第7章-建筑金属材料--清华版土木工程材料

清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（第七章建筑金属材料）主讲人：陈德鹏安徽工业大学本科生课程清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS教学目标※掌握：钢材主要技术性能、土木工程用钢材的技术标准、防锈处理。※熟悉：钢材的分类，加工处理。※了解：钢材的冶炼，其他建筑金属的性能和应用。教学重点※钢材主要技术性能※钢材的冷加工和热处理※土木工程用钢材的技术标准本章主要教学内容与要求清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS建筑金属材料“鸟巢”的钢结构造型建筑金属材料概述钢材的冶炼及分类钢材的主要技术性能钢材组织和成分对性能的影响钢材的冷加工与热处理钢材的技术标准及选用钢材的锈蚀与防护其他建筑金属材料清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS建筑金属材料概述金属材料是由金属元素或以金属元素为主，其他金属或非金属元素为辅构成的，并具有金属特征的工程材料，包括纯金属与合金。※黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属及其合全，如钢和生铁。※有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。土木工程中应用的金属材料主要有建筑钢材和铝合金两种※建筑钢材是指用于工程建设的各种钢材，包括钢结构用的各种型钢（圆钢、角钢、槽钢和工字钢）、钢板，钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢绞线，除此之外，还包括用作门窗和建筑五金等的钢材。※铝合金广泛用于现代建筑装修领域中，主要用作门窗和室内外装饰装修，施工便捷，有优良的性能和独特的装饰效果。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS钢材的冶炼钢和铁的主要成分都是铁和碳，用含碳量的多少加以区分，含碳量大于2.11％的为生铁，小于2.11％的为钢。钢由生铁冶炼而成。生铁的性质硬而脆，塑性很差，抗拉强度很低。通过冶炼将生铁中的含碳量降至2.11％以下，其他杂质含量降至一定的范围内，显著改善其技术性能。钢的冶炼方法主要有平炉法、转炉法、电炉法以及特种炼钢法，不同的冶炼方法对钢材的质量有着不同的影响。炼钢方法原料特点及应用应用平炉法生铁、废钢容量大、冶炼时间长、钢质较好且稳定，成本高碳素钢、低合金钢转炉法铁水、废钢冶炼速度快、生产效率高、钢质较好，投资少碳素钢、低合金钢电炉法废钢容积小、耗电大、控制严格、钢质好，成本高合金钢、优质碳素钢特种炼钢法钢水控制精细、钢质非常好，成本较高特殊性能钢、合金钢清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS按照钢的化学成分，可将钢材分为碳素钢和合金钢两大类※碳素钢：钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为碳时；※合金钢：钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为其他合金元素时。(1)碳素钢——根据含碳量多少，碳素钢可分为：※①低碳钢：含碳量0.25％以下。※②中碳钢：含碳量0.25％～0.6％。※③高碳钢：含碳量大于0.6％。(2)合金钢——根据合金元素的含量分：※低合金钢：合金元素总含量小于5％；※中合金钢：合金元素总含量在5％～10％之间；※高合金钢：合金元素总含量大于10％。钢材的分类——按化学成分清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS普通碳素钢按钢中所含硫、磷量来分来：※普通碳素钢：硫含量≤0.055％，磷含量≤0.045％※优质碳素钢：硫含量≤0.040％，磷含量≤0.040％※高级优质碳素钢。硫含量≤0.030％，磷含量≤0.035％合金钢按冶金质量分类：※普通合金钢：硫含量≤0.05％，磷含量≤0.045％※优质合金钢：硫含量≤0.030％，磷含量≤0.035％※高级优质合金钢：硫含量≤0.020％，磷含量≤0.030％※特级优质合金钢：硫含量≤0.015％，磷含量≤0.025％钢材的分类——按质量、用途根据钢的用途，可分为结构钢、工具钢和特殊钢：※结构钢：用作工程结构构件及机械零件，土木工程中常用※工具钢：用过各种量具、刀具及模具的钢※特殊钢：有特殊物理、化学及机械性能，如不锈钢、耐热钢等清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢、特殊镇静钢等四种：※沸腾钢：炼钢时加入锰铁进行脱氧，脱氧很不完全，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，杂质多，质量较差，但其生产成本低、产量高，可广泛用于一般的建筑工程。※镇静钢：炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧充分，这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，基本无气泡产生，故称镇静钢，代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密、成分均匀、性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。※半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，代号为“b”。※特殊镇静钢：脱氧完全彻底的钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢钢材的质量最好，用于特别重要的工程结构。钢材的分类——按脱氧程度清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS建筑钢材的主要技术性能力学性能※抗拉性能※冲击韧性※耐疲劳※硬度工艺性能※冷弯性能※焊接性能钢材的性能是合理选用的钢材的基本依据。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS抗拉性能抗拉性能是土木工程用钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。弹性阶段：OA段，弹性极限(Re)应力-应变呈正线性关系，其比值为弹性模量。屈服阶段：AB段，应力超过Re后，开始产生塑性变形；下屈服点(B下)，屈服强度（ReL）。强化阶段：BC段，钢材抵抗外力的能力重新提高，抗拉极限(Rm)颈缩阶段：CD段，拉断前薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩”低碳钢受拉时应力-应变图中碳钢与高碳，规定产生残余变形为原标距长度0.2％时的应力值作为屈服强度，称条件屈服点，用Rp0.2表示清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS屈强比屈强比指的是屈服强度和抗拉强度之比；亦有强屈比概念屈强比能反映钢材的利用率和可靠性。※屈强比越小，其结构的安全可靠性越高，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0.60～0.75。※常用碳素钢的屈服比为0.58～0.63。※普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75。低碳钢屈强比meLRR中高碳钢屈强比mRR2.0p清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS塑性建筑钢材应具有很好的塑性。钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。伸长率（δ）※通常以δ5和δ10分另表示L0＝5d0和L0＝10d0时的伸长率。对于同一种钢材，其δ5δ10。断面收缩率(Z)伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力；伸长率越大或断面收缩率越高，钢材塑性越大。100%00ulllu100%00uSSSZ清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。可通过冲击试验确定。当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件吸收的能量等于冲击摆所做的功，缺口底部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标。AHm）（hgak钢材冲击韧性与钢材化学成分、组织状态以及冶炼、加工都有关系。钢材中磷、硫含量较高，存在偏析、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。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压人产生局部变形的能力，常用的测试方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，土木工程用钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。硬度值往往与其他性能有一定的相关性。如钢材的HB值与抗拉强度之间就有较好的相关关系。对于碳素钢：当HB＜175时，Rm＝3.6HB；当HB＞175时，Rm＝3.5HB疲劳强度钢材在交变荷载反复作用下，可在远小于抗拉强度的情况下发生破坏，这种破坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏的指标用疲劳强度（或称疲劳极限）来表示，它是指试件在交变应力下，作用107周次，不发生疲劳破坏的最大应力值。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。硬度清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS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，冷弯性能指标以试件在常温下所能承受的弯曲程（弯曲角度α和弯心直径d）表示。钢材的冷弯后，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度α越大，d/a越小，则表示冷弯性能越好。钢材的冷弯性能不仅能反映其塑性，更有助于暴露钢材的内部组织是否均匀，是否存在内应力、微裂纹、表面未熔合及夹杂物等缺陷。Pad清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS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，特别是强度不低于原有钢材的强度。包括两方面：※接合性能，即在一定焊接条件下，产生焊接缺陷的敏感性；※使用性能，即在一定焊接工艺条件下，焊接接头满足使用要求的适应性。钢材的含碳量(C)和碳当量(ωCE)是决定焊接性的主要因素。我国的热轧带肋钢筋的碳当量规定为ωCE＜0.55％。常用土木工程用钢材的焊接性※低碳钢碳当量ωCE＜0.25％，塑性好，焊接性能优良。※低合金高强度结构钢：当ωCE＜0.4％时，焊接性能良好；当ωCE＞0.4％时，焊接性较差，焊前需预热，焊后应及时进行热处理，以消除应力。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS钢材焊接质量检验钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括外观检查和力学试验：※外观检查：焊缝处有无裂纹、砂眼、咬肉和焊件变形等缺陷；※力学试验：进行拉伸试验或者弯曲试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。焊接点断裂点断裂点清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS体心立方体钢材的组织钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不同的晶格，晶体结构会随着温度或压力的改变发生同素异构转变。铁素体奥氏体渗碳体珠光体钢的组织形式固溶体(Fe中固溶微量C)化合物(Fe和C化合物Fe3C)机械混合物(固溶体和化合物)钢的基本组织面心立方体清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS钢的基本组织与性能组织名称含碳量结构特征抗拉强度（MPa）布氏硬度延伸率性能铁素体≤0.02%C溶于α−Fe中的固体相180~28050~8030%~50%性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性好。珠光体0.8铁素体与渗碳体的机械混合物75015020%~25%性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。渗碳体6.69化合物Fe3C强度极高800接近于零铁中的主要强化相，强度、硬度很高，脆性大。奥氏体0.8C溶于γ−Fe中的固体相400160~22040%~50%其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性好。因此，钢材多数加热到奥氏体进行锻造。钢材的组织对性能的影响土木工程用钢的含碳量在0.8％以下，基本晶体组织由铁素体和珠光体所组成，无渗碳体；强度较高，塑性、韧性较好。清华大学出版社TSINGHUAUNIVERSITYPRESS（1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8％。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。（2）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。作为合金元素，含量在1.0％～1.2％时，强度提高，塑性和韧