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1、第6章金 属 材 料,第6章金 属 材 料,6.1钢材的冶炼和分类 6.2建筑钢材的主要技术性能 6.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响 6.4钢材的冷加工、时效强化与热处理 6.5土木工程常用钢材的品种与选用 6.6土木工程常用钢材 6.7钢材的腐蚀与防护 6.8铝及铝合金 6.9铜及铜合金 ,6.1钢材的冶炼和分类,6.1.1钢材的冶炼 6.1.2钢材的分类,6.1.1钢材的冶炼,常用的钢材冶炼方法主要有以下三种 （1）氧气转炉法 （2）平炉法 （3）电炉法,6.1.2钢材的分类,1按化学成分分类 2按用途分类 3按钢材品质,1按化学成分分类,（1）碳素钢 （2）合金钢,（1）碳素钢,含
2、碳量为0.022.06的铁碳合金称为碳素钢。,（2）合金钢,合金钢是在碳素钢中加入一定量合金元素的钢。,2按用途分类,（1）结构钢 结构钢主要用于建造工程结构及制造机械零件，一般为低碳钢或中碳钢。 （2）工具钢 工具钢主要用于制造各种工具、量具及模具，一般为高碳钢。 （3）特殊用途钢 特殊用途钢是具有特殊物理、化学或力学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等，一般为合金钢。,3按钢材品质,（ 1）普通钢 （2）优质钢 （3）高级优质钢 （4）特级优质钢,4按脱氧程度分类,（1）沸腾钢（代号F） （2）镇静钢（代号Z） （3）半镇静钢（代号b） （4）特殊镇静钢（代号TZ）,6.2
3、建筑钢材的主要技术性能,6.2.1抗拉性能 6.2.2冲击韧性 6.2.3耐疲劳性 6.2.4硬度 6.2.5冷弯性能 6.2.6焊接性,6.2.1抗拉性能,1低碳钢受拉时的应力-应变曲线,1低碳钢受拉时的应力-应变曲线,（1）弹性阶段 （2）屈服阶段 （3）强化阶段 （4）颈缩阶段,1低碳钢受拉时的应力-应变曲线,1低碳钢受拉时的应力-应变曲线,6.2.2冲击韧性,6.2.2冲击韧性,（1）化学成分及轧制质量对冲击韧性的影响 （2）环境温度对冲击韧性的影响 （3）时间对冲击韧性的影响,6.2.3耐疲劳性,钢材在交变荷载（即荷载的大小、方向循环变化）的反复作用下，往往在应力远小于抗拉强度时突然
4、发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。,6.2.3耐疲劳性,6.2.3耐疲劳性,根据试验数据可以画出试件的应力幅与致损循环次数的关系曲线(见图6-7)。,6.2.4硬度,布氏法的测定原理是：利用直径为D的淬火钢球，以荷载P将其压入试件表面，经规定的持续时间（1015s）后卸除荷载，即产生直径为d的压痕（见图6-8）。,6.2.5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，是建筑钢材的重要工艺性能。,6.2.6焊接性,焊接是采用加热或加热同时加压的方法将两个金属件连接在一起。焊接后焊缝部位的性能变化程度称为焊接性。,6.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响,6.3.1钢的组织对钢材性能
5、的影响 6.3.2钢的化学成分对钢材性能的影响,6.3.1钢的组织对钢材性能的影响,1金属的晶体结构 2金属晶体结构中的缺陷 3钢的基本晶体组织 4金属强化的微观机理,1金属的晶体结构,1金属的晶体结构,2金属晶体结构中的缺陷,3钢的基本晶体组织,（1）铁素体 铁素体是碳在Fe中的固溶体。其晶格原子间空隙较小，溶碳能力很低，滑移面较多，晶格畸变小，所以受力时强度低而塑性好。抗拉强度约为250MPa，伸长率约为50%。 （2）渗碳体 渗碳体是铁和碳组成的化合物（Fe3C）。含碳量6.67%，晶体结构复杂，性质硬而脆，抗拉强度很低。 （3）珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体相间形成的层状机械混合物。,
6、4金属强化的微观机理,（1）细晶强化 （2）固溶强化 （3）弥散强化,（1）细晶强化,金属中的晶粒越细，单位体积中的晶界就越多，因而位错运动的阻力就越大。,（2）固溶强化,在某种金属中加入另一种物质（如铁中加入碳）而形成固溶体。,（3）弥散强化,在金属材料中，散入第二相质点，构成对位错运动的阻力，因而提高了屈服强度。,（4）变形强化,当金属材料受力变形时，晶体内部的缺陷密度将明显增大，导致屈服强度提高，称为变形强化。,6.3.2钢的化学成分对钢材性能的影响,钢材的化学成分除了铁和碳元素之外，还有硅、锰、钛、钒、磷、硫、氮、氧等元素。它们的含量决定了钢材的质量和性能，尤其对某些有害元素，在冶炼时
7、应通过控制和调节限制其含量，以保证钢材的质量。,6.4钢材的冷加工、时效强化与热处理,6.4.1钢材的冷加工与时效强化 6.4.2钢材的热处理 6.4.3钢材的焊接,6.4.1钢材的冷加工与时效强化,1钢材的冷加工 2钢材的时效强化,1钢材的冷加工,（1）钢材的冷加工 （2）钢材的冷加工强化,（1）钢材的冷加工,1）冷拉 2）冷拔 3）冷轧 4）冷扭 5）刻痕,1）冷拉,在常温下将热轧钢筋用拉伸设备进行张拉，使之伸长的加工方法。钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，冲击韧性降低，材质变硬。,2）冷拔,3）冷轧,在常温下将热轧钢材在冷轧机上轧制成规则断面形状的加工方法。,4）冷扭,5）刻痕,（2
8、）钢材的冷加工强化,将钢材在常温下进行加工，使其产生一定的塑性变形，从而使屈服强度提高，但塑性和韧性下降的现象称为冷加工强化（或硬化）。钢材的变形程度越大，其性能的变化也越大。,2钢材的时效强化,钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象称为时效。,6.4.2钢材的热处理,1退火 2正火 3淬火 4回火,1退火,有低温退火和完全退火等。,2正火,钢材经过加热至相变温度以上，组织变为奥氏体之后，置于空气中冷却，通过这种处理，可细化晶粒，调整碳化物大小和分布,3淬火,钢材加热到基本组织转变温度以上（一般为900以上），保温使组织完全转变，随即放入液体介质中快速冷却的热处理工艺。,4回
9、火,将钢材加热到基本组织转变温度以下（150650内选定），保温后在空气中冷却的一种热处理工艺。,6.4.3钢材的焊接,焊接是将两金属的接缝处加热熔化或加压，或两者并用，以造成金属原子间和分子间的结合，从而使之牢固地连接起来,6.5土木工程常用钢材的品种与选用,6.5.1碳素结构钢 6.5.2低合金高强度结构钢 6.5.3优质碳素结构钢 ,6.5.1碳素结构钢,1牌号及其表示方法 2力学性能、工艺性能和化学成分 3性能与选用,1牌号及其表示方法,根据GB/T 7002006碳素结构钢规定，碳素结构钢分为Q195、Q215、Q235、Q275四种牌号。,2力学性能、工艺性能和化学成分,根据GB/
10、T 7002006碳素结构钢的规定，碳素结构钢的力学性能（强度、冲击韧性等）应符合表6-1所示的规定。,3性能与选用,碳素结构钢，随着牌号的增大，其含碳量增加，强度和硬度提高，塑性、韧性和可加工性能逐步降低；脱氧程度越完全，钢的质量越好；同一牌号内质量等级越高，钢的质量越好，如Q235C、D级优于A、B级。,6.5.2低合金高强度结构钢,1牌号及其表示方法 2力学性能、工艺性能和化学成分 3特性及应用,1牌号及其表示方法,根据GB/T 15912008低合金高强度结构钢的规定，低合金高强度结构钢分为Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个牌号。,2力学
11、性能、工艺性能和化学成分,根据GB/T 15912008低合金高强度结构钢的规定，碳素结构钢的力学性能（强度、冲击韧性等）应符合表6-4和表6-5所示的规定。,3特性及应用,由于合金元素的细晶强化作用和固溶强化等作用，使低合金高强度结构钢与碳素结构相比，既具有较高的强度，同时又有良好的塑性、低温冲击韧性、焊接性和耐蚀性等特点，是一种综合性能良好的建筑钢材。,6.5.3优质碳素结构钢,优质碳素结构钢（GB/T 6991999）对硫、磷及非金属夹杂物等有害杂质含量控制严格、质量稳定，力学性能较为优良。此类钢必须同时保证化学成分和力学性能。,6.6土木工程常用钢材,6.6.1钢结构用型钢 6.6.2
12、钢筋混凝土用钢材,6.6.1钢结构用型钢,1热轧型钢 2冷弯型钢 3压型钢板 4钢管和钢板,1热轧型钢,1热轧型钢,（1）角钢 （2）L型钢 （3）工字钢 （4）槽钢 （5）H型钢 （6）T型钢,（1）角钢,角钢分等边角钢和不等边角钢两种。,（2）L型钢,L型钢的外形类似于不等边角钢，主要区别是两边的厚度不等。,（3）工字钢,普通工字钢是截面为工字形的长条钢材，其型号以腰高度的厘米数来表示，其规格以腰高度腿宽度腰宽度（单位为mm）表示，共有45种。,（4）槽钢,槽钢是截面为凹形槽的长条钢材，热轧普通槽钢的型号以腰高度的厘米数来表示，其规格以腰高度腿宽度腰厚度（单位为mm）表示，共有41种。,（
13、5）H型钢,热轧H型钢分为宽翼缘H型钢（代号为HW）、中翼缘H型钢（代号为HM），窄翼缘H型钢（代号为HN）和薄壁H型钢（代号为HT）四类；HW有10个型号，HM有10个型号，HN有26个型号，HT有19个型号。,（6）T型钢,有热轧H型钢剖分的T型钢分为宽翼缘剖分T型钢（代号为TW）、中翼缘剖分T型钢（代号为TM）和窄翼缘剖分T型钢（代号为TN）三类；TW有9个型号,2冷弯型钢,3压型钢板,4钢管和钢板,（1）钢管 （2）钢板,（1）钢管,1）结构用无缝钢管 2）焊接钢管,（2）钢板,1）建筑结构用钢板（GB/T 198792005建筑结构用钢板） 2）花纹钢板（GB/T 32771991花
14、纹钢板） 3）彩色涂层钢板（GB/T 127542006彩色涂层钢板及钢带）,6.6.2钢筋混凝土用钢材,1热轧钢筋 2冷轧带肋钢筋 3预应力混凝土用热处理钢筋 4预应力混凝土用螺纹钢筋 5预应力混凝土用钢棒 6冷拉低碳钢筋和冷拔低碳钢丝 7冷轧扭钢筋 8冷拔低碳钢丝 9焊接钢筋网,1热轧钢筋,（1）热轧光圆钢筋 （2）热轧带肋钢筋 （3）余热处理钢筋,2冷轧带肋钢筋,3预应力混凝土用热处理钢筋,预应力混凝土用热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火和回火的调质热处理而成的。钢筋表面常轧有通长的纵肋和均布的横肋，按外形分为有纵肋（公称直径有8.2mm、10mm两种）和无纵肋（公称直径有6mm、8.2
15、mm两种）。,4预应力混凝土用螺纹钢筋,5预应力混凝土用钢棒,6冷拉低碳钢筋和冷拔低碳钢丝,（1）预应力混凝土用钢丝（GB/T 52232002） （2）预应力混凝土用钢绞线,7冷轧扭钢筋,冷轧扭钢筋是用低碳钢热轧圆盘条在常温下经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭（或冷滚）一次成型具有规定截面形状和相应节距的连续螺旋状钢筋。,8冷拔低碳钢丝,冷拔低碳钢丝是用直径6.58mm低碳热轧圆盘条或热轧光圆钢筋经一次或多次冷拔制成的光圆钢筋。,9焊接钢筋网,焊接钢筋网是纵向钢筋和横向钢筋分别以一定的间距排列且互成直角、全部交叉点均焊接在一起的网片。,6.7钢材的腐蚀与防护,6.7.1钢材的腐蚀 6.7.2
16、钢筋混凝土中钢筋腐蚀 6.7.3钢材腐蚀的防止 6.7.4钢材的防火,6.7.1钢材的腐蚀,1化学腐蚀 2电化学腐蚀,1化学腐蚀,化学锈蚀是指钢材与周围介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）发生化学反应，生成疏松的氧化物而产生的腐蚀。,2电化学腐蚀,电化学锈蚀是指钢材与电解溶液接触而产生电流，形成原电池而引起的锈蚀。,6.7.2钢筋混凝土中钢筋腐蚀,普通混凝土为强碱性环境，pH为125左右，使之对埋入其中的钢筋形成碱性保护。,6.7.3钢材腐蚀的防止,1合金化 2金属覆盖 3非金属覆盖,1合金化,在碳素钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素，如铬、镍、锡、钛和铜等，制成不同的合金钢，能有效地提高钢材的抗腐蚀能力。,2金属覆盖,用耐腐蚀性能好的金属，以电镀或喷镀的方法
