《建筑材料》教学课件-金属材料

金属材料,龙塔高336米，亚洲第一、世界第二,铜陵长江公路大桥。全长2592米，主桥1152米，引桥1440米，桥面宽23米，预应力钢筋混凝土双塔双索面斜拉桥，国内一流，国际先进。,我国第一大跨径悬索桥润扬长江公路大桥,北京奥运会主体育场-国家体育馆(“鸟巢”),设计：瑞士赫尔佐格和德梅隆设计事务所位于北京奥林匹克公园内。长330米(1,083英尺)，宽220米，高69.2米，建筑面积25万平方米，容纳观众近十万人。钢结构工程屋盖呈双曲面马鞍形，南北向结构高度为40.746米，东西向结构高度为67.12米，钢结构最大跨度长轴为333米，短轴为297米。,建筑钢材,建筑钢材,钢结构用钢,型钢(如圆钢、角钢、工字钢等),钢板,钢筋混凝土用钢,钢筋,钢丝,钢绞线,建筑钢材,土木工程中应用量最大的金属材料为钢材,铁：铁矿石在炼铁炉内熔炼，用C还原其中的氧化铁而得的金属。钢：铁在炼钢炉内熔炼，使C2.06，且其它杂质降至要求范围。优点：材质均匀、性能可靠；强度高、塑性和韧性较好；能承受较大的冲击振动荷载；可焊便于装配。缺点：易锈、维修费用大、成本高、耐火性差。,第1节钢材的分类,按化学成分,非合金钢（C0.25%、0.25%0.60、0.60%）,低合金钢,合金钢,按质量等级(S、P),普通质量钢,优质钢,特殊质量钢,建筑钢材,按用途,结构钢,工具钢,特殊用途钢,按脱氧程度,沸腾钢F,半镇静钢B,镇静钢Z,特殊镇静钢TZ,按冶炼方式,氧气转炉钢,平炉钢,电炉钢,建筑钢材,土木工程中主要用钢材:普通、优质低合金钢、非合金钢。,第2节钢材的技术性质,一、拉伸性能(一)低碳钢的拉伸性能1.弹性阶段：Q235的E(2.02.1)105MPa,p180200MPa；2.屈服阶段：B下称屈服强度或屈服点s，是结构设计取值依据；3.强化阶段：抗拉强度b；4.颈缩阶段,屈强比=s/b利用率安全性(0.600.75)伸长率n（同种钢材510）,伸长率是表示钢材塑性大小的指标。钢材即使在弹性范围内工作，其内部由于原有一些结构缺陷和微孔，有可能产生应力集中现象，使局部应力超过屈服强度。一定的塑性变形能力，可保证应力重新分布，从而避免结构的破坏。但塑性过大时，钢质软，结构塑性变形大，也会影响实际使用。,0.2,(二)高碳钢的拉伸性能,特点：硬脆，b高,小，屈服不明显；规定：产生0.2%l0残余变形时的应力值作为屈服强度，以0.2表示，也称条件屈服强度。,钢材抵抗冲击荷载的能力。k(J/mm2)表示。,二、冲击韧性,影响因素：化学成分、组织状态、轧制和焊接质量，温度T和时间t。,（1）TTk，当达到一定温度范围时，k呈脆性破坏，称钢材的低温冷脆性；此温度称脆性临界温度。负温下：应选脆性临界温度比最低使用温度低的钢材。,脆性,韧性,（2）tt，钢材的机械强度，塑性和k的现象称时效。因时效导致钢材性能改变的程度称时效敏感性。对于承受动荷载的重要结构，应选用时效敏感性小的钢材。,温度T和时间t对k的影响,三、冷弯性能,冷弯后弯曲处无裂纹、起层、断裂，冷弯性能合格。钢材冷弯是通过试件弯曲处产生不均匀塑性变形实现的，它较均匀塑性变形的伸长率更能反映钢的内部组织状态、内应力及杂质等缺陷。因此，可用冷弯的方法来检验钢质量，特别是焊接质量。,钢材在常温下承受弯曲变形的能力。（弯曲角度和弯心直径）,第3节钢铁金属学的基本知识,一、钢的晶体结构（一）钢的晶体结构钢是以铁碳为主的合金。其晶体结构中各原子以金属键相互结合，这是钢材具有较高强度和塑性的根本原因。晶格：描述原子在晶体中排列的最小单元(空间格子)钢的晶格：体心立方晶格面心立方晶格,体心立方晶格-Fe(1390)-Fe(910),面心立方晶格-Fe(910-1390),体心立方晶格,面心立方晶格,(二)晶体的缺陷,实际晶体的结构，无论是单晶体，还是多晶体，并不是完美无缺的，内部存在有许多缺陷，钢的晶体也是如此。这些缺陷对钢材的性能有显著的影响，使钢材的强度低于理想单晶体结构(无缺陷晶体),空位间隙原子,（1）原因由于晶体中热振动等原因，个别能量高的原子克服临近原子的束缚，离开原平衡位置而形成空位；杂质原子的嵌入，形成间隙原子。（2）作用空位降低了原子间的结合力使强度降低；间隙原子增加了晶面滑移阻力，f，塑韧性。生产钢材时，常加入一定量合金元素以适当增加点缺陷，提高钢材的强度。,1.点缺陷,线缺陷：主要指刃型位错，在某晶面间原子排列数目不等，在晶体中形成缺列。位错的存在使晶体在滑移时并不是整个晶面在滑移，而只是位错处的部分晶面产生滑移，使晶体滑移阻力大大减小，即位错的存在降低了钢材的强度，但位错是钢材具有塑性的原因。,2.线缺陷,在有位错的钢晶体中，当施加切应力时，并非在受力的晶面上克服所有键力而使所有原子同时移动，而是在切应力的持续作用下，位错逐渐向前推移，当位错运动到晶体表面时，位错消失而形成一个原子间距的滑移台阶。正因为在外力作用下位错的这种运动方式，使钢的实际屈服强度远低于在无缺陷的理想状态下沿晶面克服所有键力整体滑移的理论强度。,面缺陷是指多晶体的晶粒界面，简称晶界。晶界处的原子排列紊乱。晶界增加了滑移阻力，使强度提高，塑性降低。晶粒越细，晶界越多，滑移阻力越大，受外力时各晶粒的受力状态越均匀，因而强度越高，韧性越好。,3.面缺陷,存在方式：固溶体或化合物。显微组织：固溶体、化合物及机械混合物。(一)固溶体固溶体：碳或合金元素溶于铁中形成的固态溶液。1.置换固溶体：溶质原子取代Fe原子；2.间隙固溶体：溶质原子溶入铁的晶格空隙中。固溶体的晶格产生畸变，即在晶体中形成点缺陷。固溶体的强度高于纯铁的强度，但塑性较低。C溶于-Fe中形成的固溶体称铁素体，其原子间隙小，溶碳能力差，故塑性和韧性好，强度和硬度低。,二、钢中碳与合金元素的存在方式及钢的显微组织,铁与碳或合金元素按比例形成化合物。化合物的晶格与化合前各自的晶格不同。化合物一般具有硬度高、脆性大、塑性差、强度低，有的熔点很高。C与Fe的化合物称为渗碳体(Fe3C)，硬脆，强度低。,(二)化合物,固溶体与化合物的机械混合物。机械混合物比单一的固溶体具有更高的强度和硬度，但塑性和韧性相对较差。铁素体与渗碳体的层状机械混合物称为珠光体。珠光体的强度和硬度较高，塑性较好。碳素钢在常温下的基本组织为铁素体、渗碳体和珠光体。土木工程用钢材的含碳量一般小于0.8%，即为铁素体与珠光体，因而强度较高，塑性与韧性较好。,(三)机械混合物,C：碳主要存在于渗碳体中，少量存在于铁素体中。C0.8%时，C，b和HB，和k，可焊性(C0.3%时，显著下降)，冷脆性和时效敏感性，抗腐蚀性。Si：主合金元素，Si2%时，主要溶于铁素体中，使强度，对k影响不大，当Si1%时，对k基本无影响。Mn：主合金元素，Mn12%时，主要溶于铁素体中，使强度，对k影响不大。去硫(MnS)脱氧(MnO)，改善热加工性。但锰较高时，可焊性。当Mn=1114%时，称高锰钢(耐磨)。,三、化学成分与钢材性能的关系,P：有害元素，固溶于铁素体中，使钢的b和HB，和k，冷脆性。S：有害元素，呈非金属硫化物夹杂于钢中，降低钢的各种性能，热脆性。ON：有害元素VNbTi稀土元素：有益元素。,三、化学成分与钢材性能的关系,建筑钢材,第4节钢材的冷加工与焊接,一、冷加工强化与时效处理(一)钢材的冷加工钢材在常温下冷拉、拔、轧等。(二)冷加工的过程(三)钢材性质变化s，塑、韧性、可焊性，b变化不大。,(四)冷加工强化的原因钢材在冷加工过程中塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，晶格严重畸变，因而对晶面的进一步滑移起到阻碍作用.,冷加工处理后，常温放1520d，或加热l00200保持23h，其s进一步提高，b也提高，塑性和韧性进一步降低，E基本恢复，此过程称时效处理，前者为自然时效，后者称人工时效。冷拉和冷拔后，屈服强度一般可分别提高2025%、4090%。同时可使盘条钢筋得到调直和除锈。,(五)时效处理,加热、保温和冷却以改变其显微组织或消除内应力钢材热处理。(一)淬火723，保持一定时间，后置于水或油中冷却。淬火提高钢材强度和硬度，塑性和韧性明显下降。(二)回火将淬火后的钢材加热到723，保持一定时间再缓慢冷却至室温。回火使钢材显微组织更稳定，可消除由于淬火而产生的内应力，使硬度降低，塑性和韧性得到一定的恢复。回火：高温回火(500650)称调质处理。中温回火(300500)低温回火(150300)。回火温度越高，塑性和韧性恢复的越好。,二、钢材的热处理,土木工程中的钢结构有90%以上为焊接结构。焊接质量取决于焊接工艺、焊接材料和钢材的可焊性等。在焊缝及附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，力学性能，特别是强度不低于原有钢材强度。钢材随C、合金元素及杂质元素含量，可焊性。当C0.25%时，可焊性明显降低；S时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。,三、钢材的焊接,第5节钢材的标准与选用,建筑钢材：钢结构用钢与钢筋混凝土用钢。一、钢结构用钢结构钢主要包括碳素结构钢和低台金结构钢。一般均热轧成各种尺寸的型钢(角钢、工字钢、槽钢等)、钢板等。,1.牌号,屈服强度屈服强度数值(MPa)质量等级脱氧程度,Q235-AF,(一)碳素结构钢,2.选用根据工程性质、荷载类型、焊接要求及使用温度等条件选用钢材。Q235常用牌号，具较高强度、较好塑性、韧性和可焊性，成本低。Q235-A适用于静载钢结构；Q235-B适用于动、焊普通钢结构；Q235-C适用于动、焊重要钢结构；Q235-D适用于动、焊、低温重要钢结构；F钢不用于动、焊、低温结构；A级只用于静载钢结构。,加入规定数量的合金元素，以提高钢材的使用性能,屈服强度屈服强度数值(MPa)质量等级,Q345A,1.牌号,(二)低合金高强度结构钢,2.选用与碳素结构钢比具有s、b较高，韧性、塑性、可焊性及耐低温性较好，时效敏感性较小，成本相近。在相同使用条件下可比碳素结构钢节省用钢量20%30%。例如：Q235-DC0.17s235MPaQ345C0.120.2s345MPaf46适用于重型、大跨、高层及大柱网结构。,屈服强度屈服强度数值(MPa)桥梁钢质量等级,Q345qC,严格控制P、S、N等的含量，钢材韧性好，时效敏感性小。1.牌号,(三)桥梁用结构钢（GB/T7142000，2001修改）,235、345、370、420,C、D、E,钢筋混凝土用热轧光圆钢筋钢筋混凝土用热轧带肋钢筋,二、混凝土用钢钢筋与钢丝,(一)钢筋混凝土用热轧钢筋,用低合金热轧盘条经冷加工(或不经冷加工)淬火和回火处理而成。按钢棒表面形状分:光圆钢棒P螺旋槽钢棒PG螺旋肋钢棒HR带有月牙肋(分有纵肋、无纵肋两种)的带肋钢棒R，该钢筋强度高、强握裹力、综合性能理想(塑性变化不大)，广泛应用于高强度预应力混凝土离心管桩、铁路轨枕等预应力混凝土构件中。,(二)预应力混凝土用钢棒,6条螺旋槽钢棒,4条螺旋肋的螺旋肋钢棒,月牙肋(纵肋、无纵肋)钢棒,3条螺旋槽钢棒,采用普通、优质碳素钢或低合金钢热轧盘条经冷轧后，在钢筋表面分布有三面和两面横肋的钢丝与钢筋。冷轧带肋钢筋具有强度高、塑性较好，与钢筋的握裹力高，综合性能良好等优点。使用冷轧带肋钢筋可节约钢材，降低成本，如利用CRB550替代HPB235级热轧钢筋时，可节约钢材30%以上。CRB550可作非预应力混凝土的受力主筋，CRB650及其以上适合用作中、小型预应力混凝土的受力主筋。,(三)冷轧带肋钢丝与钢筋（GB137882008）,冷轧带肋钢筋（GB137882000）,又称高强度精轧螺纹钢筋，由合金钢热轧而成。,螺纹钢筋具有连接、张拉锚固方便、可靠，施工简便；韧性好、强度高、低松弛，节约钢材等优点；解决了高强度预应力钢筋无法接长的难题，特别适用于建造大型桥梁、隧道、码头、大型工业厂房等预应力混凝土工程和岩体锚固工程等。,(四)预应力混凝土用螺纹钢筋（GB/T200652006）,1.分类冷拉钢丝(碳素钢和低合金钢盘条经冷加工而成)消除应力钢丝(在塑性变形下进行短时热处理)按表面外形分：光圆钢丝P、螺旋肋钢丝H、刻痕钢丝I。2.应用屈服强度和b，质量稳定，安全可靠，柔性好，无接头。带肋和刻痕钢丝主要用于先张法预应力混凝土，如电杆、高压水泥管、高压输水管、超长屋面板、空心板、管桩、轨枕等；光圆钢丝则主要用于后张法预应力混凝土。,（五)预应力混凝土用钢丝(GB/T52232002),用2、3或7根高强度钢丝，经绞捻(一般为左捻)、稳定化处理(在一定张力下短时热处理，减小应力松弛)等工序制成。,钢绞线的强度高（b=17201860MPa）、柔性好、103.5，安全可靠，与混凝土间的握裹力强。主要用于大跨度、重负荷的后张法预应力桥梁、特别是曲线配筋的预应力混凝土结构。,(六)预应力混凝土用钢绞线(GB/T52242003),三、其它用途钢及制品(一)不锈钢不锈钢是以铬为主加合金元素的合金钢。按成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢、高锰低铬不锈钢等。不锈钢在建筑上主要用于装饰，因而多数经过磨光或抛光处理。常用的主要为不锈钢薄板(0.22.0mm)以及各种型材、管材、龙骨等。着色后有金色、古铜等颜色。(二)彩色涂层钢板彩色涂层钢板是以冷轧薄钢板或镀锌钢板为基材，经适当处理后，在其表面上涂覆彩色的聚氯乙烯、环氧树脂、不饱和聚酯树脂等而制成。为增加装饰性等常将彩色涂层钢板辊压成一定形状(V型、半波型、梯型等)。彩色涂层钢板主要用于外墙板、屋面板等的护面板等。(三)轻钢龙骨轻钢龙骨是以镀锌钢带或薄钢板经多道工艺轧制而,成。具有强度高、通用性广、耐火性强，安装简便等优点。轻钢龙骨作为室内吊顶和轻板割断的龙骨支架，主要用于安装各类石膏板、吸声板等。,5-6钢材的腐蚀与防止,一、钢材的腐蚀指钢的表面与周围介质发生化学作用或电化学作用而遭到的破坏。腐蚀不仅使其截面减少，降低承载力，而且由于局部腐蚀造成应力集中，易导致结构破坏。（一）化学腐蚀化学腐蚀是钢与干燥气体及非电解质液体的反应而产生的腐蚀。这种腐蚀通常为氧化作用，使钢被氧化形成疏松的氧化物（如氧化铁等）。在干燥环境中腐蚀进行的