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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
