《钢材与铝合金的介绍》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢材与铝合金的介绍（106页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 八 章,钢材与铝合金,本 章 内 容,1、钢材的基本知识：铁和钢的概念。钢的分类。钢的冶炼和脱氧及其对钢质量的影响。 2、钢材的主要技术性质： 力学性质 工艺性能。 3、钢材的晶体组织与化学成分及其对钢性能的影响： 4、钢材的冷加工和热处理： 钢材的加工强化和时效处理 钢材的热处理。 5、建筑钢材的技术标准及选用： 碳素结构钢 低合金结构钢 钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。 6、建筑钢材的防锈：钢的锈蚀、钢材防锈的要点,第 一 节,钢的生产、分类与晶体组织,一、钢的生产,钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素： 碳C含量2.11， 杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。 生铁：铁碳合金，
2、C含量高，约为2.116.69，并含较多杂质的。,生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量,（一）冶炼,根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：,三种主要炼钢方法的特点,炉种 原料 特 点 生产钢种,（二）脱氧与铸锭,沸腾钢： 碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F) 半镇静钢： 脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B) 镇静钢： 脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z) 特殊镇静钢： 脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ),问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的
3、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,（三） 热加工,热加工：是在再结晶温度以上进行的压力加工，常用锻造、热压、扎制等多种方式。 热加工的作用：使内部气泡焊合，酥松结构致密，晶粒细化。 热加工效果：提高钢材的强度、塑性和质量。,二、钢材的分类,问题：土木工程中常用的钢材有哪些？,答：土木工程中，使用的 主要钢种：碳素结构钢；
4、 优质碳素结构钢 低合金结构钢； 常用钢材：钢结构用型钢 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。,三、钢的晶体组织,（一）金属的晶体结构 1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格； 2、晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合，所有的价电子为自由电子； 3、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，各晶粒之间存在晶界。,金属晶体,体心立方结构,面心立方结构,密排六方结构,晶粒的细化,晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好细晶强化。,金属晶体结构与性能的关系,金属晶体中所有价电子呈自由电子在各离子间穿梭运动，使金属材料有良好的导电和导热性，较高的
5、强度和良好的塑性； 金属晶体的多晶体结构的晶界能阻碍晶体的滑移，提高了抵抗塑性变形的能力； 金属材料中晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好细晶强化。,（二）钢中的晶体组织与性能,同素异晶间的转变： 液态铁 Fe Fe Fe 体心立方 面心立方 体心立方 合金的基本概念 固溶体：一种金属溶于另一种金属中形成固体溶液 化合物：二种以上元素形成新的化合物,（二）钢中的晶体组织与性能,铁素体 碳溶于Fe中的固溶体。 Fe为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度较低。 渗碳体 铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达6.69，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高
6、。 珠光体 铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量0.77，其性质介于二者之间。 奥氏体 碳溶于Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。,铁素体的晶体组织,钢材的晶体组织,珠光体的晶体组织,铁素体和珠光体,珠光体与渗碳体,球状珠光体,（三）钢的含碳量与性能关系,亚共析钢： 碳含量位于0.020.77之间 晶体组织为铁素体和珠光体 共析钢： 碳含量在0.77 晶体组织全部为珠光体 共析钢： 碳含量在0.772.11之间 晶体组织为珠光体和渗碳体 含碳量的增加 珠光体逐渐减少，渗碳体逐渐增多 强度与硬度逐渐提高
7、，塑性与韧性逐渐降低,晶体组织含量（）,性能变化,0.02,分类,项目,工业纯铁,亚共析钢,铁素体,珠光体,渗碳体,过共析钢,含碳量,0.77,2.11,0,塑性、韧性,硬度,强度,铁碳合金的含碳量、晶体组织与性能的关系,第二节 建筑钢材的技术性能,钢材的力学性质 钢材的工艺性能,一、钢材的力学性质,钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。,拉伸,压缩,弯曲,剪切,扭转,荷载形式,（一） 钢材力学性能特点,塑 性,钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（） 在拉伸试验中, 试
8、样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 = （L1L0）/ L0 100% 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 = （F0F1）/ F0 100% 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大,n=(L1-L0)/L0100%,=(F0-F1)/F0100%,拉伸试验机与样品的安装,卸荷后,永久变形,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。,（二） 强 度,钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度，
9、钢材的强度用拉伸试验测定。强度指标根据其变形特点分下列几个： 弹性极限（e） 表示钢材保持弹性变形, 不产生塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。 屈服强度（ s） 表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。 条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。,低碳钢拉伸试验 -重要的材料性能:,钢材的拉伸试验曲线,问题：屈服现象的特征是什么？,答： 其特征是：钢材拉伸试验过程中，应力不增加而塑性变形不断增加。,问题： 钢材拉伸应力应变曲线中p和e的意义？它们与钢材中含碳量的关
10、系？,答： p和e分别表示钢材拉伸过程中的塑性变形和弹性变形，当p较小时，钢材呈脆性断裂；当p较大时，钢材呈韧性断裂。 因此，钢材的含碳量越大， p越小，钢材脆性越大；反之亦然。,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。,（三） 冲击韧性,钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，
11、称为冲击韧性，采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。 测得试样冲击吸收功,用符号 Ak（J) 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0, 即得到材料的冲击韧度 ak。 ak （J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。 随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。,冲击试验： 测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。 再测量试件断裂面积。,摆锤,试件,H0,H1,问题： 钢材的冲击韧性的影响因素？,答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下列因素影响：
12、 钢中的S、P等有害杂质含量； 成分偏析程度； 轧制与焊接质量； 钢的加工硬化与时效； 环境温度等。,（四） 硬度,钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。,洛氏硬度测量原理图,布氏硬度测量原理图,（五）疲劳强度,在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳破坏。 材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。 钢材承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受
13、无限次周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用-1 表示。,问题： 钢材的疲劳破坏过程怎样？其疲劳强度与哪些因素有关？,答：疲劳破坏过程包括再交变应力作用下，疲劳裂缝的产生扩展突然断裂。 其主要影响因素有： 内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）； 成分偏析； 过大的内应力，截面沿纵向的突变； 表面状态； 受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。,二、钢材的工艺性能,冷弯性能 可焊性 切削切工性能 锻造性能 热处理工艺性能,（一） 冷弯性能,1、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力； 2、评价指标：用不同弯曲角度和不同弯心半径d相对于
14、钢材厚度a的比值（d/a）表示； 3、试验方法：按一定的角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。,钢材的冷弯试验,（二） 可焊性,1、定义：钢材在焊接后，焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能； 2、测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。 3、影响因素： 化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）； 冶炼质量（镇静钢） 冷加工等。,合格,不合格,钢材的可焊性试验,三、加工硬化与时效对钢材性质的影响,1、冷加工处理 2、时效处理,1、冷加工处理,将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工，如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。 由于
15、冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。 冷加工硬化原理： 钢材加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，经格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。 加工硬化的效果： 屈服强度提高 塑性和韧性降低 可焊形变坏 硬脆倾向增加等。,钢材的重复拉伸,问题： 直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？,答：不能。 因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。,2、时效处理,将经过冷加工的钢筋，在常温下存放1520天，或在100120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称为时效处理。 时效硬化原理： 由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。,时效处理,钢材产生实效的难易程度称为时效敏感性，用时效敏感系数表示： C值越大，时效敏感性越大。 为了尽快取得强化效果，可将冷拉过的钢筋加热到100200
