钢材的检测与应用.doc

第七章 钢材的检测与应用 7.1 土木工程用钢材的冶炼和分类 7．1．1 土木工程用钢材 土木工程中所使用的钢材主要包括钢结构中使用的各种型钢、钢板、钢管以及钢筋混凝土结构所用的各种钢筋和钢丝。 钢材是在严格的技术条件下生产的材料，其质量均匀、强度高、有一定的塑性和韧性，且能承受冲击荷载和振动荷载的作用；既可以冷、热加工，又能焊接或铆接，便于预制和装配。因此，钢结构具有质量轻、安全度高的特点，尤其适用于大跨度及多层结构。由于钢材是国民经济各部门用量很大的材料，所以土木工程中应节约钢材。钢筋混凝土结构的自重虽然大，但能大量节省钢材，还克服了钢结构易于锈蚀的特点。今后，随着混凝土和钢材强度的提高，钢筋混凝土结构自重大的缺点将得以改善。所以，钢筋混凝土将是今后的主要结构材料，钢筋和钢丝也成为重要的土木工程材料。 7．1．2 钢的冶炼和加工对钢材质量的影响 钢铁的主要化学成分是铁和碳（又称铁碳合金），此外还有少量的硅、锰、磷、硫、氧和氮等。含碳量大于2%的铁碳合金称为生铁或铸铁；含碳量小于2%的铁碳合金称为钢。生铁是把铁矿石中的氧化铁还原成铁而得到的。钢则是将熔融的铁水进行氧化，使碳的含量降低到预定的范围，磷、硫等杂质降低到允许的范围而得到的。 在钢的冶炼过程中，碳被氧化成一氧化碳气体而逸出；硅、锰等氧化成氧化硅和氧化锰随钢渣被排除；磷、硫则在石灰的作用下，也进入渣中被排出。由于炼钢过程中必须供给足够的氧以保证碳、硅、锰的氧化以及其他杂质的去除，因此，钢液中尚有一定数量的氧化铁。为了消除氧化铁对钢质量的影响，常在精炼的最后阶段，向钢液中加入硅铁、锰铁等脱氧剂以去除钢液中的氧，这种操作工艺称为“脱氧”。 7．1．3 钢的分类 1．按化学成分分妾 （1）碳素钢 碳素钢其主要成分是铁和碳，还有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等。碳素钢中的含碳量较多，且对钢的性质影响较大，故又称碳素钢。根据含碳量的不同，碳素钢又分为三种： 1）低碳钢。含碳量小于0.25%。 2）中碳钢。含碳量为0.25%~0.6%。 3）高碳钢。含碳量大于0.6%。 （2）合金钢 金钢是含有一定量合金元素的钢。钢中除含有铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷、硫外，还含有一定量（有意加入的）硅、锰、钛、矾、铬、镍、硼等一种或多种合金元素。其目的是改善钢的性能或使其获得某些特殊性能。合金钢按合金元素总含量分为三种： 1）低合金钢。合金元素总含量小于5%。 2）中合金钢。合金元素总含量为5%~10%。 3）高合金钢。合金元素总含量大于10%。 2．冶炼方法分类 （1）氧气转炉钢 氧气转炉钢是向转炉中烧融的铁水中吹入氧气而制成的钢。向转炉中吹入氧气能有效地除去磷、硫等杂质，而且可避免由空气带入钢中杂质，故质量较好。目前我国多采用此法生产的碳素钢和合金钢。 （2）平炉钢 以固态或液态铁、铁矿石或废钢铁为原料，煤气或重油为燃料，在平炉中炼制的钢称为平炉钢。平炉钢的冶炼时间长，有足够的时间调整和控制其成分，杂质和气体的去除较彻底，因此钢的质量较好。但因其设备投资大，燃料热效率不高，冶炼时间又长，故其成本较高。 （3）电炉钢 电炉钢是利用电流效应产生的高温炼制的钢。热效率高，除杂质充分，适合冶炼优质钢和特种钢。 3．按脱氧程度分类 沸腾钢是脱氧不充分的钢。脱氧后钢液中还剩余一定数量的氧化铁（FeO），氧化铁和碳继续作用放出一氧化碳气体，因此钢液在钢锭模内呈沸腾状态，故称沸腾钢。这种钢的优点是钢锭无缩孔、轧成的钢材表面质量和加工性能好。缺点是化学成分不均匀、易偏析、钢的致密程度较差，故其抗蚀性、冲击韧性和可焊性较差，尤其在低温时冲击韧性降低更显著。 （2）镇静钢 镇静钢是脱氧充分的钢。由于钢液中氧已经很少，当钢液浇铸后在锭模内呈静止状态，故称镇静钢。其优点是化学成分均匀、机械性能稳定、焊接性能和塑性较好、抗蚀性也较强。其缺点是钢锭中有缩孔、成材率低。它多用于承受冲击荷载及其他重要的结构上。 （3）半镇静钢 半镇静钢的脱氧程度和性能均介于沸腾钢和镇静钢之间，并兼有两者的优点。 土木工程用钢材主要是经热轧（热变形压力加工）制成并按热轧状态供应的。热轧工艺可使钢坯中大部分气孔焊合，晶粒破碎细化，钢材的质量提高。轧制的压缩比和停轧温度对质量提高有影响。厚度和直径较大的钢材，与用同祥钢坯轧制的薄钢材比较，因其轧制次数较少，停轧温度较高，故其强度稍差。 上述冶炼、轧制加工对钢材质量的影响，必然要反映到钢材标准和有关规范中去。例如，由于热轧加工的影响，在普通碳素结构钢标准中对不同尺寸的钢材，分别规定了不同的强度要求。 土木工程用钢材的主要钢种是普通碳素钢和合金钢中的普通低合金钢。 7.2 土木工程用钢材的技术性能 土木工程用钢材的技术性能主要有力学性能和工艺性能。 7．2．1 力学性能 1．抗拉性能