金属材料(正式版)综述

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1、第八章 金属材料,教学要求： 了解钢材的分类； 掌握建筑钢材的力学性质：拉伸性能，冷弯性能、冲击韧性和硬度； 掌握建筑钢材的化学成分对钢材性能的影响； 了解钢材的冷加工、热处理和焊接； 教学重点、难点： 建筑钢材的的标准及选用； 教学课时安排： 34课时,第八章 金属材料,概述： 金属材料类型： 1、黑色金属：是以铁元素为主要成分的金属及其 合金，常用的主要有钢和铁，钢 应用最广。 2、有色金属：是除黑色以外的其他金属，其中铝是一种重要的轻质结构和装饰材料。,国家体育场于2003年12月24日开工建设，2004年7月30日因设计调整而暂时停工，同年12月27日恢复施工，2008年3月完工。工程

2、总造价22.67亿元。 “鸟巢”外形结构主要是由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱。国家体育场建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。 体育场外壳采用可作为填充物的气垫膜，使屋顶达到完全防水的要求，阳光可以穿过透明的屋顶满足室内草坪的生长需要。比赛时，看台是可以通过多种方式进行变化的，可以满足不同时期不同观众量的要求，奥运期间的20000个临时座席分布在体育场的最上端，且能保证每个人都能清楚的看到整个赛场。入口、出口及人群流动通过流线区域的合理划分和设计得了完美得到的解决。,8.1 钢材的基本知识 1、钢材的定义：,钢材是一种以

3、铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素（磷P、硫S、氧O、氮N、硅Si和锰Mn)的材料； 2、钢材的优点以及缺点： 优点： （1）抗拉、抗压、抗冲击性能好； （2）可加工性能好，可切割、可焊接和铆接，装配方便； 缺点：易锈蚀；,3、建筑钢材：,建筑钢材是指建筑工程中用的各种钢材。 建筑钢材主要包括： 钢结构用各种型材（如工字钢、角钢、方钢、圆钢、扁钢等）； 板材（如钢板等）； 混凝土用各种钢筋、钢丝和钢绞线等；,3、建筑钢材的主要品种,1.型钢 简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等； 复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。,2.线材 如钢筋、钢丝等。,3、建筑钢材的主要品

4、种,3.管材 无缝钢管、焊接钢管 等。,3、建筑钢材的主要品种,4.板材 光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。,3、建筑钢材的主要品种,钢结构用各种型材示意图：,4、 钢材的分类,钢一般是由生铁在炼钢炉中熔炼而成的； 但是生铁中含有较多的碳（通常为2%4.5%）和其他的杂质； 炼钢的实质： 就是把熔融的生铁进行氧化，使含碳量降低到2%以下，并且使其他杂质降低到容许的范围；,（一）按冶炼方式分为三大类 （1）转炉钢；（2）平炉钢；（3）电炉钢；,（1）转炉钢： 以熔融的铁水为原料、由转炉的底部或侧面向转炉中吹入高压热空气（或氧气）进行冶炼而得到的钢，叫做转炉钢； 转炉钢的缺点： 吹炼时易混入空气

5、中的氮、氢等杂质，故建筑中常用的是氧气转炉钢； 熔炼时间短，杂质含量不易控制，因此质量差；,（2）平炉钢： 以固态或液态的生铁、铁矿石或废钢为原料、用煤气或重油为燃料在平炉中冶炼而得到的钢，叫做平炉钢； 平炉钢的特点： 熔炼时间长，易控制质量，因此质量好，但成本较转炉钢高；,（3）电炉钢： 用电热进行高温冶炼而得到的钢； 一般用高压电弧作为热源，故熔炼的温度高，且温度可以自由调节，清除杂质则容易得多，故电炉钢的质量最好； 电炉钢的特点： 熔炼温度可自由调节，清除杂质彻底，因此质量最好，但成本最高；,（1）沸腾钢：仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧，脱氧很不完全的钢； 名称的由来： 由于钢水中残留的 Fe

6、O与C化合生成CO气体，在浇注钢水的时候，大量的CO气体从钢水中往外冒出，引起钢水沸腾，因此叫做沸腾钢； 沸腾钢的特点： 含杂质较多，质量较差，致密性差，但成本低；,（二） 按脱氧的方式分为三大类 （1）沸腾钢；（2）镇静钢；（3）半镇静钢,脱氧的目的：去掉冶炼过程中形成的FeO,（2）镇静钢：,定义： 用必要数量的硅、锰和铝等脱氧剂进行彻底脱氧而得到的钢； 名称的由来： 由于钢水脱氧充分，在浇注钢水的时候钢水能够平静凝固，因此叫做镇静钢； 镇静钢的特点： 结构致密，成分均匀，性能稳定，是质量较好的钢种，但是产品率低，且成本较高；,（3）半镇静钢：,半镇静钢的特点： 脱氧程度以及钢的质量介于沸

7、腾钢和半镇静钢之间；,（三）按化学成分分为两大类： （1）碳素钢；（2）合金钢,（1）碳素钢： 指含碳量小于2%的钢，一般又分为以下三种： 低碳钢：含碳量小于0.25%的碳素钢； 中碳钢：含碳量在0.25%0.6%之间； 高碳钢：含碳量在0.6%2%之间；,（2）合金钢：,为改善钢的某些性质而特意加入的一定量的一种或几种合金元素；如硅、锰和镍等； 合金钢分为三类： 低合金钢：合金元素总量小于5%的钢； 中合金钢：合金元素总量在5%10%之间的钢； 高合金钢：合金元素总量大于10%的钢；,（四） 按主要质量等级分为三大类： （1）普通质量钢；（2）优质钢；（3）高级优质钢；,（五） 钢材按用途分

8、为三大类： （1）结构钢：建筑结构工程中最常用的钢种是碳素结构钢和低合金高强度结构钢； （2）工具钢：用于各种切削工具的钢； （3）特种钢：具有特殊性能的钢，如耐酸钢、耐热钢、不锈钢等；,（六）建筑钢材按用途分为两大类：,总结：建筑结构工程中最常用的钢种 是碳素结构钢和低合金高强度结构钢；,（1）钢结构用钢； （2）混凝土结构用钢；,5、 化学组成及对钢材性质的影响,一般钢：碳、磷、硫、氧、氮等； 合金钢：为改善钢材的某些性质，特意加入的元素，如锰、硅、钒、钛等。 1） 磷-使钢材的拉伸强度提高，塑性和韧性下降，能显著增加钢材的冷脆性，降低钢材的可焊性；,2） 硫-能使钢材产生热脆性，降低钢材

9、的热加工与可焊性；,3 ）氧、氮-降低钢材的力学性质，严重影响了钢材的韧性，并能促进时效，降低钢材的可焊性； 4 ）锰、硅-为脱氧而有意加入的元素，能显著提高钢材的强度，对塑性与韧性的影响不是很大。,5） 碳对钢材的力学性质的影响,总结：碳对钢材的力学性质的影响：,碳是钢材中最重要的元素，对钢材的性质起决定性的影响，钢材中含碳量一般是2%以下。 随着含碳量的增加，钢材的性能变化为： 钢材的强度相应的先增加后减小； 硬度相应增加； 而塑性与韧性相应下降； 钢材的冷弯性能、焊接与抗腐蚀性能降低,&8.2 钢材的主要技术性质 钢材的性质包括强度、弹性、塑性和韧性。,标准试件,按照一定的要求，对表面进

10、行车削加工后的试件。,非标准试件,不经过加工，直接在线材上切取的试件。,（一）、拉伸性能,1、低碳钢的拉伸性能,钢筋的拉伸实验：,0,钢材拉伸过程的-图,OA弹性阶段,AB弹塑性阶段,BC屈服阶段,CD变形强化阶段,以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度。,（1）拉伸试验过程,DE颈缩阶段,0,钢材拉伸弹性阶段示意图,A,0,p弹性极限，MPa。,0,钢材拉伸屈服阶段示意图,A,0,放大后,su 上屈服点。 sl 下屈服点 以下屈服点作为材料的屈服强度标准值。,0,钢材拉伸强化阶段示意图,b 抗拉强度或强度极限。,0,钢材拉伸颈缩阶段示意图,DE颈缩阶段,低碳钢受拉到拉断，共经历了五个阶段：,弹性

11、阶段（I）：OA段是一条直线，应力与应变成正比， A 为弹性极限强度； 弹塑性变形阶段（ II ）：AB段，应力与应变不再成正比 屈服阶段（）：BC段，钢材失去了弹性变形的能力，应力增加不大，但应变迅速增加，发生了屈服现象。 强化阶段（）：CD段，钢材内部组织发生了变化，提高了抵抗外力的能力。 颈缩阶段（）：DE段，变形迅速发展，应力下降，到D点发生试件的破坏。,（2）拉伸过程的参数,强度指标 屈服强度： 抗拉强度：,屈强比,屈服强度和抗拉强度之比。 屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。 屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，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

12、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0.600.75。 Q225钢材的屈服比为0.580.63 普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。,2、中碳钢和硬钢的屈服强度,中碳钢与高碳钢（硬钢）的拉伸曲线与低碳钢不同，屈服现象不明显，难以测定屈服点，则规定产生残余变形为原标距长度的0.2时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用 表示。,条件屈服点0.2 ：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。,0,oa总变形。 ba弹性变形99.8%。 ob塑性变形0.2%。,2、中碳钢和硬钢的屈服强度,（二）、钢筋塑性的表示指标,1、伸长率：试件拉断后，标距长

13、度的增量与原标距长度之比 ；,2、断面收缩率：是指断面口处的面积收缩量与原面积之比；,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。 钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。如下页图所示 钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。,3、冷弯性能：,图8.5 钢材冷弯,(a)试样安装；(b)弯曲90；(c)弯曲180；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心,钢材冷弯试验,4冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。是以试样缺口处单位横截

14、面所吸收的功（J/cm2）来表示，即冲击韧性值，其符号为k。,冲击韧性的金属夏比试验,冲击韧性值K：冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面面积所得的商。单位为焦耳/厘米2（J/cm2）。即 K= AK/A 式中 A试样缺口处的截面积，cm2。 AK冲击吸收功，具有一定形状和尺寸的金属试样，在冲击负荷作用下折断时所吸收的功。单位为焦耳（J）。 AK（或K）值越大，表示冲断时所吸收的功愈多，钢材的冲击韧性愈好。,冲击韧性还随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度。它的数值愈低，钢材耐低温冲击性能愈好。 由于脆性临

15、界温度的测定工作较复杂，规范中通常规定20 或40 的负温冲击值作为指标。,4耐疲劳性 钢材在交变荷载反复多次作用下，可以在远低于抗拉强度的情况下突然破坏。这种破坏称为疲劳破坏。 一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应力定义为疲劳强度或疲劳极限。 5硬度 钢材硬度系指比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的性能。测定硬度的方法很多，按压头和压力不同有布氏法和洛氏法。常用的是布氏法，其硬度指标为布氏硬度值。,布氏硬度试验原理图,例1 为什么说屈服点（s）、抗拉强度（b）和伸长率（）是建筑工程用钢的重要技术性能指标？ 解: 屈服点（s）是结构设计时取值的依据，表示钢材在正常工作时承受应力不超过s

16、值； 屈服点与抗拉强度的比值（sb）称为屈强比。它反映钢材的利用率和使用中安全可靠程度； 伸长率（）:表示钢材的塑性变形能力。 钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处应力超过s时，随着发生塑性变形使应力重分布，而避免结构物的破坏。,分析讨论： 首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；且其焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。 建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。,8.3 钢材的冷加工、时效、热处理 和焊接,一般建筑用钢筋常利用冷加工、时效作用来提高钢筋的强度。 冷加工：指的是钢材在常温下进行的加工，常见的有冷拔、冷拉、冷轧，冷扭、刻痕等；,