钢结构设计原理-2钢结构的材料

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1、第2章钢结构的材料§2.1概述建筑用钢：碳素结构钢、低合金高强度钢钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，及良好的加工性能钢材性能与化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在因素密切相关，也受荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。本章包括钢材的生产过程和组织构造；钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选用原则。§2.2钢材的生产炼铁高温下通过一氧化碳和碳等还原剂除去氧化铁矿石中的氧，还原出铁，以石灰石作为熔剂把砂质和粘土等杂质熔化为熔渣。产生生铁，含碳量在2.06%以上除铸铁管外，建筑中很少使用§2.2.1钢材的冶炼炼钢高温下通过氧化作用除去生铁中多余的碳和

2、其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。含碳量在2.06％以下的铁碳合金称为碳素钢。常用的炼钢炉有：平炉、转炉和电炉。电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低，已成

3、为国内外发展最快的炼钢方法。平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。按钢材的脱氧方法和程度的分类沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢液进入钢锭模时有气体逸出，出现沸腾现象。冷却很快，一氧化碳不能全部逸出，凝固后钢材中有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。现在已较少有供货。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会

4、产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。建筑钢材的分类碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25％。低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5％的其它合金元素（少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等），来改善钢材的性能。§2.2.2钢材的组织构造和缺陷碳素钢的组织构造常温下主要由铁素体和渗碳体（Fe3C）组成。铁素体是碳溶入

5、α铁体心立方晶体(纯铁的一种形式)后的固溶体，常温下溶碳仅0.0008％，与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好。是钢的主要成分，约占重量的99％。渗碳体是铁碳化合物，含碳6.67％，熔点高，硬度大，几乎没有塑性，在钢中与铁素体晶粒形成机械混合物--珠光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬而富于弹性。碳素钢的力学性能与铁素体和珠光体的比例有关。同时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性能也就越好。碳素钢多晶体结构示意图α铁的体心立方晶体钢材的铸造缺陷内部晶体形状的不均匀偏析—硫磷等富集非金属夹杂—硫化物、氧化物气孔缩孔凝固内应

6、力产生的裂纹§2.2.3钢材的加工热加工、冷加工、热处理三种热加工热加工可使晶粒变细，在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹，改善力学性能。壁厚较薄的热轧型钢和钢板，因辊轧次数较多，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材强度按板厚分组就是这个缘故。热加工使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使其各向异性增大。钢中的硫化物和氧化物等经轧制之后被压成薄片，对厚板来说更容易出现分层现象，沿厚度方向受力时可能出现层状撕裂现象。冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。如冷轧卷板和冷轧钢板、冷弯薄壁型钢和压型钢板、钢丝束、钢绞线或钢

7、丝绳。冷加工后会产生局部或整体硬化，提高了钢材的强度和硬度，却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。优点：冷拔高强度钢丝就是充分利用了冷作硬化现象；冷弯薄壁型钢在强度验算时，可有条件地利用这种强度提高现象。缺点：多数情况下会造成钢材冷硬变脆，成为脆裂的起因。对于重要结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。热处理热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，改变其内部组织构造，达到改善