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1、Chapter 8 建 筑 金 属 材 料,1,2,3,本章主要内容,8.1 钢材的分类 8.2 建筑钢材的主要技术性质 8.3 钢材的组成结构及对性能的影响(课本8.3 4) 8.4 钢材的强化与加工 8.5 工程中常用金属材料的性质及应用 8.6 钢材的腐蚀与防护,4,本章(8 )要求,掌握钢材的力学性能:意义、测定方法及影响因素; 熟悉钢材的强化机理及方法; 掌握常用钢材的分类及选用原则; 熟悉钢材防止腐蚀的方法; 了解钢材的微观结构及其与性能的关系; 了解铝合金的应用。,5,(1) 什么是建筑钢材? 钢材是指以铁为主要元素,含碳量为0.02%2.06%,并含有其他元素的合金材料,经过冷
2、、热加工而得到的各种定型产品。 建筑钢材是指用于钢结构的各种型材(如圆钢、角钢、工字钢等)、钢管、钢板和用于钢筋混凝土的各种钢筋、钢丝等。,8.1.1 概述,8.1 钢材的分类,6,8.1.1 概述,(2) 建筑钢材的特点: 强度高; 韧性、塑性好; 抗冲击,能承受较大塑性变形,便于冷加工; 质量均匀,性能可靠; 易锈蚀,高温时易丧失强度。,8.1 钢材的分类,7,8.1 钢材的分类,8.1.1 概述,(3) 建筑钢材的用途: 建筑工程中作为结构材料,即: 型材作钢结构;安全性强、质量轻,适于大跨度及多、高层结构; 钢筋作钢筋混凝土结构。强度高、耐久性好、适用范围广。,8,1. 按化学成分分类
3、: 钢(C0.6%) 合金钢 低合金钢(合金10%) 铁(C2.06%):炼钢生铁;铸造生铁(可锻、球墨及合金铸铁)。,8.1 钢材的分类,8.1.2 钢材分类,9,2.按冶炼时钢液的脱氧程度分类: ()沸腾钢:脱氧不充分的钢。当钢液注入锭模冷却时会有大量气体(CO/CO2)逸出,钢液呈沸腾状,代号F。其冲击韧性和可焊性差,但成品率高,成本较低。 ()镇静钢:炼钢时脱氧充分的钢。钢液注入锭模时没有气泡产生,钢液平静地冷却凝固,代号Z。 ()半镇静钢:脱氧程度和性能介于沸腾钢和镇静钢之间,代号b 。 ()特殊镇静钢:脱氧程度比镇静钢更充分钢,代号TZ。质量最好,适用于特别重要的结构工程,8.1.
4、2 钢材分类,10,3.按品质(有害杂质含量)分类: ()普通钢:S0.050%;P 0.045%。 ()优质钢: S0.035%;P 0.035%。 ()高级优质钢: S0.025%;P 0.025%。 ()特级优质钢: S0.015%;P 0.025%。,8.1.2 钢材分类,11,4.按主要性能及使用特性分类 ()结构钢; ()工具钢:刀具、模具等各种工具; ()特殊性能钢; ()专门用途钢:桥梁、铁道、船舶、压力容器等用钢。,8.1.2 钢材分类,12,5.按其加工工艺分类 ()压钢:热轧、冷轧、冷拔等工艺加工所得的各种钢材。 ()锻钢:经锤打或锻压成型的钢材(可改善钢材组织结构)。
5、()铸钢:用钢液直接浇铸成型的钢,其化学成分可调节。(须进行热处理,以消除内应力)。,8.1.2 钢材分类,建筑工程中所用的主要是: 属于碳素结构钢的低碳钢; 属于合金钢的低合金结构钢。,Back,13,8.2 建筑钢材的主要技术性能,力学性能,强度、弹性、塑性及耐疲劳性等,工艺性能,冷弯性能和可焊性等,8.2.1 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性能。 技术指标:屈服点、抗拉强度和伸长率,由拉伸试验测定。,14,8.2.1 抗拉性能,弹性阶段,屈服阶段:,强化阶段,颈缩阶段,弹性阶段:应力-应变呈直线,应力/应变为常数,称弹性模量E,屈服阶段:应变的增长比应力快,弹性变形+塑性变形,
6、应力达B1后,塑性变形急剧增加。,强化阶段:屈服到一定程度后,抵抗外力的能力重新提高,最高点的应力称抗拉强度b,颈缩阶段:试件薄弱处的断面显著减小,塑性变形急剧增加,产生“颈缩”现象而断裂。,15,8.2.1 抗拉性能,屈服阶段:屈服强度s 强化阶段:抗拉强度b(低碳钢为375-500MPa),强屈比(抗拉强度与屈服强度之比)越大,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大,故结构的安全性越高。但强屈比太大,则钢材不能有效地被利用。强屈比1.2(抗震结构1.25),16,8.2.1 抗拉性能,塑性指标: 伸长率:标距部分的伸长值(L1-L0)占原始标距L0 (5d0或10d0)的百分率称为伸长率,5
7、/ 10,100/200 断面收缩率:(A0-A1)/A0,试件颈缩现象示意图,17,8.2.2 硬度,钢材的硬度是指其抵抗外物压入其表面的能力。常用压痕的深度或压痕单位面积上所受压力来表示。 常用的测定硬度方法有布氏法和洛氏法。,1. 布氏法的测定原理:用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球,在规定的试验压力F(N)作用下,将其压入试件表面。经规定的持续时间后(钢材1015s),卸除荷载,则得到直径为d(mm) 的压痕(下图)。试验压力除以压痕球形表面积所得的值,即为试件的布氏硬度值,以HB*表示(HBS/HBW),不带单位N/mm2 。,18,8.2.2 硬度,2. 洛氏法 其测定原理与布
8、氏法相似,但系根据压头压入试件的深度来计算并表示硬度值。,洛氏法压痕很小,可以测量较薄材料和较硬材料的硬度,常用于判定工件的热处理效果。,洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种,它们的测量和应用的范围也各不同。一般生产中HRC用得最多。,19,8.2.2 硬度,3. 硬度的其它表示方法 根据测试方法的不同,硬度有多种表示方法: 静压法(如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等); 划痕法(如莫氏硬度); 回跳法(如肖氏硬度); 显微硬度 高温硬度等。,20,3. 硬度的其它表示方法 (1)莫氏硬度(划痕法),19世纪,德国矿物学家莫斯,矿物学或宝石学,也用于其他固体物料的硬度 划痕法:用棱锥
9、形金刚钻针在所测物体的表面刻划而发生划痕。依据划痕的深度分十个等级来表示物体的硬度: 滑石(talc)1(硬度最小), 石膏(gypsum)2, 方解石(calcite)3, 萤石(fluorite)4, 磷灰石(apatite)5, 正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6, 石英(quartz)7, 黄玉(topaz)8, 刚玉(corundum)9, 金刚石(diamond)10。 硬度值并非绝对硬度值,而是按等级代码值表示硬度的顺序。,21,8.2.2 硬度,3. 硬度的其它表示方法,(2)肖氏硬度(回跳法)将规定形状的金刚石冲头从固定的高度落在试样的表面
10、上,冲弹起一定高度,以两高度的比值,经计算得到试样的肖氏硬度值 。,(3)显微硬度也是硬度表示方法之一,多用于硬质合金和硬质化合物,显微硬度1800kg/mm2相当于莫氏硬度10(金刚石)。,(4)高温硬度,22,8.2.3 冲击韧性,钢材的冲击韧性:处在简支梁状态的试样在冲击负荷作用下折断时的冲击功。 (1)冲击韧性指标由夏比(V形缺口)冲击试验确定。,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(上图)。当试验机的重摆从一定高度自由落下时,于切槽处将其打断,试件吸收的能量等于重摆所作的功W,若试件在缺口处的最小截面面积为A,则钢材的冲击韧性指标ak=W/A (单位J/cm2)。
11、ak值愈大,冲击韧性愈好。,23,8.2.3 冲击韧性,钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态、以及冶炼、加工都有关系,内在缺陷及环境温度也会影响钢材的冲击韧性。,脆性临界温度数值愈低,说明钢材的低温冲击性能愈好。,(2)冲击韧性随温度的降低而下降,其规律是:开始下降缓和,当达到一定温度范围时,突然下降很多而呈脆性,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。,在负温下使用的结构,应当选用脆性临界温度低于使用温度的钢材。,24,8.2.4 耐疲劳性,(1)钢材的疲劳破坏:承受交变荷载的反复作用时,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。,(2)危害:疲劳破坏在低
12、应力作用下突然发生,危害极大。一般是由拉应力引起的: 局部细小裂纹(交变荷载作用下) 裂纹逐渐扩大(裂纹尖端应力集中) 直至突然发生瞬时疲劳断裂。,25,(4)影响因素:钢材的疲劳强度与以下因素有关: 组织结构 表面状态 合金成分 夹杂物 应力集中等 一般地,钢材的抗拉强度高,其疲劳极限也较高。,(3)钢材的疲劳强度极限:钢材在承受无穷次(2106)交变荷载作用下而不致引起断裂的最大循环应力值。,8.2.4 耐疲劳性,26,8.2.5 工艺性能,(1)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,以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示。,钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为 a 的试
13、件,采用规定的弯心直径 d(d = na , n为整数),弯曲到规定的角度时( 180或 90),检查弯曲处有无裂纹、断层及起层等现象。若没有,则认为冷弯性能合格。,伸长率:钢材在均匀变形下的塑性 冷弯性能:处于不利变形条件下的塑性,可揭示钢材内部组织是否均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。,27,8.2.5 工艺性能,(2)焊接性能,指钢材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质(特别是强度)与母材性质的一致程度。,影响钢材可焊性的主要因素是化学成分随含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高,钢材的可焊性降低: 如硫易产生热脆性,使焊缝处产生硬脆及热
14、裂纹; 含碳量超过0.25,可焊性显著下降等。,Back,28,8.3 钢材的组成结构及对性能的影响,钢材是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的,这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。 原子在晶粒中排列的规律不同,可以形成不同的晶格,铁和碳两种元素以不同的形态存在,这种形态称为晶体组织。,8.3.1 钢材的晶体结构,29,8.3.2 钢材的基本晶体组织,8.3.2.1 铁碳合金晶体中,Fe和C有以下三种结合形式:,(1)固溶体铁(Fe)中固溶着微量的碳(C): 铁素体 奥氏体,(2)化合物铁和碳结合成化合物Fe3,含C量6.67% 渗碳体,较高温度下长时间保温,会分解而析出石墨,
15、(3)机械混合物固溶体和化合物的混合物。 珠光体 莱氏体,30,8.3.2 钢材的基本晶体组织,8.3.2.2 钢的晶体组织,(1)铁素体,钢材中“铁素体”,是指碳溶解在Fe中的间隙固溶体,其溶碳能力很小,常温下仅能溶解0.0008的碳,在727时最大的溶碳能力为0.02,体心立方晶格。常用符号F表示。 由于铁素体含碳量很低,其性能与纯铁相似,塑性、韧性很好,伸长率4550。强度、硬度较低,抗拉强度b250MPa,而HBS80。 铁素体不锈钢:是指在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。其含铬量11%30%,体心立方晶体。 铁素体有磁性.,31,8.3.2 钢材的基本晶体组织,(2)奥氏体,奥氏
16、体是碳溶解在-Fe中的间隙固溶体,仍保持-Fe的面心立方晶格,常用符号A表示。其溶碳能力较大,在727时溶碳为c0.77,1148时可溶碳2.11。 奥氏体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。 奥氏体塑性好,是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。 奥氏体是没有磁性的。,8.3.2.2 钢的晶体组织,32,8.3.2 钢材的基本晶体组织,(3)渗碳体,渗碳体是铁与碳形成的金属化合物,化学式为Fe3C。渗碳体的含碳量为c6.67,熔点为1227。 其晶格为复杂的正交晶格,硬度很高HBW800,塑性、韧性几乎为零,脆性很大。 在铁碳合金中有不同形态的渗碳体,其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。,8.3.2.2 钢的晶体组织,33,8.3.2 钢材的基本晶体组织,(4)珠光体,珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体,用符号P表示。含碳量为c0.77。 其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相