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1、第七章第七章 建筑钢材建筑钢材掌握：建筑钢材的主要性能。 熟悉：建筑钢材的常用钢种及应用。 了解：钢筋混凝土用钢材的品种及应用。 本章教学目标第一节钢的冶炼和分类l平炉炼钢l氧气转炉炼钢l电炉炼钢 一一 钢的冶炼钢的冶炼l(1)沸腾钢l(2)镇静钢l(3)半镇静钢根据脱氧程度分为：二 钢的分类第二节建筑钢材的主要技术性能 建建筑筑钢钢材材的的技技术术性性能能力学性能力学性能工艺性能工艺性能化学性能化学性能抗拉性能抗拉性能冲击韧性冲击韧性疲劳强度疲劳强度硬硬 度度冷弯性能冷弯性能1.1.应力应力 2.2.应变应变3.3.弹性与弹性变形弹性与弹性变形4.4.塑性与塑性变形塑性与塑性变形FFALL0
2、L1建筑钢材的抗拉性能建筑钢材的抗拉性能一、钢材的拉伸性能钢材的拉伸演示过程钢材的拉伸演示过程以低碳钢为例以低碳钢为例L0F1F1F2F2F3F3d0L0=5d0或10d0L1L2低碳钢的受拉过程分为四个阶段低碳钢的受拉过程分为四个阶段建筑钢材的抗拉性能建筑钢材的抗拉性能O弹性阶段弹性阶段OAOA屈服阶段屈服阶段ABAB强化阶段强化阶段BCBC颈缩阶段CDABCD低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图建筑钢材的抗拉性能建筑钢材的抗拉性能一、弹性阶段OA 一条通过原点一条通过原点的直线，应力与应变成正比。的直线，应力与应变成正比。 弹性弹性弹性模量弹性模量 E E值的大小反映了钢材抵抗值的
3、大小反映了钢材抵抗弹性变形的能力。弹性变形的能力。 A点对应点对应的应力。的应力。OA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图 E1 E2l图形的特点：l 试件的特点：l计算的指标：ABCD弹性极限建筑钢材的抗拉性能建筑钢材的抗拉性能二、屈服阶段AB 一条波动的曲线，应力增加很小，而应变增加很大。 所能承受的拉力增加很小，而塑性变形迅速增加，似乎钢材不能承受外力 屈服强度（也叫屈服点） 点对应的应力。l图形的特点：l试件的特点：l计算的指标：OA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图ACDBB上上B下下屈服。三、强化阶段BC 一段上升的曲线。抵抗塑性变形的能力又重新提高抗拉强度 l图
4、形的特点：l试件的特点：l计算的指标：OA低碳钢受拉的应力应变图低碳钢受拉的应力应变图ACDBB上上B下下C点对应的应力。建筑钢材的抗拉性能建筑钢材的抗拉性能强化。四、颈缩阶段CD 一段下降的曲线。变形迅速发展，在有杂质或缺陷处，断面急剧缩小 ，直到断裂。伸长率： l图形的特点：l试件的特点：l计算的指标：OA ACDBB上上B下下L1L0建筑钢材的抗拉性能建筑钢材的抗拉性能l计算的指标：颈缩三个重要的指标1.屈服强度s 结构设计中钢材强度取值的依据2.抗拉强度b 钢材所能承受的最大应力 屈强比 屈强比，利用率 ，安全可靠程度3.伸长率 衡量钢材塑性的指标，越大说明钢材的塑性越好 OA ACD
5、BB上上B下下4断面收缩率L1d0L0L0=5d0或10d0A0、 An前后的截面积5与10谁大中碳钢、高碳钢的应力应变图l规定：产生残余变形为原始标距的0.2%时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，称为条件屈服强度，用0.2表示。二、冲击韧性 钢材抵抗冲击荷载的能力。 定义试件讨论与分析计算式测试方法演示ak冲击韧性。钢的化学成分;例：S、P冲击韧性冶炼及轧制质量质量冲击韧性温度温度，冲击韧性 ak影响冲击韧性的因素 三、疲劳强度 设计承受交变荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。四、钢材的硬度l硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能力。l方法：布氏法、洛氏法和维氏法，
6、常用方法是布氏法和洛氏法。定义测定方法演示讨论与分析l材料的硬度往往与材料的其它性能有一定的相关系，如：钢材的HB值与抗拉强度 之间有较好的相关关系。五、钢材的冷弯性能 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力， 试件被 弯曲角度、弯心直径与厚度的比值d/a 定义指标试验演示l弯曲角度 d/a，表示对冷弯性能要求越高。结论试验演示l钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。六 钢材的冷加工( (一一) ) 钢材的冷加工及时效钢材的冷加工及时效钢筋经冷拉时效后应力钢筋经冷拉时效后应力- -应变图的变化应变图的变化 钢筋冷拉后屈服强度可提高15%-20%，冷拔后屈服强度可提高40%-60%。时效钢材钢材随时间的
7、延长而表现出强度提高，塑性和韧随时间的延长而表现出强度提高，塑性和韧性下降的现象称为性下降的现象称为时效时效。(二) 冷加工在工程中的应用1.碳是决定钢材性能的主要元素。l随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。七钢的化学成分对钢材性能的影响2.硅、锰 l加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。 3.硫、磷 l硫使钢材的热脆性增加，磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，使钢材的冷脆性增加。 4.氧、氮l降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。
8、氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。5.铝、钛、钒、铌l是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。 第三节建筑钢材的常用钢种l普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%-2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。一一 碳素结构钢碳素结构钢( (一一) ) 碳素结构钢的牌号表示方法碳素结构钢的牌号表示方法碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧程度符号四部分按顺序组成。碳素结构钢分5个牌号，即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。按其硫、磷杂
9、质含量由多到少分为A、B、C、D 4个质量等级。举例 镇静钢和特殊镇静钢在钢的牌号中Z和TZ予以省略。如Q235-AF，表示此碳素结构钢是屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235C，表示此碳素结构钢是屈服点为235MPa的C级镇静钢。 (二二) 碳素结构钢的技术要求碳素结构钢的技术要求化学成分、力学性能、 冷弯性能碳素结构钢随着牌号的增大，其含碳量和含锰量增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。(三三) 碳素结构钢的性能和应用碳素结构钢的性能和应用土木工程中应用最广泛的碳素结构钢是土木工程中应用最广泛的碳素结构钢是Q235Q235，具有较，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及
10、可焊性，综合性能高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好。用好。用Q235Q235钢大量轧制成各种型钢、钢板及钢筋。钢大量轧制成各种型钢、钢板及钢筋。其中其中Q235-AQ235-A级钢，仅适用于承受静荷载作用的结构；级钢，仅适用于承受静荷载作用的结构；Q235-CQ235-C和和Q235-DQ235-D级钢，可用于重要的焊接结构。级钢，可用于重要的焊接结构。 Q195Q195、Q215Q215钢，强度低，塑性和韧性较好，具钢，强度低，塑性和韧性较好，具有良好的可焊性，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、有良好的可焊性，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及钢丝等，也可用作轧材用料。螺栓及钢丝等
11、，也可用作轧材用料。Q215Q215钢经冷加钢经冷加工后可代替工后可代替Q235Q235钢使用。钢使用。Q255Q255、Q275Q275钢，强度较高，但塑性、韧性和可钢，强度较高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、焊性较差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、制作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。制作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。 l低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%-30%，但成本并不很高。 二二 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢( (一一) )低合金高
12、强度结构钢的牌号表示方法低合金高强度结构钢的牌号表示方法 低合金高强度结构钢的牌号由低合金高强度结构钢的牌号由屈服点字母屈服点字母Q Q、屈服屈服点数值、质量等级点数值、质量等级（A A、B B、C C、D D、E E）三个部分组成，三个部分组成，共有共有5 5个牌号。个牌号。 Q295Q295、Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420和和Q460Q460( (二二) )低合金高强度结构钢的技术要求低合金高强度结构钢的技术要求化学成分与力学性能化学成分与力学性能( (三三) )低合金高强度结构钢的性能和应用低合金高强度结构钢的性能和应用主要用于主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋
13、，轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于特别适用于各种重型结各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。第四节钢材混凝土用钢材l热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。一一 钢筋混凝土用热轧钢筋钢筋混凝土用热轧钢筋(a)等高肋
14、钢筋；(b)月牙肋钢筋 热轧钢筋的力学性能和工艺性能热轧钢筋的力学性能和工艺性能 二二 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋l冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的36倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋l热处理钢筋经过调质热处理而成，具有强度高、韧性高、粘结力高和塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件 。三三 预应力混凝土用热处理钢筋预应力混凝土用热处理钢筋热处理钢筋的力学性质热处理钢筋的力学性质(GB 4463(GB 446
15、31984)1984) 公称直径(mm)牌号屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)伸长率(%) 不小于 640Si2Mn 1325147068.248Si2Mn 1045Si2Cr 四四 预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝l预应力混凝土用钢丝质量稳定、安全可靠、强度高、无接头、施工方便，主要用于大跨度的屋架、薄腹架、吊车梁或桥梁等大型预应力混凝土构件，还可用于轨枕、压力管道等预应力混凝土构件。螺旋肋钢丝外形示意图 三面刻痕钢丝外形示意图 五五 预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线l钢绞线具有强度高，与混凝土粘结好，断面面积大，使用根数少，在结构中排列布置方便，易于锚固等优点，主要用于大跨度
16、、大荷载的预应力屋架、薄腹梁等构件。 预应力钢绞线截面图 六、钢材的锈蚀与防止六、钢材的锈蚀与防止 1 钢材的锈蚀钢材的锈蚀 定义定义 钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学作钢材的锈蚀是指其表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到破坏。用或电化学作用而遭到破坏。害处害处 钢材锈蚀不仅使截面积减小，性能降低甚至报钢材锈蚀不仅使截面积减小，性能降低甚至报废，而且因产生锈坑，可造成应力集中，加速结构破废，而且因产生锈坑，可造成应力集中，加速结构破坏。坏。分类分类 根据锈蚀作用机理，钢材的锈蚀可分为根据锈蚀作用机理，钢材的锈蚀可分为化学锈化学锈蚀蚀和和电化学锈蚀电化学锈蚀两种。两种。 化学锈蚀化
17、学锈蚀定义定义化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。反应而产生的锈蚀。 原理原理 这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成这种锈蚀多数是氧化作用，使钢材表面形成疏松的氧化物。在常温下，钢材表面形成一薄层氧疏松的氧化物。在常温下，钢材表面形成一薄层氧化保护膜化保护膜FeOFeO，可以起一定的防止钢材锈蚀的作用，可以起一定的防止钢材锈蚀的作用，故在干燥环境中，钢材锈蚀进展缓慢。但在温度或故在干燥环境中，钢材锈蚀进展缓慢。但在温度或湿度较高的环境中，化学锈蚀进展加快。湿度较高的环境中，化学锈蚀进展加快。 返回 电化学锈蚀电化学锈蚀定义定义 电化学
18、锈蚀是指钢材与电解质溶液接触，形成微电电化学锈蚀是指钢材与电解质溶液接触，形成微电池而产生的锈蚀。池而产生的锈蚀。 原理原理 潮湿环境中钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，潮湿环境中钢材表面会被一层电解质水膜所覆盖，而钢材本身含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极而钢材本身含有铁、碳等多种成分，由于这些成分的电极电位不同，形成许多微电池。在阳极区，铁被氧化成为电位不同，形成许多微电池。在阳极区，铁被氧化成为Fe2+Fe2+离子进入水膜；在阴极区，溶于水膜中的氧被还原为离子进入水膜；在阴极区，溶于水膜中的氧被还原为OH-OH-离子。随后两者结合生成不溶于水的离子。随后两者结合生成不溶于水的FeF
19、e（OHOH）2 2，并进，并进一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈一步氧化成为疏松易剥落的红棕色铁锈FeFe（OHOH）3 3电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。 影响钢材锈蚀的主要因素有环境中的湿度、氧，介质中的酸、碱、盐，钢材的化学成分及表面状况等。一些卤素离子，特别是氯离子能破坏保护膜，促进锈蚀反应，使锈蚀迅速发展。钢材锈蚀时，伴随体积增大，最严重的可达原体积的6倍，在钢筋混凝土中会使周围的混凝土胀裂。埋入混凝土中的钢材，由于混凝土的碱性介质（新浇混凝土的pH值为12左右），在钢材表面形成碱性保护膜，阻止锈蚀继续发展，故混凝土中的钢材一般不易锈蚀。 2 锈
20、蚀的防止锈蚀的防止 钢结构钢结构 通常采用表面刷漆的方法。常用的底漆有红通常采用表面刷漆的方法。常用的底漆有红丹、环氧富锌漆丹、环氧富锌漆 薄壁钢材薄壁钢材 采用采用热浸镀锌热浸镀锌或或镀锌后加涂塑料涂层镀锌后加涂塑料涂层等措等措施、铁红环氧底漆等，面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚施、铁红环氧底漆等，面漆有调和漆、醇酸磁漆、酚醛磁漆等。醛磁漆等。混凝土配筋混凝土配筋 根据结构的性质和所处环境等，考虑混凝根据结构的性质和所处环境等，考虑混凝土的质量要求，主要是土的质量要求，主要是提高混凝土的密实度提高混凝土的密实度，保证足保证足够的钢筋保护层厚度够的钢筋保护层厚度，限制氯盐外加剂的掺入量限制氯盐外加剂
21、的掺入量。混。混凝土中还可掺用阻锈剂。凝土中还可掺用阻锈剂。 预应力钢筋预应力钢筋 一般含碳量较高，又多是经过变形加工一般含碳量较高，又多是经过变形加工或冷加工的，因而对锈蚀破坏较敏感，特别是高强或冷加工的，因而对锈蚀破坏较敏感，特别是高强度热处理钢筋，容易产生锈蚀现象。所以，重要的度热处理钢筋，容易产生锈蚀现象。所以，重要的预应力混凝土结构，除了预应力混凝土结构，除了禁止掺用氯盐外禁止掺用氯盐外，还应对，还应对原材料进行严格检验。原材料进行严格检验。 钢材的化学成分对耐锈性影响很大，通过加入钢材的化学成分对耐锈性影响很大，通过加入某些合金元素，可以提高钢材的耐锈蚀能力。例如，某些合金元素，可
22、以提高钢材的耐锈蚀能力。例如，在钢中加入一定量的铬、镍、钛等合金元素，可制在钢中加入一定量的铬、镍、钛等合金元素，可制成成不锈钢不锈钢。第五节第五节 铝合金铝合金一、铝和铝合金的特点一、铝和铝合金的特点铝铝外观呈银白色，密度为外观呈银白色，密度为2.7g/cm3，熔点为，熔点为660，铝，铝还具有良好的导电性和导热性。另外由于其表面常常被氧还具有良好的导电性和导热性。另外由于其表面常常被氧化铝薄膜覆盖，因此其具有一定的耐蚀性。化铝薄膜覆盖，因此其具有一定的耐蚀性。 铝铝的可塑性良好（伸长率为的可塑性良好（伸长率为50%），可加工成管材、），可加工成管材、板材和各种型材，还可压制成极薄的铝箔（板
23、材和各种型材，还可压制成极薄的铝箔（62510-3mm），并具有极高的光、热反射比，但铝的硬度和强度），并具有极高的光、热反射比，但铝的硬度和强度较低。较低。 铝合金铝合金不仅保持铝质量轻的特点，同时机不仅保持铝质量轻的特点，同时机械力学性能大幅度提高，例如屈服强度可达械力学性能大幅度提高，例如屈服强度可达210210500MPa500MPa，抗拉强度可达，抗拉强度可达380380550MPa550MPa等。等。 因此铝合金不仅可用于建筑装饰领域，而因此铝合金不仅可用于建筑装饰领域，而且可用于结构领域。且可用于结构领域。 铝合金的主要缺点铝合金的主要缺点是弹性模量小，热膨胀是弹性模量小，热膨胀
24、系数大，耐热性差等。系数大，耐热性差等。二、铝合金的分类二、铝合金的分类铝合金按照合金元素可分为铝合金按照合金元素可分为二元合金二元合金和和三元合金三元合金，如如Al-MnAl-Mn合金、合金、Al-MgAl-Mg合金、合金、Al-Mg-SiAl-Mg-Si合金等。铝合金按合金等。铝合金按照加工方法可分为照加工方法可分为铸造铝合金铸造铝合金和和变形铝合金变形铝合金。所谓变形铝合金是指采用冲压、弯曲、辊轧、挤压所谓变形铝合金是指采用冲压、弯曲、辊轧、挤压等工艺使铝合金的组织和形状发生变化的铝合金。变形等工艺使铝合金的组织和形状发生变化的铝合金。变形铝合金又可分为铝合金又可分为热处理强化型和非强化
25、型热处理强化型和非强化型，强化型是指，强化型是指通过热处理的方式提高铝合金的强度，例如通过热处理的方式提高铝合金的强度，例如Al-Mg-SiAl-Mg-Si合合金（锻铝）、金（锻铝）、Al-Cu-MgAl-Cu-Mg合金（硬铝）等；非强化型是指合金（硬铝）等；非强化型是指不能用热处理的方式提高铝合金的强度，例如不能用热处理的方式提高铝合金的强度，例如Al-Al-MnMn合金、合金、Al-MgAl-Mg合金等。合金等。 三、常用铝合金制品三、常用铝合金制品 建筑装饰工程中常用的铝合金制品包括建筑装饰工程中常用的铝合金制品包括铝合铝合金门窗金门窗、铝合金幕墙、铝合金幕墙、铝合金装饰板铝合金装饰板、
26、铝合金龙、铝合金龙骨和各种室内装饰配件等。骨和各种室内装饰配件等。铝合金门窗 铝合金门窗在建筑上已使用铝合金门窗在建筑上已使用3030余年的历史，由余年的历史，由于其维修费用低、色彩造型丰富、耐久性较好，于其维修费用低、色彩造型丰富、耐久性较好，因此得到了广泛的应用。因此得到了广泛的应用。 虽然近年来铝合金门窗受到了塑钢门窗、不虽然近年来铝合金门窗受到了塑钢门窗、不锈钢门窗的挑战，然而铝合金门窗在造价、色泽、锈钢门窗的挑战，然而铝合金门窗在造价、色泽、可加工性等方面仍有优势，因此仍在各种装饰领可加工性等方面仍有优势，因此仍在各种装饰领域广泛使用。域广泛使用。返回铝合金装饰板 铝合金装饰板主要有
27、铝合金花纹板、浅花纹铝合金装饰板主要有铝合金花纹板、浅花纹板、波纹板、压型板和穿孔板等。它们具有质量板、波纹板、压型板和穿孔板等。它们具有质量轻、易加工、强度较高、刚度较好、耐久性好等轻、易加工、强度较高、刚度较好、耐久性好等优点，而且具有色彩造型丰富的特点，其不仅可优点，而且具有色彩造型丰富的特点，其不仅可以与玻璃幕墙配合使用而且可以单独对墙、柱、以与玻璃幕墙配合使用而且可以单独对墙、柱、招牌等进行修饰，同样具有独特的装饰效果。招牌等进行修饰，同样具有独特的装饰效果。 本章小结了解内容：1建筑钢材基本知识2建筑钢材的主要技术性质重点内容：1抗拉强度：掌握低碳钢受拉时的应力应变曲线图，包括四个
28、阶段和三个极限，还有条件屈服点和伸长率。 2冲击韧性：包括低温冷脆性、脆性临界温度、时效及时效敏感性。化学成分对钢性能的影响第七章第七章第七章第七章 金属材料金属材料金属材料金属材料习题与复习思考题习题与复习思考题习题与复习思考题习题与复习思考题习题与复习思考题1.为什么说屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的重要技术性能指标？2.冷弯性能的表示方法及其实际意义？3.随含碳量增加，碳素钢的性能有何变化？4.碳素结构钢中，若含有较多的磷、硫或者氮、氧及锰、硅等元素时，对钢性能的主要影响如何？习题与复习思考题习题与复习思考题习题与复习思考题习题与复习思考题5.碳素结构钢的牌号如何表示？为什么Q235号钢被广泛用于土木工程中？6.试比较Q235-AF、Q235-Bb、Q235-C和Q235-D在性能和应用上有什么区别？7.低合金高强度结构钢的主要用途及被广泛采用的原因？8.对热轧钢筋进行冷拉并时效处理的主要目的及主要方法？
