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1、（第七章 建筑金属材料）,主讲人：陈德鹏,教学目标 掌握：钢材主要技术性能、土木工程用钢材的技术标准、防锈处理。 熟悉：钢材的分类，加工处理。 了解：钢材的冶炼，其他建筑金属的性能和应用。 教学重点 钢材主要技术性能 钢材的冷加工和热处理 土木工程用钢材的技术标准,本章主要教学内容与要求,建筑金属材料,“鸟巢”的钢结构造型,建筑金属材料概述 钢材的冶炼及分类 钢材的主要技术性能 钢材组织和成分对性能的影响 钢材的冷加工与热处理 钢材的技术标准及选用 钢材的锈蚀与防护 其他建筑金属材料,建筑金属材料概述,金属材料是由金属元素或以金属元素为主，其他金属或非金属元素为辅构成的，并具有金属特征的工程材
2、料，包括纯金属与合金。 黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合全，如钢和生铁。 有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。 土木工程中应用的金属材料主要有建筑钢材和铝合金两种 建筑钢材是指用于工程建设的各种钢材，包括钢结构用的各种型钢（圆钢、角钢、槽钢和工字钢）、钢板，钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢绞线，除此之外，还包括用作门窗和建筑五金等的钢材。 铝合金广泛用于现代建筑装修领域中，主要用作门窗和室内外装饰装修，施工便捷，有优良的性能和独特的装饰效果。,钢材的冶炼,钢和铁的主要成分都是铁和碳，用含碳量的多少加以区分，含碳量大于2.11的为生铁，小于2.11的为钢。
3、钢由生铁冶炼而成。生铁的性质硬而脆，塑性很差，抗拉强度很低 。通过冶炼将生铁中的含碳量降至2.11以下，其他杂质含量降至一定的范围内，显著改善其技术性能。 钢的冶炼方法主要有平炉法、转炉法、电炉法以及特种炼钢法，不同的冶炼方法对钢材的质量有着不同的影响。,按照钢的化学成分，可将钢材分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢：钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为碳时； 合金钢：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。 (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分： 低合
4、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之间； 高合金钢：合金元素总含量大于10。,钢材的分类按化学成分,普通碳素钢按钢中所含硫、磷量来分来： 普通碳素钢：硫含量0.055，磷含量0.045 优质碳素钢：硫含量0.040，磷含量0.040 高级优质碳素钢。硫含量0.030，磷含量0.035 合金钢按冶金质量分类： 普通合金钢：硫含量0.05，磷含量0.045 优质合金钢：硫含量0.030，磷含量0.035 高级优质合金钢：硫含量0.020，磷含量0.030 特级优质合金钢：硫含量0.015，磷含量0.025,钢材的分类按质量、用途,根据钢的用途，可分为结构钢、工具钢和特殊
5、钢： 结构钢：用作工程结构构件及机械零件，土木工程中常用 工具钢：用过各种量具、刀具及模具的钢 特殊钢：有特殊物理、化学及机械性能，如不锈钢、耐热钢等,根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢、特殊镇静钢等四种： 沸腾钢：炼钢时加入锰铁进行脱氧，脱氧很不完全，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，杂质多，质量较差，但其生产成本低、产量高，可广泛用于一般的建筑工程。 镇静钢：炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧充分，这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，基本无气泡产生，故称镇静钢，代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密、成分均匀、性能稳定，故质量好
6、。适用于预应力混凝土等重要结构工程。 半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，代号为“b”。 特殊镇静钢：脱氧完全彻底的钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢钢材的质量最好，用于特别重要的工程结构。,钢材的分类按脱氧程度,建筑钢材的主要技术性能,力学性能 抗拉性能 冲击韧性 耐疲劳 硬度 工艺性能 冷弯性能 焊接性能 钢材的性能是合理选用的钢材的基本依据。,抗拉性能,抗拉性能是土木工程用钢材最主要的技术性能。 通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。,弹性阶段：OA段，弹性极限(Re) 应力-应变呈正线性关系，其比值为弹性模量。 屈服阶段：AB段
7、，应力超过Re后，开始产生塑性变形；下屈服点(B下)，屈服强度（ ReL ）。 强化阶段：BC段，钢材抵抗外力的能力重新提高，抗拉极限(Rm ) 颈缩阶段：CD段，拉断前薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩”,低碳钢受拉时应力-应变图,中碳钢与高碳，规定产生残余变形为原标距长度0.2时的应力值作为屈服强度，称条件屈服点，用 Rp0.2表示,屈强比,屈强比指的是屈服强度和抗拉强度之比；亦有强屈比概念 屈强比能反映钢材的利用率和可靠性。 屈强比越小，其结构的安全可靠性越高，不易因局部超载而造成脆性断裂而破坏； 但屈强比过小，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0.60
8、0.75。 常用碳素钢的屈服比为0.580.63。 普通的合金钢的屈强比在0.670.75。,塑性,建筑钢材应具有很好的塑性。钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。 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，其5 10。 断面收缩率(Z ) 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，钢材塑性越大。,u,冲击韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。可通过冲击试验确定。,当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件吸收的能量等于冲击摆所做的功，缺口底部处单位面积上所消耗的功，
9、即为冲击韧性指标。,钢材冲击韧性与钢材化学成分、组织状态以及冶炼、加工都有关系。钢材中磷、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。,钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压人产生局部变形的能力，常用的测试方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，土木工程用钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。 硬度值往往与其他性能有一定的相关性。如钢材的HB值与抗拉强度之间就有较好的相关关系。对于碳素钢： 当HB175时，Rm3.6HB；当HB175时，Rm3.5HB,疲劳强度,钢材在交变荷载反复作用下，可在远小于抗拉强度的情况下发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。 钢材的疲劳破坏的指标用疲劳强
10、度（或称疲劳极限）来表示，它是指试件在交变应力下，作用107周次，不发生疲劳破坏的最大应力值。 一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。,硬度,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，冷弯性能指标以试件在常温下所能承受的弯曲程（弯曲角度和弯心直径d）表示。,钢材的冷弯后，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，d/a越小，则表示冷弯性能越好。 钢材的冷弯性能不仅能反映其塑性，更有助于暴露钢材的内部组织是否均匀，是否存在内应力、微裂纹、表面未熔合及夹杂物等缺陷。,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
11、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。包括两方面： 接合性能，即在一定焊接条件下，产生焊接缺陷的敏感性； 使用性能，即在一定焊接工艺条件下，焊接接头满足使用要求的适应性。 钢材的含碳量(C)和碳当量(CE)是决定焊接性的主要因素。我国的热轧带肋钢筋的碳当量规定为CE0.55。 常用土木工程用钢材的焊接性 低碳钢碳当量CE0.25，塑性好，焊接性能优良。 低合金高强度结构钢：当CE0.4时，焊接性能良好；当CE0.4时，焊接性较差，焊前需预热，焊后应及时进行热处理，以消除应力。,钢材焊接质量检验,钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括外
12、观检查和力学试验： 外观检查：焊缝处有无裂纹、砂眼、咬肉和焊件变形等缺陷； 力学试验：进行拉伸试验或者弯曲试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。,体心立方体,钢材的组织,钢是铁碳合金晶体。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，晶体结构会随着温度或压力的改变发生同素异构转变。,铁素体 奥氏体 渗碳体 珠光体,钢的组织形式,固溶体 (Fe中固溶微量C),化合物 ( Fe和C化合物Fe3C ),机械混合物 (固溶体和化合物),钢的基本组织,面心立方体,钢的基本组织与性能,钢材的组织对性能的影响,土木工程用钢的
13、含碳量在0.8以下，基本晶体组织由铁素体和珠光体所组成，无渗碳体；强度较高，塑性、韧性较好。,（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。 （2）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。作为合金元素，含量在1.01.2时，强度提高，塑性和韧性明显下降，工艺性变差。 （3）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性
14、质改善。,钢材的化学成分对性能的影响,（）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，增大钢材的热脆性，降低各种机械性能。硫化物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。 （）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。 （）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。
15、（）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。,0.045,0.045,0.008,0.03,钢材的化学成分对性能的影响,钢材的冷加工是在常温下通过冷拉、冷拔或冷轧，使钢材产生塑性变形，得到所需形状的工艺过程。通过冷加工的钢材，可使强度提高，称为冷加工强化（冷作硬化）。 对钢材进行冷加工，是充分发挥材料效用，节约钢材的一种有效方法。钢材经过冷加工后，其屈服强度提高，塑性、韧性和弹性模量则降低。,冷加工,冷拔模及受力示意,清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS,将冷加工处理后的钢筋，在常
16、温下存放1520 d，或加热至100200 后保持一定时间（23 h），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。 常温下存放的称为自然时效，加热的方法则称为人工时效。,时效,清华大学出版社 TSINGHUA UNIVERSITY PRESS,冷加工强化机理：冷加工产生塑性变形后，晶粒滑移，晶格畸变，抵抗外力能力提高；变形后滑移面减少，塑性降低，脆性增大，弹性模量降低。 时效强化机理：滑移面缺陷处碳、氮原子富集，晶格畸变加剧，滑移、变形更难。,钢材热处理是将钢材在固态范围内按一定规则加热、保温和冷却，以改变其内部晶体组织和显微结构，或者消除钢中的内应力，从而获得需要性能的一种工艺过程。其特点是塑性降低不多，但强度提高很大，综合性能比较理想。,热处理,退火：退火炉中缓慢冷却，细化晶粒
