1第2章 建筑金属材料 2金属材料黑色金属：铁、钢材等有色金属：铝、铜及其合金等3第2章 建筑金属材料 2.1 钢材的分类 2.2 建筑钢材的主要技术性能2.3 钢材的化学成分与晶体组织2.4 钢材的强化与加工2.5 钢材的锈蚀与防护2.6 土木工程常用金属材料的性质及应用 ★★★★4钢材的化学成分： 不可避免的元素：Si、Mn、P、S、N…专门加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素铁：主要元素碳：0.02%～2.06% 其他元素：2.1 钢材的分类51.按化学成分分类低碳钢： 0.6% （1）碳素钢 （碳钢） （2）合金钢 ——专门加入一定量的合金元素按合金元素总含量分： 低合金钢： 10% 按含碳量分：62.按杂质含量（品质）分类普通钢： ≤0.050%，≤0.045%优质钢： ≤0.035%，≤0.035%高级优质钢：≤0.025%，≤0.025%，牌号后加“高”或“A”特级优质钢：≤0.015%，≤0.015%，牌号后加“E” 含硫量 含磷量高低73.按冶炼时脱氧程度分 沸腾钢：脱氧不充分，代号“F”半镇静钢：介于F与Z之间，代号“b”镇静钢：脱氧充分，代号“Z”特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ” 4.按用途分类结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性质（不锈钢、耐热钢、耐酸钢、） 密致度高低82.2 建筑钢材的主要技术性能力学性质：强度、弹性、塑性、韧性、硬度、耐疲劳性工艺性质（可加工性）：冷弯性能、可焊性 ★92.2.1 力学性能1.抗拉性能——是建筑钢钢材最重要的力学性能。
★10拉伸过程分四个阶段：OA：弹性阶段AB：屈服阶段BC：强化阶段CD：颈缩阶段11拉伸性能指标：屈服点、抗拉强度、伸长率、断面收缩率Fs —屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力),N；Ao —钢材的原始截面积，mm2 （1）屈服强度（屈服点）上屈服点（B上）：试样首次屈服前的最大应力； 下屈服点（B下）：不计初始瞬时效应的最小应力，即屈服点12有些钢材无明显屈服点（合金钢、高碳钢等硬钢），应采用产生残余变形为0.2%原标距长度时的应力作为屈服点（称条件屈服点）注 意硬钢应力-应变图记为σ0.2或σP0.213（2）抗拉强度：钢材所能承受的最大拉应力Fb——最大拉力，N试验时，一般以钢材出现颈缩为准强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25可靠性参数 值得注意：强屈比的概念值越大,可靠性越高,安全性越高,但利用率降低，浪费增大14（3）伸长率：塑性指标意义： 值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强 值有两种：5——表示L0=5d0 d0——钢材直径10——L0=10d0Lo——试件原始标距长度，mm ；L1——试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。
15（4）断面收缩率：塑性指标 A1——试样拉断后颈缩处的截面积，mm2；A0——表示钢材的原始截面积，mm2伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力162.冲击韧性 ——指钢材抵抗冲击荷载的能力试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验冲击韧性试验原理图指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作αk,J/cm2αk值愈大，钢材的冲击韧性愈好 韧性与试验温度有关173. 耐疲劳性疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象一般由拉应力引起，危害极大184. 硬 度——比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的能力试验方法：布氏硬度、洛氏硬度布氏硬度试验原理图D——球体直径，mmP——规定荷载，Nd——压痕直径，mmF——被试金属表面压痕面积，mm2布氏硬度——压痕单位球体面积上所承受的荷载大小,MPa 192.2.2 工艺性能 冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力焊接性能：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性非常重要★20（1）冷弯性能冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90°、180°）判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。
装好的试件 弯曲180° 弯曲90°21冷弯试验意义：1.能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷2.也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷22（2）焊接性能焊接方式：搭接、对接焊接要求：① 焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生裂缝及硬脆倾向② 焊接处性能与母材一致,即力学性能、工艺性能应合格，特别是强度不低于原钢材强度拉伸试验、冷弯试验)影响因素：碳、合金元素及杂质元素越多，可焊性越小232.3 钢材的化学成分与晶体组织钢是以铁为主的Fe—C合金 2.2.1 钢材的晶体组织晶体组织：Fe—C合金在一定条件下形成具有一定形态的聚合体，称为的组织在显微镜下可以观察到它们的微观形貌，称为铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体四种24表2-1 钢的基本晶体组织名 称含碳量 /%结结构特征性 能铁铁素体≤0.02碳在α-Fe 中的固溶体塑性、韧韧性好， 但强度、硬度低奥氏体0.8碳在γ-Fe 中的固溶体强度、硬度不高， 但塑性好渗碳体6.67铁铁、碳 化合物Fe3C抗拉强度低，塑性差 ，性脆硬，耐磨珠光体0.8铁铁素体和渗碳体 机械混合物塑性较较好， 强度、硬度较较高25晶体结构晶粒聚集示意图体心立方晶体铁原子排列示意图体心立方晶格晶胞26晶格缺陷示意图间隙原子刃型位错空位(a) 点缺陷空位和间隙原子(b) 线缺陷刃型位错(c) 面缺陷晶界面27碳：炼钢氧化过程中生成，主要以渗碳体Fe3C存在。
2.2.2 钢材的化学成分 含碳量钢的抗拉强度、硬度 塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性硅：脱氧剂，屈服强度和抗拉强度可焊性、冷加工性锰：脱氧、去硫，具有很强的脱氧、硫能力 可改善钢的热加工性，强度、硬度锰含量过高，可焊接性28有 害 元 素磷：来自炼铁原料，钢的强度和硬度硫：来自炼铁原料氧：常以FeO的形式存在最大害处：热脆性热加工性、可焊接性冲击韧性、耐疲劳性、抗腐蚀性最大害处：冷脆性低温冲击韧性、可焊接性最大害处：热脆性 强度、机械性能、韧性、可焊性29氮：来自空气，影响与碳、磷相似钛：强脱氧剂，常用合金元素钒：弱脱氧剂，常用合金元素优点：可减弱碳、氮的不利影响 钢的强度、硬度塑性、韧性、可焊性钢中加入少量合金元素Al、Ti、Nb等,改善性能优点：强度 韧性、可焊性缺点：可焊性、时效强度、韧性热脆性缺点：钛含量过高，塑性302.4 钢材的强化与加工2.4.1 冷加工——指钢材在常温下进行的加工常见的冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。
311.冷 拉冷拉是将钢筋拉至应力-应变曲线的强化阶段内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，当再度加载时，其屈服点将有所提高，塑性变形能力将有所降低钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%～25%322.冷 拔—是将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔拉拔模孔冷拔比纯拉伸作用强烈，钢筋受拉、挤压作用如：经过一次或多次的冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，屈服点可提高40%～60%，但失去软钢的塑性和韧性，而具有硬钢的特点333.冷 轧——将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋目的：提高强度、与混凝土的粘结力钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构均匀性 344. 冷轧扭对热轧圆盘条,经冷轧扁和冷扭转,制成冷轧扭钢筋冷轧厚度：越薄，塑性变形越大，抗拉强度提高得越多，伸长率降低得也越多 螺距：螺距大小将直接影响钢筋与砼的握裹力螺距小，握裹力大，冷轧扭难度加大要求：特点：冷轧扭钢筋无明显的屈服台阶35冷加工的特点：提高屈服强度，但塑性变形降低冷加工的目的：经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的具有明显的经济效益注意：冷拔钢丝屈强比较大，相应的安全储备较小。
总 结36——将经过冷拉的钢筋于常温下存放15～20d，或加热到100～200℃，并保持一段时间，这个过程称为时效处理自然时效作用: 钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，抗拉强度也有提高，塑性、韧性有所降低∵ 时效过程中应力的消减，∴ 弹性模量可基本恢复人工时效2.4.2 时效处理372.5 钢材的锈蚀与防护2.5.1 钢材的锈蚀——钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏，称为钢材的锈蚀化学锈蚀电化学锈蚀—钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀,多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物干燥环境缓慢，温湿度高，发展迅速—钢材本身组成和杂质的存在,在表面介质的作用下,各成分电极电位不同,形成微电池，铁元素失去了电子成为Fe2+进入介质溶液，与溶液中的OH-离子结合生成Fe(OH)238锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，降低钢材的性能，因而承载力降低39三个方面：从改变钢材本身的易腐蚀性、隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程1）采用耐候钢（耐大气腐蚀钢）（2）金属覆盖——电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面3）非金属覆盖——在钢材表面用非金属材料做为保护膜,如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。
4）混凝土用钢筋的防锈——提高砼密实度；钢筋砼保护层厚度；限制使用含Cl-的外加剂；钢筋涂覆环氧树脂或镀锌2.5.2 钢材的防护402.6 土木工程常用钢材2.6.1 钢结构用钢2.6.2 混凝土结构用钢412.6.1 钢结构用钢1.碳素结构钢（1）碳素结构钢的牌号表示按顺序：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、质量等级（有A、B、C、D 4级，逐级提高）和脱氧方法（F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢牌号表示时Z、TZ可省略）例如：Q235—A·F 表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢Q235—B 表示屈服点为235MPa，B级镇静钢42（2）碳素结构钢的选用1.碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，强度增大，但塑性和韧性降低2.建筑工程中主要应用Q235号钢特点：具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好,且冶炼方便,成本较低，因此，广泛用于一般钢结构其中，C、D级可用在重要的焊接结构433.Q195、Q215号钢材特点：强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等4.Q255、Q275号钢材特点：强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。
5.受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢442.优质碳素结构钢（1）牌号三部分表示：含碳量、含锰量标著、脱氧程度代号前两位数字表示平均含碳量的万分数；有“含锰量标著 ”指较高含锰量，无“含锰量标著”指普通含锰量；大部分为镇静钢如：45Mn 表示平均含碳量为0.45%，较高含锰量的镇静钢30 表示平均含碳量为0.30%，普通含锰量的镇静钢45（2）优质碳素结构钢的选用30～45号钢：用于重要结构的钢铸件、高强度螺栓45号钢：用作预应力混凝土锚具65～80号钢：用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线463.低合金高强度结构钢（1）低合金高强度钢的牌号三部分表示：屈服点字母(Q)、屈服点数值(单位MPa)、质量等级(有A、B、C、D、E 4级)低合金钢的牌号表示:含碳量、合金元素的种类及含量前两位数字表示平均含碳量的万分数；其后的元素符号表示按主次加入的合金元素；合金元素后面如未附。