土木工程材料 建筑材料第十三讲

第六章

金属材料§6.1钢材的生产和分类§6.1.1钢材的生产定义：钢：以铁为主要元素，含碳量在2.11％以下，并含少量其他元素的材料。铁：含碳量在2.11～6.69％，并含杂质较多的铁碳合金。钢材：生铁经冶炼、铸锭、轧制和热处理等工艺过程生产而成的材料。1一、钢的冶炼 1.冶炼过程钢的冶炼就是通过生铁在炼钢炉内的高温氧化作用，将生铁中的碳氧化，使含碳量降至要求的范围，同时，将其中的硫、磷等有害杂质含量降至一定范围内的过程。钢经过冶炼后，质量提高，技术性能显著改善。22.冶炼方法三种方法：平炉、氧气转炉和电炉炼钢。3二、钢的铸锭1.定义：经冶炼后的钢水浇入锭模，形成柱状的钢锭的工艺过程称为铸锭。2.根据脱氧程度的不同，可以分为镇静钢，非镇静钢和沸腾钢。沸腾钢：脱氧不充分，铸锭时有大量CO气体外逸，引起钢水剧烈沸腾，称沸腾钢。镇静钢：镇静钢的脱氧充分，铸锭时钢水平静地凝固，故称为镇静钢。非镇静钢：介于沸腾钢和镇静钢之间。4三、压力加工和热处理1.目的钢在铸锭过程中，常会出现偏析、缩孔、气泡、晶粒粗大和组织不致密等缺陷。因此，工业上使用的钢材，都要在铸锭后，再经压力加工才能使用。2.方法热加工是将钢加热，在再结晶温度以上完成的压力加工。冷加工是在再结晶温度以下完成的压力加工。53.结果钢经压力加工后，可使内部的气孔焊合，疏松组织密实，消除铸造显微缺陷，并细化晶粒，提高强度和质量。6§6.2钢材的分类按碳的含量：高碳钢：含碳量大于0.6%。中碳钢：含碳量为0.25%～0.6%。低碳钢：含碳量小于0.25%。按化学成分钢材可分为:低合金钢：合金元素含量小于5%；中合金钢：合金元素含量为5%～10%；高合金钢：合金元素含量大于10%；按主要质量钢材分为普通钢、优质钢和高级优质钢等。（主要对硫、磷有害杂质的限制不同）。按冶炼时的脱氧程度钢材分为特殊镇静钢（TZ）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）和沸腾钢（F）。按用途钢材分为结构钢、工具钢和特殊钢。7§6.2钢材的力学性能§6.2.1抗拉性能一、弹性阶段（O→A）1.弹性模量E=σ/ε2.钢材的弹性模量（2.0～2.1）x105Mpa二、屈服阶段（A→B）设计中以屈服强度作为强度取值的依据。8三、强化阶段（B→C）应用：抗拉强度与屈服强度之比（强屈比）σb／σs是评价钢材使用可靠性的一个参数。强屈比愈大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但是，强屈比太大，钢材强度的利用率偏低，浪费材料。钢材的强屈比一般应不低于1.2，用于抗震结构的普通钢筋实测的强屈比应不低于1.25。9四、紧缩阶段（C→D）伸长率：钢材的原标距为：l0=5d0或l0=10d0，伸长率分别用δ5和δ10表示。五、硬钢特点：其抗拉强度高，无明显屈服阶段，伸长率小。屈服强度：采用产生残余变形为0.2%的应力σ0.2为屈服强度10§6.2.2冷冷弯性能冷弯性能反应应钢材在常温温下承受弯曲曲变形的能力力，是钢材的的重要工艺性性能指标。（钢筋的弯钩钩）钢材的冷弯性性能，常用弯弯曲的角度α，弯心直径d与试件直径d的比值（d/α）来表示。弯曲曲角度愈大，，d/α愈小，试件的的弯曲程度愈愈高。钢材的冷弯性性能和伸长率率均是塑性变变形能力的反反映。伸长率率反映的是钢钢材在均匀变变形条件下的的塑性变形能能力，冷弯性性能则是钢材在局部变变形条件下的的塑性变形能能力。冷弯性性能可揭示钢钢材内部结构是否均均匀、是否存存在内应力和和夹杂物等缺缺陷。11§6.2.3冲冲击韧性冲击韧性指钢材抵抗冲冲击荷载的能能力。αk值越大，表明明钢材的冲击击韧性愈好。。钢材的冲击击韧性受钢的的化学成分、、组织状态、、冶炼和轧制制质量、使用用温度和时间间的影响。冷脆性：钢材的冲击韧韧性随温度降降低而下降，，其规律是开开始下降缓慢慢，当达到某某一温度范围围时，突然大大幅度下降，，而呈脆性。。时效：随着时间的延延长，钢材的的强度逐渐提提高，塑性和和冲击韧性下下降的现象。。12§6.2.4耐耐疲劳性1.定义：疲劳破坏：钢钢材在交变荷荷载反复作用用下，在应力力远低于抗拉拉强度的情况况下发生突然然破坏。疲劳强度：将将承受交变荷荷载达107周次时不破坏坏的最大应力力定义为疲劳劳强度。2.破坏的产产生原因钢材的疲劳破破坏是拉应力力引起的。首首先在局部开开始形成微细细裂纹，其后后由于裂纹尖尖端处产生应应力集中而使使裂纹逐渐扩扩展直至疲劳劳断裂。钢材材内部的晶体体结构、偏析析以及最大应应力处的表面面质量等因素素均会明显影影响疲劳强度度。13§6.2.5硬硬度定义：是指钢钢材抵抗硬物物压入产生局局部变形的能能力。测试方法：布氏氏法、洛氏法和和维氏法。14§6.3钢的晶体体组织与化学成成分§6.3.1钢的的晶体组织一、铁元素的同同素异构现象定义：某些金属在温度度改变时其晶格格随之变化的现现象。转变过程：纯铁在从液态转转变为固态晶体体并逐渐冷却到到室温的过程中中，发生两次晶晶格形式的转变变，在1349℃以上时，形形成体心立方晶晶格，称δ-Fe；由1394℃降降至912℃时时，转变为面心心立方晶格，称称γ-Fe；降至912℃以以下，又转变为为体心立方晶格格，称α-Fe。15二、钢的基本晶晶体组织(一)铁素体体铁素体是碳溶于于α-Fe中的固溶体。铁素体具有良好好塑性，但强度度、硬度较低。。(二)渗碳体体渗碳体是铁与碳碳形成的Fe3C化合物。渗碳体中含碳量量极高（6.69％），塑性性小，伸长率近近似为零；硬度高，布氏硬度HB可达800；抗拉强度值较低低。16(三)珠光体体珠光体是铁素体体和渗碳体的机机械混合物，平平均含碳量为0.77%，通通常是在铁素体体基体上分布着着硬脆的呈层状状构造的渗碳体体。珠光体的性性能除强度外，，介于铁素体和和渗碳体之间。。(四)奥氏体奥氏体存在于727℃以上的钢中中，它是碳溶于γ-Fe中的固溶体。奥氏氏体中碳的溶解度度随温度而变化于于0.77％～2.11％之间，，其强度、硬度不不高，塑性好，故故钢材在高温条件件下容易轧制成材材。17三、晶体组织含量量与含碳量的关系系18§6.3.2化学学成分对钢材性能能的影响一、碳(C)影响：含碳量增加加，钢的强度和硬硬度增加，塑性和和韧性下降。含碳碳量大于1.O％时，钢材变脆，强强度反而下降。含含碳量增加，还会会使焊接性能、耐耐锈蚀性能下降，，并增加钢的冷脆脆性和时效敏感性性。含碳量大于0.3％时，焊接接性明显下降。二、硫(S)热脆性19三、磷(P)有害元素之一，含含量不超过0.045%，磷的存存在使钢材的冷脆脆性增加。但可以以使钢的强度、耐耐磨性、耐蚀性增增加。四、硅、锰主要是为脱