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文本内容:
课题建筑钢材的分类及技术性质学时4课时教材页码108-119教学目的
1、掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用
2、熟练掌握建筑钢材的力学性能(包括强度、弹性及塑性变形,耐疲劳性)
3、掌握化学元素对建筑钢材力学性能的影响,以及钢材的强化机理及强化方法教学重、难点及解决措重点钢材在土木工程中的选用原则施难点化学元素对钢材性能的影响
一、复习旧课(6分钟)钢材在日常生活中的应用
二、导入新课(9分钟)建筑钢材是广泛应用于建筑工程的重要金属材料,包括各种型钢、钢板、钢带、钢管、钢筋、钢丝等
三、学习新课
1、概述(30分钟)
(1)定义钢材是以铁为主要元素,含碳量为
0.02%〜
2.06%,并含有其他元素的合金材料教
(2)建筑钢材主要包括学钢结构用各种型钢(如工字钢、角钢、槽钢、方钢等)、板材、钢管、钢筋和钢丝等;过
(3)钢材的优点程抗拉、抗压和抗冲击性能好;可切割、可焊接、可钾接,装配方便;
(4)钢材的缺点容易锈蚀
2、钢材的分类(45分钟)
(1)钢材按化学成分分类钢材按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类
①碳素钢含碳量为
0.02%〜
2.06%的铁碳合金称为碳素钢,也称碳钢碳素钢根据含碳量可分为A低碳钢:含碳小于
0.25%;碳素结构钢和优质碳素钢制成,包括有:1热轧钢筋热轧钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种之一,主要用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋热轧带肋钢筋的牌号由HRB和牌号的屈服点最小值构成,有HRB
335、HRB
400、HRB500三个牌号,其力学性能规定见P153表8—9应用普通混凝土非预应力钢筋可根据使用条件选用I级钢筋或HRB
335、HRB400钢筋;预应力钢筋应优先选用HRB400钢筋,也可以选用HRB335钢筋教⑵冷拉热轧钢筋学过P153表
8.10冷拉热轧钢筋的性质程[工程实例分析]钢结构屋架倒塌概况某厂的钢结构屋架是用中碳钢焊接而成的,使用一段时间后,屋架坍塌,请分析事故原因分析讨论首先是因为钢材的选用不当,中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差;且其焊接性能较差,焊接时钢材局部温度高,形成了热影响区,其塑性及韧性下降较多,较易产生裂纹注意建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢通过对《建筑钢材的技术标准和应用》章节部分的学习,能熟练地掌握《建筑钢材的技术标准》在工程中的应用题小结思
1、碳素结构钢的钢号是如何划分、如何表示的?考
2、钢材的性能与其钢号有何关系?为什么Q235号钢在建筑工程中得到广泛应用?练B中碳钢含碳
0.25%〜
0.6%;C高碳钢含碳大于
0.6%
②合金钢碳素钢中加入一定量的合金元素则称为合金钢在合金钢中除含铁、碳和少量不可避免的硅(Si)、镐(Mn)、磷(P)、硫(S)、氮(N)之外,还加入一定量的硅(Si)、镒(Mn)、钛(Ti)、钮(V)、银(Ni)、铝(Nb)等一种或几种元素进行合金化,以改善钢材的使用性能和工艺性能,这些元素称为合金元素按合金元素的总含量可分为:A低合金钢合金元素总含量小于5%;B中合金钢合金元素总含量为5%〜10%;C高合金钢合金元素总含量大于10%建筑上所用的钢材主要是碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金钢
(2)按冶炼时脱氧程度分类教根据炼钢过程中脱氧程度不同,钢材可分沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢四类学
①沸腾钢过如果炼钢时脱氧不充分,钢液中还有较多金属氧化物,浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温程度,其中的碳会与金属氧化物发生反应,生成大量一氧化碳气体外逸,引起钢液激烈沸腾,因而这种钢材称为沸腾钢,其代号为“F”沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等在钢中分布不均,富集于某些区间的现象较严重,钢的致密程度较差故沸腾钢的冲击韧性和可焊性较差,特别是低温冲击韧性的降低更显著但从经济上比较,其成品率较高,故成本较低
②镇静钢如果炼钢时脱氧充分,钢液中金属氧化物很少或没有,在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固,这种钢称为镇静钢,其代号为镇静钢组织致密,气泡少,偏析程度小,各种力学性能比沸腾钢优越可用于受冲击荷载的结构或其他重要结构
③半镇静钢指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材,其代号为“b”
(3)按压力加工方式分为热加工钢材加热到一定温度进行的压力加工;冷加工钢材常温下进行压力加工的钢材4按用途分类
①结构钢建筑工程中常用结构钢种为碳素结构钢中的低碳钢和低合金高强度结构钢
②工具钢主要用于各种切削工具的钢;
③特殊钢据用某种特殊的物理、化学性质的钢,如耐酸钢、耐热钢和不锈钢等
3、建筑钢材的主要技术性能钢材的主要性能包括力学性能和工艺性能其中力学性能是钢材最重要的使用性能,包括强度、弹性、塑性和耐疲劳性等工艺性能表示钢材在各种加工过程中的行为,包括冷弯性能和可焊性等建筑钢材的力学性能1抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的力学性能钢材受拉时,在产生应力的同时,相应地产生应变应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征从低碳钢软钢的应力-应变关系中可看出,低碳钢从受拉到拉断,经历了四个阶段弹性阶段0A、屈服阶段AB、强化阶段BC和颈缩阶段CDo
①弹性阶段在图中0A段,应力较低,应力与应变成正比例关系,卸去外力,试件恢复原状,无残余形变,这一阶段称为弹性阶段弹性阶段的最高点A点所对应的应力称为弹性极限,用P表示,在弹性阶段,应力和应变的比值为常数称为弹性模量,用E表示,即E=/£
②屈服阶段当应力超过弹性极限后,应变的增长比应力快,此时,除产生弹性变形外,还产生塑性变形当应力达到B上点时,即使应力不再增加,塑性变形仍明显增长,钢材出现了“屈服”现象,这一阶段称为屈服阶段在屈服阶段中,应力会有波动,出现上屈服点(B上)和下屈服点(B下)由于下屈服点比较比较稳定且容易测定,因止匕,采用下屈服点对应的应力作为钢材的屈服极限(oS)或屈服强度钢材受力达到屈服强度后,变形迅速增长,尽管尚未断裂,已不能满足使用要求,故结构设计中以屈服强度作为容许应力取值的依据
③强化阶段在钢材屈服到一定程度后,由于内部晶格扭曲、晶粒破碎等原因,阻止了塑性变形的进一步发展,钢材抵抗外力的能力重新提高,在应力一应变图上,曲线从B点开教始上升直至最高点C,这一过程称为强化阶段;对应于最高点C的应力称为抗拉强度(学b)o它是钢材所承受的最大拉应力常用低碳钢的抗拉强度为375〜500MPa过条件屈服点某些合金钢或含碳量高的钢材(如预应力混凝土用钢筋和钢丝)具程有硬钢的特点,其抗拉强度高,无明显屈服阶段,伸长率小故采用产生残余变形为
0.2%原标距长度时的应力作为屈服强度,称为条件屈服点,用
60.2表示强屈比抗抗拉强度与屈服强度之比(强屈比)ob/oS,是评价钢材使用可靠性的一个参数强屈比愈大,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大,安全性越高,但是,强屈比太大,钢材强度的利用率偏低,浪费材料钢材的强屈比一般不低于
1.2,用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比应不低于
1.25O
④颈缩阶段在钢材达到C点后,试件薄弱处的断面将显著减小,塑性变形急剧增加,产生“颈缩”现象而断裂(图8—3)钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率来表示伸长率将拉断后试件拼合起来,测量出标距长度11,11与试件受力前的原标距10之差为塑性变形值,它与原标距10之比为伸长率3,按下式计算伸长率;10——试件原始标距长度,mm;11一一断裂试件拼合后标距长度,mm;断面收缩率是指断口处的面积收缩量与原面积之比---------------------[.于试件拉伸前和断裂后标距的长度2冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示钢材的冷弯试验是通过直径或厚度为a的试件,采用标准规定的弯心直径d d=na,n为整数,弯曲到规定的角度时180或90,检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等教现象若没有这些现象则认为冷弯性能合格钢材冷弯时的弯曲角度a越大,d/a越小,则学表示冷弯性能越好过3冲击韧性程钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态,以及冶炼、加工都有关系例如,钢材中磷、硫含量较高,存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低冲击韧性随温度的降低而下降,其规律是开始下降缓和,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;4耐疲劳性受交变荷载反复作用时,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2X106次应力循环为基准一般来说,钢材的抗拉强度高,其疲劳极限也较高5焊接性能焊接是把两块金属局部加热,并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态,而牢固的连接起来它是钢结构的主要连接形式建筑工程的钢结构中,焊接结构要占90%以上钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下,在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向,焊接后钢材的力学性能,特别是强度不低于原有钢材的强度钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高,钢材的可焊性降低钢材的含碳量超过
0.25%时,可焊性明显降低;硫含量较多时,会使焊口处产生热裂纹,严重降低焊接质量
3、钢材的组成对其性质的影响45分钟1钢材的基本晶体组织钢是以铁Fe为主的Fe-C合金Fe-C合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体,称为钢的组织,在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像,故也称显微组织其组织主要有铁素体、珠光体、渗碳体和奥氏体四种2化学成分对钢材性质的影响除铁、碳外,钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些其他元素,这些元素存在于教钢材的组织结构中,对钢材的结构和性能有重要的影响,可分为两类一类能改善优化钢材学的性能称为合金元素,主要有硅、镒、钛、钗、银等;另一类能劣化钢材的性能,属钢材的过杂质,主要有氧、硫、氮、磷等程化学元素对钢材性能的影响表化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳C0・8%t ff I I I冷脆性t硅Sil%t!I II冷脆性f钵Mn t ttt脱氧、硫剂钛Ti t f t1t强脱氧剂钮V tf时效1锯Nb ttff磷P tf II偏析、冷脆f t氮N tt1III冷脆性f硫S t I氧0tII
4、钢材的冷加工、时效(45分钟)
(1)冷加工将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭和刻痕等使其产生塑性变形,从而提高屈服强度,降低塑性韧性,这个过程称为冷加工强化处理
(2)时效处理教将冷加工处理后的钢筋,在常温下存放15~20d,或加热至100〜200C后保持学定时间(2〜3h),其屈服强度进一步提高,且抗拉强度也提高,同时塑性和韧性也进过一步降低,弹性模量则基本恢复这个过程称为时效处理程自然时效时效处理方法有两种在常温下存放15〜20d,称为自然时效,适合用于低强度钢筋;人工时效加热至100〜200℃后保持一定时间(2〜3h),称人工时效,适合于高强钢筋通过对本章节的学习,能熟练地掌握建筑钢材的力学性能以及化学元素对建筑钢材力学性能的影响,为下一课题《建筑钢材的技术标准和应用》打基础
1、低碳钢受拉时的应力-应变图可分为哪几个阶段?简要画出示意图.
2、钢材的塑性用什么表示?如何计算
3、何谓钢材的冷弯性能?如何评判钢材的冷弯性能合格课题建筑钢材的技术标准与选用学时2课时教材页码119-135教学目的
1、了解我国建筑工程和铁道工程中建筑用钢材的类型
2、掌握碳素结构钢的性质及应用教学重、难点及解决措重点碳素结构钢技术标准的应用;施难点碳素结构钢的牌号如何表示
一、复习旧课建筑钢材的技术性质.
二、导入新课碳素结构钢因具有较好的强度及塑性,被广泛应用于建筑结构中
三、学习新课
1、建筑钢结构常用钢种⑴碳素结构钢
①牌号及其表示方法国家标准GB700-88《碳素结构钢》中规定,牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成其中以〃Q〃代表屈服点;屈服点数值共分教
195、
215、
235、255和275Mpa五种;质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少,分别用A、学B、C、D符号表示;脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特过殊镇静钢,Z和TZ在钢的牌号中予以省略程例如Q235A・F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢
②碳素结构钢技术性能与应用根据国家标准GB700-88《碳素结构钢》,随着牌号的增大,对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大,对伸长率的要求降低碳素结构钢的化学成分、力学性能、冷弯性能应符合P148表8-
3、表8-4和表8-5的规定不同牌号的碳素钢在土木工程中有不同的应用Q195——强度不高,塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好,主要用于轧制薄板和盘条等Q215与Q195钢基本相同,其强度稍高,大量用做管坯、螺栓等Q235强度适中,有良好的承载性,又具有较好的塑性和韧性,可焊性和可加工性也较好,是钢结构常用的牌号,大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等Q255——强度高、塑性和韧性稍差,不易冷弯加工,可焊性较差,主要用做钾接或栓接结构,以及钢筋混凝土的配筋思考题在钢结构中,为什么Q235结构钢能得到普遍的应用?Q235是建筑工程中最常用的碳素结构钢牌号,其既具有较高强度,又具有较好的塑性、韧性,同时还具有较好的可焊性Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性,因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构;Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构;Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构;Q235—D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构⑵低合金高强度结构钢教低合金高强度钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5%的一种或多种合金元素的钢材学合金元素有硅(Si)、镒(Mn)、钗(V)、银(Nb)、铭(Cr)、银(Ni)及稀土元素等过
①牌号程根据国家标准GB1591-94《低合金高强度结构钢》的规定,低合金高强度结构钢分为Q
295、Q
345、Q
390、Q420和Q460共五个牌号每个牌号根据硫、磷等有害杂质的含量,分为A、B、C、D和E五个等级牌号表示方法为如Q345B表示屈服强度不小于345MPa,质量等级为B级的低合金高强度结构钢
②技术性能与应用根据国家标准GB1591-94《低合金高强度结构钢》的规定,P150表8-6和8-7中分别列出了低合金高强度结构钢的化学成分与力学性能低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋,广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中,特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等
2、混凝土结构用钢混凝土具有较高的抗压强度,但抗拉强度很低用钢筋增强混凝土,可大大扩展混凝土的应用范围,而混凝土又对钢筋起保护作用钢筋混凝土结构的钢筋,主要由。