【正文】 學(xué)習(xí)情景 2 建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼材 知識點 ： 本項目講述了結(jié)構(gòu)用鋼材的分類及其化學(xué)成分 、 力學(xué)性能 ， 建筑鋼材的品種 、 規(guī)格以及材質(zhì)的 檢驗和驗收 。 教學(xué)目標(biāo) ：通過學(xué)習(xí) ， 了解鋼材的品種 、 熟悉鋼材的性能 、 掌握鋼材的選用 ， 能夠根據(jù)施工的需要 、 設(shè)計 的要求合理選擇鋼材 ， 以保證正常施工 。 一 、 鋼材的冶煉 從鐵礦石開始到最終產(chǎn)品的鋼材為止 ， 鋼材的生產(chǎn)大致可分為 煉鐵 、 煉鋼和軋制 三道工序 。 煉鐵 礦石中的鐵是以氧化物的形態(tài)存在的 ， 要用與氧的親和力比鐵更大的物質(zhì) ——一氧化碳與碳等還原劑 ， 通過還原作用從礦石中除去氧 ， 還原出鐵 。 同時 ， 為了使砂質(zhì)和粘土質(zhì)的雜質(zhì) （ 礦石中的廢石 ） 易于熔化為熔渣 ， 常用石灰石作為熔劑 。 所有這些作用只有在足夠的溫度下才會發(fā)生 ， 因此鐵的冶煉都是在可以鼓入熱風(fēng)的高爐內(nèi)進(jìn)行 。 煉鋼 含碳量在 ％ 以下的鐵碳合金稱為 碳素鋼 。 因此 ，當(dāng)用生鐵制鋼時 ， 必須通過氧化作用除去生鐵中多余的碳和其它雜質(zhì) ， 使它們轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸镞M(jìn)入渣中 ， 或成氣體逸出 。 這一作用也要在高溫下進(jìn)行 ， 稱為煉鋼 。 常用的煉鋼爐有三種形式：轉(zhuǎn)爐 、 平爐和電爐 。 電爐煉鋼 是利用電熱原理 ， 以廢鋼和生鐵等為主要原料 ，在電弧爐內(nèi)冶煉 。 由于不與空氣接觸 ， 易于清除雜質(zhì)和嚴(yán)格控制化學(xué)成分 ， 煉成的鋼質(zhì)量好 。 但因耗電量大 ， 成本高 ， 一般只用來冶煉特種用途的鋼材 。 轉(zhuǎn)爐煉鋼 是利用高壓空氣或氧氣使?fàn)t內(nèi)生鐵熔液中的碳和其它雜質(zhì)氧化 ， 在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘?。 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼中有害元素和雜質(zhì)少 ， 質(zhì)量和加工性能優(yōu)良 ， 且可根據(jù)需要添加不同的元素 ， 冶煉碳素鋼和合金鋼 。 由于氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐可以利用高爐煉出的生鐵熔液直接煉鋼 ， 生產(chǎn)周期短 、 效率高 、質(zhì)量好 、 成本低 。 平爐煉鋼 是利用煤氣或其它燃料供應(yīng)熱能 ， 把廢鋼 、 生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼 。 平爐的原料廣泛 ， 容積大 ， 產(chǎn)量高 ， 冶煉工藝簡單 ， 化學(xué)成分易于控制 ， 煉出的鋼質(zhì)量優(yōu)良 。 但平爐煉鋼周期長 ， 效率低 ， 成本高 ， 現(xiàn)已逐漸被氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼所取代 。 鋼材的澆注和脫氧 按鋼液在煉鋼爐中或盛鋼桶中進(jìn)行脫氧的方法和程度的不同，碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為 沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼 4類。 沸騰鋼 采用脫氧能力較弱的錳作脫氧劑 ， 脫氧不完全 ， 在將鋼液澆注入鋼錠模時 ， 會有氣體逸出 ， 出現(xiàn)鋼液的沸騰現(xiàn)象 。沸騰鋼在鑄模中冷卻很快 ， 凝固后在鋼材中留有較多的氧化鐵夾雜和氣孔 。 鋼的質(zhì)量較差 。 鎮(zhèn)靜鋼 采用錳加硅作脫氧劑 ， 脫氧較完全 ， 硅在還原氧化鐵的過程中還會產(chǎn)生熱量 ， 使鋼液冷卻緩慢 ， 使氣體充分逸出 ， 澆注時不會出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象 。 這種鋼質(zhì)量好 ， 但成本高 。 半鎮(zhèn)靜鋼 的脫氧程度介于上述二者之間 。特殊鎮(zhèn)靜鋼 是在錳硅脫氧后 ， 再用鋁補(bǔ)充脫氧 ， 其脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼 。 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼 。 隨著冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展 ， 用連續(xù)鑄造法生產(chǎn)鋼坯 （ 用作軋制鋼材的半成品 ） 的工藝和設(shè)備已逐漸取代了笨重而復(fù)雜的鑄錠 —開坯 —初軋的工藝流程和設(shè)備 。 連鑄法的特點是：鋼液由鋼包經(jīng)過中間包連續(xù)注入被水冷卻的銅制鑄模中 ， 冷卻后的坯材被切割成半成品 。 連鑄法的機(jī)械化 、 自動化程度高 ， 可采用電磁感應(yīng)攪拌裝置等先進(jìn)設(shè)施提高產(chǎn)品質(zhì)量 ， 生產(chǎn)的鋼坯整體質(zhì)量均勻 ， 但只有鎮(zhèn)靜鋼才適合連鑄工藝 。 因此國內(nèi)大鋼廠已很少生產(chǎn)沸騰鋼 ， 若采用沸騰鋼 ， 不但質(zhì)量差 ， 而且供貨困難 ， 價格并不便宜 。 鋼材冶煉的幾個名詞含義如下： （ 1） 退火 annealing 將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻 (通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻 )的一種金屬熱處理工藝。目的是使經(jīng)過鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化，改善塑性和韌性，使化學(xué)成分均勻化，去除殘余應(yīng)力，或得到預(yù)期的物理性能。 （ 2） 正火 正火是將工件加熱到 Ac：或 Acm以上 30～ 50℃ ， 保溫一定時間后 ， 從爐中取出在空氣中冷卻的一種熱處理工藝 。 （ 3） 淬火 淬火是將鋼加熱到臨界點以上 ， 保溫后以大于臨界冷卻速度 （ Vc） 冷卻 ， 以得到馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝 。 （ 4） 回火 回火是將淬火鋼加熱至 A1點以下某一溫度保溫一定時間后 ， 以適當(dāng)方式冷到室溫的熱處理工藝 。 它是緊接淬火的下道熱處理工序 ， 同時決定了鋼在使用狀態(tài)下的組織和性能 ， 關(guān)系著工件的使用壽命 ， 故是關(guān)鍵工序 。 二 、 鋼材的組織構(gòu)造和缺陷 鋼材的組織構(gòu)造 (圖 ) 碳素結(jié)構(gòu)鋼是通過在強(qiáng)度較低而塑性較好的純鐵中加適量的碳來提高強(qiáng)度的 ， 一般常用的低碳鋼含碳量不超過％ 。 低合金結(jié)構(gòu)鋼則是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上 ， 適當(dāng)添加總量不超過 5％ 的其它合金元素 ， 來改善鋼材的性能 。 a. 碳素鋼多晶體結(jié)構(gòu)示意圖 圖 鋼的組織結(jié)構(gòu) 鋼材的鑄造缺陷 當(dāng)采用鑄模澆注鋼錠時 ， 與連續(xù)鑄造生產(chǎn)的鋼坯質(zhì)量均勻相反 ， 由于冷卻過程中向周邊散熱 ， 各部分冷卻速度不同 ， 在鋼錠內(nèi)形成了不同的結(jié)晶帶 （ 圖 ） 。 靠近鑄模外殼區(qū)形成了細(xì)小的等軸晶帶 ， 靠近中部形成了粗大的等軸晶帶 ， 在這二部分之間形成了柱狀晶帶 。 這種組織結(jié)構(gòu)的不均勻性 ， 會給鋼材的性能帶來差異 。 鋼材的組織構(gòu)造和缺陷 ， 均會對鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響 。 1表面細(xì)晶粒層； 2柱狀晶粒區(qū)； 3心部等軸晶粒區(qū) 圖 負(fù)錠組織示意圖 三 、 鋼材的加工 鋼材的加工分為 熱加工 、 冷加工和熱處理 三種 。 將鋼坯加熱至塑性狀態(tài) ， 依靠外力改變其形狀 ， 產(chǎn)生出各種厚度的鋼板和型鋼 ， 稱為 熱加工 。 在常溫下對鋼材進(jìn)行加工稱為冷加工 。 通過加熱 、 保溫 、 冷卻的操作方法 ， 使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 ， 以獲得所需性能的加工工藝稱為 熱處理 。 熱加工 將鋼錠或鋼坯加熱至一定溫度時 ， 鋼的組織將完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體狀態(tài) ， 奧氏體是碳溶入面心立方晶格的 γ鐵的固溶體 ，雖然含碳量很高 ， 但其強(qiáng)度較低 ， 塑性較好 ， 便于塑性變形 。因此鋼材的軋制或鍛壓等熱加工 ， 經(jīng)常選擇在形成奧氏體時的適當(dāng)溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 。 選擇原則是開始熱加工時的溫度不得過高 ， 以免鋼材氧化嚴(yán)重 ， 而終止熱加工時的溫度也不能過低 ， 以免鋼材塑性差 ， 引發(fā)裂紋 。 一般開軋和鍛壓溫度控制在 1150～ 1300℃ 。 鋼材的軋制是通過一系列軋輥 ， 使鋼坯逐漸輥軋成所需厚度的鋼板或型鋼 ， 圖 H型鋼的軋制示意圖 。 鋼材的鍛壓是將加熱了的鋼坯用錘擊或模壓的方法加工成所需的形狀 ， 鋼結(jié)構(gòu)中的某些連接零件常采用此種方法制造 。 圖 寬翼緣 H型鋼軋制示意圖 熱加工可破壞鋼錠的鑄造組織 ， 使金屬的晶粒變細(xì) ， 還可在高溫和壓力下壓合鋼坯中的氣孔 、 裂紋等缺陷 ， 改善鋼材的力學(xué)性能 。 熱軋薄板和壁厚較薄的熱軋型鋼 ， 因輥軋次數(shù)較多 ， 軋制的壓縮比大 ， 鋼材的性能改善明顯 ， 其強(qiáng)度 、塑性 、 韌性和焊接性能均優(yōu)于厚板和厚壁型鋼 。 鋼材的強(qiáng)度按板厚分組就是這個緣故 。 熱加工使金屬晶粒沿變形方向形成纖維組織 ， 使鋼材沿軋制方向 （ 縱向 ） 的性能優(yōu)于垂直軋制方向 （ 橫向 ） 的性能 ，即使其各向異性增大 。