实验手册_建筑钢材

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1、第2章建筑钢材学习指导本章着重阐述公路工程常用建筑钢材的技术标准和性质。通过本章的学习要求学生掌握钢材的技术性质和技术标准，并能按设计要求选用相应规格的钢材。金属材料包括黑色金属和有色金属两大类，黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合金，常用的黑色金属材料有钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，能承受较大的弹塑性变形，加工性能好

2、，因此，在土木工程中被广泛应用。2.1钢材的分类与结构2.1.1钢按化学成分分类钢材以铁为主要原素，含碳量为0.2％～2.06％，并含有其他的元素的合金材料。钢按化学成分分类可分为碳素钢和合金钢两大类。1.碳素钢碳素钢根据含碳量可分为：低碳钢（含碳小于0.25%）、中碳钢（含碳0.25%～0.6%）、高碳钢（含碳大于0.6%）。2.合金钢合金钢中含有一种或多种特意加人或超过碳素钢限量的合金元素（如锰、硅、矾、钛等）。这些合金元素用于改善钢的性能，或者使其获得某些特殊性能。低合金钢（合金元素总含量小于5%）；中合金钢（合金元素总含量为

3、5%～10%）；高合金钢（合金元素总含量大于10%）。2.1.2按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类按钢在熔炼过程中脱氧程度不同分类,可分为：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、和特殊镇静钢四类。1.沸腾钢如果炼钢时脱氧不充分,钢液终还有较多的金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定温度，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在钢中分布不均匀，富集于某些区间的现象特别严重，钢的致密程度差。故沸腾钢的冲击韧性和可焊接性较差，特别是低温冲级韧性的降低更显著。

4、但从经济上比较，沸腾钢只消耗少量的脱氧剂，钢锭的搜索孔减少，成品效率高，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的冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。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和其他重要结构。3.半镇静钢。。。２１半镇静钢是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”。4.特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。钢按压

5、力加工方式分类，可分为热加工钢材和冷加工钢材。钢按用途分类，可分为钢结构用钢和混凝土结构用钢两种。2.1.3钢按主要质量等级（钢中有害杂质的多少）分类普通钢：含硫量≤0.050％，含磷量≤0.045％；优质钢：含硫量≤0.035％，含磷量≤0.035％；高级优质钢：含硫量≤0.025％，含磷量≤0.025％，高级优质钢的钢号后面加“高”字或“A”；特级优质钢：含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025％，特级优质钢后加“E”。2.2建筑钢材的技术性质2.2.1建筑钢材的物理力学性质1.抗拉性能抗拉性能是表示钢材性能的重要指标。由于拉伸

6、是建筑钢材的主要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸试验测定，以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征。以低碳钢（软钢）受拉的应力-应变图2.1为例，可以较好地阐述这些重要的技术指标。图2.1低碳钢受拉应力-应变图从图中可以看出，低碳钢受拉经历了四个阶段：弹性阶段（O→A）、屈服阶段（A→B）、强化阶段（B→C）、颈缩阶段C→D）。（1）屈服强度当试件拉力在OA范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，即弹性模量（E），E=σ/ε。该阶段被称为弹性阶段。弹性模量反映钢材抵抗变形的能力，是计算结构受力变形的重要指标。当对试件

7、的拉伸进入塑性变形的屈服阶段AB时，称屈服下限B下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做σS。设计时一般以σS作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢，规定以0.2%残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。屈服强度可按式（2.1）计算。图2.2钢材颈缩现象示意图（2.1）式中：——屈服点，MPa；——屈服点荷载，N；——试件的公称横截面积，mm2。（2）抗拉强度２１从图2.1中BC曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示。抗拉强度按式（2.2）计

8、算。（2.2）式中：——屈服点，MPa；——屈服点荷载，N；——试件的公称横截面积，mm2。设计中抗拉强度不能利用，但屈强比σs/σb，却能反映钢材的利用率和结构安全可靠性。屈强比愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结