文档介绍：第5章金属材料 钢材的分类及冶炼
一、钢材的分类
钢是以铁为主要元素、~%、并含少量其它元素的材料。
按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三类,各合金元素(部分)的含量应满足相应的规定。
合金元素
Cr
Co
Cu
Mn
Si
Ti
合金元素规定含量界限值%
非合金钢
<
<
<
<
<
<
低合金钢
~
<
-
~
<
~
<
~
~
<
合金钢
≥
≥
≥
≥
≥
≥
各合金元素(部分)含量的界限值
土木工程中主要应用的是低合金结构钢、非合金结构钢。
二、钢的冶炼
炼钢的原理是将熔融的生铁进行氧化。在炼钢过程中,C被氧化成CO气体而逸出,使含C量降低到预定范围。Si、Mn经氧化,P、S则在石灰的作用下均进入渣中被排除或达到预定范围。其它杂质含量也降低到允许范围之内。
土木工程用钢主要是氧气转炉、平炉和电炉冶炼的。
平炉法以固态或液态铁、铁矿石或加入废钢铁为原料,以煤气或重油为燃料,在平炉中冶炼钢。平炉法冶炼时间长(2~3h),清除杂质较彻底。钢材质量好,但是设备投资大,燃料效率低,钢材成本较高。
按含碳量可分为低碳钢(<%)、中碳钢(~%)和高碳钢(>%)。
按质量等级(主要按P、S含量),将非合金钢和低合金钢分成普通质量、优质和特殊质量三等,合金钢分为优质和特殊质量二等。
按用途不同,又可分为结构钢、工具钢和特殊用途钢。
主流方法-氧气转炉法是在能前后转动的梨形炉中注入熔融的生铁,从上方吹入高压高纯氧气,使杂质被氧化去除掉。用氧气转炉精炼时间只需20~40min,钢材质量好,且不需燃料。
电炉法是利用电流的热效应来产生高温的炼钢炉。这种炼钢炉能在短时间内达到高温,温度也容易控制。使用电炉能够充分除去P和S,得到高纯度的优质钢,它适合于冶炼优质或特殊质量的特种钢。
由于精炼中必须供给充足的氧以保证杂质被氧化,故精炼后的钢液中含有一定量的氧化铁,使钢的质量降低。因此,在精炼的最后阶段需将硅铁、锰铁或铝等加入炉中使氧化铁被还原成铁。
按照脱氧程度不同,钢可分为特殊镇静钢、镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。
钢材的技术性质
沸腾钢脱氧不充分,在浇铸后有大量CO逸出,使钢液沸腾。而镇静钢脱氧充分,浇铸时钢液平静地冷却凝固。二者相比沸腾钢中C和有害杂质P、S等严重偏析(杂质元素在钢中分布不均匀,富集于某些区间的现象称为偏析),使钢材致密程度差,故其冲击韧性和可焊性较差,特别是低温冲击韧性显著降低。但从经济上比较,沸腾钢只消耗少量脱氧剂,钢锭收缩孔减少,成品率较高,成本较镇静钢低。半镇静钢介于二者之间。特殊镇静钢脱氧更彻底,性能优于镇静钢。
一、拉伸性能
(一)低碳钢的拉伸性能
拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。屈服强度σs、抗拉强度σb和伸长率δ是钢材的三个重要技术性质指标。
1. 弹性阶段
曲线在该阶段呈直线关系,符合虎克定律。卸荷后应力、应变可以沿AO线回到原点,形状不发生任何变化。建筑上常用的Q235的E为(~)×105MPa,弹性极限(A点的应力)σp为180~ 200MPa。
曲线AB为屈服阶段,当应力超过A点后,曲线不再呈直线关系,即随应力增加,Vε>Vσ,即在产生弹性变形的同时也开始产生塑性变形。当达到B点时,钢材抵抗不住所加外力,发生屈服现象(实质为位错滑移),即应力在小范围内波动,而应变迅速增加,直到B点为止。B上称为屈服上限,屈服下限B下对应的应力σs称为屈服强度或屈服点。
σ
δ
ε
C
B下
B上
σp
D
O
A
B
σs
σb
屈服强度是结构设计中钢材强度取值的依据。Q235的屈服强度不小于210~240MPa。
3. 强化阶段
曲线BC称为强化阶段。伴随着塑性变形的迅速增加,钢材内部组织发生变化,超过B点后又恢复了抵抗变形的能力,变得强硬起来。这个阶段也有塑性变形产生,但它伴随着应力的增加而产生的。当达到C点时,应力达到极限值,称为抗拉强度σb。Q235的抗拉强度不小于380~470MPa。
屈服强度与抗拉强度的比值(屈强比)小,钢材的利用率低,但屈强比过大,也将意味着钢材的安全可靠性降低,当使用中发生突然超载时,容易产生破坏。因此,需要在保证安全性的前提下尽可能地提高钢材的屈强比。~。~,~。
σ
δ
ε