第八章.建筑钢材

实施步骤：

一、组织教学、课前提问（5ˊ）

二、教学引导（5ˊ）

三、进入本次课讲授内容（包括课堂练习）（85ˊ）

四、小结巩固（重申教学目的、重点、难点）（5ˊ）

讲授内容：

第八章建筑钢材

本知识点为本章的入门，是从分类的角度对钢材特性有总体了解。着重了解碳素钢按碳含量分为3种类型，以及其主要特性；并了解冶炼时脱氧程度对钢材质量的影响。【基本知识】

1.按化学成分分类

2.按品质（杂质含量）分类

3.按冶炼时脱氧程度分类

指出多种分类方式，着重点明其中代表性的分类。

【观察与讨论】

观察沸腾钢与镇静钢锭剖面图，从而指出脱氧程度对钢材结构性能的影响。引导学生作组成--结构--性能线索的思考。

【工程实例分析】

钢结构屋架坍塌

从工程实例初步理解钢材选用的重要性。

第一节钢的冶炼和分类

一、钢的冶炼

钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。

生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。

钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。

根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼

钢三种。

(1)平炉炼钢

它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。

(2)氧气转炉炼钢

以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20～40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。

(3)电炉炼钢

以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。

冶炼后的钢水中含有以FeO形式存在的氧，FeO与碳作用生成CO气泡，并使某些元素产生偏析(分布不均匀)，影响钢的质量。所以必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。

根据脱氧程度的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三种。

(1)沸腾钢是脱氧不完全的钢。

(2)镇静钢是脱氧充分的钢。

(3)半镇静钢其脱氧程度和质量介于上述两者之间。

建筑钢材是将钢坯加热后经轧制而成的。

二、钢的分类

第二节钢材的主要性能

1.强度和硬度

本小点是本章的重点。理解弹性模量、弹性极限、屈服强度和极限强度几个概念，注意观察低碳钢单轴拉伸应力－应变曲线示意图，以利于理解。并了解钢材的硬度与抗拉强度较固定的关系。

【基本知识】

观察钢材疲劳断裂的宏观断口特征，分析讨论疲劳破坏。

【工程实例分析】

（1）北海油田平台倾覆

（2）钢吊车梁裂缝

讨论疲劳破坏。

4.工艺性能

钢材的工艺性能表示其在加工过程中的行为。注意应把冷弯性能与伸长率作对比。而对焊接性能应注意比较不同钢材，如低碳钢与高碳钢的差异。

【基本知识】

(1) 冷弯性能

结合图说明。

(2)焊接性能

【观察与讨论】

观察两种伸长率相近的钢材的冷弯性能，讨论其内部组织差异。

【工程实例分析】

某运输廊倒塌分析

讨论其塑性及焊接方面的问题。

二、钢材的强化与加工

钢材的冷加工强化与热处理在土木工程中广泛应用。注意是在改变钢材结构时导致钢材性能的变化。即某些性能会提高，而某些性能会下降。

【基本知识】

1.冷加工强化

冷拉、冷拔、冷轧，冷拔动画演示。

2.其它强化方法

固溶强化、弥散强化、时效处理。

3.热处理

淬火、回火、退火、正火，以图形象说明，并强调其对性能的影响。

【观察与讨论】

观察钢筋应力-应变曲线，讨论冷加工强化和时效处理的机理。让学生从结构与性能的关联来理解冷加工。

【工程实例分析】

从钢结构吊车梁裂纹讨论热处理及冷加工第五问题。

一、建筑钢材的力学与工艺性能

1.抗拉性能

由低碳钢在拉伸过程中形成的应力(σ)-应变(ε)关系图(图8.1)可知，低碳钢受拉过

程可划分为以下4个阶段。

(1)弹性阶段(O—A) (2)屈服阶段(A—B)(3)强化阶段(B—C) (4)颈缩阶段(C—D)

(1)弹性阶段(O—A)

在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。

弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量，用E表示，E=σ/ε=tanα。

(2)屈服阶段(A—B)

当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限σs。

(3)强化阶段(B—C)

当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、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σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，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，用σb表示，它是钢材所能承受的最大应力。

(4)颈缩阶段(C—D)

当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。

将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：δ=（L1-L0）/ L0×100%

2.冲击韧性

冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以αk 表示(J/cm2)。αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好(如图8.2)。

影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。