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8.1 钢材的生产与分类8.1.1 钢的生产 钢是由生铁冶炼而成。 生铁的主要成分是铁,炼钢的目的是将生铁中的含碳量降至2%以下,使硫、磷、等杂质含量降至一定范围内,改善技术性能,提高质量。 1. 炼铁 将铁矿石、焦碳、石灰石和少量锰矿石按一定比例装入高炉内,在高温条件下,焦碳中的碳与铁矿石中的铁化物发生还原反应生产生铁。 根据炼钢设备的不同,建筑钢材的冶炼方法可分为: 1、氧气转炉炼钢 2、平炉炼钢 3、电炉炼钢 Ⅰ氧气转炉炼钢 以熔融的铁水为原料,由炉顶向转炉内吹入高压氧气,使铁水中的碳和硫等杂质氧化除去,得到较纯净的钢水。转炉炼钢周期短,生产效率高,杂质清除较充分,钢的质量较好,已成为现代炼钢的主要方法。 Ⅱ平炉炼钢 以固态或液态生铁、适量铁矿石和废钢作原料,利用废钢铁和铁矿石中的氧使杂质氧化。冶炼时间长,有足够的时间调整和控制成分,去除杂质更为彻底,钢质量高。但设备一次投资大,燃料热效率较低,冶炼时间较长,成本较高。 Ⅲ 电炉炼钢 用电加热进行高温冶炼,原料主要是废钢及生铁,电炉熔炼温度高,温度可以自由调节,清除杂质较易。电炉钢的质量最好,但成本也最高。 脱氧:炼钢结束时应加入一定量的脱氧剂使氧化铁还原成铁。 化学偏析:铸锭冷却过程中,钢内某些元素在铁的液相中的溶解度大于固相,这些元素便向凝固较迟的钢锭中心集中,导致化学成分在钢锭中分布不均匀。 8.1.2 钢的分类(一)按化学成分分类 1、碳素钢:低碳钢、中碳钢、高碳钢 2、合金钢:低合金钢、中合金钢、高合金钢 碳素钢的主要成分是铁,其次为碳,此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。 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%) 合金钢是在炼钢过程中,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。 低合金钢(合金元素含量小于5%)、中合金钢(合金含量为5%~10%)高合金钢(合金元素含量大于10%) (二)按冶炼时脱氧程度分类 1、沸腾钢:脱氧不充分的钢,当钢液注入锭模时会有大量CO2逸出呈沸腾状。 2、镇静钢:脱氧完全的钢,注入锭模时钢液平静地冷却凝固。 3 、半镇静钢:介于沸腾钢与镇静钢之间。 4、特殊镇静钢 (三)按其主要性能及使用特性 1、结构钢 2、工具钢:含碳量一般较高,以便于进行热处理。主要用于刀具,模具等各种工具。 3、特殊性能钢: 4、专门用途钢 :桥梁钢,铁道用钢,船舶用钢,压力容器用钢及低温压力容器用钢。 (四)按加工工艺分类 1、压钢:指用热轧、冷轧、冷拨等工艺加工所得的各种钢材。 2、锻钢:指经锤打或锻压成型的钢材。 3、铸钢: 钢液直接浇铸成型的钢。 (五)按钢材产品分类 1、型材(角钢、槽钢、工字钢) 2、板材 3、线材 4、管材 8.2 钢材的技术性质 1、力学性能 (1)抗拉性能 (2)硬度 (3)冲击韧性 (4)耐疲劳性 2、工艺性能 (1)焊接 性能 (2)冷弯性能 8.2.1 钢材的抗拉性能 (1)弹性阶段(OA段) 试件发生弹性变形,应力—应变呈线性关系,直线斜率为弹性模量,即σ/ε=E。A点相对应的应力为弹性级限σp。 弹性模量是产生单位弹性应变时所需的应力大小,反映了钢材抵抗变形的能力。常用低碳钢的弹性模量E=(2.0~2.1)×105Mpa,弹性极限σp=180~200MPa。 弹性变形在卸载后可以完全恢复。 (2)屈服阶段(AB段) 应力超过σp时,应变增加的速度大于应力增长速度,应力与应变不再成比例,开始产生塑性变形。到达屈服点B后,应力发生很小的波动,应变却急剧增长,出现屈服台阶。 一般以比较稳定的屈服下限对应的应力作为屈服极限值σs。 常用低碳钢的σs为185~235MPa。 有些钢材没有明显的屈服台阶,一般取卸载后有0.2%残余应变所对应的应力为名义屈服极限值σ0.2 。 钢材受力达屈服点后,变形为弹塑性变形,且迅速发展,尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。设计中一般以屈服点作为强度取值依据。 塑性变形在卸载后不能恢复。 (3)强化阶段(BC段) 超过屈服点以后,试件内部组织结构发生变化,抵抗变形能力又重新提高。对应的最高点C的应力称为抗拉极限强度σb。 常用低碳钢的σb为375~500 MPa。 σs /σb称为屈强比。屈强比越小,钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大,结构愈安全;但如果屈强比过小,则钢材有效利用率太低,造成浪费。 常用碳素钢的屈强比为0.85~0.63,合金钢的屈强比为0.65~0.75。 (4)颈缩阶段(CD段) 钢材强化达到最高点后,在试件薄弱处的截面将显著缩小,产生“颈缩现象”。由于
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