第2章建筑金属材料doc第2章建筑金属材料

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1、第 2 章 建筑金属材料材料综合选用 本章学习指导 本章共 6 个知识点。本章的教学目标是： 了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系； 熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方 法及影响因素； 熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法； 掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。 本章的难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。建议在学习 中需联系钢材的组成结构分析其性能，来理解其应用。还需说明的是，除钢材外，铝合金近年 迅速发展，对其在土木工程中的应用亦应有所了解。广州海珠桥的钢材 广州海珠桥已经“年逾七旬” ，但其使用的钢材预计已有

2、百年历史。2004 年，提供建造海珠桥钢材的英国企业向广州市政部门发来传真，提醒有关部门注意， 这些钢材是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸下来的，所以就其寿命计算，海珠桥使用的钢材预 计已有百年历史，已经进入疲劳期，继续使用则需进行疲劳强度的测试，并根据测试结果进行 加固等。2.1 钢的分类2.06%钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于的铁碳合金称为生铁。2.1.1 按化学成分分类2.1.2 按品质（杂质含量）分类2.1.3 按冶炼时脱氧程度分类2.1.1 按化学成分分类1. 碳素钢低碳钢：含碳量 0.602. 合金钢低合金钢：合金元素总含量 10% 建筑

3、工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合 金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。2.1.2 按品质（杂质含量）分类1普通钢：含硫量W 0.050%;含磷量W 0.045%。2优质钢：含硫量w 0.035%;含磷量w 0.035%。3. 高级优质钢：含硫量w0.025% ;含磷量w 0.025%。4. 特级优质钢：含硫量w0.015% ;含磷量w 0.025%。2.1.3 按冶炼时脱氧程度分类1. 沸腾钢炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度，其 中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾。这种钢

4、材 称为沸腾钢，其代号为“ F”其冲击韧性和可焊性较差。2. 镇静钢 炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z ”。3. 半镇静钢指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“ b”4. 特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更彻底的钢，故称为特殊镇静钢， 代号为“ TZ ”特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。2.1 钢的分类钢材的冶炼脱氧程度与性能下图为沸腾钢（图A）与镇静钢（图B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量

5、一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般建筑结构。而镇静 钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气体产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载的重要结构。此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于 特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量 较好。2.1 钢的分类某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌。首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低

6、碳钢差；其次是焊接性能较差，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。2.2 建筑钢材的力学与工艺性能2.2.1 抗拉性能2.2.2 冲击韧性2.2.3 耐疲劳性2.2.4 工艺性能2.2.1 抗拉性能在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验， 钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映钢材的主要力学特 征。从图低碳钢的应力 -应变关系中可看出，低碳钢从受拉到被拉断，经历了四个阶段：弹性阶 段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。

7、每个阶段的特点详见动画演示。2.2.1 抗拉性能2.2.2 冲击韧性钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功。钢材的 冲击韧性试验是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，在试样中间 开 V 形缺口。2.2.3 耐疲劳性,称为受交变荷载反复作用，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 疲劳破坏。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，随后由于 微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状 态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。2.2.4 工艺性能1

8、. 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a和弯心直径d为指标表示，如下图所示。2. 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，特别是强度应不低于原有钢材的强度。2.2 建筑钢材的力学与工艺性能(1) 两种钢材的选用(2) 两种钢材低温冲击韧性的比较(3) 疲劳断裂的特征与原因(4) 钢材的冷弯性能与其内部组织的关系2.2.1 抗拉性能(1) 两种钢材的选用请观察下图中i、n两种低碳钢的应力一应变曲线的差异。讨论下述问题： 若对于变形要求严格的构件，i、n两种低碳钢选用何种更合适？ 使

9、用i、n两种钢材，哪一个安全性较高？ (1)两种钢材的选用从i、n两条曲线比较可知，低碳钢n的弹性模量 E小于低碳钢I,也就是说，低碳钢n的抗 变形能力不如低碳钢I。对于变形要求严格的构件选用低碳钢I更为合适。(1) 两种钢材的选用I、n两种低碳钢的屈服强度6 s相近，但低碳钢I的抗拉强度 6 b高于n。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，即 6 s/6 b。屈强比越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的 安全性越高。当然,屈强比过小时,表示钢材强度的利用率偏低,也不合理。有时也使用强屈 比(6 b/ 6 s)来评价钢材的可靠性。钢材I的屈强比较低，故其安全性高于钢材n。Q235钢材的屈

10、强比为0.580.63，普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。(2) 两种钢材低温冲击韧性的比较2.2.2 冲击韧性请观察下图中I、 n两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？(2)两种钢材低温冲击韧性的比较 温度对冲击韧性有重大影响,当温度降至一定程度时,冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性, 此现象称为冷脆性。曲线中棕色段代表脆性断裂,蓝色段代表脆性转变范围,黑色段代表韧性 断裂。从上图中可知，低合金钢I的脆性转变温度低于n,即说明钢材的低温冲击韧性较好。 东北地区冬季气温低，主要考虑低温冲击韧性问题，选用I更有利。影响钢材的冲击韧性还有许多因素,例如,钢中磷、硫含量较高,存在

11、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。请观察下图中疲劳断裂的宏观断口特征, 并分析讨论疲劳断裂的特征和原因。疲劳断裂的特征与原因2.2.3 耐疲劳性 A ：疲劳源区；B :扩展区；C :终断区疲劳断裂的宏观断口 疲劳裂纹起源于键槽左边底部的拐角处，无裂纹构件疲劳的宏观断口可分为三个区:疲劳源区(A区)；扩展区(B区):终断区(C区)。引起钢材疲劳破坏的原因很多，主要是由于拉应力引起较大的拉应变，先在某局部形成细 小裂纹，然后因受剪切应力而扩展。故钢材的抗拉强度高，疲劳极限也高。钢材表面的加工印 痕、焊接接头的卷边和表面微小腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。零件或构件

12、的几何形状 和大小，对疲劳极限有不小的影响，有缺口、尖角的零件与无缺口、锐角的零件相比，疲劳行 为有很大差别；构件尺寸越大，则疲劳强度越低。由于疲劳设计中存在着大量不确定因素，因 而选用材料的安全系数 K较高(钢材的K 2)，而且在零件实际使用前必须进行模拟试验校核。疲劳断裂的特征与原因 钢材的冷弯性能与其内部组织的关系A、B两种钢材,A钢材S 5及3 10均略大于B钢材。但从下图可知，A钢材的冷弯性能却不如 B 钢材。请分析原因及 A 与 B 两种钢材内部组织的差异。224工艺性能 钢材的冷弯性能与其内部组织的关系 伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。而冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑

13、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。而这些缺陷在拉伸试验中常因 塑性变形导致应力重分布而得不到反映。2.2 建筑钢材的力学与工艺性能(1) 广东某展览厅网架倒塌(2) 钢贮罐脆性断裂(3) 北海油田平台倾覆(4) 某运输廊倒塌分析(1) 广东某展览厅网架倒塌抗拉性能广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋 16 层的酒店，总建筑面积 42 000 m2 。 1989 年 建成投入使用。 1992 年曾降大暴雨，其中 4 号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强度螺栓 被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥 头焊缝拉开。另外

14、，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。 由于 4 号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨 水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。 所受拉力超过高强度螺栓的极限承载力而被拉断，高强度螺栓安全度低于杆件安全度，其安 全度不足。抗拉性能钢贮罐脆性断裂冲击韧性1989年1月22日，内蒙古某糖厂一个直径为20 m,高为15.76 m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐内糖蜜贮量为4027 t，不仅未达到设计贮量，还低于试用期间曾达到的 4559 t 水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈

15、服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的 原因。韧性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部 第 1、2 层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。对钢材材质进行复验， 发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏 低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低 而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力 的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应 力和温差应力的作用下，裂纹会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达 到临界值而突然断裂。冲击韧性北海油田平台倾覆耐疲劳性1980 年 3 月 27 日，北海爱科菲斯科油田的 A.L. 基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次振动， 紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于