第08章金属材料

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1、钢材的分类1.按化学成分分类(1)碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁,其次是碳,故也称铁一碳合金。其含碳量为0.02%~2.06%。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为:低碳钢(含碳量小于0.25%)、中碳钢(含碳量为0.25%~0.60%)高碳钢(含碳量大于0.60%)(2)合金钢。是指在炼钢过程中,有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有:硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同,合金钢可分为低合金钢(合金元素总含量小于5%)中合金钢(合金元素总含量为5%~10%)高合金钢(合金元素总含量大于10%)。2.

2、按冶炼时脱氧程度分类(1)沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧,则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时,会有大量的CO气体从钢水中外逸,引起钢水呈沸腾状,故称沸腾钢,代号为“F“。沸腾钢组织不够致密,成分不太均匀,硫、磷等杂质偏析较严重,故质量较差。但因其成本低、产量高,故被广泛用于一般建筑工程。(2)镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂,脱氧完全,且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固,故称镇静钢,代号为“Z”。镇静钢虽成本较高,但其组织致密,成分均匀,性能稳定,故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。(3)半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间,为质

3、量较好的钢,其代号为“b”。(4)特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢,故其质量最好,适用于特别重要的结构工程,代号为“TZ”。钢材的技术性质1.抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳钢(软钢)受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标,见图8-1.低碳钢受拉时的应力一应变图3.按有害杂质含量分类接钢中有害杂质磷(P)和硫(S)含量的多少,钢材可分为以下四类:(1)普通钢。磷含量不大于0.045%;硫含量不大于0.050%。(2)优质钢。磷含量不大于0.035%;硫含量不大于0.035%。(3)高级优质

4、钢。磷含量不大于0.025%;硫含量不大于0.015%。(4)特级优质钢。磷含量不大于0.025%;硫含量不大于0.015%。(1)屈服点:当试件拉力在OB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,因此,该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段BC时,称屈服下限C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材,规定以0.2%残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。(2)抗拉强度:从图8-1中CD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

5、点D的应力称为抗拉强度,用σb表示。设计中抗拉强度虽然不能利用,但屈强比σs/σb有一定意义。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,因而结构的安全性愈高。但屈强比太小,则反映钢材不能有效地被利用。(3)伸长率:图8-1中当曲线到达D点后,试件薄弱处急剧缩小,塑性变形迅速增加,产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll,标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大,故当原始标距与试件的直径之比愈大,则颈缩处伸长中的比重愈小,因而计算的伸长率会小些。通常以δ5和δ10分别表示L0=5d0和L0

6、=10d0(d0为试件直径)时的伸长率。对同一种钢材,δ5应大于δ10。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,是钢材的重要工艺性能。冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度(90°、180°)及弯心直径d对试件厚度(或直径)a的比值(d/a)区分的,试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验,试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层,即认为冷弯性能合格。钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明,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,这种脆性称为钢材的冷脆性。发生冷脆时的温度称为临界温度,其数值

7、愈低,说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。随时间的延长而表现出强度提高,塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年,但是钢材如经受冷加工变形,或使用中经受震动和反复荷载的影响,时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性,对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件,

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