建筑金属材料课件_10.11.25讲解

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1、第七章 金属材料 建筑材料 基础知识 第一节 建筑钢材 一钢材的组成结构及其对性能的影响 2 钢材的基本晶体组织 3 钢材的成分对性能的影响 第七章 金属材料 基础知识 一 钢材的组成结构及其对性能的影响 1 钢材的晶体结构 2 钢材的基本晶体组织 3 钢材的成分对性能的影响 第七章 金属材料 1 钢材的晶体结构 钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁-碳 合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立 方晶格。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 体心立方晶格是原子排列在一个正六面体的中心和各个顶 点而构成的空间格子； 面心立方体晶格是原子排列在一

2、个正六面体的各个顶点和 六个面的中心而构成的空间格子。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 u其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种 结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。 u钢材的晶格并不都是完好无缺地规则排列，而是存在许多 缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度 远比理论强度小的根本原因。 u其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。 液态铁 Fe Fe Fe 体心立方 面心立方 体心立方 1390以上910 1390910以下 碳素钢从液态变成固态晶体结构时，随着温度的降 低，其晶格要发生两次转变。 2.3.2 钢材的

3、基本晶体组织 钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。Fe-C合金于一 定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组 织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像(见下 图)，故也称显微组织。主要有铁素体、渗碳体、珠 光体和奥氏体。 片状珠光体（1000倍） 针状和块状铁素体（100倍） 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 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 钢的基本晶体组织 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 名称含碳量/%结构特征性能 铁素体0.02碳在Fe 中的固溶体塑性

4、、韧性好；但 强度、硬度低 奥氏体0.8碳在Fe 中的固溶体强度、硬度不高， 但塑性好 渗碳体6.67铁和碳的化合物Fe3C抗拉强度低，塑性 差，性硬脆，耐磨 珠光体0.8铁素体和渗碳体的机械 混合物 塑性较好，强度和 硬度较高 2.3.3 钢材的成分对性能的影响 除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃 料中引入一些其他元素。钢材的成分对性能有重要 影响。这些成分可分为两类： 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 u一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要 有Si、Mn、Ti、V、Nb等； u另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要 有氧、硫、氮、磷等。 观

5、察与讨论 (1) 碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响 (2) 钢材的晶体结构与性能 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 (1) 碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响 下图是碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系。请分析 低碳钢、中碳钢和高碳钢随着含碳量的增加，其基本组织及性 能如何变化。 铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 讨论 (1) 碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响 建筑钢材的含碳量不大于0.8，即基本组织为 铁素体和珠光体。从图可见，随含碳量增加，珠光体 含量增加，而铁素体则相应减少

6、。故高碳钢的强度较 高，而塑性、韧性相应较低。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 (2) 钢材的晶体结构与性能 请观察下图，讨论钢材的实际强度与理论强度的 关系。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 讨论 (2) 钢材的晶体结构与性能 钢材晶格中，有些平面上的原子较密集，结合 力较强。而面与面之间，则由于原子间距离较大，结 合力较弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面产 生相对滑移，故建筑钢材塑性变形较大。 从上面的动画可见，钢材的晶格存在许多缺陷 ，如点缺陷、线缺陷及面缺陷，由于这些缺陷的存在 ，使晶格受力滑移时，不是理论上的

7、整个滑移面上全 部原子一起移动，只是缺陷处局部移动，故实际强度 低于理论强度。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 工程实例分析 钢结构倒塌 现象 苏联某钢铁厂仓库运输廊道为钢结构，于某日倒 塌。经检查可知：杆件发生断裂的位置在应力集中处 节点附近的整块母材上，桁架腹板和弦杆的焊接接头 均未破坏；全部断口和拉断处都很新鲜,未发黑、无 锈迹。所用钢材为苏联国家标准CT3号沸腾钢。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 原因分析 切取母材作化学成分分析可知：其碳、硫含量均超过苏联 国家标准焊接结构所用CT3号沸腾钢的碳硫含量规定。其中5

8、5 的沸腾钢中碳平均含量超过0.22的标准规定，破坏发生部 位附近含量达0.38；32的试样硫含量超过0.055 的标准 规定，在折断部位达0.1。 碳对钢的性能有重要的影响。碳含量增加，钢强度、硬度 增高，而塑性和韧性降低，且增大钢的冷脆性，降低可焊性。 而硫多数以FeS形成存在，是强度较低、较脆的夹杂物，受力易 引起应力集中，降低钢的强度及疲劳强度，且对热加工和焊接 不利，偏析亦严重。由于此钢材不宜焊接，且使用的环境温度 较低，这是导致工程质量事故的主要原因。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材一 钢材的组成结构及其对性能的影响 基础知识 二 钢材的强化与加工 1 冷加工强化 2 时效处理

9、3 热处理 第2章 建筑金属材料 1 冷加工强化 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产 生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性， 这个过程称为冷加工强化处理。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生 一定的塑性变形称之为冷拉。 钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度,屈服点可提 高20%-25%。 冷拉 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 将钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之 不仅受拉、而且受挤压以提高强度。每次冷拔 断面缩小应为10%以下，可多次冷拔,在这个过 程中，屈服强度可提高40-60%，效果好于冷拉 。

10、冷拔 F 冷拉示意图 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋， 可提高其强度与混凝土的粘结力。 冷轧 冷加工强化在土木工程中的应用: 土木工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有 明显的经济效益。 减小钢筋混凝土结构设计截面 减小混凝土中配筋数量 节约建筑材料 2 时效处理 将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520 d，或加热至100200后保持一定时间（23h） ，其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同 时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复 。这个过程称为时效处理。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 时效处

11、理方法有两种： 1、自然时效：在常温下存放1520d，适合用于低强度钢筋；2 、人工时效：加热至100200后保持一定时间（23h），适 合于高强钢筋。 观察与讨论 冷加工强化与时效处理的意义 请观察下图钢筋的应力- -应变曲线，并讨论 冷加工强化与时效处理的意义。 钢筋冷拉时效后应力-应变图的变化 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 讨论 从上图可见，将钢筋冷拉至强化阶段的K点，然 后卸荷，则产生塑性变形，若立即受拉，钢筋的应力 -应变曲线将沿OKCD发展至破坏。这时，钢筋在原 来屈服阶段不再出现屈服现象，屈服点由B点提高到K 点，但抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低，弹性模

12、 量降低。冷加工强化的原因是冷拉至K点时，塑性变 形造成滑移面内晶格歪扭，畸变加剧，阻碍了进一步 滑移，提高了抵抗变形的能力。同时，由于塑性变形 中产生的内应力，使钢材弹性模量降低。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 3 热处理 热处理是将钢材按规定的温度，进行加热、保 温和冷却处理，以改变其晶格组织，得到所需要的 性能的一种工艺。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 热处理包括淬火、回火、退火和正火。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 淬火 将钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使其基本 组织转变为奥氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使

13、 晶粒细化，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。 回火 将比较硬脆，存在内应力的钢，再加热至基本组织改 变温度以下（150650），保温后按一定制度冷却 至室温的热处理方法。回火后的钢材，内应力消除， 硬度降低，塑性和韧性得到改善。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 退火 将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或 以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内 应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到 改善。 正火 将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中 冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工

14、 退火、正火、淬火和回火有何差别？ 温度 727C 保温处理 回火 淬火 正火 退火 时间 钢材的热处理工艺 保温处理 工程实例分析 钢结构吊车梁发现裂纹 现象 某厂气轮车间吊车梁为钢结构，建成后质量检 查发现有许多裂纹。分布于上、下翼缘最多，腹板 处较少；裂纹深度经铲后，用深度计复测，大多数 的深度为12 mm，少量纹深达3 mm。此批构件钢材 杂质含量远低于国家标准规定；环境温度正常；工 程尚未使用；构件运输安装过程未被撞击；裂纹部 位远离焊接影响区。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 原因分析 经研究获悉：在生产钢材时，由于片面追求速 度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至4

15、00500就 拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢板 温度还在300以上，就送去结构加工厂下料制作， 钢板冷却至50左右时，已有裂纹。即钢锭温差过 大，导致钢材表面存在大量微裂纹，经加热轧压， 裂纹不能闭合消失；由于钢锭是多边形，故所轧制 的钢板上下两面有裂纹。而加劲板为另外采购的钢 板，故未发现裂纹。 第七章 金属材料 第一节建筑钢材二 钢材的强化与加工 基础知识 三 土木工程常用金属材料的性质及应用 1 建筑常用钢种 2 钢结构用钢 3 混凝土结构用钢 4 铝合金 第七章 金属材料 第一节建筑钢材三 土木工程常用金属材料的性质及应用 1 建筑常用钢种 第七章 金属材料 第一节建筑钢材三 土木工程常用金属材料的性质及应用 1）. 碳素结构钢 2）. 优质碳素结构钢 3）. 低合金高强度结构钢 1）. 碳素结构钢 第七章 金属材料 第一节建筑钢材三 土木工程常用金属材料的性质及应用 u碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235和Q275四个 牌号； u每个牌号又根据硫、磷等杂质含量由多到少分为A、B、C、D 四个质量等级。 （1）牌号及其表示方法： 例如：Q235-A