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1、Construction Materials,第七章 金属材料,黑色金属 钢、生铁 金属材料 有色金属 铝、铜、锌、合金 含碳量0.06- 2的铁碳合金称为钢。 钢经轧制或加工成各种型材通称为钢材,Construction Materials,Construction Materials,7.1 建筑钢材,建筑工程中使用的各种钢材包括钢结构 的型钢和钢筋混凝土用的钢筋和钢丝等称为建 筑钢材。 建筑钢材主要用作结构材料、也可以用作连接材料、围护材料和饰面材料等。 优点：高的抗拉强度 、 易于加工成板材、型材 和线材 、 良好的焊接和铆接性能 。 缺点：易锈蚀、维护费用高 ， 耐火性差 ， 生产能
2、耗大。,Construction Materials,高频焊方型管 高频焊矩型管 外卷边槽钢 空心园管 等边槽钢 内卷边槽钢,Construction Materials,各类钢材,Construction Materials,一、 建筑钢材的主要技术性质,包括： 强度 力学性质 冲击韧性 疲劳强度 硬度 冷弯性能 工艺性能 冷加工性能 焊接 性能,Construction Materials,1、 强度,四个阶段： 弹性阶段 屈服阶段 强化阶段 颈缩阶段,Construction Materials,弹性极限，用p表示。 此阶段应力与应变成正比，其比值为常数，即弹性模量，用E表示， / =
3、E。弹性模量反映了钢材抵抗变形的能力。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。 屈服极限，用 s表示。 钢材受力达到屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据 。,Construction Materials,极限强度 用b表示。 曲线最高点所对应的应力为极限强度， 又称为抗拉强度。 应力超过b后，试件的变形开始集中于某一小段内，使该段的横截面面积显著减小，出现图所示的颈缩现象，直至点，试件被拉断。,Construction Materials,硬钢的屈服点,预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点：抗拉强度高，无明显的屈服
4、阶段，伸长率小。这类钢材由于没有明显的屈服阶段，不能测定屈服点，故常用发生残余变形0.2%时的应力作为规定的屈服极限，用 0.2表示。,Construction Materials,2、伸长率,伸长率（） 为试件被拉断后标点距离的伸长（l1-l0) 与原标点距离l0 之比的百分率,值越大，说明材料的塑性越好,Construction Materials,Construction Materials,3、冷弯性能,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形 的能力，是以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指 标表示（下图）。 钢材的冷弯试验: 是通过直径（或厚度）为a的试件，采用标准 规定的弯心直径d（d
5、= na），弯曲到规定的角度 时（180或90），检查弯曲处有无裂纹、断裂 及起层等现象。若无则认为冷弯性能合格。 钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小 则表示其冷弯性能越好。,Construction Materials,钢材的冷弯示意图,Construction Materials,冷弯检验的意义,钢材的冷弯性能和其伸长率一样，也是表示钢材在静荷载条件下的塑性。但冷弯是钢材处于不利变形条件下的塑性，而伸长率是反映钢材在均匀变形下的塑性。故冷弯试验是一种比较严格的检验。 它能揭示钢材内部组织的均匀性，以及存在内应力或夹杂物等缺陷的程度。在拉力试验中，这些缺陷常因塑性变形导致应力重分布而反映
6、不出来。 在工程实践中，冷弯试验还被用作检验钢材焊接质量的一种手段，能揭示焊件在受弯表面存在的未熔合、微裂纹和夹杂物 。,Construction Materials,4、冲击韧性,冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。 钢材的冲击韧性用冲断试样时缺口处单位面积上所消耗的功冲击功（ K ）来表示。 K越大表示钢材抗冲击的能力越强。,Construction Materials,冲击韧性试验示意图,影响冲击韧性的因素,钢材的冲击韧性对钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都比较敏感。如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。 K值还与试验温度有关
7、。某些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时， K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。 K剧烈改变的温度区间称为脆性转变温度。 承受动荷载、负温结构等需检验钢材的冷脆性。,Construction Materials,5、硬 度,硬度是金属材料抵抗硬物压入表面的能力，亦即材料表面抵抗塑性变形的能力。 强度硬度：材料的强度越高，硬度值越大。 硬度指标 布氏硬度 洛氏硬度 肖氏硬度,Construction Materials,二、 钢的分类,I 按合金含量分： 非合金钢 低碳钢（含C量0.25）， 中碳钢（含C量0.60
8、%）， 高碳钢（含C量0.60%） 合金钢 低合金钢（合金元素总量10%） 按质量分： 普通碳素钢 ， 优质碳素钢 ， 高级优质钢 按用途分： 结构钢 工具钢 特殊钢,Construction Materials,建筑钢材： 钢结构用钢材 普通碳素结构钢 低合金结构钢 钢筋混凝土用钢材 热轧钢筋 冷加工钢筋（冷拉钢筋、冷拔钢丝） 热处理钢筋 高强钢丝和钢绞线,Construction Materials,建筑工程中常用的碳素结构钢牌号为Q235。这种钢冶炼方便，成本较低，具有较高的强度和较好的塑性与韧性，可焊性也好，满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求。,碳素结构钢,Constructio
9、n Materials,低合金钢,低合金钢与碳素钢相比，具有较高的强度，综合性能好，所以在相同使用条件下，可比碳素钢节省用钢20%30%，这对减轻结构自重十分有利。 低合金钢具有良好的塑性、韧性、可焊性、耐低温性及抗腐蚀等性能，有利于延长结构使用寿命。 低合金钢特别适用于高层建筑、大柱网结构和大跨度结构。,Construction Materials,主要炼钢方法：空气转炉炼钢法 氧气转炉炼钢法 平炉炼钢法 电炉炼钢法 依据脱氧程度：沸腾钢 F、半镇静钢 b、镇静钢 Z。 依据冲击韧性划分质量等级：A、B、C、D、E 五级。,三、建筑钢材的标准,Construction Materials,常
10、见钢牌号的意义,碳素结构钢牌号： 代表屈服点字母、屈服点值、质量等级符号、脱氧方法符号4部分顺序组成。 Q235-A.F 低合金结构钢牌号： 代表屈服点字母、屈服点值、质量等级符号 Q390-B,Construction Materials,钢的化学成分对钢材性能的影响,碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随着含碳量增加，钢的抗拉强度和屈服强度上升；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性降低，焊接性也变差。 锰能提高钢材的屈服强度和抗拉强度，而又不过多地降低塑性和冲击韧性；锰能显著改善钢材的冷脆性能；锰还能消减硫和氧导致的热脆性，改善钢材的热加工性能。锰是低合金结构钢的主加元素，含量一般
11、在1%2%范围内。它可细化晶粒，提高钢材的强度。,Construction Materials,硅的含量较低（1%）时，可提高钢材的强度，对塑性和韧性影响不明显。 硫和磷是钢中十分有害的元素。硫化物所造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。硫还将降低钢材的塑性与冲击韧性。磷将使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏。磷也降低钢材的可焊性。 钛、钒、铌等低合金钢中常用的合金元素可细化晶粒，有效地提高强度。,四、钢材的冷加工和热处理,冷加工硬化 在常温下，钢材经拉、拔、轧等加工，使其产生塑性变形，而调整其性能的方法称为冷加工。 时效硬化 钢材的性能随时间变化的性能 钢材的热处理 热处
12、理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的塑性和韧性性能的一种工艺。热处理的方法有淬火、回火、退火和正火。,1、钢结构 常采用低合金结构钢轧制 的型钢、钢板和钢管来建造桥梁、 高层及大跨度钢结构建筑。 在预应力钢筋混凝土中， 二、三级钢筋即是由普通 质量低合金钢轧制的。,六、建筑钢材的应用,2、钢筋混凝土结构 分为 钢筋；直径 6-40mm 钢丝: 直径 2.5-5mm 外形 ：带人字纹或螺纹 光面,按加工过程分 热轧钢筋、冷拉钢筋、冷拔低碳钢丝、碳素钢丝、钢绞线等。 热轧钢筋 按强度等级分为四个级别。其中一级钢筋为Q235(A,B级)热轧光圆钢筋。二、三
13、和四级钢筋符合施工用钢筋的规范规定。 在图纸中的表示：,热轧钢筋的选用 二、三级钢筋属于普通质量低合金钢轧制的，适合用做非预应力钢筋和预应力钢筋；而四级钢筋是由优质合金钢轧制的，质量好、强度高，适宜做预应力钢筋；而一级钢筋宜做非预应力钢筋。 随钢筋级别提高，钢筋的机械强度提高，塑性及冷弯性能均降低。当所选钢筋强度偏低，塑性偏大时，可以通过冷拉加时效处理的方法调整其性质，并达到节约钢材的目的。,Construction Materials,七、钢、铁的腐蚀,钢、铁的腐蚀是指其表面与周围介质发生化学反应而遭到的破坏。 钢、铁材料若遭到腐蚀，将使受力面积减小，而且因局部锈坑的产生，可能造成应力集中，
14、促使结构提前破坏。 尤其是在有反复荷载作用的情况下，将产生锈蚀疲劳现象，使疲劳强度大为降低，出现脆性断裂。 在钢筋混凝土中的钢筋发生锈蚀时，由于锈蚀产物的体积增大，在混凝土内部产生膨胀应力，严重时可导致混凝土保护层开裂，降低钢筋混凝土构件的承载能力。,Construction Materials,腐蚀的原因,根据腐蚀作用的机理，钢、铁的腐蚀可有： 化学腐蚀是指钢、铁直接与周围介质发生化学反应而产生的腐蚀。这种腐蚀多数是由于氧化作用所导致的。 电化学腐蚀是指电极电位不同的金属与电解质溶液接触形成微电池，产生电流而引起的腐蚀。 钢、铁的锈蚀主要是电化学腐蚀,Construction Materia
15、ls,腐蚀的防止和减缓,1、正确地设计金属结构，防止形成电化学微电池。 2、使金属与环境隔绝。常用的方法是在金属表面涂刷保护层。油漆、搪瓷、镀锌或铬。 3、缓蚀剂 4、阴极保护。将起阳极作用的金属电极与结构连接起来，让阳极受腐蚀，而结构就得到保护。如锌和镁作为阳极可保护钢铁。,第二节 铝合金,铝属于有色轻金属，密度为 2.7 gcm3，是钢的 1/3。 铝的熔点低，为m。 特点：良好的导热性、导电性和热反射性，并易于加 工和焊接。纯铝材质软、强度低，不适于建筑工程使 用。 纯铝中加人适量的镁（Mg）、铜(Cu）、锰（Mn）、 锌（Zn）等合金元素，从而制得各种铝合金，使强度 大幅度提高。,一、
16、铝合金的分类与特性 铝合金的屈服强度与碳素钢相近，是一种轻质高强材料，有良好的抗腐蚀能力。但其弹性模量低，刚度和承受弯曲的能力较差。 1、防锈铝合金 又称防锈铝，其特点是耐腐蚀性较高，抛光性好，能长期保持光亮的表面，强度比纯铝高，塑性及焊接性能良好，但切削加工性能不良。 用于承受中等或低荷载及要求耐腐蚀卫光洁表面的构件、铝管。,2、硬铝合金 简称硬铝硬铝合金经淬火时效处理后强度高极限强度达480 MP；硬铝合金耐蚀性好，塑性较低，焊接和加工性能不及防锈铝合金因此大多用铆接接头。 生产门窗、货架、柜台的主要铝合金原料建筑上用作承重结构，是轻型结构的主要结构材料。 3、超硬铝合金 又称超硬铝，超硬铝合金经热处理后，其强度和硬度比硬铝合金更高，塑性及耐蚀性中等；切削加工性和点焊性能良好。用作承重构件和高荷载
