第4章建筑金属材料

1、土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5214.1 钢的分类钢的分类 4.2 建筑钢材的技术性质建筑钢材的技术性质4.3 钢材的强化与加工钢材的强化与加工4.4 钢材的化学组成与性能钢材的化学组成与性能4.5 钢材的腐蚀与防护钢材的腐蚀与防护4.6 建筑钢材的标准与选用建筑钢材的标准与选用土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:522v了解了解建筑钢材的组分中化学元素对其性能的影响；建筑钢材的组分中化学元素对其性能的影响；v熟练掌握建筑钢材的力学性能熟练掌握建筑钢材的力学性能(包括强度、弹性及塑性包括强度、弹性及塑性变形、耐疲劳性变形、耐疲

2、劳性)的意义、测试方法及影响因素；的意义、测试方法及影响因素；v熟悉建筑钢材的强化方法；熟悉建筑钢材的强化方法；v掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。难点难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。钢材性能的影响。本章学习目标本章学习目标土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:523 v 优点优点v比强度高比强度高v塑性好、韧性好塑性好、韧性好v能承受冲击和振动荷载能承受冲击和振动荷载v加工性好加工性好v 缺点缺点v易锈蚀易锈蚀v维护费用大维护费

3、用大土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:524 钢与生铁的区分在于含碳量的大小。钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于含碳量小于2.06%的铁的铁碳合金称为碳合金称为钢钢。含碳量大于。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁。的铁碳合金称为生铁。碳素钢碳素钢合金钢合金钢低碳钢低碳钢:含碳量含碳量 0.25%低合金钢低合金钢:合金元素含量合金元素含量 0.60%高合金钢高合金钢:合金元素含量合金元素含量 10%按化学成分分类按化学成分分类土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:525普通钢普通钢优质钢优质钢高级优质钢高级优质钢特级优质钢特级

4、优质钢含硫量含硫量0.025%，含磷量，含磷量0.025%；高级优质钢的钢号后加；高级优质钢的钢号后加“高高”字或字或“A”。含硫量含硫量0.045%-0.050%；含磷量；含磷量0.045%。含硫量含硫量0.035%；含磷量；含磷量0.035%。含硫量含硫量0.015%，含磷量，含磷量0.025%；特级优质钢后加；特级优质钢后加“E”。按品质按品质(杂质含量杂质含量)分类分类土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:526钢种钢种脱氧程度脱氧程度冷却情况冷却情况钢材质量钢材质量沸腾钢沸腾钢不充分不充分浇筑时有大量浇筑时有大量 CO 逸出逸出 致密性、冲击韧性、可焊性致

5、密性、冲击韧性、可焊性均差均差镇静钢镇静钢充分充分平静冷却，无平静冷却，无CO 逸出逸出 组织致密、成分均匀、机械组织致密、成分均匀、机械性能好性能好半镇静钢半镇静钢介于二者之间介于二者之间 好好特殊镇静钢特殊镇静钢最充分最充分最好最好按脱氧程度分类按脱氧程度分类土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:527土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:528抗拉性能抗拉性能塑性和韧性塑性和韧性耐疲劳性耐疲劳性冷弯性能冷弯性能焊接性能焊接性能抗拉强度抗拉强度、屈服强度屈服强度、弹性模量弹性模量和伸长率和伸长率土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑

6、金属材料建筑金属材料21:529土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5210弹性模量反映弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变形的能力，了材料受力时抵抗弹性变形的能力，即刚度即刚度。对于对于高强钢筋和钢丝，屈服不明高强钢筋和钢丝，屈服不明显，此时规定以产生显，此时规定以产生0.2%残余变残余变形时的应力作为屈服强度形时的应力作为屈服强度0.2，又又称为称为条件屈服强度条件屈服强度。0.2%0抗拉强度抗拉强度与屈服强度之比，称为与屈服强度之比，称为强屈比强屈比。强屈比越大，钢材受。强屈比越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构的安全性越高。一般力超过屈服点工作时

7、的可靠性越大，结构的安全性越高。一般大于大于1.2。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5211把把试件断裂的两段拼起来，便可测得标距范围内的长度试件断裂的两段拼起来，便可测得标距范围内的长度l，l与标与标距长距长l0差值，与差值，与原长原长l0的比率称为的比率称为伸长率伸长率。%100001llll0l1断面收缩率断面收缩率%100010FFF土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5212 冲击韧性冲击韧性是是指钢材抵抗冲击荷载的能力。指钢材抵抗冲击荷载的能力。 钢材的冲击韧性试验是将钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样标准弯曲试样置于

8、冲击机的支架上，置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金并使切槽位于受拉的一侧。钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时冲击吸收功属试样在冲击负荷作用下折断时冲击吸收功W。AWkA为为试件断口处的截面试件断口处的截面积积化学成分化学成分、温度温度影响钢材的冲击韧性。影响钢材的冲击韧性。钢材韧性随温度突然下降钢材韧性随温度突然下降冷脆冷脆性性 。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5213 受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下发下发生断裂生断

9、裂破坏的现象，称为破坏的现象，称为疲劳破坏疲劳破坏。钢材在交钢材在交变荷载作用变荷载作用下，于规定的下，于规定的周期次数内不发生断裂所承受的最周期次数内不发生断裂所承受的最大应力大应力值，称为值，称为疲劳极限。一般随疲劳极限。一般随钢材的抗拉强度的提高而增大。钢材的抗拉强度的提高而增大。影响因素影响因素：组织：组织结构、表面状态、结构、表面状态、合金成分、夹杂物和合金成分、夹杂物和应力集中等。应力集中等。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5214 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，以试验是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的时的弯曲角度

10、弯曲角度 和和弯心直径弯心直径d为指标表示为指标表示。冷弯试验通过直径为冷弯试验通过直径为a的的试件，采用标准规定的试件，采用标准规定的弯心直径弯心直径d，弯曲到规定弯曲到规定的角度时的角度时(180o或或90o)。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5215检查检查弯曲处有无弯曲处有无裂纹裂纹、断裂断裂及及起层起层等现象。若没有这些现象等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。则认为冷弯性能合格。钢材钢材冷弯时的弯曲角度越大，冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。能越好。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料

11、建筑金属材料21:5216主要因素主要因素影响是影响是化学成分化学成分及及含量含量。如钢材的含碳量超过。如钢材的含碳量超过0.25%时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。严重降低焊接质量。 钢材的可焊性钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度致程度。焊接焊接质量可质量可通过拉伸试验通过拉伸试验和无损检测两者方法检测。和无损检测两者方法检测。 土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5217将将钢材于常温下进行钢材于常温下进行

12、冷拉冷拉、冷拔冷拔或或冷轧冷轧使其产生塑性变形，从使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性而提高屈服强度，降低塑性韧性，称为，称为冷加工强化处理冷加工强化处理。 将将热轧钢筋用拉伸设备在热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生常温下拉长，使之产生一一定塑性变形，称为定塑性变形，称为冷拉冷拉。钢材用拉伸设备拉伸后能钢材用拉伸设备拉伸后能提高强度。提高强度。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5218将将钢筋通过硬质合金拔丝模孔钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔，使之不仅受拉、而强行拉拔，使之不仅受拉、而且受挤压以提高强度，称为且受挤压以提高强度，称为冷冷拔拔。

13、每次冷拔断面缩小应为。每次冷拔断面缩小应为10%以下，可多次冷拔。以下，可多次冷拔。在在这个过程中，强度可提高这个过程中，强度可提高40-60%，效果好与冷拉。，效果好与冷拉。冷加工强化的机理冷加工强化的机理：钢材冷加工时，晶格缺陷增多，晶格畸变，对：钢材冷加工时，晶格缺陷增多，晶格畸变，对位错运动的阻力增大，从而屈服强度提高，塑性和韧性降低。位错运动的阻力增大，从而屈服强度提高，塑性和韧性降低。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5219时效处理时效处理 经冷拉钢材随时间延长，屈服强度进一步提高，且抗拉强经冷拉钢材随时间延长，屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高

14、，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程成为复。这个过程成为时效处理时效处理。 自然时效自然时效人工时效人工时效在常温下存放在常温下存放1520 d，称为自然时，称为自然时效，适合用于低强度钢筋。效，适合用于低强度钢筋。加热至加热至100200后保持一定时间后保持一定时间(23h) 称人工时效，适于高强钢筋。称人工时效，适于高强钢筋。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5220 热处理热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变

15、其组织，得到所需要的性能的一种工艺处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。淬火淬火将将钢材加热至基本组织改变温度钢材加热至基本组织改变温度以上，保温使基本组织转变为奥以上，保温使基本组织转变为奥氏体，然后氏体，然后投入水或矿物油中急投入水或矿物油中急冷冷，使晶粒细化，碳的固溶量增，使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。性明显下降。 回火回火 将将比较硬脆、存在内应力的钢，再加比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下热至基本组织改变温度以下(150-650 oC)，保温，保温后后按一定制度冷却至室温按一定制度冷却至室温的

16、热处理方法称回火。回火后的钢材，的热处理方法称回火。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。得到改善。 退火退火将将钢材加热至基本组织转变温度以下钢材加热至基本组织转变温度以下(低温退火低温退火)或以上或以上(完全退火完全退火)，适当适当保温后缓慢冷却保温后缓慢冷却，以消除内应力，减，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。性得到改善。 正火正火将将钢件加热至基本组织改变温度以上，钢件加热至基本组织改变温度以上，然后然后在空气中冷却在空气中冷却，使晶格细化，钢，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所

17、降低。的强度提高而塑性有所降低。 土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5221元素元素强度强度韧性韧性塑性塑性其他性能其他性能C增加增加降降 低低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向Si增加增加影响不大影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性Mn增加增加影响不大影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P稍增加稍增加显著降低显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀性增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀性S降低降低降降 低低增

18、大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O降低降低降降 低低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性N提高提高降降 低低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性Ti提高提高改善改善 降低降低提高焊接性和抗蚀性提高焊接性和抗蚀性V提高提高改善改善减少冷脆性、降低焊接性减少冷脆性、降低焊接性土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5222 钢材受到周围介质的钢材受到周围介质的化学作用化学作用或或电化学作用电化学作用而逐渐

19、破而逐渐破坏的现象称为腐蚀坏的现象称为腐蚀。化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀 由非电解质溶液或各种干燥气体由非电解质溶液或各种干燥气体(O2、CO2、SO3、Cl2、H2S)等所引起的纯等所引起的纯化学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材化学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材表面产生疏松的氧化物膜层。表面产生疏松的氧化物膜层。 指钢材与电解质溶液接触而产生电指钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀。流，形成微电池而引起的锈蚀。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5223土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5224v 制成合金钢制

20、成合金钢 加入加入合金元素铬、镍制成不锈钢、或加入铜制成合金钢，合金元素铬、镍制成不锈钢、或加入铜制成合金钢，可显著提高抗锈蚀能力可显著提高抗锈蚀能力。钢筋的防腐钢筋的防腐v表面表面覆盖覆盖 在在钢材表面电镀或喷镀一层覆盖物，如：镀锌、镀锡、镀钢材表面电镀或喷镀一层覆盖物，如：镀锌、镀锡、镀铬、镀银等；或在钢材表面涂防锈涂料或油漆，使之与腐蚀性铬、镀银等；或在钢材表面涂防锈涂料或油漆，使之与腐蚀性介质隔离，可起到防锈作用。介质隔离，可起到防锈作用。 土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5225v 设置阳极或阴极保护设置阳极或阴极保护 阳极保护阳极保护：在钢结构附近

21、埋设废钢铁作为阳极，：在钢结构附近埋设废钢铁作为阳极，保护钢保护钢结构作为阴极结构作为阴极，通上直流电源，则钢结构阴极受保护；，通上直流电源，则钢结构阴极受保护； 阴极保护阴极保护：在被保护钢结构上，连接一块比铁更活泼的：在被保护钢结构上，连接一块比铁更活泼的金属，如锌、镁等，使活泼金属作为阳极被腐蚀，金属，如锌、镁等，使活泼金属作为阳极被腐蚀，钢结构作钢结构作为阴极为阴极受保护受保护。v混凝土混凝土中钢筋的防锈中钢筋的防锈，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢筋表面形成钝化膜保护，提高混凝土的密实度，混凝土表面筋表面形成钝化膜保护，提高混凝土的密实度，混凝土表面涂刷

22、保护涂层等。涂刷保护涂层等。 土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5226 裸露裸露的、未作表面防火处理的钢结构，耐火极限仅的、未作表面防火处理的钢结构，耐火极限仅15min左左右。在温升右。在温升500的环境下，强度迅速降低，甚至会迅速塌垮。的环境下，强度迅速降低，甚至会迅速塌垮。 因此因此在钢结构或钢筋混凝土结构遇到火灾时，应考虑在钢结构或钢筋混凝土结构遇到火灾时，应考虑温度温度对对钢筋或型钢钢筋或型钢金相组织与力学性能金相组织与力学性能的影响。预应力结构中必须考虑的影响。预应力结构中必须考虑钢筋在高温条件下的钢筋在高温条件下的预应力损失预应力损失，所造成的整

23、个结构物应力体系，所造成的整个结构物应力体系的变化的变化。 措施措施：钢结构应采取预防包覆措施，如：钢结构应采取预防包覆措施，如设置防火板设置防火板或或涂刷防火涂刷防火涂料涂料。钢筋混凝土结构中，。钢筋混凝土结构中，混凝土保护层混凝土保护层应到达一定厚度。应到达一定厚度。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5227碳素结构钢碳素结构钢建筑钢材的主要钢种建筑钢材的主要钢种 牌号：牌号：根据国标根据国标碳素结构钢碳素结构钢(GBT700-2006)，碳素结构钢按，碳素结构钢按屈服强度屈服强度分为分为Q195、Q215、Q235、Q255和和Q275五个牌号，每个牌号又

24、根据硫、磷等杂质含量五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为分为A、B、C、D四个质量等级。四个质量等级。 钢牌号与性能的关系钢牌号与性能的关系 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢Q235-BZ屈服点代号屈服点代号屈服点值屈服点值质量等级质量等级脱氧程度脱氧程度土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5228选用原则选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、

25、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。vQ195和和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓等；于钢钉、螺栓等；vQ235A使用于承受静载作用的钢结构；使用于承受静载作用的钢结构；vQ235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；可用于承受动载焊接的普通钢结构；vQ235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；可用于承受动载焊接的重要钢结构；vQ235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构；可用于低温承受动荷载焊接的钢结构；vQ255和和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等。强度较高，塑性和

26、韧性较差，主要用于机械零件等。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5229低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 组成组成：含有：含有5%以下的合金元素以下的合金元素(Si、Mn、Ti、Cr、Ni、Cu等等)，含碳量，含碳量0.2%。 牌号牌号: 根据国家标准根据国家标准低合金结构钢低合金结构钢（GBT1591-2008）共有共有5个牌号：个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。每个牌号分为。每个牌号分为5个等级。个等级。 特性特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可高且稳定，良好的塑

27、性和韧性，适当的可焊性。焊性。 应用应用：适合于大跨结构、高层建筑和桥梁。：适合于大跨结构、高层建筑和桥梁。土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5230武汉长江大桥武汉长江大桥 钢材全部进口钢材全部进口南京长江大桥南京长江大桥 钢材部分进口钢材部分进口土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5231 卢浦大桥主桥长卢浦大桥主桥长750米，米，主跨主跨550米米，曾是，曾是世界世界第一第一钢结构钢结构拱桥拱桥。同时，卢浦大同时，卢浦大桥还是目前世界上首座采用桥还是目前世界上首座采用除合龙段之外，完全采用焊除合龙段之外，完全采用焊接工艺连接的

28、一座跨江的特接工艺连接的一座跨江的特大型拱桥，大型拱桥，现场焊接焊缝总现场焊接焊缝总长度达长度达4万多米万多米。 上海卢浦大桥上海卢浦大桥土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5232钢筋混凝土结构用钢材：钢筋混凝土结构用钢材： 混凝土混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用又对钢筋起保护作用。热轧钢筋热轧钢筋冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5233 牌号牌号：有：有、四个级别，四个级别，级为光圆钢筋，牌号级为光圆钢筋，牌号为为Q235；、为带肋钢筋，牌号为：为带肋钢筋，牌号为：HRB+屈服强度的最屈服强度的最小值构成，有小值构成，有HRB335、 HRB400、 HRB500 三个牌号三个牌号。(a)月牙肋钢筋月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋等高肋钢筋土木工程材料土木工程材料第第4章章 建筑金属材料建筑金属材料21:5234