞，這就是鋼材的疲勞破壞；通常把鋼材承受交變荷載1×106~1×107次時不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度；硬度是指鋼材抵抗硬物壓入外表的能力。根據(jù)硬度檢測方法的不同，可得到布氏硬度或洛氏硬度，其中常用布氏硬度作為鋼材的硬度指標(biāo)。硬度值越大，說明鋼材的抗塑性變形能力越強(qiáng)。上述鋼材的性質(zhì)包括了力學(xué)性質(zhì)、塑性、韌性、硬度等，除抗疲勞性之外，實(shí)際上真正獨(dú)立的性能是強(qiáng)度和塑性.7.2.2鋼材工藝性能——冷彎性能冷彎性能 ——定義：常溫條件下，鋼材承受彎曲變形的能力，是一種更加嚴(yán)格的塑性能力的評價手段； ——意義：反映鋼材缺陷的一種工藝性能； ——表示方法：①彎曲角度，②彎心直徑與厚度〔或直徑〕的比值.7.2.2鋼材工藝性能——可焊接性能可焊接性能 ——定義：表示鋼材是否適應(yīng)通常的焊接方法與工藝的性能； ——要求：焊接處不形成裂紋、氣孔和夾渣等缺陷。強(qiáng)度不會低于原有鋼材，不硬脆； ——影響因素：取決于鋼中的化學(xué)成分，特別是碳含量，小于0.25%時具有良好的可焊性.7.2.2鋼材工藝性能——冷加工和實(shí)效.冷加工及時效 ——定義：冷加工通常指冷拉拔工藝。通過冷拉拔使鋼材的屈服強(qiáng)度得以提高，同時增加鋼材的有效長度。時效是指經(jīng)歷自然放置或高溫加熱一段時間后，其冷拉拔效果更加顯著的現(xiàn)象； ——意義：提高屈服強(qiáng)度20~30%，節(jié)約鋼材10~20%； ——特點(diǎn)：在提高強(qiáng)度和長度的同時，鋼材的塑性、韌性那么會降低.7.2.3鋼材技術(shù)性質(zhì)——鋼材中的化學(xué)元素鋼材中除了Fe元素之外，還含有C、Si、Mn、P、S、O、N、Ti、V等元素，其中C元素是鋼中必須的元素，Si、Mn、Ti、V等元素對鋼材起到性能改善的積極作用；而P、S、O、N等對鋼材的性質(zhì)起到消極作用，直接影響到鋼材的質(zhì)量；鋼材中的碳是決定鋼材性質(zhì)的核心元素，隨C元素含量的增加，鋼材的強(qiáng)度、硬度提高，而鋼材的塑性和抗沖擊韌性降低.7.2.3鋼材技術(shù)性質(zhì)——鋼材中的化學(xué)元素鋼材中的S元素對鋼材性質(zhì)造成極為不利的影響，其中硫和鐵元素以形成FeS的形式，分布在鐵金屬晶格的晶界處。由于該FeS的熔點(diǎn)較低，當(dāng)鋼材加熱到達(dá)一定溫度時，這些硫化物會首先熔化，在鋼材內(nèi)部留下裂縫和缺陷，從而嚴(yán)重降低鋼材質(zhì)量；P元素同樣對鋼材帶來危害，它以磷和鐵的化合物形式存在，造成鋼材的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性等眾多性能的顯著降低。尤其在低溫時對鋼材的塑性和韌性影響程度更加明顯；Mn元素具有較強(qiáng)脫硫和去氧能力，同時提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，是我國低合金鋼的主要合金元素；V和Ti也具有顯著的脫氧功能，能提高鋼材的強(qiáng)度、改善鋼材的韌性等.第三節(jié)常用鋼材7.3.1常用鋼材——鋼材的牌號鋼材牌號是某一鋼材的名稱，通過牌號能夠直接掌握鋼材的一些主要特征。牌號劃分方法以鋼材的用途和分類進(jìn)行。碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號： ——由Q+數(shù)字+質(zhì)量等級符號+脫氧方法符號組成，其中“Q〞，代表鋼材的屈服點(diǎn)，后面的數(shù)字表示屈服點(diǎn)數(shù)值，單位是MPa； ——必要時鋼號后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級和脫氧方法的符號。質(zhì)量等級符號分別為A、B、C、D。脫氧方法符號：F表示沸騰鋼；b表示半鎮(zhèn)靜鋼：Z表示鎮(zhèn)靜鋼；TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼； ——例如：某碳素鋼的牌號是Q235-AF，其含義是指鋼材的屈服值不低于235MPa，其質(zhì)量為A級，脫氧程度較低的沸騰鋼.碳素結(jié)構(gòu)鋼共有5個牌號，Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等，其中Q235兼顧了強(qiáng)度和塑性要求，是應(yīng)用最多的鋼種.7.3.1常用鋼材——鋼材的牌號優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 ——①鋼號開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示，例如平均碳含量為0.45%的鋼，鋼牌號為“45〞； ——②錳含量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出，例如50Mn； ——③沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及專門用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在鋼號最后特別標(biāo)出，例如平均碳含量為0.1%的半鎮(zhèn)靜鋼，其鋼號為10b； ——最后可加上用途，例如橋梁用“q〞. 將這些方面綜合在一起：以萬分?jǐn)?shù)表示的含碳量+元素符號+脫氧方法符號+專門用途符號例如：45Mnbq，其含義是含碳量0.45%，主要合金元素是Mn，且脫氧程度是半鎮(zhèn)靜，并用于橋梁結(jié)構(gòu)。7.3.1常用鋼材——鋼材的牌號.合金結(jié)構(gòu)鋼 合金鋼中常見的合金元素有：Mn、Si、Ti、V等； ——①鋼號開頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬分之幾表示; ——②鋼中主要合金元素〔除個別微合金元素外〕，當(dāng)平均合金含量<1.5%時，鋼號中一般只標(biāo)出元素符號，而不標(biāo)明含量。當(dāng)合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……時，在元素符號后面應(yīng)標(biāo)明含量，可相應(yīng)表示為2、3、4……等; ——③優(yōu)質(zhì)高級合金鋼后綴A，特級優(yōu)質(zhì)合金鋼后綴E;其中質(zhì)量上下取決于鋼材中兩種有害元素S、P含量的多少； 例如：18Cr2Ni4WA，其含義是含碳量0.18%；Cr2含義是Cr含量在1.5%至2.5%之間；Ni4含義是Ni含量到達(dá)3.5%以上；A含義是該合金鋼屬于優(yōu)質(zhì)合金鋼，相應(yīng)的S、P含量≤0.025%.

7.3.2常用鋼材——橋梁結(jié)構(gòu)鋼橋梁結(jié)構(gòu)用鋼

——根據(jù)屈服強(qiáng)度的不同，其牌號從235到690共九個；

——每個牌號根據(jù)S、P含量劃分有2到3個質(zhì)量等級；

——主要合金元素是Mn，但含量最高不超1.8%；

——其力學(xué)強(qiáng)度包括了屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率、抗沖擊功以及180度彎曲試驗等.7.3.2常用鋼材——混凝土用鋼——熱軋光圓鋼筋：分為HPB235和HPB300兩級(HRB:HotPlainBar)；分別從尺寸（包括公稱直徑、公稱截面積、公稱直徑等）和力學(xué)及化學(xué)指標(biāo)加以規(guī)定；——熱軋帶肋鋼筋（螺紋鋼）：分為HRB335、RHB400和RHB500三個牌號,(HRB:HotRibbedBars)。帶肋鋼筋增加了與混凝土之間的粘結(jié)力，與光圓鋼筋相比，具有更好的綜合性能，是目前鋼筋水泥混凝土中應(yīng)用最廣泛的鋼筋制品。7.3.2常用鋼材——混凝土用鋼與熱軋帶肋鋼筋對應(yīng)，在工地上通過冷加工可得到冷軋帶肋鋼筋。這種鋼筋的特點(diǎn)是屈服強(qiáng)度高，有更高的經(jīng)濟(jì)效益，但塑性降低，變脆變硬，同時屈強(qiáng)比高，平安儲藏小。因此強(qiáng)調(diào)平安的重要建筑物現(xiàn)場，已不再采用這樣的冷加工工藝.熱軋鋼筋冷軋鋼筋冷軋鋼筋機(jī)本章小結(jié)通過冶煉工藝