土木工程材料教案

課程信息課程名稱(chēng)土木工程材料授課專(zhuān)業(yè)土木工程課程類(lèi)型必修課公共課（）；專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課（）；專(zhuān)業(yè)課（√）；選修課限選課（）；任選課（）；專(zhuān)業(yè)拓展課（）授課方式講授（√）；實(shí)踐課（√）；其它（）考核方式考試（）；考查（√）課程教學(xué)總學(xué)時(shí)數(shù)32學(xué)時(shí)學(xué)分?jǐn)?shù)2學(xué)分學(xué)時(shí)分配理論課20時(shí)；實(shí)踐課12學(xué)時(shí)；教材名稱(chēng)土木工程材料作者柯龍；董萌；趙影出版社西安電子科技大學(xué)出版社書(shū)號(hào)978-7-5606-6993-9出版時(shí)間2023.09班級(jí)課程名稱(chēng)土木工程材料授課教師授課課時(shí)2學(xué)習(xí)課題建筑鋼材教學(xué)基本要求對(duì)建筑鋼材有一個(gè)總體的、全貌的了解。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)防水材料的分類(lèi)構(gòu)成。鋼材的技術(shù)性能和應(yīng)用。鋼的組織和化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響。教學(xué)方法、手段案例導(dǎo)入法、講授法、小組討論法教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)導(dǎo)入——專(zhuān)題講解——問(wèn)題分析討論——練習(xí)——?dú)w納總結(jié)參考案例來(lái)自教材、相關(guān)參考書(shū)教具、教材教學(xué)課件PPT、教學(xué)錄像片

教師學(xué)期授課教案授課提綱及重難點(diǎn)分析教學(xué)方法設(shè)計(jì)時(shí)間分配及旁注8.1鋼材的生產(chǎn)與分類(lèi)8.1.1鋼材的定義《鋼分類(lèi),第1部分,按化學(xué)成分分類(lèi)》（GB/T13304.1-2008）對(duì)鋼定義如下：以鐵為主要元素,含碳量一般在2%以下,并含有其他元素的合金材料。注：在銘鋼中的含碳量可能大于2%,但2%通常是鋼和鑄鐵的分界線(xiàn)。8.1.2鋼材的冶煉煉鋼的過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是將生鐵中多余的成分除去的氧化過(guò)程。煉鋼是指在高溫下氧化去除生鐵中雜質(zhì)的方法。煉鋼的方法分為平爐煉鋼、轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼。1.平爐煉鋼法平爐的容量很大,最大的平爐達(dá)到一爐能夠熔煉500t的鋼。我國(guó)目前平爐用得最多的是30~300t之間的堿性平爐。平爐煉鋼使用的原材料由金屬原料及非金屬原料組成。2.轉(zhuǎn)爐煉鋼法轉(zhuǎn)爐煉鋼法是指利用空氣或氧氣,采用頂吹、底吹或側(cè)吹的方式,使煉鋼鐵水中的化學(xué)元素氧化到要求的范圍,從而獲得規(guī)定鋼成分的煉鋼方法。轉(zhuǎn)爐煉鋼法生產(chǎn)的鋼品種多且質(zhì)量較好,消耗的金屬材料少,熱效率高,成本低,原材料的適應(yīng)性好,建設(shè)投資少,建設(shè)速度快。3.電爐煉鋼法電爐煉鋼法是以廢鋼鐵及生鐵為原料,利用電能轉(zhuǎn)變成熱能來(lái)煉鋼的一種煉鋼方法。8.1.3鋼材的分類(lèi)1.按化學(xué)成分分類(lèi)《鋼分類(lèi)第1部分：按化學(xué)成分分類(lèi)》（GB/T13304.1-2008）規(guī)定了鋼材按化學(xué)成分分為非合金鋼、低合金鋼和合金鋼三類(lèi)。2.按主要質(zhì)量等級(jí)和主要性能或使用特性的分類(lèi)《鋼分類(lèi)第2部分:按主要質(zhì)量等級(jí)和主要性能或使用特性的分類(lèi)》（GB/T13304.2-2008）規(guī)定，按主要質(zhì)量等級(jí)，非合金鋼分為普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)非合金鋼和特殊質(zhì)量非合金鋼三類(lèi)，低合金鋼分為普通質(zhì)量低合金鋼、優(yōu)質(zhì)低合金鋼和特殊質(zhì)量低合金鋼三類(lèi)，合金鋼分為優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼兩類(lèi)。3.按冶煉時(shí)脫氧程度分類(lèi)除按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼材的分類(lèi)外，還可以按冶煉時(shí)脫氧程度分類(lèi)。（1）沸騰鋼。當(dāng)煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會(huì)與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成大量一氧化碳?xì)怏w外溢，引起鋼液激烈沸騰，因而這種鋼材稱(chēng)為沸騰鋼。（2）鎮(zhèn)靜鋼。當(dāng)煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少或沒(méi)有，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼液會(huì)平靜地冷卻凝固，這種鋼稱(chēng)為鎮(zhèn)靜鋼。（3）特殊鎮(zhèn)靜鋼。比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，稱(chēng)為特殊鎮(zhèn)靜鋼。案例分析：鋼結(jié)構(gòu)屋架倒塌8.2鋼材的主要技術(shù)性能鋼材的主要性能包括力學(xué)性能和工藝性能。其中，力學(xué)性能是鋼材最重要的使用性能，包括強(qiáng)度、彈性、塑性和耐疲勞性等。工藝性能表示鋼材在各種加工過(guò)程中的行為，包括冷彎性能和可焊性等。8.2.1建筑鋼材拉伸時(shí)的力學(xué)性能靜拉伸試驗(yàn)是鋼材使用最廣泛的力學(xué)性能試驗(yàn)方法之一。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，可以得出低碳鋼在拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，從而進(jìn)一步分析其力學(xué)性能。1.抗拉性能抗拉性能是建筑鋼材最重要的力學(xué)性能。鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映出鋼材的主要力學(xué)特征。1）彈性階段在圖8-2中OA段，應(yīng)力較小，應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系，卸去外力，試件恢復(fù)原狀，無(wú)殘余形變，這一階段稱(chēng)為彈性階段。彈性階段的最高點(diǎn)（A點(diǎn)）所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱(chēng)為彈性極限，用Rp表示。2）屈服階段當(dāng)應(yīng)力超過(guò)彈性極限后，應(yīng)變的增長(zhǎng)比應(yīng)力快，此時(shí)，除產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生塑性變形。3）強(qiáng)化階段在鋼材屈服到一定程度后，由于內(nèi)部晶格扭曲、晶粒破碎等，阻止了塑性變形的進(jìn)一步發(fā)展，鋼材抵抗外力的能力重新提高，在應(yīng)力-應(yīng)變圖上，曲線(xiàn)從BL點(diǎn)開(kāi)始上升直至最高點(diǎn)C，這一過(guò)程稱(chēng)為強(qiáng)化階段。4）頸縮階段在鋼材達(dá)到C點(diǎn)后，試件薄弱處的斷面將顯著減小，塑性變形急劇增加，產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象而斷裂。2.沖擊韌性鋼材的沖擊韌性是處在簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、加工都有關(guān)系。3.耐疲勞性 受交變荷載反復(fù)作用時(shí)，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象稱(chēng)為疲勞破壞。4.冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度d和彎心直徑d為指標(biāo)表示。8.2.2冷加工強(qiáng)化1.冷加工強(qiáng)化的機(jī)理將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，降低塑性韌性，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為冷加工強(qiáng)化處理。2.冷加工強(qiáng)化方法1）冷拉冷拉是將鋼筋拉至其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的強(qiáng)化階段內(nèi)任一點(diǎn)K處，然后緩慢卸去荷載，則當(dāng)再度加載時(shí)，其屈服極限將有所提高，而其塑性變形能力將有所降低。冷拉一般可控制冷拉率。鋼筋經(jīng)冷拉后，一般屈服點(diǎn)可提高20%~25%。2）冷拔冷拔是將光圓鋼筋通過(guò)硬質(zhì)合金拔絲模孔強(qiáng)行拉拔。冷拔作用比純拉伸的作用強(qiáng)烈，鋼筋不僅受拉，而且同時(shí)受到擠壓作用。3）冷軋冷軋是將圓鋼在冷軋機(jī)上軋成斷面形狀規(guī)則的鋼筋，可提高其強(qiáng)度及與混凝土的黏接力。鋼筋在冷軋時(shí)，縱向與橫向同時(shí)產(chǎn)生變形，因而能較好地保持其塑性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性。3.時(shí)效處理將冷加工處理后的鋼筋在常溫下存放15~20d，或加熱至100~200℃后保持一定時(shí)間（2~3h），其屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度也提高，同時(shí)塑性和韌性也進(jìn)一步降低，彈性模量則基本恢復(fù)。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為時(shí)效處理。4.熱處理熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理，以改變其組織，得到所需要的性能的一種工藝。熱處理包括淬火、回火、退火和正火。1）淬火將鋼材加熱至基本組織改變溫度以上，保溫使基本組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后投入水或礦物油中急冷，使品粒細(xì)化，碳的固溶量增加，強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性明顯下降。2）回火將比較硬脆、存在內(nèi)應(yīng)力的鋼再加熱至基本組織改變溫度以下（150~650℃），保溫后按一定制度冷卻至室溫的熱處理方法稱(chēng)回火。回火后的鋼材，其內(nèi)應(yīng)力消除，硬度降低，塑性和韌性得到改善。3）退火將鋼材加熱至基本組織轉(zhuǎn)變溫度以下（低溫退火）或以上（完全退火），適當(dāng)保溫后緩慢冷卻，以消除內(nèi)應(yīng)力，減少缺陷和品格畸變，使鋼的塑性和韌性得到改善。4）正火將鋼件加熱至基本組織改變溫度以上，然后在空氣中冷卻，使晶格細(xì)化，鋼的強(qiáng)度提高而塑性有所降低。5.鋼材的連接鋼材的連接分為鋼結(jié)構(gòu)連接與鋼筋混凝土中鋼筋連接兩大類(lèi)。1）鋼結(jié)構(gòu)連接鋼結(jié)構(gòu)連接包括鉚接、栓接與焊接。鉚接是用鉚釘連接鋼材，因技術(shù)成本高，安裝效率低，目前已很少采用。2）鋼筋連接鋼筋混凝土工程中鋼筋需要接長(zhǎng)或固定相互交叉，就需要對(duì)鋼筋連接。8.2.3鋼材的化學(xué)成分及其對(duì)鋼材性能的影響鋼材中除了主要化學(xué)成分鐵（Fe）以外，還含有少量的碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鐵（Ti）、釩（V）等元素，這些元素雖然含量少，但對(duì)鋼材的性能有很大影響。1）碳碳是決定鋼材性能的最重要元素。當(dāng)鋼中的含碳量在0.8%以下時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性降低；2）硅硅是作為脫氧劑而加入的，是鋼中的有益元素。硅含量較低（小于1.0%）時(shí)，能提高鋼材的強(qiáng)度，而對(duì)塑性和韌性無(wú)明顯影響。3）錳錳是煉鋼時(shí)用來(lái)脫氧去硫而加入的，是鋼中的有益元素。錳具有很強(qiáng)的脫氧去硫能力，能消除或減輕氧、硫所引起的熱脆性，大大改善鋼材的熱加工性能，同時(shí)能提高鋼材的強(qiáng)度和硬度。錳是我國(guó)低合金結(jié)構(gòu)鋼中的主要合金元素。4）磷磷是鋼中很有害的元素。隨著磷含量的增加，鋼材的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、硬度均提高，而塑性和韌性顯著降低。特別是溫度越低，對(duì)塑性和韌性的影響越大，顯著加大鋼材的冷脆性。磷也使鋼材的可焊性顯著降低。但磷可提高鋼材的耐磨性和耐蝕性，故在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。5）硫硫也是鋼中很有害的元素。硫的存在會(huì)加大鋼材的熱脆性，降低鋼材的各種機(jī)械性能，也使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低。6）氧氧是鋼中的有害元素。隨著氧含量的增加，鋼材的強(qiáng)度有所提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差。氧的存在會(huì)造成鋼材的熱脆性。7）氮氮對(duì)鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性特別是韌性顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇。氮在鋁、鋸、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。8）鈦鐵是強(qiáng)脫氧劑。鐵能顯著提高鋼材的強(qiáng)度，改善鋼材的韌性、可焊性，但稍降低塑性。鐵是常用的微量合金元素。9）釩釩是弱脫氧劑。鋼中加入釩可以減弱碳和氮的不利影響，有效地提高鋼材的強(qiáng)度，但有時(shí)也會(huì)增加焊接淬硬傾向，釩也是常用的微量合金元素。約30min8.3工程中常用的鋼材工程中常用的鋼材是碳鋼和合金鋼，其品種成千上萬(wàn)，本節(jié)主要討論的是在建筑工程中使用的鋼材。在建筑工程中要消耗大量的鋼材，其中應(yīng)用最廣泛的鋼種是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。8.3.1碳素結(jié)構(gòu)鋼現(xiàn)代冶煉生產(chǎn)的鋼,其中碳鋼占90%左右,合金鋼僅占10%左右。在工業(yè)中大量使用的金屬材料是碳鋼。碳鋼根據(jù)用途分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼兩大類(lèi)。按照質(zhì)量等級(jí),碳素結(jié)構(gòu)鋼又分為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。在碳鋼中,碳素結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)量最大,用途最廣,碳鋼大多軋成鋼板、鋼帶和型鋼等。‘1）碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分要求2）碳素結(jié)構(gòu)鋼表示方法GB/T700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定,其牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法等四部分按順序組成。3）碳素結(jié)構(gòu)鋼的技術(shù)性能根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》，隨著牌號(hào)的增大，對(duì)鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的要求增大，對(duì)伸長(zhǎng)率的要求降低。4）碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用Q195、Q215A、Q215B碳素結(jié)構(gòu)鋼塑性和韌性較高，有一定的強(qiáng)度，通常軋制成薄板、鋼筋、鋼管、型鋼等，用作橋梁、鋼結(jié)構(gòu)等，也可以用于制造鉚釘、螺釘、螺栓、鋼絲及沖壓零件等。8.3.2低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，添加少量的一種或多種合金元素（一般合金元素總含量不超過(guò)5%），以提高其強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性、耐磨性或低溫沖擊韌性的鋼。這種鋼還具有較好的塑性、韌性和焊接性等優(yōu)點(diǎn)，多用于制造橋梁、車(chē)輛、船舶、鍋爐、高壓容器、油罐和輸油管等。8.3.3鋼筋鋼筋是指在建筑工程中，配置在鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼條或鋼絲。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中使用的鋼筋和鋼絲等鋼材，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼經(jīng)過(guò)熱軋或冷軋、冷拔及熱處理工藝加工而成。鋼筋的品種有熱軋鋼筋、冷軋帶肋鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋和低碳鋼熱軋圓盤(pán)條等。1）熱軋鋼筋熱軋鋼筋是指經(jīng)過(guò)熱軋成型，然后在空氣中冷卻（正火處理）的鋼筋。熱軋鋼筋主要是用Q235的碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行軋制成光圓鋼筋,以直條或盤(pán)條交貨。帶肋鋼筋則采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的成分軋制而成。2）冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋的生產(chǎn)分兩步進(jìn)行,第一步是以低碳鋼或低合金鋼熱軋成盤(pán)條,第二步將盤(pán)條進(jìn)行多道工序冷軋或冷拔以減少鋼筋直徑,再在鋼筋表面冷軋成兩面或三面橫肋的鋼筋。3）預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋熱處理鋼筋是指用熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火加高溫回火熱處理工藝得到的鋼筋。淬火加高溫回火再熱處理被稱(chēng)為調(diào)質(zhì)。鋼筋經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，其基體組織為回火索氏體。8.3.4預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲1）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過(guò)酸洗、冷拔再經(jīng)回火消除應(yīng)力等工藝制成，具有高強(qiáng)度性能。2）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線(xiàn)（steelstrAndforprestressedconcrele）是由冷拉光圓鋼絲及刻痕鋼絲捻制而成的。8.4鋼材的腐蝕與防護(hù)8.4.1鋼材的腐蝕鋼材表面與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱(chēng)作腐蝕（銹蝕）。鋼材腐蝕的現(xiàn)象普遍存在,如在大氣中生銹,特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介質(zhì)或濕度較大時(shí),情況就更為嚴(yán)重。1.化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕指鋼材與周?chē)慕橘|(zhì)（如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接發(fā)生化學(xué)作用,生成疏松的氧化物而引起的腐蝕。在干燥環(huán)境中化學(xué)腐蝕的速度緩慢,但在溫度高和濕度較大時(shí)腐蝕速度大大加快。2.電化學(xué)腐蝕鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成,并含有雜質(zhì),由于這些成分的電極電位不同,當(dāng)有電解質(zhì)溶液（如水）存在時(shí),就會(huì)在鋼材表面形成許多微小的局部原電池