第八章 金属材料

第八章金属材料

Chapter8MetallicMaterials1三问？金属材料的基本概念(What)?金属材料具备哪些基本性质(Which)?如何根据土木工程应用选择金属材料(How)?2本章内容

1、钢材的基本知识：铁和钢的概念。钢的分类。钢的冶炼和脱氧及其对钢质量的影响。2、钢材的主要技术性质：力学性质工艺性能。3、钢材的冷加工和热处理：钢材的加工强化和时效处理钢材的热处理。4、建筑钢材的防锈：钢的锈蚀的要点

5、建筑钢材的技术标准及选用：3第一节钢的生产、分类4一、钢的生产

钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素：碳C含量≤2.06％，杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.06～6.69％，并含较多杂质的。冶炼生铁钢生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量5（一）冶炼

根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种原料特点生产钢种氧气转炉铁水，废钢可有效除去磷、硫杂质少，碳素钢效率高质量好。

低合金钢电炉生铁、废钢产量低、耗电大，杂质少合金钢质量最好，成本高

优质碳素钢平炉生铁、废钢时间长，成分稳定碳素钢质量较好、成本较高低合金钢6（二）脱氧与铸锭

沸腾钢：碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F)半镇静钢：脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B)镇静钢：脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z)特殊镇静钢：脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ)

7（三）热加工热加工：是在结晶温度以上进行的压力加工，常用锻造、热压、扎制等多种方式。热加工的作用：使内部气泡焊合，酥松结构致密，晶粒细化。热加工效果：提高钢材的强度、塑性和质量。8二、钢材的分类1.按冶炼设备分类

2．按冶炼时脱氧程度分类3.按化学成分分类4.按有害杂质含量分类5.按用途不同分类

平炉钢转炉钢电炉钢沸腾钢镇静钢半镇静钢特殊镇静钢碳素钢合金钢低碳钢：含碳量＜0.2％(工程用钢）中碳钢：含碳量为0.2～0.60％高碳钢：含碳量＞0.60％低合金钢：合金元素＜3.５％中合金钢：合金元素为3.５～10％高合金钢:合金元素＞10％普通钢:s≤0.050%；P≤0.045％

优质钢:s≤0.035%；P≤0.035％高级优质钢:s≤0.025%；P≤0.025％特级优质钢:s≤0.015%；P≤0.025％结构钢工具钢特殊钢9

第二节建筑钢材的技术性能

钢材的力学性质钢材的工艺性能10一、钢材的力学性质

钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式11（一）强度

强度指标根据其变形特点分下列几个：

弹性极限（σp）表示钢材保持弹性变形,不产生塑性变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。

σpσsσb0σ屈服现象钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度，钢材的强度用拉伸试验测定。12（一）强度屈服强度（

σs）

表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。强度极限(抗拉强度σb)表示金属受拉时所能承受的最大应力。

σpσsσb0σ屈服现象13（一）强度

名义屈服强度0.2对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力作为名义屈服强度（也称条件屈服强度），用0.2表示。fy=f0.20.2%fuεp14问题：屈服现象的特征是什么？

答：其特征是钢材拉伸试验过程中，应力不增加而塑性变形不断增加。15问题：

什么是屈强比，对选用钢材有何意义？

答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s/b。

在应用中，s/b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈高。但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济；若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.60~0.75，既安全又经济。16（二）塑性钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性,用伸长率和断面收缩率来表示。

伸长率（δ）在拉伸试验中,试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。=[（L1—L0）/L0]×100%

断面收缩率（ψ）

试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。=[（A0—A1）/A0]×100%伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大17L1＞L0伸长L1L0A0A1A1＜A0颈缩n=[(L1-L0)/L0]×100%=[(A0-A1)/A0]×100%18（三）冲击韧性

钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性，采用V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。试件摆锤H0H119（三）冲击韧性

测得试样冲击吸收功,用符号Ak（J)表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积F,即得到材料的冲击韧度ak。ak=Ak/F

ak（J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。20冷脆性与时效随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。随时间的延长，钢材的强度逐渐提高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。因时效而导致的性能改变的程度称为时效敏感性。意义：在低温下使用的钢材应选用脆性转变温度低于使用温度的钢材；对于承受动荷载的重要结构应选用时效敏感性小的钢材。21（四）硬度

钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。洛氏硬度测量原理图

布氏硬度测量原理图

22二、钢材的工艺性能

冷弯性能可焊性23（一）冷弯性能1、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力。2、评价指标：用不同弯曲角度和不同弯心半径d相对于钢材厚度a的比值（d/a）表示；3、试验方法：按一定的弯曲角度角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。

24P钢材的冷弯试验ad外拱面25（二）可焊性

1、定义：钢材在焊接后，焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能；2、测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。3、影响因素：化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）；冶炼质量（镇静钢）冷加工等。26合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点27第四节钢材的加工与焊接

Section4TreatmentandWeldingofSteel

1、冷加工强化2、热处理3、焊接28一、冷加工强化与时效1、冷加工处理2、时效处理

291、冷加工强化将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，产生塑性变形，从而提高屈服强度，塑性、韧性降低的现象称为冷加工强化。冷加工强化原理：钢材加工至塑性变形后，由于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，晶格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给变形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。加工强化的效果：屈服强度提高塑性和韧性降低可焊性变坏硬脆倾向增加等。

0σ

0’BKCD未冷拉冷拉后30问题：

直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？

答：不能。因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。312、时效处理

将经过冷加工的钢筋，在常温下存放15~20天，或在100~120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。

实际意义：工程上常对钢筋进行冷拉或冷拔可以达到提高强度和节约钢材的目的。0σ

0’BKCD未冷拉冷拉后K1D1C1经冷拉时效后32二、热处理对钢材性质的影响

热处理是将钢材在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。热处理形式：退火、正火、淬火、回火等。

33温度727C等温处理回火淬火正火退火时间钢材的热处理工艺34热处理对钢材性质的影响

退火可降低钢的硬度，提高塑性和韧性，消除加工处理中形成的缺陷和内应力；正火提高塑性和韧性，强度降低较小，使三者之间良好配合；淬火提高钢材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韧性；回火消除淬火后钢材的内应力和脆性。35第五节钢的腐蚀与防止

Setion5FireResistanceandCorrosionProtectionofSteel36一、钢材的腐蚀

钢材受到周围介质的化学或电化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀。1、化学腐蚀钢材在常温下和高温时发生的氧化或硫化作用。2、电化学腐蚀钢材与电解质溶液接触后，由于发生电化学作用而引起的腐蚀。腐蚀的影响因素：钢材的成分、环境条件、周围介质的性质等。

373839钢材锈蚀的危害减小钢材的受力面积，降低承载力；产生体积膨胀，毁坏钢筋混凝土结构；40二、钢材的防锈

1、制成合金钢加入合金元素铬、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。2、表面覆盖在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，使之与腐蚀性介质隔离，可起到防锈作用。

41

3、设置阳极或阴极

1）阳极保护：在钢结构附近埋设废钢铁作为阳极，钢结构作为阴极，通上直流电源，则钢结构阴极受保护；2）阴极保护：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，钢结构作为阴极受保护。3）混凝土中钢筋的防锈，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢筋表面形成钝化膜保护。

42第六节建筑钢材的标准与选用

Section6SpecificationandChoiceofBuildingSteels

43一、钢材的品种

碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢合金结构钢44（一）碳素结构钢

1、钢的牌号：碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235－A·F，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。Q235C表示屈服强度为235MPa，C级镇静碳素结构钢。

2、钢牌号与性能的关系钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。

45（一）碳素结构钢3、选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如：

Q195和Q215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。

Q235号钢强度较高，塑性和韧性较大，能满足一般钢结构和钢筋混凝土结构用钢的要求，应用广泛。Q235A