建筑材料与检测教案模块五---建筑钢材及其性能检测---教案.doc

建筑材料与检测课程教案 模块五 建筑钢材【模块概述】钢生铁冶炼而成并以铁为主要元素、含碳量低于2%的铁碳合金。建筑钢材建筑钢结构中的各种型钢（角钢、工字钢、槽钢等）、钢板、钢管、各种钢筋、钢丝和钢绞线。知识单元单元一 钢材的基本知识【知识目标】1、了解钢材的优缺点及工程应用；2、了解钢材的分类；3、了解钢材中主要元素及其对钢材性能的影响； 一、 钢材的特点及应用1、钢材的优点（1）材质均匀，性能可靠 （2）强度高 抗拉、抗压和抗剪强度都很高。（3）塑性和韧性好 常温下能够承受较大的塑性变形；可以焊接、铆接或螺栓连接。（4）比强度较大 能够减轻结构自重。2、钢材的缺点生产能耗大，成本较高；极易生锈；耐火能力差。二、 钢材的分类1、按化学成分分类（1）碳素钢 钢中除铁外的主要元素是碳，炼钢过程中残留于钢水中的少量合金元素。（2）合金钢 在碳素钢的基础上，人为添加了一种或多种合金元素。 2、按质量等级分类 按照硫和磷的含量，分为普通钢、优质钢、高级优质、钢特级优质钢四个等级。3、按用途分类按用途可分为结构钢、工具钢和特殊钢。4、按冶炼时脱氧程度分类钢材的详细分类见表5-1。表5-1 钢材的分类分类方法类别特 性按化学成分分类碳素钢低碳钢含碳量 0.60 很硬。合金钢低合金钢合金元素总含量 10按脱氧程度分类沸腾钢脱氧最不完全。代号“F”。半镇静钢脱氧比较完全。镇静钢脱氧完全。代号“Z”。特殊镇静钢脱氧充分彻底。代号为“TZ”。按质量分类普通碳素钢含硫量 0.0550.065，含磷量 0.0450.085优质碳素钢含硫量 0.030.045，含磷量 0.0350.045高级优质碳素钢含硫量 0.020.03，含磷量 0.0270.035特级优质碳素钢含硫量 0.015，含磷量 0.025%按用途分类结构钢工程结构构件用钢、机械制造用钢工具钢各种刀具、量具及模具用钢特殊钢具有特殊物理、化学或机械性能的钢三、化学成分及其对钢材性能的影响1、主要元素碳元素是钢材的主要元素。2、主加合金元素（1）锰起着脱氧去硫的作用，消除钢的热脆性，改善加工性能。（2）硅起着脱氧的作用。含量在1%以内，可提高钢的抗拉强度和屈服点，对塑性和韧性无明显影响。（3）钒、铌、钛在炼钢时做脱氧剂，提高钢的强度增加钢材韧性。3、有害元素（1）硫和磷硫在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。磷容易导致钢材的冷脆性，即降低钢材的塑性、韧性、冷弯性能和可焊性，特别是使钢材在低温下的韧性显著降低，冷脆性显著增加。（3）氧、氮 显著降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和可焊性。单元二 钢材的技术性质【知识目标】1、理解低碳钢的应力应变规律；2、掌握钢材的屈服强度、抗拉强度和伸长率的含义及工程意义3、掌握钢材的冷加工性能和时效意义。一、力学性质1、拉伸性能进行低碳钢（软钢）的拉伸试验，可以绘出如图5-1所示的应力-应变关系曲线。从图中可以看出，低碳钢从受拉至拉断，经历了四个阶段：弹性阶段（）、屈服阶段（）、强化阶段（）和颈缩阶段（）。图5-1 低碳钢拉伸时的应力应变关系 （1）弹性阶段() 弹性模量此阶段应力和应变的比值称为弹性模量，用E表示，E=p/。（2）屈服阶段() 屈服强度从A点到B点称为屈服阶段，B上点称为上屈服点，B下点则称为下屈服点。由于下屈服点比较稳定且容易测定，因此，采用下屈服点对应的应力作为钢材的屈服极限 （S）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，但已不能满足使用要求，因此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() 抗拉强度在图5-1的应力应变图上，曲线从 的过程称为强化阶段；对应于C点的应力称为极限抗拉强度（b），它是钢材被拉断之前所能承受的最大拉应力，又称极限拉应力。屈服强度与抗拉强度之比（b/S）称为屈强比。屈强比愈小，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高；但屈强比太小，钢材的强度水平就不能充分发挥，钢材的利用率偏低，浪费材料。 颈缩阶段() 伸长率在钢材受力达到最高点C点后，抵抗变形的能力明显降低，应力逐渐下降，变形快速增长，试件在有杂质或缺陷的薄弱处，断面急剧缩减，变形急剧增加，产生“颈缩”现象直至被拉断。钢材试件被拉断后，可以计算拉伸后增加的长度占拉伸前长度的百分率，称为伸长率。2、冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少表示。 如图5-4 所示：将有缺口的试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标，用冲击值表示，按式(5-2)计算： （5-2）值愈大，钢材在断裂时所吸收的能量越多，冲击韧性越好。脆性材料构件的值低，在断裂前没有显著的塑性变形，不宜用作承担冲击荷载的构件，如连杆、桥梁轨道等。3、耐疲强度一般把钢材承受交变荷载106107次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。设计承受反复荷载且需进行疲劳验算的结构时，应了解所用钢材的疲劳极限。二、塑性塑性是钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的性能，用伸长率表示。图5-5 钢材拉伸断裂后增加的长度如图5-5所示，标距为的钢材标准试件，受力拉断后标距范围内的长度为，则伸长率按式(5-3)计算： （5-3）伸长率的大小与试件尺寸有关，一般规定试件标距长度为其直径的5倍或10倍，对应于伸长率分别用（L1=5d0）、（L1=10d0）表示。伸长率越大，说明钢材的塑性越好。塑性良好的钢材，偶尔遇到超载，将产生塑性变形，使内部应力重新分布，不致由于应力集中造成脆性断裂而发生突然破坏。相反塑性小的钢材，钢质硬脆，超载后易脆断破坏。常用低碳钢的伸长率为20%30%。 三、工艺性能图5-6 钢材冷弯示意图置钢材的工艺性能包括冷弯、冷拉、冷拔及焊接等性能。1、冷弯性能如图5-6所示，将规定尺寸的钢材试件，在规定的弯心直径上冷弯到180或90，弯曲后若在弯曲处的拱面和两侧面均无裂纹、断裂和起层等现象出现，即认为钢材的冷弯性能合格。我国现行国家标准把钢材的弯曲分成下列三种类型（图5-7）：(1)达到某规定的角度的弯曲，如图5-7（a）所示；(2)绕着弯心弯到两面平行，如图5-7（b）所示；(3) 绕着弯心弯到两面重合，如图5-7（c)所示。图5-7 钢材冷弯实验（a） 弯曲规定的角 （b）绕弯心弯到两面平行 （c）弯到两面接触的重合弯曲在图5-7中，以（c）情形下钢材的弯曲性能最好，即对于冷弯合格的试件，能够承受的弯曲角度愈大、弯心直径与试件厚度（或直径）比愈小，钢材的弯曲性能愈好。2、焊接性能焊接性能好的钢材，焊接后接头处的强度与母体的强度性能相近。杂质含量增加，可焊性降低；锰和钒等元素含量过多，也可降低可焊性。 3、冷加工强化处理及时效1）冷加工强化处理（1）冷拉 冷拉是指将热扎钢筋用冷拉设备加力进行张拉，使之伸长产生一定的塑性变形的过程。（2）冷拔 冷拔是指将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔的操作。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光洁度增高，屈服强度提高4060，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。2）时效钢材经过冷加工后，在常温下存放1520d，或加热到100200后保持23h，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，而塑性、韧性继续降低的现象称为时效，前者称为自然时效，适用于低强度钢筋；后者称为人工时效，适用于高强度钢筋。四、耐久性一）耐腐蚀性钢材抵抗与其周围介质发生化学或电化学反应而产生锈蚀现象的能力，称为钢材的耐腐蚀性。1、腐蚀的类型根据钢材产生锈蚀作用的原因不同，将锈蚀分为化学锈蚀和电化学锈蚀两种。 （1）化学锈蚀 化学锈蚀是指钢材直接与周围介质中的氧气、水等发生化学反应而产生的锈蚀，锈蚀结果在钢材表面形成疏松的氧化铁。（2）电化学锈蚀 电化学锈蚀是由于钢材本身组成上的原因和杂质的存在，在表面介质的作用下，由于各成分电极电位的不同，形成微电池，结果铁元素失去了电子成为Fe2+离子进入介质溶液，与溶液中的OH离子结合生成Fe(0H)2，进一步反应生成结构疏松的铁的氧化物。2、腐蚀的危害混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。3、防止钢材腐蚀措施（1）科学储存防雨防潮；尽量密封；表面涂刷防锈剂。（2）合理选用 严格检验对用于重要预应力承重结构的钢筋，尤其要严格质量检验。（3）提高钢筋混凝土的质量可掺用亚硝酸钠等阻锈剂；保证足够的混凝土保护层厚度；严格控制最大水灰比和最小水泥用量。 二）耐热性建筑钢材属于耐燃不耐火材料。建筑物发生火灾后，在很短的时间里，就会使钢材强度和承载能力急剧下降，发生扭曲变形，导致建筑物整体坍塌毁坏。（1）强度降低普通低碳钢在200300温度条件下，抗拉强度达到最大值；达到600时，钢材基本上失去承载能力。（2）变形速率加大普通低碳钢在300350时蠕变速率增大，对于合金钢在400450时，蠕变速率明显增大。钢材的防火处理方法以包裹法为主，如用防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆等将钢材构件包裹起来，起到提高钢材耐热侵蚀能力的作用。单元三 建筑工程用钢【知识目标】1、了解建筑工程用钢的种类和技术要求；2、掌握各种钢的牌号表示方法及意义；一、 钢结构用钢的型式（一）型钢型钢是长度和截面周长之比相当大的直条钢材，是钢结构中采用的主要钢材。 1、热轧型钢热轧型钢有H形钢、工字钢、槽钢、角钢及Z形钢、U形钢和部分T形钢，如图5-9所示为常用的几种型钢示意图。 图5-9 热轧型钢的形状2、冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢通常是用26薄钢板冷弯或模压而成，主要用于轻钢结构。（二）钢板和钢带通常情况下，钢板是指一种宽厚比和表面积都很大的扁平钢材。钢板按公称厚度可分为：薄板，厚度为0.14mm；中板，厚度为420；厚板，厚度为2060mm；特厚板，厚度为60mm。二、 钢结构用钢的种类（一）碳素结构钢简称“普通钢”。1、碳素结构钢牌号及其表示方法由代表屈服强度的字母（Q）、屈服强度数值（MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）和脱氧程度符号（F、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。其中的质量等级A、B、C、D是按钢中硫、磷两种元素含量由多至少依次划分的，按A、B、C、D的顺序质量等级逐级提高；当为镇静钢或特殊镇静钢时，在牌号表示时可将“Z”或“TZ”符号省略。例如：Q235-A.F 表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235-b.F的质量优于235-A.F的质量。2、碳素结构钢的技术标准（1）化学成分表5-3 碳素结构钢的化学成分牌号统一数字代号a等级厚度（或直径）/脱氧方法化学成分/%，不大于CSiMnSPQ195U11952-F、Z0.120.300.500.0400.035Q215U12152A-F、Z0.150.331.200.5000.045U12155B0.045Q235U12352A-F、Z0.220.351.400.0500.045U12355B0.20b0.045U12358CZ0.170.0400.040U12359DTZ0.0350.035Q275U12752A-F、Z0.240.351.500.0500.045U12755B40Z0.210.0450.045400.22U12758C-Z0.200.0400.040U12759DTZ0.0350.0352、 碳素结构钢的特性及应用碳素结构钢由Q195Q275，钢号越大，含碳量越高、硬度越大、脆性越大，塑性和冲击韧性越低。（二）低合金高强度结构钢1、牌号及其表示方法根据国家标准（GB15912008）规定，低合金高强度结构钢共分为Q345、Q390、Q420、Q460、 Q500、 Q550 、Q620、 Q690 八个牌号，牌号的内容必须包括代表屈服强度的字母（Q）、屈服强度数值（MPa）、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分。按由A到E的顺序，抗冲击韧性尤其是低温下的抗冲击性能逐渐增强，韧性逐级提高，质量等级逐级提高。A级不要求冲击韧性；B级要求+20的冲击韧性；C级要求0的冲击韧性；D级要求-20的冲击韧性；E级要求-40的冲击韧性。2、低合金高强度结构钢的技术标准（GB/T15912008） 低合金高强度结构钢的化学成分和拉伸性能分别应符合表5-5和表5-6的要求。- 16 -3、低合金高强度结构钢的特性及应用（1）特性 屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性与耐低温性等高；良好的塑性、低温韧性和可焊性。（2）应用 主要用于轧制各种型钢（角钢、槽钢、工字钢）、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程等承受动荷载和冲击荷载的结构。二、钢筋混凝土结构用钢根据表面状态特征，热轧钢筋可分为热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋两类。（一）热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋是经热轧成型并自然冷却而成的横截面为圆形，且表面状态光滑的钢筋混凝土用配筋。1、热轧光圆钢筋的牌号及表示热轧光圆钢筋按屈服强度特征值分为235、300级，牌号的构成及含义见表5-7。 表5-7 热轧光圆钢筋的分级和牌号表示（GB1499.12008） 产品名称牌号牌号构成英文字母表示热轧光圆钢筋HPB235由HPB+屈服强度特征值构成HPB热轧光圆钢筋的英文首字母（Hot rolled Plain Bars）HPB3002、 技术要求 表5-8 热轧光圆钢筋的化学成分 牌号化学成分（质量分数）/% CSiMnPSHPB2350.220.300.650.0450.050HPB3000.250.551.50表5-9 热轧光圆钢筋的力学性能和工艺性能钢筋种类牌号屈服强度 抗拉强度断后伸长率最大力总伸长率冷弯实验1800d弯心直径a钢筋公称直径不小于热轧光圆钢筋HPB23523537025.010.0d=a;受弯曲部位表面不得产生裂纹HPB300300420（二）热轧带肋钢筋热轧带肋钢筋俗称螺纹钢，它是用低合金高强度结构钢轧制成的横截面为圆形的条形钢筋，通常表面带有2道纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋，按肋纹的形状又分为月牙肋和等高肋。带肋钢筋的几何形状如图5-10所示。图5-10 带肋钢筋外形示意图按热轧状态交货的热轧钢筋又称为普通热轧钢筋；在热轧过程中，通过控扎和控冷工艺形成的钢筋称为细晶粒热轧钢筋。1、 热轧带肋钢筋的分级和牌号表示见表5-10 。 表5-10 热轧带肋钢筋的分级和牌号表示（GB1499.22007） 钢筋类别牌号牌号构成英文含义普通热轧钢筋HRB335由HRB+屈服强度特征值构成HRB为热轧带肋钢筋的英文首字母（Hot rolled Ribbed Bars）。HRB400HRB500细晶粒热轧钢筋HRBF335由HPBF+屈服强度特征值构成HRBF热轧带肋钢筋的英文缩写后加“细”的英文首字母（Fine）。HRBF400HRBF5002、 技术要求表5-11 热轧带肋钢筋的化学成分（GB1499.22007）牌号化学成分（质量分数）/% CSiMnPS碳当量CeqHRB335 HRBF3350.250.801.600.0450.0500.52HRB400 HRBF4000.55HRB500 HRBF5000.045 表5-12 热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能牌号屈服强度抗拉强度断后伸长率最大力总伸长率公称直径（）弯心直径（）不小于HRB335HRBF335335455177.56253d28404d40505dHRBF400 HRBF400400540166254d28405d40506dHRB500HRBF500500630156256d28407d40508d（3）工艺性能1）弯曲性能热轧带肋钢筋在规定的弯芯直径上弯曲180后，钢筋受弯部位表面不得产生裂纹。2）反向弯曲性能反向弯曲试验的弯芯直径比弯曲试验相应增加一个钢筋公称直径。经反向弯曲后钢筋受弯曲部位表面不得产生裂纹。3）焊接性能热轧钢筋的焊接工艺及焊接接头质量检验与验收应符合相关行业标准的规定。（三）低碳钢热轧圆盘条热轧圆盘条是热轧型钢中截面尺寸最小的一种，大多通过卷线机卷成盘卷供应，故称盘条或盘圆。低碳钢热轧圆盘条由屈服强度较低的碳素结构钢轧制，是目前使用量最大、使用范围最广的线材，适用于非预应力钢筋、箍筋、构造钢筋、吊钩等。二、预应力混凝土用钢（一）热处理钢筋热处理钢筋是指低合金高强度结构钢经热轧后立即穿水（淬火），进行表面控制冷却，然后利用芯部余热自身完成回火调直处理所得的成品钢筋。 （二）螺纹钢筋预应力混凝土用螺纹钢筋亦称精轧螺纹钢筋，是用热轧方法在整根钢筋上轧有不连续的外螺纹的大直径、高强度、高尺寸精度的无纵肋的直条钢筋，该钢筋在任意截面处，均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固，如图5-11所示。 图5-11 螺纹钢筋示意图螺纹钢筋以屈服强度划分级别，其代号为“PSB”加上规定屈服强度最小值表示。P、S、B分别为Prestressing、Screw、Bars的英文首位字母。例如：PSB830表示屈服强度最小值为830MPa的钢筋，（通常用PSB830 表示）。（三）优质钢丝及钢绞线1、预应力混凝土用钢丝 预应力混凝土用钢丝是将优质碳素结构钢盘条经高温、淬火、酸洗、冷拔加工而制成的高强钢丝。预应力混凝土用钢丝的优点是抗拉强度高、柔性好，无需焊接，使用方便。2、预应力混凝土用钢铰线按现行国家标准预应力混凝土用钢绞线（GB/T52242003）的规定，预应力钢绞线按结构分为5类，代号分别为：用两根钢丝捻制的钢绞线 12用3根钢丝捻制的钢绞线 13用3根刻痕钢丝捻制的钢绞线 13I用7根钢丝捻制的标准型钢绞线 17用7根钢丝捻制又经模拔的钢绞线 （17）C其中使用最多的是用7根圆形断面钢丝捻成的钢绞线，如图5-12所示。图5-12 17钢绞线外形示意图预应力钢绞线的主要特点是强度高、松弛性能好、展开时较挺直、无接头、质量稳定。（二）钢材的运输、验收和储存一）钢材的运输不同钢号、炉号、规格的钢材要分别装卸，避免混乱；装卸中不得摔掷，以免钢材变形或破坏表面状态。二）钢材的验收1、验收批的确定按批验收，同一级别、种类，同一规格、批号、批量不大于60吨为一验收批，不足60吨也为一批。允许同一牌号、同一冶炼方法、同一浇注方法的不同炉罐号组成混合批，但各炉罐号含碳量之差不大于0.02%，含锰量之差不大于0.15。2、验收项目及要求（1）核对货单和实物订货单、发货资料单和实物完全一致。（2）核对质量保证书 发货码单和质量证明书内容与工程标牌标志上的内容相符。（3）检查包装除了大型型钢外，其他所有钢材，都必须成捆交货，每捆必须用钢带、盘条或铁丝均匀捆扎结实，端面要求平齐，不得有异类钢材混装现象。（4）检查外观质量钢材表面不允许有裂纹、结疤、折叠、分层和油污等缺陷。（5）抽检力学性能 （1）抽检取样自每批外观质量和尺寸已检验合格的钢筋中，任意抽取4根，于每根距端部50cm处截取定长度的钢筋作试样，两根作拉伸试验，另两根作冷弯试验。当每批钢材多于60t时，每增加40t或增加不足40t时，分别增加1个拉伸试件和1个冷弯试件。（2）抽检结果评价 拉伸试验和弯曲试验中，如有一项实验不合格，则从同一批另取双倍数量的试样重做各项试验。如仍有一个试样不合格，则该批钢筋为不合格产品，严禁用于工程。三、钢材的储存 1、场地适宜钢材堆放关键是防潮。2、分类堆放钢材要按不同钢号、炉号、规格、长度等分别堆放。3、堆放稳定堆放的稳定性，避免钢材变形。堆放高度可放宽到钢材堆宽度的两倍。4、明细信息注明钢材生产企业名称、品种规格、钢号、进场日期及数量等内容，并在钢材端部根据其钢号涂以不同颜色的油漆。在施工现场应注明“合格”、“不合格”、“在检”、“待检”等产品质量状态。 5、防锈维护（1）有保护金属材料的防护与包装，不得损坏；（2）在金属表面涂刷防锈剂；（3）加强检查，经常维护保养。工作单元 钢材力学性能检测钢材力学性能试验检测项目通常包括拉伸试验和冷弯试验两项；特殊情况下，有时需要做疲劳强度、冲击韧性和反向弯曲实验检测。任务一 低碳钢的拉伸试验一、主要仪器设备1、万能材料试验机 试验机的测力示值误差不大于1。2、游标卡尺，如图5-13所示，精确度为0.1mm。图5-13 游标卡尺二、试验步骤1、取样自每批外观质量和尺寸已检验合格的钢筋中，任意抽取4根钢筋，于每根距端部50cm处截取定长度的钢筋作试样，两根作拉伸试验，另两根作冷弯试验。当每批钢材多于60t时，每增加40t或增加不足40t时，分别增加1个拉伸试件和1个冷弯试件。2、标准拉伸试件的制作拉伸试验用钢筋试件不得进行车削加工，可以用两个或一系列等分小冲点或细划线标出试件原始标距，测量标距长度L0，精确至0.1mm，通常长试件长度为10d0+200；短试件长度为5d0+200。也可以按照图5-140所示来确定试件长度。图5-14 钢筋拉伸试验试件a试样原始直径；L0标距长度；h1取（0.51）a；h夹具长度;LC试样平行长度（不小于L0+a）。3、仪器设备准备调整测力度盘指针，对准零点，拨动副指针与主指针重叠。根据被测试件的强度等级，选择并加好要求的配重砝码；连接好电脑绘图等设备。4、测定 将试件固定在试验机夹头内，开动试验机进行拉伸，拉伸速度为：（1）屈服前 应力增加速度为10MPa/S；（2）屈服后 试验机活动夹头在荷载下移动速度不大于0.5Lc/min，直至试件拉断。5、拉伸过程中，测力度盘指针停止转动时的恒定荷载，或第一次回转时的最小荷载，即为屈服荷载Fs（N）。将试件继续加荷直至试件拉断，读出最大荷载Fb（N）。6、将已拉断的试件两端在断裂处对齐，测量拉断后标距两端点间的长度L1（精确至0.1mm）