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1、1,2010,金属材料,第八章,2,2010,第八章 金属材料,主要内容,概述 基本概念 钢材的特点 第一节 钢材的生产、组成与结构 第二节 建筑钢材的性质 第三节 建筑钢材的主要品种 第四节 建筑钢材的应用,3,2010,第八章 金属材料,熟练掌握建筑钢材的基本性质 掌握土木工程中常用建筑钢材及其选用 了解钢材的生产、组成和结构,本章要求,4,2010,第八章 金属材料,概述基本概念,生铁：铁矿石冶炼而成，用来炼钢和制造铸件 钢：生铁在炼钢炉中冶炼杂质氧化、含碳量降到2.06%以下、其它元素调整到规范范围，即得到钢（包括钢锭、钢坯、钢铸件等）,钢与生铁的区别含碳量,5,2010,第八章 金属
2、材料,钢材钢锭、钢坯等通过压力加工制成所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。 建筑钢材建筑工程中使用的各种钢材，包括用于钢结构的各种型钢、钢板、钢管；用于钢筋混凝土结构的各种钢筋、钢丝；建筑装饰用钢材。,概述基本概念,6,2010,第八章 金属材料,优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可焊接、铆接或螺栓连接，便于装配，加工性强 缺点：耐久性差，易锈蚀，维修费用大，耐火性差,概述钢材的特点,7,2010,第八章 金属材料,第一节 钢材的生产、组成与结构,一、 钢材的生产 二 、钢材的分类 三、 钢材的组成 四、 钢材的结构,8,2010,第八章 金
3、属材料,一、钢材的生产,冶炼,铸锭,压力加工,降C到预定范围 除杂质到允许范围,废钢、生铁,钢锭/坯,各种钢材,气泡闭合 缺陷消除,氧化铁残留在钢水中，降低钢材质量,脱氧处理,氧化过程,化学偏析,偏析、缩孔、气泡组织不致密等缺陷,转炉钢,以熔融的铁水为原料，不需燃料。吹入空气或纯氧，通过氧化作用除去铁水中的杂质。化学成分难以精确控制，杂质含量较高，质量差；但成本低。,以固体或液体生铁、铁矿或废钢为原料，用煤油或重油作燃料，杂质靠铁矿石、废钢中的氧或吹入的氧起氧化作用而除去。治炼时间长(4-12h)，清除杂质较彻底，化学成分可以精确控制，故含杂质少，钢材质量好，成本较转炉钢高。,平炉钢,热源是高
4、压电弧，熔炼温度高，且温度可自由调节，清除杂质容易，因此，电炉钢的质量最好。,电炉钢,12,2010,第八章 金属材料,化学偏析,铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀的现象称为化学偏析（以硫、磷偏析最为严重）。,对钢的质量有很大的影响,14,2010,第八章 金属材料,压力加工,热加工：将钢锭加热至一定温度使其呈塑性状态，施加压力改变钢锭的形状不仅获得了要求的形状，同时克服了许多缺陷，提高了钢的强度和质量，一般加工次数越多，强度提高越大。 冷加工：在常温下进行的压力加工。例如冷拉、冷拔、冷轧、刻痕等。
5、一定范围内，冷加工变形程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低越多。,问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？,答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和时效敏感性增大等。 脱氧程度排序： 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢 钢材性能与质量排序： 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢,16,2010,第八章 金属材料,二、钢材的分类,化学成分 生产方法 用途 质量等级,17,2010,第八章 金属材料,GB/T13304.1-2008 钢分类 第1部分 按化学成分分
6、类,碳素钢,合金钢,按化学成分分类,占钢总产量的70%,元素种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等,18,2010,第八章 金属材料,按用途分类,19,2010,第八章 金属材料,按质量等级分类,GB/T13304.2-2008 钢分类 第2部分 按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类,20,2010,第八章 金属材料,化学元素对钢材性能的影响,合金元素：改善性能 硅Si 锰Mn 钛Ti 钒V 铌Nb 杂质元素：劣化性能 O S P N,22,2010,第八章 金属材料,第二节 建筑钢材的性质,力学性质,工艺性质,冷弯、可焊性 热处理 冷加工、时效,拉伸性质 弹性、塑性、硬度 冲击韧性、冷
7、脆性,耐久性,锈蚀 耐热、耐酸、耐碱,23,2010,第八章 金属材料,钢筋自受力直至拉断过程分为4个阶段,力学性质1拉伸性质,弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段,24,2010,第八章 金属材料,屈强比,屈服强度,抗拉强度,疲劳强度,钢筋拉伸性能的主要检验指标,上屈服强度ReH：试样发生屈服而力首次下降前的最高应力。 下屈服强度ReL：在屈服期间，不计初始瞬时效应时的最低应力。,屈服强度：当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间达到塑性变形发生而力不增加的应力点，应区分上屈服强度和下屈服强度。,抗拉强度Rm：与强化阶段最高点C相对应的应力是钢筋的极限强度，称为（极限）抗拉强度。,在一定条件下
8、，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低。,疲劳破坏：受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象。,典型的低碳钢疲劳曲线,28,2010,第八章 金属材料,钢材疲劳破坏的原因：一般由拉应力引起，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。 疲劳强度：试件在交变应力作用下，不发生疲劳破坏的最大主应力值，一般把钢材承受交变荷载200400万次时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度（疲劳极限）。,疲劳破坏,疲劳断裂的宏观断口,疲劳源区：
9、白亮圆斑所包围的眼状小块,扩展区：白色、平滑断口，有贝壳花样弧线，放射状,终断区：与一般快速断裂一样,30,2010,第八章 金属材料,钢材的疲劳强度与很多因素有关，如钢材的内部组织结构、荷载的性质、构件的形状和表面状态、成分偏析和内部的各种缺陷等。 一般来说，钢材抗拉强度高，其疲劳强度也高。而钢材表面的加工印痕、焊接接头的卷边和表面微小腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。 由于疲劳设计中存在着大量不确定因素，因而选用材料的安全系数K较高（钢材的K2）。,疲劳破坏,31,第八章 金属材料,韩国汉城大桥倒塌,连接汉江南北两岸的圣水大桥由韩国最大建筑公司 之一东亚建设产业公司于 1979建成。 19
10、94年10月21日早晨7点40分左右，圣水大桥已是一片车水马龙。因天气阴沉，大多数车辆正开着车灯，以时速40公里的速度行驶。 突然，一声巨响，一块长达 48米的桥板从大桥中段塌入 江中，正在桥上行驶的汽车 随之坠入20多米高的桥下。 造成死亡32人、重伤17人。,东亚建筑公司在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材。 汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32t，建成后交通流量逐年增加，倒塌时负载为43.2t，超常负荷，钢梁螺栓及杆件疲劳破坏所致。,经五个多月的各种试验和研究，总结事故原因如下：,33,2010,第八章 金属材料,北海油田平台倾覆,1980年3月
11、27日，北海Ekofisk 油田的Alexander L Kielland 号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使122人丧生，造成巨大的经济损失。 事故原因：撑竿支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20分钟内全部倾覆。,34,2010,第八章 金属材料,力学性质2弹性、塑性、硬度,弹性：钢材在弹性阶段，应力和应变成正比，具有弹性。 弹性模量：弹性阶段应力和应变的比值称为，即E=/=tg （MPa）。,一定应力下， E越大，材料产生的弹性变形越小。因此，弹性模量反映了钢
12、材构件的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。,塑性：伸长率或断面收缩率指标来表示。,伸长率是指试件拉断后，标距长度的增量与原始标距长度之比（%）,断面收缩率：是指试件拉断后，颈缩处横截面积的减缩量占原横截面积的百分率（%）,因测量方便，一般常用伸长率表征钢材的塑性：越大，说明钢材的塑性越好。 伸长率与原始标距有关，对于同种钢材510。,硬度：是指在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力。硬度通常与抗拉强度有一定关系。 根据测定方法不同，常用的钢材硬度有：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。,布氏硬度是用一定直径 D 的硬质钢球，在规定荷载 F 作用下压入试件表面，并持续一
13、定时间后卸载，量出压痕直径 d，然后计算每单位压痕球面积所受的荷载值，即布氏硬度值（HB）。,37,2010,第八章 金属材料,力学性质3冲击韧性、冷脆性,冲击韧性：钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。 规范规定：有刻槽的标准试件，在冲击试验的摆锤冲击下，以破坏后缺口处单位面积上所消耗的功来表示冲击韧性，符号ak，单位J/cm2。,38,2010,第八章 金属材料,化学成分、组织结构、生产质量： 钢中P、S含量较高，存在偏析，非金属夹杂物和焊接中的微裂纹，都会使冲击韧性显著降低。 温度：冷脆性 时间：时效性质（工艺性质）,影响冲击韧性的因素,脆性断裂,韧性断裂,ak J/cm2,T，,冷脆性：常温
14、下，随温度的下降，冲击韧性降低很小，此时破坏的钢件断口呈韧性断裂状。当温度降至某一温度范围时，ak突然发生明显下降，钢材开始呈脆性断裂。,发生冷脆性时的温度称为脆性临界温度（范围）,问题： 钢材的伸长率与钢材中的含碳量有何关系？,答： 伸长率反映钢材的塑性，伸长率越大，塑性越好。 钢材的塑性随着含碳量增加而变差，因此，钢材的伸长率随着含碳量增加而减小。,问题： 什么是屈强比，对选用钢材有何意义？,答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s /b。 在应用中，s /b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈高。 但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济；若屈强
15、比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。,42,2010,第八章 金属材料,冷弯性质：常温条件下，钢材承受弯曲变形的能力 检验：试件经规定的弯曲程度后，检查弯曲处外面及侧面有无裂纹、起层、鳞落和断裂等情况，进行评定。,工艺性质1冷弯性能,43,2010,第八章 金属材料,一般用弯曲角度以及弯心直径 d 和对应钢材的厚度或直径 a 的比值来表示。 弯曲角度越大，d 和 a 的比值越小，表明冷弯性能越好。,工艺性质1冷弯,44,2010,第八章 金属材料,检验钢材塑性的方法：冷弯、伸长率 伸长率大的钢材，其冷弯性能必
16、然好 冷弯试验对钢材塑性的评定比拉伸试验更严格、更敏感 冷弯有助于暴露钢材的某些缺陷，如钢材内部的气孔、杂质、裂纹和严重偏析等。 冷弯是评定焊接质量的重要指标之一，可以发现焊接时的局部脆性及焊接接头质量缺陷。,工艺性质1冷弯,45,2010,第八章 金属材料,焊接是钢结构的主要连接形式之一。 可焊性：在一定焊接工艺条件下，在焊缝及附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后的力学性能，特别是强度不得低于原钢材的性质。 主要受化学元素及其含量的影响,工艺性质2可焊性,含碳量高将增加焊接的硬脆性，含碳量小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性。 加入合金元素如硅、锰、钒、钛等，也将增大焊接的硬脆性，降低可焊性。 硫能使焊接产生热裂纹及硬脆性。,46,2010,第八章 金属材料,冷加工：钢材在常温下进行的机械加工
