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钢结构常识
碳素结构钢在钢结构中的主要用途 新型钢结构建筑用钢耐火性能研究
作者:网站编辑 www.sztlgjg.com 日期:2019/2/21 14:36:43
  碳素结构钢在钢结构中的主要用途

  一、型钢

  深圳钢结构公司:碳素结构钢型钢按加工方法分为热轧型钢、冷弯型钢、冷轧型钢;按尺寸规格分为大型、中型、小型;按截面形状分为简单断面型钢(除了圆钢、方钢、扁钢和六角钢之外,还包括八角钢、三角钢、弓形钢、椭圆钢、角钢等)、复杂断面型钢(如工字钢、槽钢、钢轨、钢桩、H型钢等),此外还有农机、汽车、矿山、船舶、铁道等行业专用的异型钢、周期断面型钢和钢筋等。通常采用的钢牌号为Q235。

  型钢广泛用于建筑、铁路、公路、桥梁、能源、采矿、汽车、轻工、农业、水利、码头、机械、石油、化工等行业。

  1、工字钢

  通常生产和使用的工字钢是热轧窄翼缘、斜腿普通工字钢。其断面设计的特点是腿短、腿内侧有一定的斜度,宽高比小,腰部较厚,金属分布不尽合理。此类工字钢目前己被宽缘平行腿工字钢所代替。

  工字钢型号为34个,尺寸范围(高度*宽度*腰厚)为100mm*68mm*4.5mm-630mm*180mm*17mm(高度尺寸16种、宽度尺寸34种)。工字钢主要承受高度方向的载荷,作为弯梁使用。广泛用于厂房、土木工程、桥梁、车辆、船舶、设备制造等结构件。

  2、槽钢

  通常生产和使用的槽钢是热轧窄翼缘、斜腿普通槽钢。槽钢型号为30个,尺寸范围(高度*宽度*腰厚)为50mm*37mm*4.5mm-400mm*140mm*14.5mm(高度*尺寸15种、宽度尺寸28种)。槽钢主要用于檩条、桥梁大型结构件、车辆的梁、船舶和一般设备的骨架等。

  3、H型钢

  H型钢截面设计优于普通工字钢,加大了翼缘和宽度和高度,腰薄,翼缘内侧面无斜度,两翼缘平行,宽高比大。与普通工字钢相比,H型钢在不增加,甚至减小每米长度重量的情况下,大大提高了断面系数。H型钢可承受复杂结构件的多方面载荷,抗弯、抗扭、抗压,并且稳定性良好,是钢结构工程理想的经济断面型钢。

  H型钢的生产方法有万能轧机热轧和焊接两种。

  热轧H型钢有宽翼缘H型钢(HW)、中翼缘H型钢(HM)、窄翼缘H型钢(HN)和H型钢桩(HP)。宽翼缘H型钢有9个型号,21种规格;中翼缘H型钢有18个型号,12种规格;窄翼缘H型钢有18个型号,32种规格;H型钢桩有6个型号,19种规格。尺寸范围(高度*宽度*腰厚),宽翼缘H型钢为100mm*100mm*6mm-498mm*432mm*45mm;中翼缘H型钢为148mm*100mm*6mm-594mm*302mm*14mm;窄翼缘H型钢为100mm*50mm*5mm-912mm*302mm*18mm;H型钢桩为200mm*204mm*12mm-502mm*470mm*20mm.

  焊接H型钢有焊接H型钢(HA)、轻型焊接H型钢(HAQ)和焊接H型钢桩(HGZ)。焊接H型钢有42个型号,129种规格;轻型焊接H型钢有28个型号;H型钢桩有6个型号,19种规格。尺寸范围(高度*宽度*腰厚),焊接H型钢为300mm*200mm*6mm-1,200mm*600mm*16mm;轻型焊接H型钢为100mm*50mm*3.5mm-454mm*300mm*8mm;焊接H型钢桩为200mm*200mm*12mm-502mm*470mm*20mm.焊接H型钢的通常长度为4-12m.

  H型钢适用于制造钢结构的柱、梁、桩、衍架等构件,广泛用于工业和民用建筑、桥梁、土木工程、高层建筑、高速公路、地铁、船舶机械设备等。H型钢桩主要用于各种建筑工程的基础钢桩。

  4、角钢

  角钢的特点是在水平和垂直轴线上都具有良好的力学性能。搂截面形状划分有等边角钢、不等边角钢、不等边不等厚角钢(又称L型钢)。边缘的内角均匀圆角。

  角钢的品种规格是热轧型钢中最多的。等边角钢的型号从2号到20号,有20个型号,82种规格。不等边角钢的型号从2.5/1.6到20/12.5,有19个型号,65种规格。这两种角钢的通常长度按型号分为4-12m、4-19m和6-19m.不等边不等厚角钢的型号从L250*90*9*13到L500*120*13.5*35,有11个型号。其通常长度为6-12m。大型角钢广泛应用于厂房、工业建筑、铁路、交通、桥梁、车辆、船舶等大型结构件。中型角钢用于建筑衍架、电力通讯铁塔、井架及其他用途的结构件。小型角钢用于民用建筑、家具、设备制造、支架和框架等。

  5、汽车用特殊断面型钢

  热轧轮辋型钢和挡圈型钢是制造载重汽车车轮的主要原材料。

  轮辋型钢不经热处理和机加工直接经卷圆、焊接、扩径等工序制成轮辋。因此要求钢应具有良好的延伸性能和焊接性能,采用牌号Q235钢生产的轮辋型钢,在加工过程中易出现弯裂、扩裂现象。因此,在Q235钢的基础上,经降低碳、锰含量、缩小碳、硅、锰含量的范围,降低磷、硫含量,提高钢的纯净度,派生出了专门用于生产轮辋型钢的两个牌号为12LW和5LW。

  挡圈型钢属于小型异型钢,与轮辋型钢配合使用。采用的牌号除低合金钢16Mn,优质碳素结构钢15、20外,还采用碳素结构钢Q235A和专用钢12LW、15LW。

  6、冷弯型钢

  冷弯型钢采用可冷加工变形的冷轧或热轧钢带,用连续辊式冷弯机组生产。其种类和规格繁多,有通用冷弯开口型钢(如等边角钢、不等边角钢、等边槽钢、不等边槽钢、内卷边槽钢、外卷边槽钢、Z型钢、卷边Z型钢等);通用冷弯闭口(空心)型钢(如方形、矩形等);冷弯波型板,以及专用冷弯型钢(货运汽车、客运汽车、卷帘门窗、钢窗、护栏用冷弯异型钢,波形型钢等)。

  冷弯型钢主要用于制造各种钢结构,受力部件要承受拉力、弯曲力、扭力。

  二、棒材

  碳素结构钢热轧棒材按截面形状有圆钢、方钢、扁钢和六角钢。所采用的钢牌号为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。

  1、圆钢、方钢

  圆钢直径和方钢边长为5.5-250mm.通常长度为:直径(边长)不大于25mm时,4-10m;直径(边长)大于25mm时,3-9m.

  2、扁钢

  扁钢的截面尺寸为,宽度10-150mm,厚度3-60mm.通常长度为3-9m.常用钢牌号为Q235、Q255、Q275,主要用于农机、化工机械、铁道零件、五金工具等。

  3、六角钢

  六角钢的截面尺寸为,对边距离8-70mm.通常长度3-8m.常用钢牌号为Q195、Q215、Q235,主要用于制造螺母等标准件。

  4、标准件用碳素钢热轧圆钢

  标准件用碳素热轧圆采用牌号BL2、BL3低碳碳素钢,其硅含量极低(质量分数不大于0.07%),硫、磷质量分数降至不大于0.040%,残余铜质量分数不大于0.25%。这种钢具有良好的冷顶锻加工性能,使用前不需退火处理,拉拔后直接进行顶锻制造加工。主要用于制造螺母、螺栓、螺钉、铆钉等。

  新型钢结构建筑用钢耐火性能研究

  1、前言

  美国“9.11”事件后,钢结构建筑用钢防火性能已引起政府及设计部门高度重视。耐火耐候钢作为新一代建筑用钢,具有屈强比低、抗层状撕裂良好、焊接性能及耐火性能和防腐性能良好等优点,在中低层或高层建筑、场馆/网架大跨度建筑、轻钢建筑等领域使用前景较广。

  耐火性能高低通常以日本建筑防火标准为指导,要求试验钢在600℃高温时屈服强度不低于室温屈服强度的2/3。普通钢无法满足要求,必须进行细致的防火及防腐处理,费用昂贵且耗时较长。

  欧美、日本等发达国家利用Cr、Mo、Nb等合金元素的特性,开发出了低C-Mn-Mo-Nb系列、耐火温度为600℃的建筑用耐火钢,在600℃条件下,屈服强度能保持在室温的2/3以上。为了提高钢的高温性能,通常添加0.50%Mo以及0.02%Nb[1]。Mo+Nb合金化虽然满足防火设计要求,但增加了钢厂生产成本,销售价格过高,限制了它的推广应用。对于用钢量较大的中低层建筑、空间网架结构、轻钢建筑范畴,无法与传统使用的普通钢+防火涂料/防腐涂料相抗衡。

  本文结合攀钢近期的研究工作,研究开发低成本的耐火耐候钢以适应市场需要。试验钢化学成分设计以低碳当量为基础,对含Mo-Nb、Mo-Cr-Nb-Ni、低Mo-Nb-Ti、无Mo合金系钢开展实验室研究,经冶炼、锻造、热轧等工序后,进行相关检验及分析。

  2、试验方法

  试验钢化学成分以低C-Mn为基础,对含Mo-Cr-Nb-Ni、Mo-Nb、低Mo-Nb-Ti、无Mo钢开展了研究,对比钢为耐候钢。试验钢的化学成分表2-1。

  表2-1试验钢的化学成分(%)

  钢种CSiMnPSMoCu添加元素

  Mo-Cr-Nb-Ni≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.80≤0.40Cr、Ni、Nb等

  Mo-Nb≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.80≤0.40V、Ti、Nb等

  低Mo-Nb-Ti≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02≤0.60≤0.40V、Ti、Nb等

  无Mo钢≤0.12≤0.50≤1.50≤0.120≤0.02/≤0.40V、Ti、Nb等

  试验原料为低碳铝镇静钢,经中频感应炉冶炼、合金化后浇铸成钢锭;钢锭加热后锻造成板坯(尺寸为25×230×400mm);经加热、3~5道次轧制、冷却,最终厚度为5~7mm。

  冶炼设备为150Kg中频感应炉,锻造设备为750Kg空气锤,热轧轧机为Φ450轧机。高温拉伸试验设备为MTS810万能试验机。

  每炉号试验钢各取1个金相试样,用硝酸酒精溶液腐蚀,在金相显微镜上观察其室温微观组织。采用JSM-5600LV扫描电镜+INCA能谱仪分析常温拉伸断口形貌。采用H800-EDAX透射电镜观察析出物形貌。

  3、试验结果

  3.1常温拉伸断口分析

  试验钢常温拉伸试样在宏观下为剪切断口,在断口附近有明显的塑性变形,镜下观察整个断面均为韧窝形貌。

  3.2力学性能

  试验钢常温拉伸、高温拉伸试验结果见表3-1。

  表3-1试验钢力学性能

  钢种卷取温度σ0.2,MPaδ5,%2/3室温σ0.2,MPaσ0.2,600℃20minσ0.2,600℃120min

  Mo-Cr-Nb-Ni550℃52027.5347325/

  650℃52522.5350395318

  Mo-Nb500℃52020347429/

  550℃57514.5383409/

  650℃58521.5390472407

  700℃58023387414/

  低Mo-Nb-Ti450℃42530283300/

  500℃45018300350324*

  550℃44525.5297306/

  500℃44024.5293323/

  650℃52022347354/

  700℃48522323325/

  无Mo钢450℃45530303321/

  500℃48522.5323343/

  550℃47023313361353*

  600℃47018313325314

  650℃47529.5317335/

  700℃50520337379/

  对比耐候钢42038280183/

  注:*试样600℃长时间保温时间为150min。

  3.3金相组织

  试验钢金相组织由铁素体、珠光体、少量贝氏体组成。铁素体晶粒度为10级左右。以Mo-Nb钢及无Mo钢不同卷取温度为例,见图3-2、图3-3。

  图3-2Mo-Nb钢不同卷取温度金相组织(400×)

  图3-3无Mo不同卷取温度金相组织(400×)

  4.讨论与分析

  4.1不同化学成分耐火耐候钢热轧工艺对耐火性能的影响

  四种不同化学成分的试验钢在不同卷取温度下的高温屈服强度。

  Mo元素对提高耐火耐候钢高温屈服强度比较有效。在冶炼、锻造、热轧工艺制度相近的条件下,Mo-Nb钢、Mo-Cr-Nb-Ti钢的高温屈服强度优于低Mo-Nb-Ti、无Mo合金系钢。在微观机理方面,Nb在钢中析出Nb的第二相粒子,使钢的铁素体基体强化;Mo在钢中多以固溶体的方式存在,部分析出Mo2C,使钢的铁素体基体强化。而复合添加Nb+Mo还伴随着Nb的第二相粒子在晶界的析出,有效地阻碍晶粒的长大,明显提高钢的耐火性能[2]。

  试验钢热轧卷取温度在500~700℃范围内,高温屈服强度变化不大,轧制后冷却速率对钢的高温屈服强度影响小。

  4.2化学成分对不同耐火温度耐火性能的影响

  选取卷取温度为650℃的Mo-Cr-Nb-Ti钢、Mo-Nb钢、低Mo-Nb-Ti钢、无Mo钢、对比钢分别进行耐火温度为350℃、450℃、600℃、700℃耐火性能研究,试验结果见图4-2。

  图4-2试验钢不同耐火温度耐火性能

  随耐火温度升高,试验钢的高温屈服强度呈下降趋势。耐火温度低于450℃时,Mo-Cr-Nb-Ti钢、Mo-Nb钢、低Mo-Nb-Ti钢及无Mo钢高温屈服强度变化不大,600℃时,试验钢的高温屈服强度仍能保持较高的强度水平(不低于室温屈服强度的2/3)。对比钢耐火性能较差,在300℃时高温强度已经明显降低,600℃屈服强度降低到200MPa以下,不能满足使用要求。

  Mo+Nb钢高温性能最好;与普通建筑用钢相比,Mo+Nb钢吨钢增加成本665元/吨,而无Mo钢仅为251元/吨,性价比最高。分析试验钢及对比钢的金相组织,对比钢组织主要为铁素体、珠光体,而试验钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体多相组织,贝氏体组织的存在提高了钢的高温性能[3]。

  4.3无Mo钢耐火机理

  无Mo钢萃取复型样在H800-EDAX透射电镜下观察析出物形貌。析出物的分布情况对无Mo钢耐火性能起主要作用[4]。由于添加了Nb、V、Ti等微合金元素,无Mo钢热轧后形成的析出物(碳化物、碳氮化物)固溶温度超过700℃,能在耐火温度为600℃条件下保持析出形态,具有良好的高温稳定性。

  无Mo钢析出物在钢中细小弥散分布,而这些第二相粒子属于不可变形的硬脆相。根据位错理论,塑性变形产生的位错线只能绕过第二相质点,随着绕过第二相质点位错线数量增加,形成的位错环数量增多。克服弯曲位错的线张力相应提高,强化了钢的高温屈服强度。在晶界附近的析出物,能有效地钉扎晶界移动,阻止基体晶粒长大,提高无Mo钢高温强度,如图4-3b。

  5.结论

  ⑴4种试验钢在不同热轧工艺条件下均具有较高的耐火性能,高温屈服强度(600℃σ0.2≥300MPa),2小时以上保温后,试验钢仍能保持较高的高温强度(600℃σ0.2≥300MPa)。普通钢在350℃附近屈服强度明显降低,600℃屈服强度低于常温屈服强度2/3。Mo+Nb钢高温性能最好。

  ⑵试验钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体多相组织,贝氏体组织的存在提高了钢的高温性能。

  ⑶无Mo钢第二相质点弥散分布能有效提高高温屈服强度。
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