第四章-建筑装饰金属材料

建筑装饰材料第四章建筑装饰金属材料建筑装饰金属材料金属材料是指一种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的合金材料的总称。金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属的基本成分为铁及其合金，如钢和铁；有色金属是除铁以外的其他金属及其合金的总称，如铝、铜、铅、锌、锡等及其合金。建筑装饰金属材料金属材料具有较高的强度，能承受较大的变形，能制成各种形状的制品和型材，具有独特的光泽和颜色，庄重华贵，经久耐用，广泛应用于古今中外的建筑装饰工程中。如北京颐和园中的铜亭，云南昆明的金殿，山东泰山顶的铜殿，西藏布达拉宫金碧辉煌的装饰等都极大地赋予了古建筑独特的艺术魅力；法国著名的埃菲尔铁塔以它的独特结构特征，创造了举世无双的奇迹；法国蓬皮杜文化中心则是金属与艺术有机结合的典范，创造了现代建筑史上独具一格的艺术佳作。在现代建筑中，从铝合金门窗到墙面、柱面、入口、栅栏、阳台等，金属材料无所不在。建筑装饰金属材料4.1建筑装饰用钢材及其制品4.2铝及铝合金制品4.3铜及铜合金制品4.1建筑装饰用钢材及其制品钢材是将生铁在炼钢炉中进行冶炼，然后浇注成钢锭，再经过轧制、锻压、拉拔等压力加工工艺制成的材料。钢的主要成分是铁，其次是碳，含碳量一般小于2%，另外还含有少量的硅、锰、硫、磷、氧等元素。由于生铁的含碳量较高，脆性大，故使用受到限制。炼钢的目的就是将生铁中的含碳量降低到一定范围内，同时除去其他有害杂质。4.1建筑装饰用钢材及其制品钢材具有许多优良的性能，一是材质均匀，性能可靠；二是强度高，塑性和冲击韧性好，可承受各种性质的荷载；三是加工性能好，可通过焊接、铆接和螺钉连接的方法制成各种形状的构件。钢材的缺点是易锈蚀，耐火性差，维修费用大。钢材在建筑中不仅可作为结构材料，如钢筋混凝土中的钢筋、钢结构中的各类型钢等，而且可用作装饰材料，如各类装饰钢板、轻钢龙骨等。4.1建筑装饰用钢材及其制品4.1.1钢材的基本知识（1）钢材的分类1．按化学成分分类①碳素钢碳素钢的主要化学成分是铁，其次是碳，此外还含有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等微量元素。碳素钢根据含碳量的高低，又分为低碳钢（含碳量＜0.25％）、中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）和高碳钢（含碳量＞0.60％）。4.1建筑装饰用钢材及其制品②合金钢合金钢是在碳素钢的基础上加入一种或多种改善钢材性能的合金元素，如锰、硅、钒、钛等。合金钢根据合金元素的总含量，又分为低合金钢（合金元素总量＜5％）、中合金钢（合金元素总量为5％～10％）和高合金钢（合金元素总量＞10％）。2．按冶炼方法分类钢材按冶炼方法不同分为平炉钢、转炉钢（氧气转炉钢、空气转炉钢）和电炉钢。4.1建筑装饰用钢材及其制品3．按冶炼时脱氧程度不同分类①镇静钢镇静钢一般用硅脱氧，脱氧完全，钢液浇注后平静地冷却凝固，基本无CO气泡产生。镇静钢均匀密实，机械性能好，品质好，但成本高。②沸腾钢沸腾钢一般用锰、铁脱氧，脱氧很不完全，钢液冷却凝固时有大量CO气体外逸，引起钢液沸腾，故称为沸腾钢。沸腾钢内部气泡和杂质较多，化学成分和力学性能不均匀，因此钢的质量较差，但成本较低。③半镇静钢半镇静钢用少量的硅进行脱氧，钢的脱氧程度和性能介于镇静钢和镇静钢之间。4.1建筑装饰用钢材及其制品4．按品质（硫、磷杂质含量）分类钢材根据品质（硫、磷杂质含量）不同可分为普通钢、优质钢、高级优质钢。5．按用途分类钢材按用途不同可分为结构钢（主要用于工程构件及机械零件）、工具钢（主要用于各种刀具、量具及磨具）、特殊性能钢（具有特殊物理、化学或机械性能，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等，一般为合金钢）。4.1建筑装饰用钢材及其制品（2）建筑钢材的主要技术性能1．拉伸性能表示钢材拉伸性能的主要技术指标是屈服点、抗拉强度和伸长率，这些技术指标可通过低碳钢（软钢）受拉时的应力—应变曲线来阐明，见图4-1。图4-1低碳钢(软钢)受拉应力-应变曲线应力应变εσabcdO4.1建筑装饰用钢材及其制品软钢的应力—应变曲线共分为四个阶段，即弹性阶段（oa），屈服阶段（ab），强化阶段（bc），颈缩阶段（cd）。自开始加载到a点之前，钢筋处于弹性阶段，应力应变呈线性关系，在此阶段内，若卸去外力，试件仍能恢复原状；应力达到a点后钢筋进入屈服阶段，应力不再增加而应变急剧增长形成屈服台阶ab；超过b点后应力应变关系重新表现为上升的曲线，bc段称为强化阶段；到达应力最高点c点后钢筋产生颈缩现象，应力开始下降，到d点钢筋被拉断，cd段称为破坏阶段。4.1建筑装饰用钢材及其制品①屈服点软钢应力—应变曲线上屈服阶段ab段b点的应力称为屈服点或屈服强度，用表示。对于含碳量较高的硬钢类钢材，在外力作用下没有明显的屈服台阶，通常以0.2％残余变形时对应的应力作为屈服强度，用σ0.2表示，称为条件屈服点。在设计中，屈服强度是钢材设计强度取值的主要依据。这是因为钢材应力超过屈服点以后，虽然没有断裂，但会产生较大的塑性变形，这将使构件产生很大的变形和不可闭合的裂缝，以致无法使用。4.1建筑装饰用钢材及其制品②抗拉强度钢材受拉断裂前的最大应力，即应力—应变曲线上最高点c点对应的应力称为抗拉强度或极限强度，用表示。抗拉强度虽然是衡量钢材抵抗断裂破坏能力的一个重要指标，但在设计中一般不直接利用。③伸长率钢材的伸长率为钢材试件拉断后的伸长值与原标距长度之比，用表示。伸长率可用下式计算：式中—试件原始标距长度，mm；—断裂试件拼合后标距的长度，mm。0L1L100()100%(4-1)LLL4.1建筑装饰用钢材及其制品由于钢材伸长率的大小与原始标距长度有关，所以国家规定取=5a或=10a（a为钢材的直径或厚度）相对应的伸长率记为或。对同一种钢材，大于。伸长率是衡量钢材塑性的一个重要指标。δ越大，说明钢材塑性越好。钢材的塑性大，不仅便于进行各种加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。这时因为钢材在塑性破坏前，有很明显的变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救。0L0L0L5510104.1建筑装饰用钢材及其制品2．冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。影响钢材冲击韧性的主要因素有：①化学成分当钢材中的磷、硫含量较高，化学成分不均匀，含有非金属夹杂物以及焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。②温度某些钢材在常温（20℃）条件下呈韧性断裂，而当温度降低到一定程度时，冲击韧性急剧下降而使钢材呈脆性断裂，这一现象称为低温冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。脆性临界温度越低，说明钢材的低温冲击韧性越好。4.1建筑装饰用钢材及其制品③时间钢材随时间的延长，强度会逐渐提高，冲击韧性下降，这种现象称为时效。时效敏感性越大的钢材，经过时效以后其冲击韧性的降低越显著。为了保证安全，对于承受动荷载的重要结构，应选用时效敏感性小的钢材。3．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。衡量钢材冷弯性能的指标有两个，一个是试件的弯曲角度（），另一个是弯心直径（D）与钢材的直径或厚度（a）的比值（D/a），见下页图4-2。4.1建筑装饰用钢材及其制品冷弯试验是将钢材按规定的弯曲角度和弯心直径进行弯曲，若弯曲后试件弯曲处无裂纹、起层及断裂现象，则认为冷弯性能合格；否则为不合格。钢材的弯曲角度越大，弯心直径与钢材的直径或厚度的比值越小，表示钢材的冷弯性能越好。图4-2钢材冷弯示意图αDa4.1建筑装饰用钢材及其制品建筑构件在加工和制造过程中，常要把钢板、钢筋等钢材弯曲成一定的形状，这就需要钢材有较好的冷弯性能。钢材在弯曲过程中，受弯部位产生局部不均匀塑性变形，这种变形比在一定程度上比伸长率更能反映钢材内部的组织状态、夹杂物等缺陷。4．焊接性能钢材的焊接性能（又称可焊性）是指钢材在通常的焊接方法和工艺条件下获得良好焊接接头的性能。可焊性好的钢材焊接后不易形成裂纹、气孔等缺陷，焊头牢固可靠，焊缝及其附近受热影响区的性能不低于母材的力学性能。4.1建筑装饰用钢材及其制品钢材的化学成分影响钢材的可焊性。一般含碳量越高，可焊性越低。含碳量小于0.25％的低碳素钢具有优良的可焊性，高碳钢的焊接性能较差。钢材中加入合金元素如硅、锰、钛等，将增大焊接硬脆性，降低可焊性。（3）钢材的化学成分对钢材性能的影响钢材中所含的元素很多，除了主要成分铁和碳外，还含有少量的硅、锰、硫、磷、氧、氮以及一些合金元素等，它们的含量决定了钢材的性能和质量。4.1建筑装饰用钢材及其制品1．碳碳是钢材中的主要元素，是决定钢材性能的重要因素。在含碳量小于0.8％的范围内，随着含碳量的增加，钢材的抗拉强度和硬度增加，塑性和冲击韧性降低。当含碳量超过1％时，随着含碳量的增加，除硬度继续增加外，钢材的强度、塑性、韧性都降低，耐腐蚀性和可焊性变差，冷脆性和时效敏感性增大。4.1建筑装饰用钢材及其制品2．有益元素①硅硅是炼钢时为了脱氧而加入的元素。当钢材中含硅量在1％以内时，它能增加钢材的强度、硬度、耐腐蚀性，且对钢材的塑性、韧性、可焊性无明显影响。当钢材中含硅量过高（大于1％）时，将会显著降低钢材的塑性、韧性、可焊性，并增大冷脆性和时效敏感性。②锰锰是炼钢时为了脱氧而加入的元素，是我国低合金结构钢的主要合金元素。在炼钢过程中，锰和钢中的硫、氧化合成MnS和MnO，入渣排除，起到了脱氧排硫的作用。锰的作用主要是能显著提高钢材的强度和硬度，改善钢材的热加工性能和可焊性，几乎不降低钢材的塑性、韧性。4.1建筑装饰用钢材及其制品③铝、钒、钛、铌它们都是炼钢时的强脱氧剂，也是最常用的合金元素。适量加入钢内能改善钢材的组织，细化晶粒，显著提高强度，改善韧性和可焊性。3．有害元素①硫硫是钢材中极有害的元素，多以FeS夹杂物的形式存在于钢中。由于FeS熔点低，使钢材在热加工中内部产生裂痕，引起断裂，形成热脆现象。硫的存在，还会导致钢材的冲击韧性、可焊性及耐腐蚀性降低，故钢材中硫的含量应严格控制。为了消除硫的危害，可在钢中加入适量的锰。4.1建筑装饰用钢材及其制品②磷磷是以FeP夹杂物的形式存在于钢中。它能使钢的强度和硬度增加，但会使钢材的塑性、韧性显著降低，可焊性变差，尤其在低温下，冲击韧性下降更突出，是钢材冷脆性增大的主要原因。③氧、氮、氢这三种有害气体都会显著降低钢材的塑性和韧性，应加以限制。氧可使钢的强度、塑性和可焊性降低；氮随着含量增加，能使钢的强度、硬度增加，但使钢的塑性、韧性、可焊性大大降低，还会加剧钢的时效敏感性、冷脆性和热脆性；钢中溶氢会引起钢的白点（圆圈状的断裂面）和内部裂纹。4.1建筑装饰用钢材及其制品4.1.2建筑装饰用钢材制品建筑装饰工程中常用的钢材制品有不锈钢及制品、彩色涂层钢板、压型钢板、彩色复合钢板和轻钢龙骨（详见第二章中的骨架材料）等。4.1建筑装饰用钢材及其制品（1）不锈钢及制品1．不锈钢的一般特性众所周知，普通钢材容易锈蚀，锈蚀不仅会使钢材有效截面面积减小，降低钢材的强度、塑性、韧性等性能，浪费钢材，而且还会形成程度不等的锈坑、锈斑，严重影响装饰效果。钢材的锈蚀有两种，一是化学腐蚀，即在常温下钢材表面受氧化生成氧化膜层而锈蚀；二是电化学腐蚀，这是因钢材在较潮湿的空气中，表面形成了“微电池”作用而产生的锈蚀。钢材在大气中的锈蚀，是化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用所致，但以电化学锈蚀为主。4.1建筑装饰用钢材及其制品不锈钢是指在钢中加入以铬（Cr）元素为主加元素的合金钢。不锈钢中除铬外，还含有镍（Ni）、锰（Mn）、钛（Ti）、硅（Si）等元素，这些元素都能影响不锈钢的强度、塑性、韧性等性能。不锈钢中铬含量越高，钢材的抗腐蚀性越好。不锈钢耐腐蚀的原理是因为铬的性质比较活泼，能首先与周围环境中的氧化合，生成一层与钢基体牢固结合的致密氧化层膜，使合金钢不再受到氧的锈蚀作用，从而达到保护钢材的目的。一般不锈钢中铬元素含量应大于12%，以保证有钢材有很好的抗腐蚀性。4.1建筑装饰用钢材及其制品不锈钢按其化学成分不同可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢、高锰低铬不锈钢等；按不同耐腐蚀的特点，又可分为普通不锈钢（耐大气和水蒸气侵蚀）和耐酸钢（除对大气