大工13秋《建筑材料》辅导资料十四_大工13秋
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建筑材料辅导资料十四
主 题：第六章 第三、四节 “建筑钢材的技术性质”，“主要钢种及其应用”辅导资料
学习时间：2013年 12月30日－2014年1月5日 内 容：
我们这周将继续学习本门课的第六章，建筑钢材的相关知识。希望通过下面的内容，能够增加同学们对建筑钢材技术性质及应用方面知识的理解。
一、学习要求
1、重点掌握建筑钢材的主要技术性质。掌握钢材受拉经历的四个阶段，弹性极限、弹性模量、条件屈服强度、屈强比、伸长率等概念。重点掌握抗拉性能与屈服强度的概念及其作用。掌握冲击韧性的概念；冲击韧性的影响因素；低温冷脆性的概念。了解硬度的概念及常用的测定方法；
2、掌握二种主要的工艺性能；冷弯性能的概念及其作用；影响钢材可焊性的主要因素，改善可焊性的措施；
3、了解纯铁及其同素异品转变；碳原子与铁原子之间三种基本结合类型；钢的四种基本组织形式。掌握共析钢、亚共析钢、过共析钢的概念及其对钢材性质的影响。掌握冷脆性、热脆性的概念。了解其它有害杂质与合金元素对钢材的影响；
4、了解钢材冷加工的概念，冷加工强化的原因、时效强化的概念。掌握淬火、回火、退火、正火的概念及其对钢材的影响；
5、掌握碳素钢牌号的表示方法，了解低合金结构钢的性能及应用。了解钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。了解沸腾钢的限制使用条件；
6、掌握低合金结构钢牌号的表示方法，了解低合金结构的性能及应用。了解钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。了解钢筋的防锈措施；
7、了解钢的锈蚀原因及钢材防锈的主要措施。对铝及铝合金这节内容只要求一般了解。
重点掌握内容：
1．重点：建筑钢材的主要技术性能。2．难点：建筑钢材的标准与选用。
二、主要内容
（一）建筑钢材的技术性质
力学性质：抗拉强度、弹性、塑性、冲击韧性、冷脆性、硬度； 工艺性质：冷弯、可焊性、热处理、冷加工及时效； 耐久性：锈蚀。
1、力学性质
可用低碳钢受拉时的应力——应变图来阐明，图中明显地分为四个阶段：
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图1 低碳钢受拉时应力-应变曲线
弹性阶段(OA段)在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为比例极限。此阶段应力与应变成正比。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标 屈服阶段(AB段)当荷载增大，试件应力超过A时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形，塑性应变急剧增加，曲线出现波动的小平台，这种现象称为屈服。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，故—般以B下点对应的应力作为屈服点бs。强化阶段(BC段)当荷载超过屈服点以后，由试件内部组织结构发生变化，晶粒重新排列，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。钢材受拉断裂前的最大应力值称为极限抗拉强度бb。颈缩阶段(CD段)当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。
（1）抗拉强度 1）屈服强度： 钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。
2）屈强比
屈强比(σs/σb)：屈服强度和抗拉强度的比值。
在工程上很有意义，此值越小，结构的可靠性越高，即防止结构破坏的潜力越大。但此值太小时，钢材的强度有效利用率太低，合理的屈强比，一般在0.6～0.75之间（Q225钢材的屈服比为0.58～0.63，普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。)。所以屈服强度和抗拉强度是钢材力学性质的主要检验指标。
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（2）疲劳强度 1）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,称为疲劳破坏。
2）疲劳强度在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图示）。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。
3）破坏原因分析：钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微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。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。
（3）弹性
钢材在静荷载作用下受拉开始阶段，应力和应变成正比，这一阶段称为弹性阶段，具有这种变形特征的性质称为弹性。这个阶段的最大应力称为比例极限бp。
应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力称为弹性极限бe。事实上，бp与бe相当接近。
（4）塑性
钢材的塑性通常用伸长率或断面收缩率指标来表示。（5）冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。（6）冷脆性
图2 钢材的冲击韧性与温度的关系
（7）硬度
硬度是指在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。
2、工艺性质
定义：工艺性质为建筑钢材某种工艺过程中表现出的性质。内容：冷弯；可焊性；热冷加工；时效。（1）冷弯
定义：冷弯性质是指在常温条件下，承受弯曲变形的能力。（2）可焊性 定义：可焊性是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后的力学性能，特别是强度不得低于原钢材的性质。焊接是钢
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结构的主要连接形式。可焊性影响因素：
可焊性主要受化学元素及其含量的影响；
含碳量高将增加焊接的硬脆性，含碳量小于0.5%的碳素钢具有良好的可焊性。加入合金元素如硅、锰、钒、钛等，也将增大焊接的硬脆性，降低可焊性。特别是硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。
（3）热处理
定义：热处理是指将钢材按一定规则加热保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种工艺。
热处理的方法有：正火、退火、淬火和回火。1）正火
钢材经过加热至相变温度以上变为奥氏体之后，臵于空气中冷却，通过这种处理，可使钢材晶粒细化，调整碳化物大小和分布，其结晶可使内部应力除掉，对于经过压延难于除掉的应力和淬火回火有困难的大型钢件，特别是铸钢件，是重要的热处理工艺。正火后，钢材的强度提高而塑性降低。含碳量低的钢常用正火的方法提高其强度
2）退火
有低温退火和完全退火等之分。低温退火的加热温度在相变温度以下，其目的是利用加热使原子活跃，从而使加工中产生的缺陷减少，晶格畸变减轻和内应力的消除；完全退火的加热温度高于基本组织转变温度，经保温后以适当的速度缓冷，从而达到改变组织并改善性能的目的。如含碳量较高的高强钢筋，焊接时容易形成很脆的组织，故必须紧接进行完全退火，以消除这一不利的转变，保证焊接质量。
3）淬火
将钢由奥氏体区域急冷，使晶粒变细，组织致密，碳的固溶量增加，硬度增大的热处理工艺。淬火的效果依冷却速度的不同而不同。
4）回火
淬火后的钢是硬而脆的，为了消除内部应力，调整硬度，改善韧性等需要进行回火。回火是将淬火后的钢，再加热至相变点以下的温度，经保温后按一定速度冷却至室温。
（4）冷加工及时效
1）冷加工：钢材在结晶温度以下进行的加工叫冷加工，一般都是在常温下进行的。
建筑钢材常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，但降低了塑性、韧性，这个过程称为冷加工强化处理。
2）时效
定义：钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降的现象叫时效。
钢材在自然条件下时效的过程是非常缓慢的，如经冷加工或使用中经常受到振动、冲击荷载作用时，时效将迅速的发展。钢材经冷加工后，在常温下搁臵15～20（称为自然时效）天或加热至100～200℃保持2h以内（称为人工时效），钢的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低。时效敏感性：
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定义：因时效而导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经时效后，其冲击韧性、塑性改变较大。因此承受振动、冲击荷载作用的重要性结构(如吊车梁、桥梁等)，应选用时效敏感性小的钢材。
3、耐久性
钢材的耐久性主要是指钢材的腐蚀或锈蚀。
定义：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。（1）钢材的腐蚀类型
根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为
化学腐蚀 电化学腐蚀 1）化学腐蚀
指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。
2）电化学腐蚀
钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水)存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。引起的腐蚀称为电化学腐蚀。（2）钢材防腐的措施
１）改变钢材本身的易腐蚀性； ２）隔离环境中的侵蚀性介质； ３）改变钢材表面的电化学过程。
（四）主要钢种及其应用
碳素结构钢 优质碳素结构钢 低合金高强度结构钢
三、典型习题
（一）单项选择题
1、在进行设计时，作为钢材强度依据的是钢材的（）。A．极限强度 B．屈服强度 C．抗拉强度 D．疲劳强度 答案：B2、钢材的屈服强度要（）抗拉强度。A．大于 B．等于 C．小于 D．无关于 答案：C3、对于钢材在常温下经过冷拉处理后的性能改变情况的论述，错误的是（）。
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A．屈服强度提高 B．塑性降低 C．韧性降低 D．可焊性提高 答案：D
（二）填空题
1、钢材的塑性通常用（）和（）指标来表示。答案：伸长率，断面收缩率。
2、根据钢材与环境介质的不同作用，腐蚀可分为（）和（）两类。
答案：化学腐蚀，电化学腐蚀。
3、“Q235-B•TZ”表示（）为235MPa的（）。答案：屈服点，B级特殊镇静钢。
（三）简答题
1、低碳钢承受拉力时，其应力应变关系分为那几个阶段？ 答：低碳钢承受拉力时，其应力应变关系分为：
①弹性阶段 ②屈服阶段 ③强化阶段 ④颈缩阶段
2、什么是钢材的冷弯性能？它的表示方法及实际意义是什么？
答：冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能，常用弯曲的角度、弯心直径d与直径（或厚度）a的比值来表示。弯曲角越大，d/a越小，说明试件受弯程度越高。当按规定的弯曲角度和d/a值对试件进行冷弯时试件受弯处不发生裂缝、断层或起层，即认为冷弯性能合格。
冷弯性能表示钢材在常温下易于加工而不被破坏的能力。其实质反映了钢材内部组织状态、含有内应力及杂质等缺陷的程度。因此，可以利用冷弯的方法，使得焊口处受到不均匀变形，来检验建筑钢材各种焊接接头的焊接质量。
3、什么叫做钢材的热处理？钢材热处理的方法有那几种？
热处理是将钢材在固态范围内进行加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得需要性能的一种综合工艺。
热处理的方法有：正火、退火、淬火和回火。
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