建筑金属材料清华土木工程材料实用教案

1、 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(fn li)，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(bn zhn)主要教学内容与要求第1页/共45页第一页，共46页。建筑(jinzh)金属材料“鸟巢(nio cho)”的钢结构造型u建筑金属材料概述u钢材的冶炼及分类u钢材的主要技术性能u钢材组织和成分对性能的影响u钢材的冷加工与热处理u钢材的技术标准及选用(xunyng)u钢材的锈蚀与防护u其他建筑金属材料第2页/共45页第二页，共46页。建筑(jin

2、zh)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( zhn)钢材，包括钢结构用的各种( zhn)型钢（圆钢、角钢、槽钢和工字钢）、钢板，钢筋混凝土用的各种( zhn)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

3、，有优良的性能和独特的装饰效果。第3页/共45页第三页，共46页。钢材(gngci)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(kn l qin d)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。第4页/共45页第四页，共46页。 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

4、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(gnj)含碳量多少，碳素钢可分为： 低碳钢：含碳量0.25以下。 中碳钢：含碳量0.250.6。 高碳钢：含碳量大于0.6。 (2)合金钢根据(gnj)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510之间； 高合金钢：合金元素总含量大于10。 钢材(gngci)的分类按化学成分 第5页/共45页第五页，共46页。 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。

5、硫含量0.030，磷含量0.035 合金钢按冶金(yjn)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(gngci)的分类按质量、用途u根据钢的用途，可分为结构钢、工具钢和特殊钢：u结构钢：用作工程结构构件及机械零件，土木工程(tm gngchng)中常用u工具钢：用过各种量具、刀具及模具的钢u特殊钢：有特殊物理、化学及机械性能，如不锈钢、耐热钢等第6页/共45页第六页，共46页。 根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为沸腾钢、

6、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(xngnng)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

7、好，用于特别重要的工程结构。钢材的分类(fn li)按脱氧程度第7页/共45页第七页，共46页。建筑钢材的主要(zhyo)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(xunyng)(xunyng)的钢材的基本依据。第8页/共45页第八页，共46页。抗拉性能(xngnng) 抗拉性能是土木工程用钢材最主要的技术(jsh)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(jsh)性能指标。 u 弹性阶段：弹性阶段：OA段，弹性极限段，弹性极限(Re) 应力应力-应变呈正线性关系，其比值为弹性模应变呈正线性关系

8、，其比值为弹性模量。量。 u 屈服阶段：屈服阶段：AB段，应力超过段，应力超过Re后，开后，开始始(kish)产生塑性变形；下屈服点产生塑性变形；下屈服点(B下下)，屈服强度（，屈服强度（ ReL ）。）。 u 强化阶段：强化阶段：BC段，钢材抵抗外力的能段，钢材抵抗外力的能力重新提高，抗拉极限力重新提高，抗拉极限(Rm )u 颈缩阶段：颈缩阶段：CD段，拉断前薄弱处截面段，拉断前薄弱处截面显著缩小，产生显著缩小，产生“颈缩颈缩” 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0.20.2时的应力值作为屈服强度，称条件条件屈服点屈服点，用 R Rp0.2p0.2表示第9页

9、/共45页第九页，共46页。屈强(q qin)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(fnyng)(fnyng)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0.600.600.750.75。 常用碳素钢的屈服比为0.580.580.630.63。 普通的合金钢的屈强比在0.670.670.750.75。 低碳钢屈强比meLRR中高碳钢屈强比mRR2 . 0p第10页/共45页第十页，共46页。塑性(sxng) 建筑钢材应具有很

10、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（） 通常以5和10分另表示L05d0和L010 d0时的伸长率。对于(duy)同一种钢材，其5 10。 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%00ulllu100%00uSSSZ第11页/共45页第十一页，共46页。冲击韧性 冲击(chngj)韧性是指钢材抵抗冲击(chngj)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(chngj)试验确定。u 当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件吸收(xshu)的能量等于冲击摆所做的功，缺口底

11、部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标。 AHm）（hgaku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(li wn)等都会使冲击韧性显著降低。 第12页/共45页第十二页，共46页。u钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压人产生局部变形(bin xng)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。u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：u 当HB175时，Rm3.6HB；当HB175时，Rm3.5HB疲劳强

12、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(fshng)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(fshng)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。 硬度硬度(yngd)第13页/共45页第十三页，共46页。冷弯性能(xngnng) 冷弯性能(xngnng)是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，冷弯性能(xngnng)指标以试件在常温下所能承受的弯曲程（弯曲角度和弯心直径d）表示。u钢材的冷弯后，检查(jinch)弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些

13、现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，d/a越小，则表示冷弯性能越好。 u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第14页/共45页第十四页，共46页。焊接(hnji)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(CE)是决定焊接性的主要因素。

14、我国的热轧带肋钢筋的碳当量规定为CE0.55。 常用土木工程用钢材的焊接性 低碳钢碳当量CE0.25，塑性好，焊接性能优良(yuling)。 低合金高强度结构钢：当CE0.4时，焊接性能良好；当CE0.4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。第15页/共45页第十五页，共46页。钢材钢材(gngci)焊接质量检验焊接质量检验 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(quxin)； 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第16页/共45页第

15、十六页，共46页。体心立方体体心立方体钢材(gngci)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(gibin)发生同素异构转变。铁素体铁素体奥氏体奥氏体渗碳体渗碳体珠光体珠光体钢的组织(zzh)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面心立方体第17页/共45页第十七页，共46页。钢的基本组织(zzh)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铁素体 0

16、.02%C溶于溶于Fe中的固体相中的固体相180280508030%50%性能与纯铁相似，即强度、性能与纯铁相似，即强度、硬度低，塑性、韧性好。硬度低，塑性、韧性好。珠光体珠光体0.8铁素体与渗铁素体与渗碳体的机械碳体的机械混合物混合物75015020%25%性能介于铁素体和渗碳体之性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。有一定的塑性。渗碳体渗碳体6.69化合物化合物Fe3C 强度极高强度极高800接近于零接近于零铁中的主要强化相，强度、铁中的主要强化相，强度、硬度很高，脆性大。硬度很高，脆性大。奥氏体奥氏体0.8C溶于溶于Fe中的固体相中的固体相

17、400160220 40%50%其强度和硬度比铁素体高，其强度和硬度比铁素体高，塑性、韧性好。因此，钢材塑性、韧性好。因此，钢材多数加热到奥氏体进行锻造。多数加热到奥氏体进行锻造。钢材的组织(zzh)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(z chn)，无渗碳体；强度较高，塑性、韧性较好。第18页/共45页第十八页，共46页。 （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（

18、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1.01.2时，强度提高，塑性和韧性明显下降，工艺性变差。（3）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质(xngzh)改善。钢材的化学成分对性能(xngnng)的影响第19页/共45页第十九页，共46页。（）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在(cnzi)于钢中，具有强烈的偏析作用，增大钢材的热脆性，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。（）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。 （）氧：