土木工程建材课件8金属材料

8.金属材料☻金属材料的分类黑色金属：钢材、铸铁有色金属：铝、铜、铅、锌♥土木工程钢材包括：

各种型钢、钢板、钢管（用于钢结构）各种钢筋、钢丝（用于钢筋混凝土）8.1.1钢的冶炼（先炼铁，后炼钢）

氧气转炉钢

电炉钢

平炉钢8.1△土木工程钢材的基本知识钢铁厂，2013年世界钢产量近13亿吨，中国钢产量约占世界的一半炼铁：高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁水口放出。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。（炼铁高炉最高达100多米）

炼钢的基本任务：可以归纳为“四脱”（脱碳、氧、磷和硫）、“二去”（去气CO和去渣）、“二调整”（调整成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧、造渣、升温、加脱氧剂和合金化操作。转炉炼钢：是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。氧气转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢等的冶炼。（炼一炉钢仅需20min~1h，时间短，产量大，但耗煤量大，空气污染严重）炼钢炉与钢水包电炉钢是用电炉炼制的钢，有电弧炉钢、感应炉钢及真空感应炉钢等。工业上大量生产的，是碱性电弧炉钢。（时间短，几分钟即可，因我国电力不足，所以只用来生产优质钢）电弧炉钢是指在电弧炉中通过石墨电极向炉内输入电能，以电极端部与炉料(废钢、合金料等)之间发生的电弧为热源，使炉料和合金料熔化并精炼制成的钢。电弧炉钢的主要品种为优质碳素钢、低合金钢和合金钢。电弧炉炼钢法是生产优质钢和特殊质量钢的主要炼钢方法。平炉炼钢使用的氧化剂是通入的空气和炉料里的氧化物（废铁，废钢，铁矿石）。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。（时间长，需6~8h,在我国平炉炼钢已在2005年左右完全淘汰）平炉的炉膛是一个耐火砖砌成的槽，上面有耐火砖制成的炉顶盖住。平炉的前墙上有装料口，装料机就从这里把炉料装进去。熔炼时关上耐火砖造成的门。炉膛的两端都筑有炉头，炉头各有两个孔道，供导入燃料与热空气，或从炉里导炉气之用。炼钢时发生的反应:(先氧化，再还原)[Fe]+[O]=[FeO][Si]+｛O2｝=(SiO2)+Q

[Si]+2(FeO)=2[Fe]+(SiO2)+Q(MnO)+[C]=[Mn]+{CO}2[P]+5(FeO)+4(CaO)＝5[Fe]+(4CaO.P2O5)+Q[FeS]+(CaO)=(FeO)+(CaS)-Q钢锭8.1.2钢的分类

钢的分类碳素钢合金钢钢的主要成分:Fe、

C、Si、Mn、P、S、O、N。有害成分：

P、S、O、N。低碳钢C＜0.25%中碳钢C=0.25~0.6%高碳钢C＞0.6%高合金钢：合金含量＞10%中合金钢：合金含量=5~10%低合金钢：合金含量＜5%●按化学成分：●按脱氧程度不同：沸腾钢（F）半镇静钢(b)镇静钢(Z)特殊镇静钢(TZ)●按有害杂质含量：普通钢优质钢高级优质钢●

按用途：结构钢工具钢特殊性能钢

土木工程中主要用钢：◆低碳钢◆低合金钢沸腾钢镇静钢（1）钢的基本晶体组织及对钢材性能的影响

纯铁的晶格类型

钢的基本晶体组织★铁素体★渗碳体★珠光体

土木工程中所用的钢材是由铁素体和珠光体组成的。（2）化学成分对钢材性能的影响8.1.3钢的晶体组织和化学成分除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。这些成分含量少，但对钢的性能影响很大。化学元素强度硬度塑性韧性可焊性其他碳（C）<1%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅（Si）>1%↑↓↓↓↓冷脆性↑锰（Mn）<1%↑↑↑↑脱氧、脱硫剂钛（Ti）↑↑↑↓↑强脱氧剂钒（V)↑↑时效性↓磷（P）↑↑↓↓↓偏析、冷脆↑↑氮（N）↑↑↓↓↓↓冷脆性↑硫（S）↑↓↓热脆性↑氧（O）↑↓↓时效性↑8.1.4钢材的力学性能（1）抗拉性能（2）冷弯性能（3）冲击性能（4）硬度

布氏法

洛氏法（5）疲劳强度

疲劳破坏的定义

疲劳破坏的原因8.1.5焊接性能=S=PS/A0b=Pb/A0=(Ll-L0)*100%/L0Ψ=(A0-Al)*100%/A0

S/b=0.6--0.75E

=/公式钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。ak值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时，ak突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性。这时的温度称脆性临界温度。所以，在负温下使用的钢材，特别是承受动荷载的重要结构，必须要检验其低温下的冲击韧性。αk=Ak/A0(J/mm2)

疲劳强度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突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。在一定条件下，钢材疲劳破坏的应力值随应力循环次数的增加而降低（如图所示）。

钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2×106次应力循环为基准。钢材的疲劳强度与很多因素有关，如组织结构、表面状态、合金成分、夹杂物和应力集中几种情况。一般来说，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。焊接是把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。它是钢结构、钢筋、预埋件的主要连接形式。

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。

钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。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，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。焊接性能疲劳性能很差的劣质钢材、超常负荷韩国汉城（首尔）汉江圣水大桥工作人员正在对桥面进行分解切割冷拔加工示意图钢材冷拉及时效强化应力应变图8.1.6冷加工时效及其应用●冷加工及强化的定义

●时效及时效处理

屈服点等级—质量等级*脱氧程度如：Q235——B（Z）屈服点等级：Q195、Q215、Q235、Q275；质量等级：A、B、C、D。脱氧程度：F(沸腾钢)b（半镇静钢）Z（镇静钢）

TZ（特殊镇静钢）Z,TZ可省略不写！8.2

★土木工程常用钢材8.2.1主要钢种

碳素结构钢的应用

（1）碳素结构钢牌号（四个）

碳素结构钢的技术要求

碳素结构钢牌号的表示方法Q235——强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235良好的塑性可保证钢结构在超载、冲击、焊接、温度应力等不利因素作用下的安全性，因而Q235能满足一般钢结构用钢的要求。

Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构。

Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构，

Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构，

Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构。Q195、Q215——强度低、塑性和韧性稍好，可制作钢钉（铁钉）、铆钉和铁丝等。Q275——强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，不宜在建筑结构中使用，主要用于制造螺栓、轴类、农具、耐磨零件和垫板等。（2）优质碳素结构钢（大部分为镇静钢，个别为沸腾钢）

分类：★普通(Mn＜0.7%)

★较高含锰量(Mn=0.7~1.2%)

表示方法：45Mn（含碳量为0.45%，较高含锰量）

应用：重要结构的钢铸件、高强螺栓、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线、预应力混凝土中的锚具等。（3）低合金高强度结构钢

定义、牌号（八个，A、B、C、D、E等级）

技术要求：化学成分、力学性能

表示方法：与碳素钢相同

性质特点刻痕钢丝、钢绞线碳素钢丝、高强螺栓钢绞线、刻痕钢绞线预应力混凝土锚具预应力混凝土吊车梁、管桩、公路

低合金高强度结构钢强度高，综合性能好，主要用于轧制型钢、钢板、钢管、钢筋等，广泛应用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲击荷载的结构。鸟巢（英文:BirdsNest）体育场由瑞士的雅克·赫尔佐格、德梅隆、艾未未以及李兴刚等设计，由北京城建集团负责施工。2003年12月24日开工建设，2008年3月完工，总造价22.67亿元。主体结构设计使用年限100年，耐火等级为一级，抗震设防烈度8度，地下工程防水等级1级。建筑面积25.8万平方米，建筑高度69米，固定座位数80000个，临时座位数11000个。“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它的钢结构采用Q460，生产这种钢难度很大。这是中国国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的，在中国的国家标准中，Q460的最大厚度也只是100毫米。以前这种钢一般从卢森堡、韩国、日本进口。为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，河南舞阳特种钢厂的科研人员开始了长达半年多的科技攻关，前后3次试制终于获得成功。鸟巢（英文:BirdsNest）（1）热轧钢筋

热轧钢筋的分类

热轧钢筋的力学性质及应用8.2.2钢筋混凝土用钢材（4）预应力混凝土用钢棒、钢丝、钢绞线

（4）冷拔低碳钢丝

冷拔低碳钢丝的定义及分类

冷拔低碳钢丝的应用

（2）冷轧带肋钢筋（3）冷轧扭钢筋热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋，由低碳钢和普通合金钢在高温状态下压制而成，主要用于钢筋混凝土和预应力混凝土的配筋，是土木建筑工程中使用量最大的钢材品种之一。直径6.5～9毫米的钢筋，大多数卷成盘条；直径10～40毫米的一般是6～12米长的直条。分为热轧光圆钢筋（HPB）和热轧带肋钢筋(HRB)两种。区别：热轧钢筋是在钢铁加工厂里钢炉中的钢模上直接加工好的，就是从炉子里出来就是炽热（故称“热轧”）的成品，冷却后就可以使用。冷轧钢筋是把热轧钢筋再进行冷加工而得到钢筋，比如在常温下对钢筋进行冷拉、拉拔。热轧钢筋屈服强度较低，塑性性能好。冷轧钢筋屈服强度较高，塑性性能差。两者的极限抗拉压强度相同。冷轧带肋钢筋是用热轧盘条（碳素钢Q215、Q235）经多道冷轧减径，一道压肋并经消除内应力后形成的一种带有二面或三面月牙形的钢筋。冷轧带肋钢筋在预应力混凝土构件中，是冷拔低碳钢丝的更新换代产品，在现浇混凝土结构中，则可代换Ⅰ级钢筋，以节约钢材。轧制：将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材、板材、管材。

HRB235级和HRB300级由碳素结构钢轧制，其余均由低合金钢轧制。I级钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋和箍筋。HRB335级和HRB400级由低合金镇静钢轧制，钢筋的强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。其中HRB335F级为经过晶粒细化的钢筋，冷脆性低，可用于低温地区或震区使用。HRB500级钢筋中碳低合金镇静钢强度高，但塑性和可焊性较差，主要用作预应力钢筋。HRB（HotrolledRibbedBars）

冷拔低碳钢丝

冷拔低碳钢丝是将直径为6.5～8mm的Q235热轧盘条钢筋，经冷拔加工而成。根据标准GB50204一92的规定，冷拔低碳钢丝分为甲、乙两级，甲级丝适用于作预应力筋，乙级丝适用于作焊接网、焊接骨架、箍筋和构造钢筋。

预应力混凝土用热处理钢筋（钢棒）

热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋(中碳低合金钢)经淬火和高温回火调质处理而成的。按盘条供应，开盘后自动伸直。有光圆、螺旋槽、螺旋肋、带肋钢棒四种。其特点是塑性降低不大，但强度提高很多，综合性能比较理想。其主要用于预应力混凝土轨枕，预应力梁、板，代替碳素钢丝。

预应力混凝土用钢丝和钢绞线

根据GB/T5223--2002《预应力混凝土用钢丝》规定，预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成，抗拉强度高达1470～1770MPa，分为消除应力光圆钢丝、消除应力刻痕钢