鋼材知識(shí)基礎(chǔ)

1、煉鋼的過(guò)程(1)融化過(guò)程。融化過(guò)程。鐵水及廢鋼中含有C、Mn、Si、P、S等雜質(zhì)，在低溫融化過(guò)程中，C、Si、P、S被氧化，即使單質(zhì)態(tài)的雜質(zhì)變?yōu)榛蠎B(tài)的雜質(zhì)，以利于后期進(jìn)一步去除雜質(zhì)。氧來(lái)源于爐料中的鐵銹(成分為Fe2O32H2O)、氧化鐵皮、加入的鐵礦石以及空氣中的氧和吹氧。各種雜質(zhì)的氧化過(guò)程是在爐渣與鋼液的界面之間進(jìn)行的。(2)氧化過(guò)程。氧化過(guò)程。氧化過(guò)程是在高溫下進(jìn)行的脫炭、去磷、去氣、去雜質(zhì)反應(yīng)。(3)脫氧、脫硫與出鋼。脫氧、脫硫與出鋼。氧化末期，鋼中含有大量過(guò)剩的氧，通過(guò)向鋼液中加入塊狀或粉狀鐵合金或多元素合金來(lái)去除鋼液中過(guò)剩的氧，產(chǎn)生的有害氣體CO隨爐氣排出，產(chǎn)生的爐渣可進(jìn)一步脫硫

2、，即在最后的出鋼過(guò)程中，渣、鋼強(qiáng)烈混合沖洗，增加脫硫反應(yīng)。(4)爐外精煉。爐外精煉。從煉鋼爐中冶煉出來(lái)的鋼水含有少量的氣體及雜質(zhì)，一般是將鋼水注入精煉包中，進(jìn)行吹氬、脫氣、鋼包精煉等工序，得到較純凈的鋼質(zhì)。(5)澆鑄。澆鑄。從煉鋼爐或精煉爐中出來(lái)的純凈的鋼水，當(dāng)其溫度合適、化學(xué)成分調(diào)整合適以后，即可出鋼。鋼水經(jīng)過(guò)鋼水包脫入鋼錠模或連續(xù)鑄鋼機(jī)內(nèi)，即得到鋼錠或連鑄坯。歷史回顧歷史回顧廣州海珠橋的鋼材廣州海珠橋的鋼材 20042004年，提供建造海珠橋鋼年，提供建造海珠橋鋼材的英國(guó)企業(yè)向廣州市政部材的英國(guó)企業(yè)向廣州市政部門發(fā)來(lái)傳真，提醒有關(guān)部門門發(fā)來(lái)傳真，提醒有關(guān)部門注意，這些鋼材是從當(dāng)時(shí)英注意，這

3、些鋼材是從當(dāng)時(shí)英國(guó)的一座舊鋼橋上拆卸下來(lái)國(guó)的一座舊鋼橋上拆卸下來(lái)的，所以就其壽命計(jì)算，海的，所以就其壽命計(jì)算，海珠橋使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百珠橋使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史，已經(jīng)進(jìn)入疲勞期，年歷史，已經(jīng)進(jìn)入疲勞期，繼續(xù)使用則需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度繼續(xù)使用則需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)的測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行加固等。行加固等。 廣州海珠橋已廣州海珠橋已“年逾七旬年逾七旬”，但其使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史。，但其使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史。工程應(yīng)用工程應(yīng)用鋼鋼結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)廠廠房房工程應(yīng)用工程應(yīng)用國(guó)家體育場(chǎng)國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢鳥(niǎo)巢”巴黎艾菲爾鐵塔巴黎艾菲爾鐵塔 鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于鋼與生

4、鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.062.06的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.062.06的鐵碳的鐵碳合金稱為生鐵。合金稱為生鐵。 鑄鑄 鐵鐵：含碳量為含碳量為2 24 4； 工業(yè)純鐵工業(yè)純鐵：含碳量小于含碳量小于0.04%0.04%。 1.1 1.1 按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類1.2 1.2 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類1.3 1.3 按冶煉時(shí)脫氧程度分類按冶煉時(shí)脫氧程度分類 亞共析鋼亞共析鋼共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼過(guò)共析鋼奧氏體奧氏體鐵素體鐵素體馬氏體馬氏體1.1 1.1 按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 1. 碳素鋼碳素鋼 低碳鋼：含碳量低碳鋼

5、：含碳量 0.60 2. 合金鋼合金鋼 低合金鋼：合金元素總含量低合金鋼：合金元素總含量 10 建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加工成的產(chǎn)主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。1.2 1.2 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類1.1.普通鋼：含硫量普通鋼：含硫量0.0500.050；含磷量；含磷量0.0450.045。2.2.優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量?jī)?yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.0350.035；含磷量；含磷量0.0350.035。3.3.高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫

6、量高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.0250.025；含磷量；含磷量0.0250.025。 4.4.特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.0150.015；含磷量含磷量0.0250.025。 1.3 1.3 按冶煉時(shí)脫氧程度分類按冶煉時(shí)脫氧程度分類 1. 1. 沸騰鋼沸騰鋼 煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會(huì)與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會(huì)與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱生成大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱為沸騰鋼，

7、代號(hào)為為沸騰鋼，代號(hào)為“F”F”。其沖擊韌性和可焊性較差。其沖擊韌性和可焊性較差。 2. 2. 鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼 煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼液會(huì)平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，代號(hào)為液會(huì)平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，代號(hào)為 “ “Z”Z”。 3. 3. 半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼 指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，代號(hào)指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，代號(hào)為為“b”b”。 4. 4. 特殊鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼 比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，代號(hào)為比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，代號(hào)為“TZ”TZ”。特殊鎮(zhèn)靜

8、鋼。特殊鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。 (1)結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼。主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。 (2)工具鋼。工具鋼。主要用于各種刀具、量具及模具的鋼。主要用于各種刀具、量具及模具的鋼。 (3)特殊鋼。特殊鋼。具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等。如不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等。 建筑鋼材的產(chǎn)品一般分為型材、板材、線材和管材等建筑鋼材的產(chǎn)品一般分為型材、板材、線材和管材等幾類。幾類。型材型材包括鋼結(jié)構(gòu)用的角鋼、工字鋼、槽鋼

9、、方包括鋼結(jié)構(gòu)用的角鋼、工字鋼、槽鋼、方鋼、軌道鋼等。鋼、軌道鋼等。線材線材包括鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土包括鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土用的鋼筋、鋼絲和鋼鉸線等。用的鋼筋、鋼絲和鋼鉸線等。板材板材包括用于水利水電包括用于水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)、房屋、橋梁及建筑機(jī)械的中厚鋼板；工程金屬結(jié)構(gòu)、房屋、橋梁及建筑機(jī)械的中厚鋼板；用于屋面、墻面、樓板等的薄鋼板。用于屋面、墻面、樓板等的薄鋼板。管材管材主要用于鋼主要用于鋼桁架和供水、供氣（汽）管線等。桁架和供水、供氣（汽）管線等。1.4 1.4 按用途分類按用途分類 建筑鋼材的技術(shù)性能建筑鋼材的技術(shù)性能力學(xué)性能力學(xué)性能工藝性能工藝性能抗拉性能抗拉性能沖擊韌性沖

10、擊韌性疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度硬硬 度度冷加工性能冷加工性能 冷彎性能冷彎性能焊接性能焊接性能（1）伸長(zhǎng)率）伸長(zhǎng)率n10n0100%llll1拉斷后標(biāo)距部分長(zhǎng)度拉斷后標(biāo)距部分長(zhǎng)度mm；l0原標(biāo)距長(zhǎng)度原標(biāo)距長(zhǎng)度mm； n長(zhǎng)試件長(zhǎng)試件n=10，短試件，短試件n=5。 通常取通常取l0=5d，或，或l0=10d，伸長(zhǎng)率分別為，伸長(zhǎng)率分別為5和和10。相同鋼材，相同鋼材，5 10。鋼材的塑性鋼材的塑性（2）斷面收縮率）斷面收縮率010100AAAA0試件的原截面面積，試件的原截面面積，mm2；A1試件斷裂后頸縮處的橫截面積，試件斷裂后頸縮處的橫截面積，mm2； 強(qiáng)度、變形性質(zhì)、硬度、耐磨性強(qiáng)度、變形性質(zhì)、硬度

11、、耐磨性（一）材料的強(qiáng)度（一）材料的強(qiáng)度定義：材料的強(qiáng)度是指材料在外力作用下定義：材料的強(qiáng)度是指材料在外力作用下不破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力不破壞時(shí)所能承受的最大應(yīng)力；2bh2PL3f FfA（一）材料的強(qiáng)度（一）材料的強(qiáng)度2.1 2.1 抗拉性能抗拉性能 在外力作用下，材料抵抗變形在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。測(cè)定鋼。測(cè)定鋼材強(qiáng)度的主要方法是拉伸試驗(yàn)，材強(qiáng)度的主要方法是拉伸試驗(yàn)，鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時(shí)，鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映鋼材的主要力學(xué)特征關(guān)系反映鋼材的主要力學(xué)特征。從右圖低碳

12、鋼的應(yīng)力從右圖低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系中應(yīng)變關(guān)系中可看出，可看出，低碳鋼從受拉到被拉斷低碳鋼從受拉到被拉斷，經(jīng)歷了四個(gè)階段：彈性階段、屈經(jīng)歷了四個(gè)階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。每個(gè)階段的特點(diǎn)詳見(jiàn)動(dòng)畫演示。每個(gè)階段的特點(diǎn)詳見(jiàn)動(dòng)畫演示?；A(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)2.1 2.1 抗拉性能抗拉性能 建筑鋼材的抗拉性能建筑鋼材的抗拉性能 一條通過(guò)原點(diǎn)一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。的直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。 彈性彈性彈性模量彈性模量 E E值的大小反映了鋼材抵抗值的大小反映了鋼材抵抗彈性變形的能力。彈性變形的能力。 A點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。的應(yīng)力。tgE:p0LL

13、OAFA低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖p E1 E2l圖形的特點(diǎn)圖形的特點(diǎn)：l 試件的特點(diǎn)試件的特點(diǎn)：l計(jì)算的指標(biāo)：計(jì)算的指標(biāo)：ABCD彈性極限彈性極限一、彈性階段一、彈性階段OA二、屈服階段二、屈服階段AB 一條波動(dòng)的曲一條波動(dòng)的曲線，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)變?cè)黾泳€，應(yīng)力增加很小，而應(yīng)變?cè)黾雍艽?。很大?所能承受的拉所能承受的拉力增加很小，而塑性變形迅速力增加很小，而塑性變形迅速增加，似乎鋼材不能承受外力增加，似乎鋼材不能承受外力 屈服強(qiáng)度（也叫屈服點(diǎn)）屈服強(qiáng)度（也叫屈服點(diǎn)） 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。l圖形的特點(diǎn)：圖形的特點(diǎn)：l試件的特點(diǎn)：試件的特點(diǎn)：l計(jì)算的指標(biāo)：計(jì)算的指標(biāo)：

14、:s下BAFss屈服。屈服。OAFA低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖pACDBB上上B下下s建筑鋼材的抗拉性能建筑鋼材的抗拉性能0LLOAFA低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖低碳鋼受拉的應(yīng)力應(yīng)變圖pACDBB上上B下下sb建筑鋼材的抗拉性能建筑鋼材的抗拉性能 一段上升的曲線。一段上升的曲線。抵抗塑性變形的能力又重新抵抗塑性變形的能力又重新提高提高抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 l圖形的特點(diǎn)：圖形的特點(diǎn)：l試件的特點(diǎn)：試件的特點(diǎn)：l計(jì)算的指標(biāo)：計(jì)算的指標(biāo)：:bAFbbC點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。強(qiáng)化強(qiáng)化。三、強(qiáng)化階段三、強(qiáng)化階段BC 一段下降的曲線。一段下降的曲線。變形迅速發(fā)展，在有雜質(zhì)或變形迅速發(fā)展，在

15、有雜質(zhì)或缺陷處，斷面急劇縮小缺陷處，斷面急劇縮小 直到斷裂。直到斷裂。伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率： l圖形的特點(diǎn)：圖形的特點(diǎn)：l試件的特點(diǎn)：試件的特點(diǎn)：l計(jì)算的指標(biāo)：計(jì)算的指標(biāo)：AF0LLOApACDBB上上B下下sb%100001LLLL1L0建筑鋼材的抗拉性能建筑鋼材的抗拉性能頸縮頸縮四、頸縮階段四、頸縮階段CD材料的比強(qiáng)度材料的比強(qiáng)度 比強(qiáng)度是按單位質(zhì)量計(jì)算的材料強(qiáng)度，其值等于材料強(qiáng)度與其表觀密度之比。 對(duì)于不同強(qiáng)度的材料進(jìn)行比較，可采用比強(qiáng)度這個(gè)指標(biāo)。 比強(qiáng)度是衡量材料輕質(zhì)高強(qiáng)性能的重要指標(biāo)，優(yōu)質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，必須具有較高的比強(qiáng)度。TGF材料材料表觀密度表觀密度（g/cmg/cm3 3）強(qiáng)度（強(qiáng)度（M

16、PaMPa）比強(qiáng)度比強(qiáng)度低碳鋼低碳鋼785078504204200.0540.054普通混凝土（抗壓）普通混凝土（抗壓）2400240040400.0170.017松木（順紋、抗拉）松木（順紋、抗拉）5005001001000.2000.200玻璃鋼玻璃鋼200020004504500.2250.225燒結(jié)普通磚（抗壓）燒結(jié)普通磚（抗壓）1700170010100.0060.006討論討論(1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用 請(qǐng)觀察下圖請(qǐng)觀察下圖中中、兩種低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的差異。兩種低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的差異。討論下述問(wèn)題：討論下述問(wèn)題： 若對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，若對(duì)于變形要求嚴(yán)格的

17、構(gòu)件，、兩種低碳鋼選用何種更合適兩種低碳鋼選用何種更合適？ 使用使用、兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高？討論討論觀觀察與討論與討論(1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用 討論討論 從從、兩條曲線比較可知，低碳鋼兩條曲線比較可知，低碳鋼的彈性模的彈性模量量E E小于低碳鋼小于低碳鋼，也就是說(shuō)，低碳鋼，也就是說(shuō)，低碳鋼的抗變形能的抗變形能力不如低碳鋼力不如低碳鋼。對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低。對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼碳鋼更為合適。更為合適。(1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用 討論討論 、兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度s s相近，但低碳鋼相近，但低碳鋼的

18、抗拉強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度b b高于高于。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為屈強(qiáng)比，即為屈強(qiáng)比，即s/s/b b。屈強(qiáng)比越小，反映鋼材超過(guò)。屈強(qiáng)比越小，反映鋼材超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然，屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然，屈強(qiáng)比過(guò)小時(shí)，表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，也不合屈強(qiáng)比過(guò)小時(shí)，表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，也不合理。有時(shí)也使用強(qiáng)屈比（理。有時(shí)也使用強(qiáng)屈比（b b/ /s s）來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的可靠）來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的可靠性。鋼材性。鋼材的屈強(qiáng)比較低，故其安全性高于鋼材的屈強(qiáng)比較低，故其安全性高于鋼材。Q235Q235鋼材的屈強(qiáng)比為鋼材的屈強(qiáng)比為0.580.5

19、80.630.63，普通的合金鋼的屈，普通的合金鋼的屈強(qiáng)比在強(qiáng)比在0.670.670.750.75之間。之間。 2.2 2.2 沖擊韌性沖擊韌性 鋼材的沖擊韌性試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架鋼材的沖擊韌性試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間開(kāi)上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間開(kāi)V V形形缺口。缺口。 鋼材的沖擊韌性是處在簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作鋼材的沖擊韌性是處在簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功用下折斷時(shí)的沖擊吸收功。反映鋼材抵抗沖擊荷載的能力。反映鋼材抵抗沖擊荷載的能力。沖擊韌性試驗(yàn)示意圖沖擊韌性試驗(yàn)示意圖Cons

20、truction Materials 圖 沖擊韌性試驗(yàn) (a)試件裝置 (a) 試件 沖擊 55 40 （b）V 型缺口試件 10 10 (b) 沖擊韌性試驗(yàn)示意圖沖擊韌性試驗(yàn)示意圖實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)演示 m m 擺錘質(zhì)量，擺錘質(zhì)量，kgkg； g g 重力加速度，數(shù)值為重力加速度，數(shù)值為9.81m/s9.81m/s2 2； H H、h h擺錘沖擊前后的高度，擺錘沖擊前后的高度，m m； A A 試件槽口處截面積，試件槽口處截面積，cmcm2 2。AhHmgK)( 鋼材的沖擊韌性用標(biāo)準(zhǔn)試件在做沖擊試驗(yàn)時(shí)，每平方厘米所吸收的沖擊斷裂功（每平方厘米所吸收的沖擊斷裂功（J/cm2）表示，）表示，其符號(hào)為其

21、符號(hào)為k。試驗(yàn)時(shí)將試件放置在固定支座上，然后以擺錘沖擊試件刻槽的背面，使試件承受沖擊彎曲而斷裂。顯然，k值越大，鋼材的沖擊韌性越好。 影響鋼材沖擊韌性的因素很多，當(dāng)鋼材內(nèi)硫、磷的含量高，存在化學(xué)偏析，含有非金屬夾雜物及焊接形成的微裂縫時(shí)，鋼材的沖擊韌性都會(huì)顯著降低。 環(huán)境溫度對(duì)鋼材的沖擊功影響很大。試驗(yàn)證明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，開(kāi)始時(shí)下降緩和，當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍時(shí)，突然下降很多而呈脆性，這種性質(zhì)稱為鋼材 的冷脆性。這時(shí)的溫度稱為脆性臨界溫度脆性臨界溫度，其數(shù)值愈低，鋼材的低溫沖擊韌性愈好。所以，在負(fù)溫下使用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用脆性臨界溫度較使用溫度低的鋼材。由于脆性臨界溫度的測(cè)定較復(fù)雜，故規(guī)

22、范中通常是根據(jù)氣溫條件規(guī)定20或40的負(fù)溫沖擊值指標(biāo)。 沖擊韌性將隨時(shí)間的延長(zhǎng)而下降的現(xiàn)象稱為時(shí)時(shí)效效，完成時(shí)效的過(guò)程可達(dá)數(shù)十年，但鋼材如經(jīng)冷加工或使用中受振動(dòng)和反復(fù)荷載的影響，時(shí)效可迅速發(fā)展。因時(shí)效導(dǎo)致鋼材性能改變的程度稱為時(shí)效敏感性。時(shí)效敏感性越大的鋼材，經(jīng)過(guò)時(shí)效后沖擊韌性的降低越顯著。為了保證安全，對(duì)于承受動(dòng)荷載的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用時(shí)效敏感性小的鋼材。 總之，對(duì)于直接承受動(dòng)荷載，而且可能在負(fù)溫下工作的重要結(jié)構(gòu)，必須按照有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行鋼材的沖擊韌性檢驗(yàn)。2.3 2.3 耐疲勞性耐疲勞性 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

23、然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象, ,稱為疲勞破壞。稱為疲勞破壞。 鋼材的疲勞破壞一般鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開(kāi)始形成細(xì)小先在局部開(kāi)始形成細(xì)小裂紋，隨后由于微裂紋裂紋，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。生瞬時(shí)疲勞斷裂。 疲勞破壞是在低應(yīng)力疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。災(zāi)難性的事故。 鋼材在交變荷載反復(fù)多次作用下，可在最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞

24、。鋼材的疲勞破壞指標(biāo)用疲勞強(qiáng)度（或稱疲勞極限）來(lái)表示，它是試件在交變應(yīng)力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。一般將承受交變荷載達(dá)107周次時(shí)不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力，定義為疲勞強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)承受反復(fù)荷載且須進(jìn)行疲勞驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)了解所用鋼材的疲勞強(qiáng)度。 研究表明，鋼材的疲勞破壞是拉應(yīng)力拉應(yīng)力引起的，首先在局部開(kāi)始形成微細(xì)裂縫，由于裂縫尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中而使裂縫迅速擴(kuò)展直至鋼材斷裂。因此，鋼材內(nèi)部成分的偏析和夾雜物的多少以及最大應(yīng)力處的表面光潔程度、加工損傷等，都是影響鋼材疲勞強(qiáng)度的因素。疲勞破壞常常是突然發(fā)生的，往往造成嚴(yán)重事故。.4 硬度硬度定義定義 硬度硬度是指鋼材抵抗外是指鋼材抵抗外 物壓

25、入表面產(chǎn)生塑性物壓入表面產(chǎn)生塑性 變形的能力。變形的能力。 硬度硬度是指鋼材抵抗外物壓入表面產(chǎn)生塑性變形的能力。 鋼材的硬度是以一定的靜荷載，把一定直徑的淬火鋼球壓入試件表面，然后測(cè)定壓痕的面積或深度來(lái)定的。測(cè)定鋼材硬度的方法有布氏法、洛氏法和維氏法等，較常用的為布氏法和洛氏法。相應(yīng)的硬度試驗(yàn)指標(biāo)稱布氏硬度(HB)和洛氏硬度(HR)。 硬度：是金屬材料抵抗硬物壓入表面的能力，硬度：是金屬材料抵抗硬物壓入表面的能力，亦即材料表面抵抗塑性變形的能力。亦即材料表面抵抗塑性變形的能力。 強(qiáng)度與硬度的關(guān)系：材料的強(qiáng)度越高，硬度強(qiáng)度與硬度的關(guān)系：材料的強(qiáng)度越高，硬度值越大。值越大。 硬度指標(biāo)（金屬）硬度指

26、標(biāo)（金屬） 布氏硬度布氏硬度（HBHB）單位壓痕面積面積承受的壓力單位壓痕面積面積承受的壓力 洛氏硬度硬度（HRHR）壓痕深度壓痕深度(HRA(HRA、HRBHRB、HRCHRC，如，如27HRA) 27HRA) 維氏硬度（維氏硬度（HVHV） 肖氏硬度（肖氏硬度（HSHS）撞錘回跳高度撞錘回跳高度2.4 硬度硬度布氏硬度布氏硬度222()PPPHBFDhD DDd 布氏法是利用直徑為D(mm)的淬火鋼球，以P(N)的荷載將其壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的持續(xù)時(shí)間后卸除荷載，以壓痕表面積以壓痕表面積F(mm2)去除荷載去除荷載P，所得的應(yīng)力值即為試，所得的應(yīng)力值即為試件的布氏硬度值件的布氏硬度值。各類

27、鋼材的HB值與抗拉強(qiáng)度之間有較好的相關(guān)關(guān)系。鋼材的強(qiáng)度越高，塑性變形抵抗力越強(qiáng)，硬度值也越大。對(duì)于碳素鋼，當(dāng)HB175時(shí)，抗拉強(qiáng)度b=3.5HB。根據(jù)這一關(guān)系，可以直接在鋼結(jié)構(gòu)上測(cè)出鋼材的HB值，并估算出該鋼材的抗拉強(qiáng)度。 洛氏法是按壓入試件深度的大小表示材料的硬度值按壓入試件深度的大小表示材料的硬度值。洛氏法壓痕很小，一般用于判斷機(jī)械零件的熱處理效果。 當(dāng)當(dāng)HB大于大于450時(shí)改用時(shí)改用HR測(cè)硬度測(cè)硬度布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)（1200的圓錐的圓錐或者或者1.59/3.18的淬火鋼珠）的淬火鋼珠）維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì) 回彈法用于測(cè)定混凝土表面硬度，并間接推算混凝土的強(qiáng)度；也用

28、于測(cè)定陶瓷、磚。砂漿、塑料、橡膠、金屬等的表面硬度并間接推算其強(qiáng)度。硬度的測(cè)試硬度的測(cè)試 原理：回彈儀的原理：回彈儀的彈擊錘被一定的彈力彈擊錘被一定的彈力打擊在混凝土表面上，打擊在混凝土表面上，其回彈高度（其回彈高度（ 通過(guò)回通過(guò)回彈儀讀得回彈值）與彈儀讀得回彈值）與混凝土表面硬度成一混凝土表面硬度成一定的比例關(guān)系。定的比例關(guān)系?；貜梼x回彈儀n耐磨性耐磨性: 是指材料抵抗磨損的能力；是指材料抵抗磨損的能力； 一般用磨損率來(lái)表示，計(jì)算公式如下：一般用磨損率來(lái)表示，計(jì)算公式如下：AmmN21 ）；試件受磨面積（）；材料磨損后的質(zhì)量（）；材料磨損前的質(zhì)量（）；材料的磨損率（其中2212cmAgmgm

29、cm/gN耐磨性耐磨性3 3 工藝性能工藝性能3.1. 3.1. 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度角度和彎心直徑和彎心直徑d為指為指標(biāo)表示標(biāo)表示，如右圖所示，如右圖所示: 伸長(zhǎng)率反映鋼材在均勻變形下的塑性。冷彎性能是鋼材伸長(zhǎng)率反映鋼材在均勻變形下的塑性。冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均處于不利變形條件下的塑性，可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。這些缺陷在拉伸試勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。這些缺陷在拉伸試驗(yàn)中常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重

30、分布而得不到反映。驗(yàn)中常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。 文庫(kù)專用50 1冷彎性能 冷彎性能，指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是建筑鋼材的重要工藝性能。 建筑鋼材的冷彎，一般用彎曲角度、彎心直徑彎曲角度、彎心直徑d相對(duì)于鋼材厚度相對(duì)于鋼材厚度a的比值的比值來(lái)表示。 試驗(yàn)時(shí)采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對(duì)試件厚度（或直徑）的比值愈小，表示對(duì)冷彎性能的要求愈高。文庫(kù)專用51鋼材冷彎試驗(yàn)dP(c)(d)Pd。ddd+2.1d。L（a）(b)PP（a）試件安裝（b）彎曲90（c）彎曲180（d）彎曲至兩面重合鋼材的冷彎示意圖180d=3a180d=a180圖2-10 鋼材的冷彎d=2ad=018

31、0oooo3.2. 3.2. 焊接性能焊接性能 鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，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(guò)熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接在焊縫及其附近過(guò)熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能后鋼材的力學(xué)性能特別是強(qiáng)度應(yīng)不低于原有鋼材的強(qiáng)特別是強(qiáng)度應(yīng)不低于原有鋼材的強(qiáng)度。度。焊接性能焊接性能 在焊接中，由于高溫作用和焊接后急劇冷卻作用，在焊接中，由于高溫作用和焊接后急劇冷卻作用，焊縫及附近的焊縫及附近的過(guò)熱區(qū)過(guò)熱區(qū)發(fā)生晶體組織及結(jié)構(gòu)變化，發(fā)生晶體組織及結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應(yīng)力，使焊縫周圍的鋼材產(chǎn)生產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應(yīng)力，使焊縫周圍的鋼材產(chǎn)生硬

32、脆傾向，降低了焊接質(zhì)量。硬脆傾向，降低了焊接質(zhì)量。 低碳鋼的可焊性很好，隨著低碳鋼的可焊性很好，隨著碳碳含量和合金含量的含量和合金含量的增加，鋼材的可焊性減弱。增加，鋼材的可焊性減弱。 鋼中含鋼中含硫硫也會(huì)使鋼材在焊接時(shí)產(chǎn)生熱脆性也會(huì)使鋼材在焊接時(shí)產(chǎn)生熱脆性 采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理的方法，能提高可焊采用焊前預(yù)熱和焊后熱處理的方法，能提高可焊性差的鋼材焊接質(zhì)量。性差的鋼材焊接質(zhì)量。 閃光對(duì)焊閃光對(duì)焊閃光對(duì)焊螺栓連接螺栓連接綁扎連接綁扎連接基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)3 3 鋼材的冷加工性能和實(shí)效鋼材的冷加工性能和實(shí)效 3.1 3.1 冷加工強(qiáng)化冷加工強(qiáng)化3.2 3.2 時(shí)效處理時(shí)效處理3.3 3.3 熱處

33、理熱處理3.1 3.1 冷加工強(qiáng)化冷加工強(qiáng)化 將鋼材于常溫下進(jìn)行將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉冷拉、冷拔冷拔或或冷軋冷軋使其產(chǎn)使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度，降低塑性韌性，降低塑性韌性，這個(gè)過(guò)程稱為冷加工強(qiáng)化處理。這個(gè)過(guò)程稱為冷加工強(qiáng)化處理。將熱軋鋼筋用拉伸設(shè)備在常溫下拉長(zhǎng)，使之產(chǎn)生將熱軋鋼筋用拉伸設(shè)備在常溫下拉長(zhǎng)，使之產(chǎn)生一定的塑性變形稱之為冷拉。一定的塑性變形稱之為冷拉。鋼材用拉伸設(shè)備拉伸后能提高強(qiáng)度鋼材用拉伸設(shè)備拉伸后能提高強(qiáng)度, ,屈服點(diǎn)可提屈服點(diǎn)可提高高20%-25%20%-25%。冷拉冷拉 將鋼筋通過(guò)硬質(zhì)合金拔絲?？讖?qiáng)行拉拔，使之將鋼筋通過(guò)硬質(zhì)合金拔絲?？讖?qiáng)

34、行拉拔，使之不僅受拉、而且受擠壓以提高強(qiáng)度。每次冷拔不僅受拉、而且受擠壓以提高強(qiáng)度。每次冷拔斷面縮小應(yīng)為斷面縮小應(yīng)為10%10%以下，可多次冷拔以下，可多次冷拔, ,在這個(gè)過(guò)在這個(gè)過(guò)程中，屈服強(qiáng)度可提高程中，屈服強(qiáng)度可提高40-60%40-60%，效果好于冷拉。，效果好于冷拉。冷拔冷拔F冷拉示意圖冷拉示意圖 將圓鋼在冷軋機(jī)上軋成斷面形狀規(guī)則的鋼筋，將圓鋼在冷軋機(jī)上軋成斷面形狀規(guī)則的鋼筋，可提高其強(qiáng)度與混凝土的粘結(jié)力?？商岣咂鋸?qiáng)度與混凝土的粘結(jié)力。冷軋冷軋冷加工強(qiáng)化冷加工強(qiáng)化在土木工程中的應(yīng)用在土木工程中的應(yīng)用: :土木工程中大量使用的鋼筋采用冷加工強(qiáng)化具有土木工程中大量使用的鋼筋采用冷加工強(qiáng)化

35、具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。明顯的經(jīng)濟(jì)效益。減小鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面減小鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)截面減小混凝土中配筋數(shù)量減小混凝土中配筋數(shù)量節(jié)約建筑材料節(jié)約建筑材料3.2 3.2 時(shí)效處理時(shí)效處理 將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放151520 20 d d，或加熱至，或加熱至100100200200后保持一定時(shí)間（后保持一定時(shí)間（2 23h3h），），其其屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度也提高，同時(shí)也提高，同時(shí)塑性和韌性塑性和韌性也進(jìn)一步降低，也進(jìn)一步降低，彈性模量彈性模量則基本恢復(fù)。則基本恢復(fù)。這個(gè)過(guò)程稱為這個(gè)過(guò)程稱為時(shí)效處理時(shí)效處理。時(shí)效

36、處理方法有兩種：時(shí)效處理方法有兩種：1 1、自然時(shí)效自然時(shí)效：在常溫下存放：在常溫下存放151520d20d，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；2 2、人工時(shí)效人工時(shí)效：加熱至：加熱至100100200200后保持一定時(shí)間（后保持一定時(shí)間（2 23h3h），適），適合于高強(qiáng)鋼筋。合于高強(qiáng)鋼筋。 觀察與討論觀察與討論冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的意義意義 請(qǐng)觀察下圖鋼筋的應(yīng)力請(qǐng)觀察下圖鋼筋的應(yīng)力- - -應(yīng)變曲線，并討論應(yīng)變曲線，并討論冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的意義意義。 鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力-應(yīng)變圖的變化應(yīng)變圖的變化 討論討論 從上圖可見(jiàn)

37、從上圖可見(jiàn)，將鋼筋冷拉至強(qiáng)化階段的，將鋼筋冷拉至強(qiáng)化階段的K K點(diǎn)，然點(diǎn)，然后卸荷，則產(chǎn)生塑性變形，若立即受拉，鋼筋的應(yīng)力后卸荷，則產(chǎn)生塑性變形，若立即受拉，鋼筋的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線將沿應(yīng)變曲線將沿OKCDOKCD發(fā)展至破壞。這時(shí)，鋼筋在原發(fā)展至破壞。這時(shí)，鋼筋在原來(lái)屈服階段不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服點(diǎn)由來(lái)屈服階段不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服點(diǎn)由B B點(diǎn)提高到點(diǎn)提高到K K點(diǎn)，但抗拉強(qiáng)度基本不變，塑性和韌性降低，彈性模點(diǎn)，但抗拉強(qiáng)度基本不變，塑性和韌性降低，彈性模量降低。冷加工強(qiáng)化的原因是冷拉至量降低。冷加工強(qiáng)化的原因是冷拉至K K點(diǎn)時(shí)，塑性變點(diǎn)時(shí)，塑性變形造成滑移面內(nèi)晶格歪扭，畸變加劇，阻礙了進(jìn)一步形

38、造成滑移面內(nèi)晶格歪扭，畸變加劇，阻礙了進(jìn)一步滑移，提高了抵抗變形的能力。同時(shí)，滑移，提高了抵抗變形的能力。同時(shí)，由于由于塑性變形塑性變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼材彈性模量降低。中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼材彈性模量降低。3.3 3.3 熱處理熱處理 熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度，進(jìn)行熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度，進(jìn)行加熱加熱、保保溫溫和和冷卻冷卻處理，處理，以改變其晶格組織以改變其晶格組織，得到所需要的，得到所需要的性能的一種工藝。性能的一種工藝。熱處理包括熱處理包括淬火淬火、回火回火、退火退火和和正火正火。 淬火淬火將鋼材加熱至基本組織改變溫度以上，保溫使其基本將鋼材加熱至基本組織改變溫度以上，保溫使其基本

39、組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后投入水或礦物油中急冷，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后投入水或礦物油中急冷，使晶粒細(xì)化，晶粒細(xì)化，強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性明顯下降強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性明顯下降?；鼗鸹鼗饘⒈容^硬脆，存在內(nèi)應(yīng)力的鋼，再加熱至基本組織改將比較硬脆，存在內(nèi)應(yīng)力的鋼，再加熱至基本組織改變溫度以下（變溫度以下（150650150650），保溫后按一定制度冷卻），保溫后按一定制度冷卻至室溫的熱處理方法?；鼗鸷蟮匿摬?，至室溫的熱處理方法?；鼗鸷蟮匿摬?，內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力消除，硬度降低，塑性和韌性得到改善硬度降低，塑性和韌性得到改善。退火退火將鋼材加熱至基本組織轉(zhuǎn)變溫度以下（低溫退火）或?qū)摬募訜嶂粱窘M織

40、轉(zhuǎn)變溫度以下（低溫退火）或以上（完全退火），適當(dāng)保溫后緩慢冷卻，以以上（完全退火），適當(dāng)保溫后緩慢冷卻，以消除內(nèi)消除內(nèi)應(yīng)力應(yīng)力，減少缺陷和晶格畸變減少缺陷和晶格畸變，使鋼的，使鋼的塑性和韌性得到塑性和韌性得到改善改善。正火正火將鋼件加熱至基本組織改變溫度以上，然后在空氣中將鋼件加熱至基本組織改變溫度以上，然后在空氣中冷卻，使晶格細(xì)化，鋼的冷卻，使晶格細(xì)化，鋼的強(qiáng)度提高而塑性有所降低強(qiáng)度提高而塑性有所降低。退火、正火、淬火和回火有何差別？退火、正火、淬火和回火有何差別？溫度溫度727 C保溫處理保溫處理回火回火淬火淬火正火正火退火退火時(shí)間時(shí)間鋼材的熱處理工藝鋼材的熱處理工藝保溫處理保溫處理工程實(shí)

41、例分析工程實(shí)例分析鋼結(jié)構(gòu)吊車梁發(fā)現(xiàn)裂紋鋼結(jié)構(gòu)吊車梁發(fā)現(xiàn)裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象 某廠氣輪車間吊車梁為鋼結(jié)構(gòu)，建成后質(zhì)量檢某廠氣輪車間吊車梁為鋼結(jié)構(gòu)，建成后質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多，腹板查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多，腹板處較少；裂紋深度經(jīng)鏟后，用深度計(jì)復(fù)測(cè)，大多數(shù)處較少；裂紋深度經(jīng)鏟后，用深度計(jì)復(fù)測(cè)，大多數(shù)的深度為的深度為1 12 mm2 mm，少量紋深達(dá)，少量紋深達(dá)3 mm3 mm。此批構(gòu)件鋼材。此批構(gòu)件鋼材雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；環(huán)境溫度正常；工雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；環(huán)境溫度正常；工程尚未使用；構(gòu)件運(yùn)輸安裝過(guò)程未被撞擊；裂紋部程尚未使用；構(gòu)件運(yùn)輸安裝過(guò)程未被撞擊

42、；裂紋部位遠(yuǎn)離焊接影響區(qū)。位遠(yuǎn)離焊接影響區(qū)。t2t1HBt1ht2H H型鋼的規(guī)格標(biāo)記采用：型鋼的規(guī)格標(biāo)記采用：高度高度H H寬度寬度B B腹板寬度腹板寬度t t1 1翼緣厚度翼緣厚度t t2 2例如：例如：H340H340250 9 14T T型鋼的規(guī)格標(biāo)記采用：型鋼的規(guī)格標(biāo)記采用：高度高度H H寬度寬度B B腹板寬度腹板寬度t t1 1翼緣厚度翼緣厚度t t2 2例如：例如：T T248199 9 14原因分析原因分析 經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時(shí)，由于片面追求速經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時(shí)，由于片面追求速度，鑄鋼時(shí)剛澆好的鋼錠僅冷卻至度，鑄鋼時(shí)剛澆好的鋼錠僅冷卻至400400500500就就拆模

43、，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時(shí)鋼板拆模，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時(shí)鋼板溫度還在溫度還在300300以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制作，以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制作，鋼板冷卻至鋼板冷卻至5050左右時(shí)，已有裂紋。即鋼錠溫差過(guò)左右時(shí)，已有裂紋。即鋼錠溫差過(guò)大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂紋，經(jīng)加熱軋壓，大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂紋，經(jīng)加熱軋壓，裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形，裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形，故所軋制故所軋制的鋼板上下兩面有裂紋的鋼板上下兩面有裂紋。而加勁板為另外采購(gòu)的鋼而加勁板為另外采購(gòu)的鋼板，故未發(fā)現(xiàn)裂紋板，故未發(fā)現(xiàn)裂紋。 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)4 4 鋼材的組成結(jié)構(gòu)

44、及對(duì)性能的影響鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響 4.1 4.1 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)鋼材的晶體結(jié)構(gòu) 4.2 4.2 鋼材的基本晶體組織鋼材的基本晶體組織4.3 4.3 鋼材的成分對(duì)性能的影響鋼材的成分對(duì)性能的影響 第第8 8章章 建筑金屬材料建筑金屬材料4.1 4.1 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)鋼材的晶體結(jié)構(gòu) 鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵- -碳碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格體心立方晶格和和面心立面心立方晶格方晶格。體心立方晶格體心立方晶格是原子排列在一個(gè)正六面體的中心和各個(gè)是原子排列在一個(gè)正六面體的中心和各

45、個(gè)頂點(diǎn)而構(gòu)成的空間格子；頂點(diǎn)而構(gòu)成的空間格子；面心立方體晶格面心立方體晶格是原子排列在一個(gè)正六面體的各個(gè)頂點(diǎn)是原子排列在一個(gè)正六面體的各個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)面的中心而構(gòu)成的空間格子。和六個(gè)面的中心而構(gòu)成的空間格子。u其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性很高的強(qiáng)度和良好的塑性。u鋼材的晶格并不都是完好無(wú)缺地規(guī)則排列，而是存在許多鋼材的晶格并不都是完好無(wú)缺地規(guī)則排列，而是存在許多缺陷缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度鋼材的

46、實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根本原因。的根本原因。u其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。液態(tài)鐵液態(tài)鐵 Fe Fe Fe Fe FeFe 體心立方體心立方 面心立方面心立方 體心立方體心立方13901390以上以上910910 13901390910910以下以下碳素鋼從碳素鋼從液態(tài)液態(tài)變成變成固態(tài)固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著溫度的降晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著溫度的降低，其晶格要發(fā)生兩次轉(zhuǎn)變。低，其晶格要發(fā)生兩次轉(zhuǎn)變。4.2 4.2 鋼材的基本晶體組織鋼材的基本晶體組織 鋼是以鐵（鋼是以鐵（FeFe）為主的）為主的Fe-CFe-C合金。合金。Fe-CF

47、e-C合金于一合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為，稱為鋼的組鋼的組織織，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖像像( (見(jiàn)見(jiàn)下下圖圖) )，故也稱顯微組織。主要有，故也稱顯微組織。主要有鐵素體鐵素體、滲碳體滲碳體、珠珠光體光體和和奧氏體奧氏體。 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）鐵素體的晶體組織鋼材的晶體組織鋼材的晶體組織珠光體的晶體組織鐵素體和珠光體珠光體與滲碳體球狀珠光體鋼的基本晶體組鋼的基本晶體組織織名稱名稱含碳量含碳量/%/%結(jié)構(gòu)特征結(jié)

48、構(gòu)特征性能性能鐵素體鐵素體0.020.02碳在碳在 Fe Fe 中的固溶體中的固溶體塑性、韌性好；但塑性、韌性好；但強(qiáng)度、硬度低強(qiáng)度、硬度低奧氏體奧氏體0.80.8碳在碳在 Fe Fe 中的固溶體中的固溶體強(qiáng)度、硬度不高，強(qiáng)度、硬度不高，但塑性好但塑性好滲碳體滲碳體6.676.67鐵和碳的化合物鐵和碳的化合物FeFe3 3C C抗拉強(qiáng)度低，塑性抗拉強(qiáng)度低，塑性差，性硬脆，耐磨差，性硬脆，耐磨珠光體珠光體0.80.8鐵素體和滲碳體的機(jī)械鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物混合物塑性較好，強(qiáng)度和塑性較好，強(qiáng)度和硬度較高硬度較高4.3 4.3 鋼材的成分對(duì)性能的影響鋼材的成分對(duì)性能的影響 除鐵、碳外，鋼材在冶

49、煉過(guò)程中會(huì)從原料、燃除鐵、碳外，鋼材在冶煉過(guò)程中會(huì)從原料、燃料中引入一些其他元素。鋼材的成分對(duì)性能有重要料中引入一些其他元素。鋼材的成分對(duì)性能有重要影響。這些成分可分為兩類：影響。這些成分可分為兩類：u一類能一類能改善優(yōu)化改善優(yōu)化鋼材的性能稱為鋼材的性能稱為合金元素合金元素，主要，主要有有SiSi、MnMn、TiTi、V V、NbNb等；等；u另一類能另一類能劣化劣化鋼材的性能，屬鋼材的鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)雜質(zhì)，主要，主要有氧、硫、氮、磷等。有氧、硫、氮、磷等。 觀察與討論觀察與討論(1) (1) 碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響 (2) (2) 鋼材的

50、晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能(1) (1) 碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響 下圖是碳素鋼基本組織相對(duì)含量與含碳量的關(guān)系下圖是碳素鋼基本組織相對(duì)含量與含碳量的關(guān)系。請(qǐng)分析。請(qǐng)分析低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量的增加，其基本組織及性低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量的增加，其基本組織及性能如何變化。能如何變化。 鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)系鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)系 討論討論(1) (1) 碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響 建筑鋼材的含碳量不大于建筑鋼材的含碳量不大于0.80.8，即基本組

51、織為即基本組織為鐵素體和珠光體。從圖可見(jiàn)，隨含碳量增加，珠光體鐵素體和珠光體。從圖可見(jiàn)，隨含碳量增加，珠光體含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強(qiáng)度較含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強(qiáng)度較高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。 (2) (2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能 請(qǐng)觀察請(qǐng)觀察下圖下圖，討論鋼材的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的，討論鋼材的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的關(guān)系。關(guān)系。 討論討論(2) (2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能 鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合力較強(qiáng)。而面與面之間，則由于原子間距離較大，

52、結(jié)力較強(qiáng)。而面與面之間，則由于原子間距離較大，結(jié)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)生相對(duì)滑移，故建筑鋼材塑性變形較大。生相對(duì)滑移，故建筑鋼材塑性變形較大。 從上面的動(dòng)畫可見(jiàn)，鋼材的晶格存在許多缺陷，從上面的動(dòng)畫可見(jiàn)，鋼材的晶格存在許多缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些缺陷的存在，如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些缺陷的存在，使晶格受力滑移時(shí)，不是理論上的整個(gè)滑移面上全部使晶格受力滑移時(shí)，不是理論上的整個(gè)滑移面上全部原子一起移動(dòng)，只是缺陷處局部移動(dòng)，故實(shí)際強(qiáng)度低原子一起移動(dòng)，只是缺陷處局部移動(dòng)，故實(shí)際強(qiáng)度低于理論強(qiáng)度。于理論強(qiáng)度。

53、工程實(shí)例分析工程實(shí)例分析鋼結(jié)構(gòu)倒塌鋼結(jié)構(gòu)倒塌 現(xiàn)象現(xiàn)象 蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷裂的位置在應(yīng)力集中處塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷裂的位置在應(yīng)力集中處節(jié)點(diǎn)附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭節(jié)點(diǎn)附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭均未破壞；全部斷口和拉斷處都很新鮮均未破壞；全部斷口和拉斷處都很新鮮, ,未發(fā)黑、無(wú)未發(fā)黑、無(wú)銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CTCT3 3號(hào)沸騰鋼。號(hào)沸騰鋼。原因分析原因分析 切取母材作化學(xué)成分分析可知切取母材作化學(xué)成分分析可知：其碳、硫含量均超過(guò)蘇

54、聯(lián)其碳、硫含量均超過(guò)蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用CTCT3 3號(hào)沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中號(hào)沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中5555的沸騰鋼中碳平均含量超過(guò)的沸騰鋼中碳平均含量超過(guò)0.220.22的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破壞發(fā)生部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破壞發(fā)生部位附近含量達(dá)位附近含量達(dá)0.380.38；3232的試樣硫含量超過(guò)的試樣硫含量超過(guò)0.055 0.055 的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在折斷部位達(dá)規(guī)定，在折斷部位達(dá)0.10.1。 碳對(duì)鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強(qiáng)度、硬度碳對(duì)鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強(qiáng)度、硬度增高，而塑性和韌性降低，且增大鋼的冷脆性，降低可焊性。增高，而塑性和韌性降低，且

55、增大鋼的冷脆性，降低可焊性。而硫多數(shù)以而硫多數(shù)以FeSFeS形成存在，是強(qiáng)度較低、較脆的夾雜物，受力形成存在，是強(qiáng)度較低、較脆的夾雜物，受力易引起應(yīng)力集中，降低鋼的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，且對(duì)熱加工和焊易引起應(yīng)力集中，降低鋼的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，且對(duì)熱加工和焊接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材不宜焊接，且使用的環(huán)境溫接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材不宜焊接，且使用的環(huán)境溫度較低度較低，這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因。這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因。 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)5 5 常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用 5.1 5.1 常用鋼種常用鋼種5.2 5.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼鋼結(jié)構(gòu)用鋼 5.3 5.3 混凝

56、土結(jié)構(gòu)用鋼混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 1 1 常用鋼種常用鋼種1. 1. 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼2. 2. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 3. 3. 低合金高強(qiáng)度低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 1. 1. 碳素結(jié)構(gòu)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼u碳素結(jié)構(gòu)鋼按照屈服強(qiáng)度分為碳素結(jié)構(gòu)鋼按照屈服強(qiáng)度分為Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235和和Q275Q275四個(gè)四個(gè)牌號(hào)；牌號(hào)；u每個(gè)牌號(hào)又根據(jù)硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少分為每個(gè)牌號(hào)又根據(jù)硫、磷等雜質(zhì)含量由多到少分為A A、B B、C C、D D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。（1）牌號(hào)及其表示方法：）牌號(hào)及其表示方法：例如：例如：Q235-AF，表示屈服強(qiáng)度為，表示屈服強(qiáng)度為2

57、35MPa，A級(jí)沸級(jí)沸騰（騰（F）碳素結(jié)構(gòu)鋼。）碳素結(jié)構(gòu)鋼。牌號(hào)的順序：牌號(hào)的順序：屈服強(qiáng)度字母屈服強(qiáng)度字母Q 屈服強(qiáng)度數(shù)值屈服強(qiáng)度數(shù)值 質(zhì)量等級(jí)質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D）、）、 脫氧程度符號(hào)脫氧程度符號(hào)（F、b、Z、TZ）。）。牌號(hào)牌號(hào) 質(zhì)量等級(jí)：按沖擊韌性劃分如下：質(zhì)量等級(jí)：按沖擊韌性劃分如下： A A級(jí)級(jí)不要求沖擊韌性；不要求沖擊韌性； B B級(jí)級(jí)要求要求+20+20o oC C沖擊韌性；沖擊韌性； C C級(jí)級(jí)要求要求O Oo oC C沖擊韌性；沖擊韌性； D D級(jí)級(jí)要求要求-20-20o oC C沖擊韌性。沖擊韌性。 質(zhì)量等級(jí)與硫、磷等雜質(zhì)含量多少有關(guān)。質(zhì)量等級(jí)與硫、磷等雜質(zhì)含量多少有

58、關(guān)。質(zhì)量提高碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、冷彎性能見(jiàn)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、冷彎性能見(jiàn)表表8-28-2和和8-38-3。（2 2）碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)性能與應(yīng)）碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)性能與應(yīng)用用鋼牌號(hào)與性能的關(guān)系：鋼牌號(hào)與性能的關(guān)系：鋼牌號(hào)越大，鋼的含碳量增加，強(qiáng)度與硬度增高，鋼牌號(hào)越大，鋼的含碳量增加，強(qiáng)度與硬度增高，塑性和韌性降低，可焊性變差。塑性和韌性降低，可焊性變差。 應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的工作條件、荷載類型、連接方式、應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的工作條件、荷載類型、連接方式、環(huán)境溫度與介質(zhì)的腐蝕情況等綜合因素選用。環(huán)境溫度與介質(zhì)的腐蝕情況等綜合因素選用。（3 3）選用原）選用原則則l Q195Q195和和Q2

59、15Q215號(hào)鋼強(qiáng)度較低，塑性和韌性較大，易號(hào)鋼強(qiáng)度較低，塑性和韌性較大，易彎加工，可用于鋼釘、螺栓等。彎加工，可用于鋼釘、螺栓等。l Q235Q235A A使用于承受靜載作用的鋼結(jié)構(gòu)；使用于承受靜載作用的鋼結(jié)構(gòu)；l Q235Q235B B可用于承受動(dòng)載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)；可用于承受動(dòng)載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)；l Q235Q235C C可用于承受動(dòng)載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)；可用于承受動(dòng)載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)；l Q235Q235D D可用于低溫承受動(dòng)荷載焊接的鋼結(jié)構(gòu)。可用于低溫承受動(dòng)荷載焊接的鋼結(jié)構(gòu)。l Q275Q275強(qiáng)度較高，塑性和韌性較差，主要用于機(jī)械強(qiáng)度較高，塑性和韌性較差，主要用于機(jī)械零件等零件等用途

60、用途 Q195主要用于軋制薄板和盤條等。主要用于軋制薄板和盤條等。 Q215 用途與用途與Q195鋼基本相同，其強(qiáng)度鋼基本相同，其強(qiáng)度稍高，還大量用作管坯、螺栓等。稍高，還大量用作管坯、螺栓等。 Q235 鋼結(jié)構(gòu)常用牌號(hào)，大量制成鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)常用牌號(hào)，大量制成鋼筋、型鋼和鋼板。（型鋼和鋼板。（應(yīng)用最為廣泛）應(yīng)用最為廣泛） Q255 主要用作鉚接或栓接結(jié)構(gòu)，以及主要用作鉚接或栓接結(jié)構(gòu)，以及鋼筋混凝土的鋼筋。鋼筋混凝土的鋼筋。 Q275 不宜在建筑結(jié)構(gòu)中使用，主要用不宜在建筑結(jié)構(gòu)中使用，主要用于制造軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板等。于制造軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板等。2. 2. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素