建筑材料-钢材,铝合金.

第八章金属材料主要授课内容：建筑钢材铝合金2012年9月科园教育第七章金属材料第一节建筑钢材第一节建筑钢材钢材是指用于土木工程中的各种型钢、钢板、钢筋、钢丝等。采用各种型钢和钢板制作的钢结构，具有强度高、自重轻等特点，适用于大跨度结构、多层及高层结构、受动力荷载的结构和重型工业厂房结构等。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材一、钢材的分类钢的分类方法很多，通常有以下几种分类方法。1按冶炼时脱氧程度分类2按化学成分分类3按有害杂质含量分类4按用途分类2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材1按冶炼时脱氧程度分类⑴沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程。⑵镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。⑶半镇静钢是质量较好的钢。⑷特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。钢材沸腾钢F镇静钢Z半镇静钢b特殊镇静钢TZ2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回2按化学成分分类钢材碳素钢高碳钢中碳钢低碳钢合金钢高合金钢中合金钢低合金钢2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材⑴碳素钢化学成分主要是铁、碳，故也称碳钢或铁碳合金，含碳量为0.02%～2.06%，还含有极少量硅、锰和微量硫、磷等元素。a低碳钢：含碳量小于0.25%；b中碳钢：含碳量为0.25%～0.60%；c高碳钢：含碳量大于0.6%。低碳钢在土木工程中应用最广泛。⑵合金钢炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得。常用合金元素：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。a低合金钢：合金元素总含量小于5%；b中合金钢：合金元素总含量为5%～10%；c高合金钢：合金元素总含量大于10%。低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回3按有害杂质（P、S）含量分类(1)普通钢：磷含量不大于0.045%，硫含量不大于0.050%；(2)优质钢：磷含量不大于0.035%，硫含量不大于0.035%；(3)高级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.025%；(4)特级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.015%。钢材普通钢优质钢高级优质钢特级优质钢2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回4按用途分类（1）结构钢：主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。（2）工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，一般为高碳钢。（3）特殊钢：具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。钢材结构钢工具钢特殊钢2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材二、钢材的技术性能1力学性能⑴抗拉性能⑵冲击韧性⑶硬度⑷耐疲劳性2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材⑴抗拉性能抗拉性能是钢材最重要的技术性质。根据低碳钢受拉时的应力－应变曲线（如下图8-1-1），可了解到抗拉性能的下列特征指标。屈服强度抗拉强度伸长率2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材图8-1-12012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材(a)屈服强度屈服强度是钢材开始丧失对变形的抵抗能力，并开始产生大量塑性变形时所对应的应力。在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为屈服上限；锯齿形的最低点所对应的应力称为屈服下限。屈服上限与试验过程中的许多因素有关。屈服下限比较稳定，容易测试，所以规范规定以屈服下限的应力值作为钢材的屈服强度，用表示。中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象，规范规定以0.2%残余变形所对应的应力值作为名义屈服强度，用表示。屈服强度对钢材使用意义重大:当构件的实际应力超过屈服强度时，将产生不可恢复的永久变形；当应力超过屈服强度时，受力较高部位的应力不再提高，而自动将荷载重新分配给某些应力较低部位。yf2.0f(b)抗拉强度（强度极限）抗拉强度是钢材所能承受的最大拉应力，即当拉应力达到强度极限时，钢材完全丧失了对变形的抵抗能力而断裂。抗拉强度用表示。抗拉强度虽然不能直接作为计算依据，但屈服强度与抗拉强度的比值，即“屈强比”。对工程应用有较大意义。屈强比愈小，反映钢材在应力超过屈服强度工作时的可靠性愈大。但屈强比过小时，钢材强度的有效利用率低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢的屈强比为0.65～0.75。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材uf(c)伸长率伸长率反映钢材拉伸断裂时所能承受的塑性变形能力，是衡量钢材塑性的重要技术指标。伸长率是以试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率来表示。伸长率按式计算：2012年9月科园教育钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布不均匀，颈缩处的伸长较大，故试件原始标距（L0）与直径（d0）之比愈大。颈缩处的伸长值在总伸长值中所占比例愈小，计算所得伸长率也愈小。通常钢材拉伸试件取L0=5d，或L0=10d，其伸长率分别以和表示。对于相同钢材，大于。第八章金属材料第一节建筑钢材L1——试件拉断后标距部分的长度（mm）；L0——试件的原标距长度（mm）；n——长或短试件的标志，长试件n=10，短试件n=5。%100001LLLn510510返回(2)冲击韧性冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性用试件冲断时单位面积上所吸收的能量来表示。冲击韧性按下式计算：W——试件冲断时所吸收的冲击能（J）；A——试件槽口处最小横截面积（cm2）。影响钢材冲击韧性的主要因素有：化学成分、冶炼质量、冷作及时效、环境温度等。钢材的冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始冲击韧性随温度的降低而缓慢下降，但当温度降至一定的范围（狭窄的温度区间）时，钢材的冲击韧性骤然下降很多而呈脆性，即冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，见图8-1-2。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材AWak脆性转变温度越低，表明钢材的低温冲击韧性越好。为此，在负温下使用的结构，设计时必须考虑钢材的冷脆性，应选用脆性转变温度低于最低使用温度的钢材。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材图8-1-2钢的脆性转变温度返回(3)硬度硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力。硬度值与钢材的力学性能之间有着一定的相关性。测定金属硬度的方法布氏硬度法洛氏硬度法维氏硬度法2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材(a)布氏硬度布氏硬度试验是按规定选择一个直径为D（mm）的淬硬钢球或硬质合金球，以一定荷载P（N）将其压入试件表面，持续至规定时间后卸去荷载，测定试件表面上的压痕直径d（mm），根据计算或查表确定单位面积上所承受的平均应力值，其值作为硬度指标（无量纲），称为布氏硬度，代号为HB。布氏硬度法比较准确，但压痕较大，不宜用于成品检验。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回(b)洛氏硬度洛氏硬度试验是将金刚石圆锥体或钢球等压头，按一定试验力压入试件表面，以压头压入试件的深度来表示硬度值（无量纲），称为洛氏硬度，代号为HR。洛氏硬度法的压痕小，所以常用于判断工件的热处理效果。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回（4）耐疲劳性钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材2工艺性能（1）冷弯性能（2）焊接性能2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材（1）冷弯性能定义冷弯性能是钢材在常温条件下，承受弯曲变形的能力，是反映钢材缺陷的一种重要工艺性能。表示方法钢材的冷弯性能以试验时的弯曲角度和弯心直径作为指标来表示。其他钢材冷弯时弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示对冷弯性能的要求愈高。试件弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，则认为其冷弯性能合格。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回（2）焊接性能建筑工程中，钢材绝大多数是采用焊接方法联结的。这就要求钢材要有良好的可焊性。定义可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，在焊缝和附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。影响因素钢的可焊性主要受化学成分极其含量的影响。含碳量小于0.3%的非合金钢具有良好的可焊性，超过0.3%，焊接的脆硬倾向增加；硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性；杂质含量增加，会使可焊性降低。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材三、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响1钢材的化学成分主要化学成分——铁（Fe）少量元素——碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材2微量化学元素对钢材性能的影响⑴碳碳是决定钢材性能的最重要元素。当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于0.25%；工程所用低合金钢，其含碳量小于0.52%。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材⑵硅硅是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。⑶锰锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，能提高钢材的强度和硬度。⑷磷磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，加大钢材的冷脆性。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材⑸硫硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。⑹氧氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材⑺氮氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。⑻钛钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。⑼钒钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材四、钢材的冷加工及热处理1冷加工2时效3热处理2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材1冷加工将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等，使之产生一定的塑性变形，强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工（或冷加工强化、冷作强化）。土木工程中对大量使用的钢筋，往往是冷加工和时效处理同时采用，常用的冷加工方法是冷拉和冷拔。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材⑴冷拉定义及优点将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称为冷拉。冷拉后的钢筋不仅屈服强度提高20%～30%，同时还增加钢筋长度（4%～10%），因此冷拉是节约钢材（一般10%～20%）的一种措施。效果钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变硬。控制实际冷拉时，应通过试验确定冷拉控制参数。冷拉参数的控制，直接关系到冷拉效果和钢材质量。2012年9月科园教育第八章金属材料第一节建筑钢材返回⑵冷拔定义将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。效果钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用。经过一次或多次冷拔后，钢筋的屈服强度可提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。2012年9月科园教育第八章金