土木工程材料 课件 6金属材料

土木工程材料CivilEngineeringMaterialsCONTENT建筑钢材01铝合金及制品02铜及铜合金03钛及钛合金04第六章

建筑金属材料【工程案例导入】探秘“鸟巢”：钢结构下的奥运梦想国家体育场

国家体育场，因其独特的外形设计酷似鸟巢，故而得名“鸟巢”，坐落在北京奥林匹克公园的中心地带，是2008年北京奥运会的主体育场，以及2022年北京冬奥会和冬残奥会开闭幕式场馆。01建筑钢材建筑钢材

建筑钢材是指用于钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构的各种型钢，以及用于围护结构和装修工程的各种深加工钢板和复合板等。1.钢材的冶炼和分类（1）钢材的冶炼

钢主要化学成分是铁元素和碳元素，因此又被称为铁碳合金，此外有少量的硅、猛、磷、硫、氧、氮等元素。

目前国内主要有氧气转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法三种炼钢方法。1.钢材的冶炼和分类（2）钢材的分类根据化学成分分类：碳素钢、合金钢碳素钢：低碳钢、中碳钢、高碳钢合金钢：低合金钢、中合金钢、高合金钢1.钢材的冶炼和分类（2）钢材的分类根据脱氧程度分类：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢沸腾钢：脱氧不完全的钢是沸腾钢，用符号“F”表示镇静钢：脱氧完全的钢称为镇静钢，用符号“Z”表示半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材称为半镇静钢，用符号“b”表示特殊镇静钢：在炼钢过程中，采用比镇静钢更充分、更彻底脱氧工艺的钢材称为特殊镇静钢，用符号“TZ”1.钢材的冶炼和分类（2）钢材的分类根据品质分类：普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢普通钢：硫含量不大于0.050%，磷含量不大于0.045%优质钢：硫含量不大于0.035%，磷含量不大于0.035%高级优质钢：硫含量不大于0.025%，磷含量不大于0.025%特级优质钢：硫含量不大于0.015%，磷含量不大于0.025%1.钢材的冶炼和分类（2）钢材的分类根据用途分类：结构钢、工具钢、特殊性能钢2.钢材的主要技术性质钢材的技术性能主要包括力学性能和工艺性能两个方面（1）钢材的力学性能

抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳性、硬度①抗拉性能

抗拉性能是指钢材在承受拉力作用时抵抗破坏的能力，钢材的抗拉性能相关指标通过拉伸试验进行测定，且可以得到应力-应变关系曲线。

从图中可以看出，低碳钢受拉至断裂，经历了四个阶段：

弹性阶段（OA）、屈服阶段（AB）、强化阶段（BC）和颈缩阶段（CD），其力学性能可由屈服强度、抗拉强度和伸长率等指标来反映。2.钢材的主要技术性质①抗拉性能

弹性阶段（OA）：该阶段应力较小，钢材的应力和应变是呈正比的线性关系。与A点对应的应力称为弹性极限，以σp表示。

在弹性阶段，应力和应变的比值为常数，即弹性模量，用E表示，即E=σ/ε。土木工程中常用钢材的弹性模量为（2.0~2.1）×105MPa2.钢材的主要技术性质①抗拉性能

屈服阶段（AB）：当应力超过弹性极限后，钢材的应变会急剧增加，开始产生明显的塑性变形。当应力达到B上后塑性变形急剧增加，应力-应变曲线出现一个小平台，这种现象称为屈服，这一阶段称为屈服阶段。屈服阶段最高点B上所对应的应力称为上屈服强度，最低点B下点所对应的应力称为下屈服强度，采用下屈服强度作为钢材的屈服强度，用σs表示。

屈服强度是设计中钢材强度取值的依据，常用低碳钢的σs=185~235MPa2.钢材的主要技术性质①抗拉性能

强化阶段（BC）：钢材超过屈服点后，内部晶粒重新排列，抵抗变形的能力进一步提高，在应力-应变图上，曲线从B下点开始上升至最高点C，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力值σb称为钢材的抗拉强度。常用钢材σb=375~500MPa。

屈服强度与抗拉强度的比值，即屈强比（σs/σb），是衡量钢材性能的一个重要指标。

常用碳素结构钢的屈强比为0.58~0.63，低合金结构钢为0.65~0.75。2.钢材的主要技术性质①抗拉性能颈缩阶段（CD）：当应力达到最高点C之后，钢材试件抵抗变形的能力明显降低，塑性变形急剧增加，应力逐渐下降，试件被明显拉长。试件薄弱处的断面将显著减小，产生颈缩现象直到被拉断。试件拉断后，标距的伸长量与原始标距长度之比称为断后伸长率，用百分数表示。断后伸长率A按下式计算：

（6-1）式中：A——断后伸长率（%）；

L0——试件的原始标距长度（mm）；

L1——试件拉断后的标距长度（mm）。常用低碳钢的伸长率A=20%~30%2.钢材的主要技术性质①抗拉性能

中碳钢和高碳钢拉伸试验的σ-ε曲线如图6-5所示，其无明显屈服阶段，应力随应变持续增加，直至断裂，伸长率小。

由于在外力作用下屈服现象不明显，不易直接测出屈服强度，规范规定以产生残余变形达试件原始标距长度L0的0.2%时所对应的应力值，作为其屈服强度，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。2.钢材的主要技术性质①抗拉性能中碳钢和高碳钢拉伸试验的σ-ε曲线如图6-5所示，其无明显屈服阶段，应力随应变持续增加，直至断裂，伸长率小。由于在外力作用下屈服现象不明显，不易直接测出屈服强度，规范规定以产生残余变形达试件原始标距长度L0的0.2%时所对应的应力值，作为其屈服强度，称为条件屈服强度，用σ0.2表示。2.钢材的主要技术性质②冲击韧性

冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下抵抗破坏的能力。它是通过冲击试验来测定的。钢材的冲击韧性ak按下式计算：

（6-2）式中：m——摆锤质量（kg）；

g——重力加速度（m/s2）；

H、h——摆锤冲击前后的高度（m）；

A——试件缺口处截面面积（cm2）2.钢材的主要技术性质②冲击韧性钢材冲击韧性的主要影响因素：

化学成分、冶炼质量、冷加工及时效、环境温度影响观察与讨论两种钢材低温冲击韧性的比较

请观察图中Ⅰ、Ⅱ两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？两种低合金钢冲击值-温度曲线2.钢材的主要技术性质③耐疲劳性

疲劳破坏是钢材在低于其屈服强度的交变应力长期作用下发生的突然断裂现象。钢材的耐疲劳性用疲劳强度来表示。

疲劳强度是指在疲劳试验中，试件在交变应力（即应力的大小和方向随时间周期性变化）作用下，能够承受无数次循环而不发生破坏的最大应力值。一般把钢材承受106~107次交变荷载作用时不发生破坏的最大应力作为疲劳强度。观察与讨论疲劳断裂的特征与原因

请观察图中疲劳断裂的宏观断口特征，并分析讨论疲劳断裂的特征和原因。(A)疲劳源区；(B)扩展区；(C)终断区

疲劳断裂的宏观断口2.钢材的主要技术性质④硬度

钢材的硬度是指钢材在表面局部体积内抵抗硬物压入表面的能力，即材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，建筑钢材常用的为布氏硬度和洛氏硬度。布氏硬度洛氏硬度测定方法是用硬质合金球或金刚石圆锥体做压头，在一定荷载下压入被测试样表面，经规定持续时间后，卸除荷载，测量残余压痕深度h。h的数值越大，表示试样越软；反之，表示试样越硬。根据残余压痕深度h值计算洛氏硬度值，用符号HR表示2.钢材的主要技术性质（2）钢材的工艺性能

主要包括冷弯性能及焊接性能。

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能指标以试件弯曲的角度α和弯芯直径对试件厚度（或直径）的比值（d/α）来表示。钢材弯曲时的弯曲角度越大、弯芯直径越小，则表示其冷弯性能越好。2.钢材的主要技术性质

焊接性能钢材焊接是一种将两块或多块钢材通过加热、加压或两者并用的方法，使钢材达到原子间结合的连接方法，这是一种永久性的连接方式。焊接基本方法有两种：

电弧焊，接触对焊

为了确保钢材的焊接性能符合要求，需要进行一系列检测和评估工作。包括：外观检测、无损检测、力学性能试验。3.钢材的加工与处理（1）钢材的冷加工

是指在常温下对钢材进行冷拉、冷轧、冷拔等各种加工（2）时效强化

冷加工后的钢材，随着时间的推移，钢材的屈服强度、抗拉强度与硬度进一步提高，塑性、韧性继续下降的现象称为时效

时效处理有以下两种方法：自然时效、人工时效3.钢材的加工与处理（3）钢材的热处理

钢材的热处理方法有退火、正火、淬火和回火。3.钢材的加工与处理（3）钢材的热处理退火：可以消除残余应力，稳定尺寸，减小开裂的倾向，降低硬度和脆性，提高可塑性能，细化晶粒，调整钢材组织。正火：将钢材加热到临界温度以上并保持一段时间，然后将钢材置于空气中冷却，或者适当吹冷风，洒喷雾处理。淬火：可以使钢材获得很高的强度、硬度、耐磨性能和疲劳强度，以满足各种机械零件和工具的要求。回火：内应力消除，硬度降低，塑性韧性得到提高。4.钢材的标准与选用

建筑工程用钢有钢结构用钢和钢筋混凝土用钢两类：前者主要有型钢、钢管和钢板，后者主要有钢筋、钢丝和钢绞线。4.钢材的标准与选用（1）土木工程常用钢种①碳素结构钢碳素结构钢的牌号及表示方法

根据国家标准《碳素结构钢》（GB/T700—2006）的规定，我国碳素结构钢分四个牌号，即Q195、Q215、Q235、Q275。其牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分组成。

根据硫、磷含量碳素结构钢分为A、B、C、D四个质量等级。

根据脱氧程度的不同钢材分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢，其中F表示沸腾钢，b表示半镇静钢、Z表示镇静钢、TZ表示特殊镇静钢。例如，Q235AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。碳素结构钢的化学成分（1）土木工程常用钢种①碳素结构钢碳素结构钢的技术性能化学成分表6-1碳素结构钢的化学成分（GB/T700—2006）4.钢材的标准与选用（1）土木工程常用钢种①碳素结构钢碳素结构钢的技术性能力学性能表6-2碳素结构钢的力学性能（GB/T700—2006）4.钢材的标准与选用（1）土木工程常用钢种①碳素结构钢碳素结构钢的应用Q195和Q215常用作薄板、钢丝、钢钉、铆钉以及螺栓；Q235是土木工程中应用最广泛的钢种，大量制作成型钢、板材和钢筋混凝土用钢筋等；Q275钢强度更高，又硬又脆，常用于制作耐磨构件、机械零件和工具等。4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号及表示方法

据国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591—2018）的规定，低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、交货状态代号、质量等级符号四个部分按顺序组成。根据最小上屈服点数值的不同，分为Q355、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个牌号。交货状态为热轧时，交货状态代号可以省略；交货状态为正火或正火轧制状态时，交货状态代号均用N表示；质量等级根据有害杂质的含量分为B、C、D、E、F五个等级。例如：Q355ND表示最小屈服强度为355MPa、交货状态为正火或正火轧制、质量等级为D级的低合金高强度结构钢。4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的性能表6-4正火、正火轧制钢的牌号及化学成分

（%）4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的性能表6-5热机械轧制钢的牌号及化学成分

（%）4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的性能表6-6热轧钢材的拉伸性能4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的性能表6-7热轧钢材的伸长率4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的性能表6-8正火、正火轧制钢材的拉伸性能4.钢材的标准与选用②低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的性能表6-9热机械轧制（TMCP）钢材的拉伸性能4.钢材的标准与选用低合金高强度结构钢的应用

低合金高强度结构钢是一种具有高强度、良好韧性、耐腐蚀性等优秀性能的钢材，其含碳量低于同类正常合金钢，同时添加了钒、钛、铌、钼等微量元素以提高强度。这种钢材被广泛应用于大型钢结构建筑，如体育馆、会展中心、火车站、高层建筑等。此外，它还可用于桥梁、高速公路等基础设施的建设，能够承受较大的载荷和变形，确保结构的安全性和稳定性。如在跨海大桥建设中，Q390、Q420等钢材能够抵御海风、海浪等复杂环境的侵蚀，同时承受车辆行驶等产生的巨大载荷。并且，其良好的焊接性能有利于桥梁构件的现场拼接，确保桥梁结构的整体性。4.钢材的标准与选用（2）钢结构用钢

主要包括热轧成型的钢板和型钢，以及冷弯（或着冷压）成型的薄壁型钢热轧钢板的厚度范围通常在0.35~200mm之间，宽度可达600mm以上。按厚度

薄板、中板和厚板按材质

碳素结构钢、低合金高强度钢、合金结构钢等。钢板的表示方法是在符号“—”后加“厚×宽×长”，如—8×600×1200，单位为mm。4.钢材的标准与选用（2）钢结构用钢热轧型钢

热轧型钢是用加热钢坯轧成的各种几何断面形状的钢材

根据型钢截面形式的不同，热轧型钢可分为角钢、槽钢、工字钢、H型钢和钢管等。图6-15型钢示意图4.钢材的标准与选用薄壁型钢

薄壁型钢是用薄钢板经冷弯或冷轧成型的型钢。厚度一般为1.5~5mm，截面形状多样，常见的有C形、Z形、U形、方形、矩形和圆形等。薄壁型钢具有较高的强度-重量比。4.钢材的标准与选用（3）钢筋混凝土结构用钢

钢筋是用于钢筋混凝土结构中的线材。工程中常用的钢筋主要有：

热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋、低碳钢热轧圆盘条、预应力钢丝及钢绞线、热轧带肋钢筋、热处理钢筋等品种。4.钢材的标准与选用热轧钢筋

热轧钢筋是建筑工程中用量较大的钢材品种之一，主要用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的配筋。

热轧钢筋按其表面形状不同分为光圆钢筋和带肋钢筋。截面通常为圆形，钢筋的公称尺寸是与其公称截面面积相等的圆的直径。4.钢材的标准与选用热轧光圆钢筋

热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制，其表面是光滑的圆形截面钢筋。它的横截面积形状规则，没有肋纹。

热轧光圆钢筋按屈服强度特征值为300MPa，钢筋牌号用HPB300表示。“300”表示该钢筋的屈服强度特征值为300MP。其公称直径范围为6mm~22mm4.钢材的标准与选用热轧带肋钢筋

热轧带肋钢筋由普通合金钢或低碳钢在高温下经热轧工艺制成，其横截面通常为圆形，且外表带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。

根据横肋的形状和与纵肋的相交情况，热轧带肋钢筋可分为月牙肋钢筋和等高肋钢筋。

根据晶粒度又分为普通热轧钢筋（HRB）和细晶粒热轧钢筋（HRBF）。

按屈服强度特征值分为400、500和600三个级别。4.钢材的标准与选用热轧带肋钢筋

钢筋混凝土用热轧带肋钢筋的公称直径范围为6~50mm，推荐的公称直径为6mm、8mm、10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm。

目前我国钢筋混凝土结构的主筋多采用HRB400。HRB500钢筋虽然强度高，但塑性和焊接性较差，多用于预应力钢筋。4.钢材的标准与选用冷轧带肋钢筋

冷轧带肋钢筋是用热轧盘条经多道冷轧减径，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。根据《冷轧带肋钢筋》（GB/T13788-2017）的规定，冷轧带肋钢筋，根据延性高低分为两类，即冷轧带肋钢筋和高延性冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋的牌号由“CRB+钢筋的抗拉强度最小值”构成，分为CRB550、CRB650、CRB800三个牌号。高延性冷轧带肋钢筋的牌号由“CRB+钢筋抗拉强度特征值+H”构成，分为CRB600H、CRB680H、CRB800H三个牌号。4.钢材的标准与选用预应力混凝土用钢丝和钢绞线①预应力混凝土用钢丝

预应力混凝土用钢丝是一种用于预应力混凝土结构的高强钢丝。

按加工状态分，有冷拉钢丝和消除应力钢丝

按外形分，有光面钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝4.钢材的标准与选用预应力混凝土用钢丝和钢绞线②预应力混凝土用钢绞线

预应力混凝土用钢绞线是由冷拉光圆钢丝及刻痕钢丝捻制的用于预应力混凝土结构的钢绞线。

《预应力混凝土用钢绞线》(GB/T5224—2014)规定，钢绞线分为标准型钢绞线、刻痕钢绞线、模拔型钢绞线三种。4.钢材的标准与选用预应力混凝土用钢丝和钢绞线②预应力混凝土用钢绞线根据钢丝的结构分为八种结构类型，A.1×2表示用两根钢丝捻制的钢绞线；B.1×3表示用三根钢丝捻制的钢绞线；C.1×31表示用三根刻痕钢丝捻制的钢绞线；D.1×7表示用七根钢丝捻制的钢绞线；E.1×7I用六根刻痕钢丝和一根光圆中心钢丝捻制的钢绞线；F.（1×7）C表示用七根钢丝捻制又经拔模的钢绞线；G.1×19S表示用十九根钢丝捻制的1+9+9西鲁式钢绞线；H.1×19W表示用十九根钢丝捻制的1+6+6/6瓦林吞式钢绞线5.钢材的腐蚀与防护钢材的腐蚀根据钢材与周围介质作用原理的不同，可以将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种5.钢材的腐蚀与防护钢材的防护涂金属保护层

采用电镀或者其他方式在钢材表面镀耐腐蚀性好的金属材料，把钢材与周围的介质隔离开，从而起到保护钢材的作用。涂非金属保护层

在钢材表面涂非金属保护层，提高钢材的抗腐蚀能力。常用的方法有喷涂涂料、搪瓷、塑料等。

涂料一般分为底漆、中间漆和面漆5.钢材的腐蚀与防护钢材的防护电化学保护法使用耐候钢混凝土包裹耐候钢6.钢材的防火

钢材本身不会起火燃烧，但其材性受温度影响很大，在高温下强度和弹性模量会快速衰减，导致钢构件及其组成的结构承载力迅速降低。

钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右钢结构防火保护的基本原理：采用绝热或吸热材料，阻隔火焰或热量，推迟钢结构的升温速率。

防火方法以包裹法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆将钢构件包裹起来。防火涂料防火板包覆混凝土包覆水冷却系统02铝合金及制品1.铝合金

铝合金是以铝为基础加入一种或几种其他元素（如铜、镁、硅、锰等）构成的合金。

铝合金按其成分和加工方法主要分为变形铝合金

可热处理强化、不可热处理强化铸造铝合金

铝-硅系、铝-铜系、铝-镁系和铝-锌系等2.铝合金的应用（1）铝合金门窗

铝合金门窗是指采用铝合金挤压型材为框、梃、扇料制作的门窗2.铝合金的应用（2）铝合金幕墙

铝合金幕墙是建筑外墙装饰和围护的一种重要方式。具有优异的隔热性能、隔音性能和采光性能。2.铝合金的应用（3）建筑装饰应用

铝合金可以制作成各种装饰条、压条、铝合金板和建筑构件，用于建筑外立面、室内天花和墙面等部位的装饰2.铝合金的应用（4）建筑能源及环保应用

铝合金在建筑能源及环保领域的应用