水电第05章建筑金属材料

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1、第05章 建筑金属材料,金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属与某些非金属元素组成的合金的总称。 金属材料一般分为两大类： 黑色金属：是以铁元素为主要成分的铁金属及其合金，钢和铁是铁碳合金。 含碳量小于2.11的铁碳合金称为钢。 含碳量大于2.11的铁碳合金称为生铁。 有色金属：是除黑色金属以外的其它金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金，其中铝合金是一种重要的轻质结构材料。,5.1 钢的生产与分类,钢材的生产可分为三个过程： 冶炼 铸锭 压力加工 其生产流程的概况如图所示。,5.1.1钢的冶炼,主要的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、菱铁矿(FeCO3)、褐铁矿（Fe2

2、O32Fe(OH)3）和黄铁矿(FeS2)。,把铁矿石、焦炭、石灰石(助熔剂)按一定比例装入高炉中，在炉内高温条件下，焦炭中的碳与矿石中的氧化铁发生化学反应，将矿石中的铁还原出来，生成的一氧化碳和二氧化碳由炉顶排出，使矿石中的铁和氧分离，此过程称为炼铁。其化学反应式如下： C+FeOFe+CO,高炉结构图,将铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其它杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可得到含碳量合乎要求的产品，即为钢，此过程称为炼钢。炼钢的过程基本上是一个氧化过程。 碳被氧化形成CO气体而逸出，硅、锰等形成氧化硅和氧化锰进入渣中除

3、去； 磷和硫在石灰的作用下，形成（CaO）4P2O5和CaS，亦进入渣中被排除。 在冶炼后期应加入脱氧剂以除去钢液中的氧，这个步骤称为“脱氧”。常用的脱氧剂有硅铁、锰铁和铝锭等。,炼钢的主要反应过程:,产生氧化剂：2Fe+O2=2FeO （氧气） 除硅，锰，碳等杂质： Si+2FeO=SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe C+FeO=CO+Fe 造渣： CaO+SiO2=CaSiO3 （生石灰）硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。 脱氧： Si+2FeO=SiO2+2Fe （脱氧剂：硅铁，锰铁）调节合金元素,1. 转炉炼钢法,转炉炼钢 根据风口位置分：底吹、顶吹、侧吹三种； 根据所鼓

4、风的不同分：空气转炉和氧气转炉； 根据炉衬材料的不同分：酸性转炉和碱性转炉。 转炉炼钢的主要原料是熔化的高温铁水及部分废钢。转炉炼钢不需要另外使用燃料。 空气转炉法只能用来炼制普通碳素钢。但其成本较低。 氧气转炉法可炼优质碳素钢和合金钢。,转炉的结构图,2.平炉炼钢法 （也叫马丁法）,根据所用耐火材料不同分为碱性平炉和酸性平炉。 平炉炼钢法是以固体或液体生铁、铁矿石或废钢作原料。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。 平炉可炼制优质碳素钢和合金钢。但由于设备投资较大，燃料热效率不高，冶炼时间较长，故其成本较高。 视频：鞍钢平改转工程,3.电炉炼钢法,电

5、炉的种类很多，分电弧炉、感应炉、电渣炉三种。电炉钢的质量最好，但成本高，主要用于冶炼优质碳素钢和特殊性能钢。 表51 三种炼钢法列表比较,5.1.2 钢的铸锭,冶炼后的钢水注入锭模，浇铸成柱状的钢锭（钢坯），这种工艺称为铸锭。 在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，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，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷最为严重。偏析现象对钢的质量有很大影响。 根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为： 沸腾钢：是脱氧不完全的钢。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析严重，再加上钢的致密程度较差，使它的冲击韧性和可焊性较差，

6、特别是低温冲击韧性的降低更为显著。但成本较低。 镇静钢：是脱氧完全的钢。是质量较好的钢种，但成本较高。 半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。 特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，质量最好。,两钢锭的纵剖面,(A)沸腾钢纵剖面图 (B)镇静钢纵剖面图,5.1.3 钢的压力加工,压力加工可分为冷加工和热加工。 热加工是将钢锭加热到塑性状态，依靠外力来改变形状的加工。常用的热加工方式有碾轧和锻造。 1.碾轧：将钢坯加热（9001250）至塑性状态，轧成所需形状的钢材。工程上常用的钢筋、工字钢、角钢及钢板等都是碾轧制成的。 2.锻造：将钢材加热至塑性状态，用锤击或静压的方法，使之加

7、工成一定形状的制品。如建筑及机械用的钢零件。 钢材经热加工后，其内部气泡由于外力的挤压而焊合，疏松组织密实，从而提高了钢的强度和质量，一般碾轧的次数越多，钢的强度提高也越大。,5.1.4 钢的分类,1.按化学成分分类 当钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为碳时，则称为碳素钢； 当钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为其他合金元素时，则称为合金钢。 (1)碳素钢根据含碳量多少，碳素钢可分为： 低碳钢：含碳量0.25以下。 中碳钢：含碳量0.250.6。 高碳钢：含碳量大于0.6。 (2)合金钢根据合金元素的含量，合金钢可分为： 低合金钢：合金元素总含量小于5； 中合金钢：合金元素总含量在510

8、之间； 高合金钢：合金元素总含量大于10。,2.按用途分类,钢材按照用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。 （1）结构钢：工程结构构件用钢、机械制造用钢。 （2）工具钢：根据化学成分不同分碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，广泛用于各种刃具、模具、量具等。 （3）特殊性能钢：具有特殊物理、化学或机械性能的钢，多为高合金钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。,3. 按质量（杂质含量）分类,根据钢材中所含有害杂质的多少工业用钢可分为： (1)普通钢：含硫量0.050；含磷量0.045。 (2)优质钢：含硫量0.035；含磷量0.035。 (3)高级优质钢：含硫量0.025；含磷量0.

9、025。 (4)特级优质钢：含硫量0.015；含磷量0.025。 在土木工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。,5.2 建筑钢材的主要技术性能,钢材的技术性质主要包括力学性能和工艺性能两个方面。 5.2.1力学性能 主要技术指标有：抗拉屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、韧性和硬度等。 1.拉伸性能,拉伸试验视频,低碳钢拉伸的应力应变曲线,图59 低碳钢拉伸的应力应变曲线,硬钢的屈服强度,规定产生残余变形为原标距长度的0.2时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用0.2表示。,屈强比,屈服强度和抗拉强度之比。 屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。 屈强比越小，

10、其结构的安全可靠程度越高，不易因局部超载而造成脆性断裂而破坏； 屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。 建筑结构钢合理的屈强比一般为0.600.75。 Q225钢材的屈服比为0.580.63 普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。,两种钢材的选用,观察图中、两种低碳钢的应力-应变曲线的差异。讨论： (1) 若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用谁者更合适。 (2) 使用、两种钢材，哪一个安全性较高。,两种低碳钢的应力-应变曲线,2.塑性,钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。 （1）伸长率 通常以5和10分另表示L05d0和L010 d0时的伸长率。对于同一种钢材，

11、其5 10。,（2）断面收缩率() 式中：0试件原始截面积； 1试件拉断后颈缩处的截面积。 伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越高，说明钢材塑性越大。,3.冲击韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性是通过夏比（V型缺口）冲击试验来测定的。将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。用摆锤打断试件，测得试件单位截面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值ak表示，单位为J/cm2。 F试件断口处的截面积； Ak冲断试件所消耗的功。,冲击韧性试验,影响钢材冲击韧性的因素,钢材的冲击韧性对钢的化学成分、内部组织状态，以及冶炼、轧制质

12、量都较敏感。 钢中磷、硫含量较高，存在偏析或非金属夹杂物，以及焊接中形成的微裂纹等，都会使冲击值显著降低。 冲击值与试验温度有关。 当达到某一温度范围时，冲击值突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。 通常根据气温条件规定20或40的负温冲击值指标。,时效,随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降，这种现象称为时效。 完成时效变化的过程可达数十年。钢材如经受冷加工变形，或使用中经受振动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。 因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。 时效敏感性愈大的钢材，经过时效以后，其冲击韧性和塑性的降低愈

13、显著，对于承受动荷载的结构物，如桥梁等，应选用时效敏感性较小的钢材。,普通低合金钢冲击韧性指标,时效冲击功，是按标准方法将样坯拉伸后制成试件经热处理，然后进行常温冲击韧性试验所得的结果。,两种钢材低温冲击韧性的比较,请观察图中、两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？,两种低合金钢冲击值-温度曲线,4.耐疲劳性,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，称为疲劳破坏。 钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2106次应力循环为基准。,钢材疲劳曲线示意图,5.硬度,测定钢材硬度的方法很多，如布氏法

14、、洛氏法和维氏法。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。 布氏硬度是用一定直径D(毫米)的硬质钢球，在规定荷裁P(牛顿)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸载，量出压痕直径d(毫米)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HB)。计算公式为： HB是以10MPa计的数字表示，如HB150，即表示HB值为1500兆帕。,布氏硬度采用的钢球直径D分为10、5、2.5毫米三种。试验时，D和P应按规定选取。一般硬度较大的钢材应选用较大的P/D2。 HB140的钢材，P/D2应采用30， HB140的钢材，P/D2则应采用10。 由于压痕附近的金属将产生塑性变形，其影响深度可达压

15、痕深度的810倍以上，所以试件厚度一般应大于压痕深度的10倍。荷载保持时间以1015s为宜。,钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。对于碳素钢： 当HB175时，b0.36HB； 当HB175时，b 0.35HB。 根据这些关系，我们可以在钢结构的原位上测出钢材的HB值，并估算出该钢材的b ，而不破坏钢结构本身。 布氏硬度测定法比较准确，用途较广，其缺点是不能测量硬度较高(当HB450时)和厚度太薄的钢材。,5.2.2 工艺性能,1.冷弯性能 钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。,钢材的冷弯,冷

16、弯性能视频,2. 焊接性能,钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。 随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。 钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低； 硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。,某运输廊倒塌,某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.230.25，含硫0.06。 事故原因： ：所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材要求，即含碳不超过0.22，含硫量不超过0.055。硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏部位。 ：断裂处焊缝低劣，以及焊接结