建筑金属材料

1、第2章 建筑金属材料,钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁。 土木工程钢材是指用于钢结构的各种型钢、钢板、钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。 钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大.,劣质钢材,浇铸钢锭,炼钢转炉,炼钢,炼钢筋,炼钢板,2.1 钢材的分类,2.1.1按化学成分分类 1.碳素钢 碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金，其含碳量为002一206。此外尚含有极

2、少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。 碳素钢按含碳量又可分为： 低碳钢(含碳量小于025)、 中碳钢(含碳量为025一060)和 高碳钢(含碳量 大于060)三种。 其中低碳钢在建筑工程中应用最多。,2 合金钢 合金钢是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。 常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、银、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为 低合金钢(合金元素总含量小于5)、 中合金铜(合金元素总含量为5一10)和 高合金钢(合金元素总含量大于10)。 低合金钢为建筑工程中常用的主要钢种。,2.1.2 按品质分类 普通钢：S0.05%; P 0.045%; 优质

3、钢： S0.035%; P 0.035%; 高级优质钢： S0.025%; P 0.025%; 特级优质钢： S0.015%; P 0.025%;,2.1.3 按冶炼时脱氧程度分类 炼钢时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通常可分为以下四种： 沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全，这种钢水浇入锭模时，会有大量的CO气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状 ，故称沸腾钢，代号为“F”。 沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。,镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时

4、能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢；代号为“Z”。 镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。 半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。 特殊镇静钢脱氧程度比镇静钢更加彻底，质量最好，用于特别重要的工程，代号“TZ”,2.2 建筑钢材的主要技术性能,钢材的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳和硬度等；工艺性能有冷弯性能、可焊性等。 2.2.1 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。建筑钢材的抗拉性能，可用低碳钢受拉时的应力一应变图来阐明，图中明显地分为以下四个阶段：,弹性阶段(OA段)：在O

5、A阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与A点相对应的应力为弹性极限。此阶段应力与应变成正比，即产生单位弹性应变时所需的应力大小。它是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。（弹性模量和弹性极限） 屈服阶段(AB段)：当荷载增大，试件应力超过A时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用s表示。,故般以B下点对应的应力作为屈服点。钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以

6、屈服点作为强度取值依据。 强化阶段(BC段)：当荷载超过屈服点以后，由了试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高，故称为强化阶段。对应于最高点C的应力，称为强度极限或抗拉强度b。 工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.580.63，合金钢为0.650.75。,颈缩阶段(CD段) 当钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”，由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。

7、将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距Ll。标距的伸长值与原始标距(L0)的百分比称为伸长率。,伸长率是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。 5和10分别表示l0=5d 和l0=10d 时的伸长率。对同一种钢材510。这是因为钢材中各段在拉伸的过程中伸长量是不均匀的,颈缩处的伸长率较大，因此当原始标距l0与直径d 0之比愈大，则颈缩处伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算得的伸长率就愈小。某些钢材的伸长率是采用定标距试件测定的，如标距l0=100 mm或200 mm，则伸长率用100或20

8、0表示。,根据应力应变曲线回答问题： 1) 若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用谁者更合适。2) 使用、两种钢材，哪一个安全性较高。,分析： 从、两条曲线比较可知，低碳钢的弹性模量E小于低碳钢，也就是说，低碳钢的抗变形能力不如低碳钢。对于变形要求严格的构件选用低碳钢更为合适。 、两种低碳钢的屈服强度s相近，但低碳钢的抗拉强度b高于，即其屈服强度比s/b 较小。屈服强度比值越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。(当然，屈服比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，不合理。Q225钢材的屈服比为0.580.63，普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。),2.2.2 冲击

9、韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。将有缺口的标准试件放在冲击试验机的支座上，用摆锤打断试件，测得试件单位面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值ak表示ak值愈大，表明钢材在断裂时所吸收的能量越多，则冲击韧性越好。,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。,钢的化学成分及冶炼、加工质量都对冲击韧性能有明显的影响。例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物、气孔和焊接中形成的微裂纹等，都

10、会使冲击韧性显著降低。 冷脆性 钢的冲击韧性受温度的影响较大，冲击韧性随温度的下降而减小，当降到一定温度范围时，ak值急剧下降，从而可使钢材出现脆性断裂这种性质称为钢的冷脆性。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。,2.2.3 耐疲劳性 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。,钢材在无穷次

11、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2106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。 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）。,2.2.4 工艺性能 1 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，为钢材的重要工艺性质。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度(a)和弯心直径(d)为指标表示。 钢材冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d(d=na)，弯曲到规定的角度(180或

12、90)时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象，若无则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。,钢材的冷弯性能和其伸长率（均匀变形下的塑性）一样，也是表明钢材在静荷下的塑性，而且冷弯是在苛刻条件下对钢材塑性的严格检验（不利变形条件下的塑性），它能揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。,2 焊接性能 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

13、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。,硬度: 硬度是衡量钢的软硬程度的一个指标，它是表示钢材表面局部体积内，抵抗变形或破裂的能力，也即指抵抗其他更硬的物体压入钢材表面的能力。测定钢材硬度的方法很多，建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。 布氏硬度是用一定直径D(mm)的硬质钢球,在规定荷载P(N)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸裁，量出压痕直径d

14、(mm)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HD)，见图。,工程质量事故分析,1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥中段50 m长的桥体象刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一东亚建设产业公司于1979建成。 事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面： a.东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32 t，建成后交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为4

15、3.2 t。,1999年月日晚时分前后，重庆市綦江县城跨越綦河（长江支流）两岸、连 接城东城西的人行彩虹桥（形似彩虹而名，系綦江县形象工程）整体垮塌，人遇难，包 括名年轻武警战士。 月日，经事故调查组调查，彩虹桥突然垮塌是由两方面的原因造成的。一是工程质 量问题：彩虹桥的主要受力拱架钢管焊接质量不合格，存在严重缺陷，个别焊缝并有陈旧性 裂痕；钢管内混凝土抗压强度不足，低于设计标号的三分之一；连接桥梁、桥面和拱架的拉 索、锚具和镏片严重锈蚀。二是工程承发包不合法：到日止，事故调查组找不到工程设计 专用章，设计手续不全，实际上是私人设计。施工承包者是一个挂靠国有的个体业主，其组 织的施工队伍不具备

16、进行市政工程建设的技术力量和设备，不具有合法的市政工程施工资 质。,工作人员正在对桥面进行分解切割,重庆南门大桥位于宜宾城内的长江(长江上游也称金沙江)上，连引桥在内，大桥全长约1000米左右，主桥横跨度500余米，是一座提篮式跨江大桥。2001年11月8日凌晨点分左右，横跨金沙江的宜宾南门大桥两端断裂，造成至少辆客车和一辆货车坠入江中，客车中有名驾乘人员死亡和失踪，货车伤亡情况不明，宜宾市南北交通和对外通讯一度中断。,四川省一些桥梁专家和工程设计人员在桥梁的断裂处进行了现场勘查，发现坍塌断裂之处露出一层薄薄的钢筋网，悬吊的承重钢管中露出了锈迹斑斑的钢缆。据现场一位工程人员说，让人不可思议的是

17、，那承重钢缆是装在钢管中且加了防锈油的，怎么会生锈？据宜宾市曾参加过泸州大桥、岷江大桥、马鸣溪大桥施工的吴工程师讲，这种动态式的悬吊式设计很可能有问题。从南门大桥断裂的状况看，两边的断裂处都是在主桥与引桥的结合点，恰恰也是吊桥动态与静态的结合点。因受力不均，一边垮塌后，使桥面的支撑力发生波浪形摆动，造成另一边也垮塌。吴工程师还说，从现场看桥的伸缩缝过大，部分施工材料不合格也是造成桥面断裂的原因之一。,2.3 钢材的组成结构及其对性能的影响 钢是一种多晶体材料。但晶体具有各向异性的特征，而多晶体则为各向同性。钢的宏观力学性能由其内部晶体结构和化学成分所决定。 纯铁的晶格类型 钢材和一切金属材料一

18、样，也为晶体结构，它是铁-碳合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。,钢晶格的两种构架,1390oC 以上-为体心立方晶格；-Fe 910oC-1390oC 之间-为面心立方晶格；-Fe 910oC以下- 又转变为体心立方晶格: -Fe 钢材的晶格并不都是完好无缺的规则排列，而是存在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远比理论强度小的根本原因。其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。,金属晶体,体心立方结构,面心立方结构,密排六方结构,晶粒的细化,2.3

19、.2 钢的基本晶体组织,钢是以铁（Fe）为主的Fe-C合金。 Fe-C合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图象，故也称显微组织。,片状珠光体（1000倍）,针状和块状铁素体（100倍）,钢材主要有四种显微组织： 在常温下主要有三种显微组织： 铁素体:钢材中的铁素体系碳在-Fe中的固溶体，由于-Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含碳量很少（小于0.02），由此决定其塑性、韧性好；但强度、硬度低。 渗碳体:渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C，其含碳量高达6.67，晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。,珠光体:珠光体为铁素体

20、和渗碳体的机械混合物，含碳量较低(0.8)，层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。 奥氏体 此外，钢材在温度高于723 时，还存在奥氏体。奥氏体为碳在-Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06，低温下降至0.8。其强度、硬度不高，但塑性好。碳钢处于红热状态时即存在这种组织，这时钢易于轧制成型。,化学成分对钢性能的影响 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

21、学元素对钢材性能的影响,其中硅、锰、钛、钒、铌等为合金元素。磷、氮、硫、氧等为杂质。硅、锰大部分溶于铁素体中，当硅含量小于1时，可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大；锰一般含量在12之间，除强化外，能消弱硫和氧引起的热脆性，且改善钢材的热加工性。 硅、锰是我国低合金钢的主要合金元素。 钛是强脱氧剂，钒、铌是碳化物和氮化物的形成元素，三者皆能细化晶粒，增加强度，在建筑常用的低合金钢中，三者为常用合金元素。,磷主要溶于铁素体中起强化作用，同时可提高钢材的耐磨、耐蚀性，但塑性、韧性显著降低，当温度很低时，对后二者影响更大，磷的偏析倾向强烈。 氮溶于铁素体中或呈氮化物形式存在，对钢材性质影响与C、P

22、相似。二者在低合金钢中可配合其它元素作为合金元素。 硫、氧主要存在于非金属夹杂物中，降低各种力学性能，硫化物造成的低溶点使钢材在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性，且有强烈的偏析作用；氧有促进时效倾向的作用，氧化物所造成的低溶点亦使钢的可焊性变坏。,偏析偏析是指化学成分的不均匀性。 偏析分为三种: 1.晶内偏析,该情况取决于浇铸时的冷却速度,偏析元素扩散能力和固相线倾斜度等.可以通过退火将偏析消除; 2.区域性偏析:在较大范围内化学成分不均匀的现象,退火无法将该情况消除,这种偏析与浇温、浇速等有关； 3.比重偏析：合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的比重差，最终导致材料出现分层、化学成

23、分不均匀的情况。可采用降低浇温加大冷却速度，加入微量元素形成比重适当等。,2.4 钢材的强化与加工 2.4.1 冷加工强化 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生一定的塑性变形，强度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工强化。 由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。 冷加工硬化原理： 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，经格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。,2 冷加工强化方法 工程中常对钢筋进行冷拉或冷拔加工，以期达到提

24、高钢材强度和节约钢材的目的。 （1）钢筋冷拉是在常温下将其拉至应力超过屈服点，但远小于抗拉强度时即卸荷。 （2）冷拔是将6一8mm的光圆钢筋，通过硬质（钨）合金拔丝模孔而被强力拉拔，使其径向挤压缩小而纵向伸长。 （3）冷轧 冷轧是将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋，可提高其强度及与混凝土的粘结力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地其塑性和内部结构均匀性。 土木工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的效益。经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材、降低成本的目的。钢筋冷拉还有利于简化施工工序。但冷拔钢丝的屈强比较大，相应

25、的安全储备较小。,钢材的重复拉伸,加工硬化的效果： 屈服强度提高 塑性和韧性降低 可焊形变坏 硬脆倾向增加等,2.4.2 时效处理 将经过冷拉的钢筋，于常温下存放1520d，或加热到100200oC并保持23h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理，前者称自然时效，后者称为人工时效、通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。 时效硬化原理： 由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。

26、,钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，品格歪扭畸变，滑移面变很凹凸不平，对晶粒进一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高, 抗拉强度基本不变。 同时，冷加工强化后的钢材，由于塑性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。,2.4.3 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。,钢

27、材的热处理工艺, 淬火将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氏体，然后投入水或矿物油中急冷，使晶粒细化，碳的固溶量增加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降。 回火将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至基本组织改变温度以下（150650 ），保温后按一定制度冷却至室温的热处理方法称回火。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。, 退火将钢材加热至基本组织转变温度以下（低温退火）或以上（完全退火），适当保温后缓慢冷却，以消除内应力，减少缺陷和晶格畸变，使钢的塑性和韧性得到改善。 正火将钢件加热至基本组织改变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有

28、所降低。 对于含碳量高的高强度钢筋和焊接时形成的硬脆组织的焊件，适合以退火方式来消除内应力和降低脆性，保证焊接质量。,热处理对钢材组织、结构的影响,热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化： 奥氏体晶核的形成 奥氏体晶核的长大 剩余渗碳体的溶解 奥氏体成分的均匀化 奥氏体晶粒度粒度的改变； 钢奥氏体化后，冷却中的转变，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它晶体组织（主要是由铁素体和渗碳体混合构成的珠光体）。,2.5 土木工程常用金属材料的性质及应用 2.5.1 建筑常用钢 1 碳素结构钢 国家标准GB 700-88碳

29、素结构钢中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。 其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 Mpa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；,脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要求降低。,碳素结构钢的牌号和化学成分应符合表2-3规定。碳素结构钢的力学性能、牌号、等级指标见表2-4。其冷弯性能指标见2-5 。,例如：Q235A

30、F表示屈服点为235 MPa的A级沸腾碳素结构钢。,随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。,钢结构中，主要应用的是碳素钢Q235。还有其它几种碳素结构钢常用于土木工程中。 Q195强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘等。 Q215与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。,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。

31、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。,Q255强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。 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，主要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板等。,2 优质碳素结构钢 按国家标

32、准GB/T 699-1999优质碳素结构钢的规定，优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为：普通锰含量（锰含量0.8）钢和较高锰含量（锰含量0.71.2）钢两组。,优质碳素结构钢的钢材一般以热轧状态供应，硫、磷等杂质含量比普通碳素钢少，其他缺陷限制也较严格，所以性能好，质量稳定。 优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，它表示钢中平均含碳量的万分数。如45号钢，表示钢中平均含碳量为0.45。,数字后若有“锰”字或“Mn”，则表示属较高锰含量的钢，否则为普通锰含量钢。如35Mn表示平均含碳量0.35，含锰量为0.71.0。若是沸腾钢或半镇静钢，还应在牌号后面加“沸”（或F）或“半”（或b）。 优质碳素钢

33、的性能主要取决于含碳量。含碳量高，则强度高，但塑性和韧性降低。 在建筑工程中，3045号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，45号钢用做预应力混凝土锚具，6580号钢用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,3 . 低合金高强度结构钢 在碳素钢的基础上添加总量小于5%的一种或者多种合金元素的钢材。低合金高强度结构钢的牌号的表示方法为：屈服强度质量等级，它以屈服强度划分成五个等级：295、Q345、Q390、Q420、Q460，质量也分为五个等级：E、D、C、B、A。,国家标准GB 1591-94低合金高强度结构钢规定了各牌号的低合金高强度结构钢的化学成分、力学性能。由于合金元素的强化作用，使

34、低合金结构钢不但具有较高的强度，且具有较好的塑性、韧性和可焊性。,低合金高强度结构钢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。,2.5.2 钢结构用钢材,钢结构用钢主要是热轧成形的钢板和型钢等；薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢；钢材所用的母材主要是普通碳素结构钢及低合金高强度结构钢。,1 热轧型钢 钢结构常用的型钢有：工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边型钢等。型钢由于截面形式合理，材料在截面上分布对受力最为有利，且构件间连接方便，所以它是钢结构中采用的主要钢材。型钢的规格通常以反映其断面

35、形状的主要轮廓尺寸来表示。,热轧普通工字钢工字钢是截面为工字型、腿部内侧有1:6斜度的长条钢材。工字钢广泛应用于各种建筑结构和桥梁，主要用于承受横向弯曲（腹板平面内受弯）的杆件，但不宜单独用作轴心受压构件或双向弯曲的构件。 热轧H型钢和剖分T型钢H型钢由工字钢发展而来，优化了截面的分布。与工字钢相比，H型钢具有翼缘宽、侧向刚度大、抗弯能力强、翼缘两表面相互平行、连接构件方便、省劳力、重量轻、节省钢材等优点。,H型钢分为宽翼缘（代号为HW）、中翼缘（HM）和窄翼缘H型钢（HN）以及H型钢桩（HP）。H型钢截面形状经济合理，力学性能好，常用于要求承载力大、截面稳定性好的大型建筑（如高层建筑）。T型

36、钢由H型钢对半剖分而成。 热轧普通槽钢槽钢是截面为凹槽形、腿部内侧有1:10斜度的长条钢材。规格以“腰高度腿宽度腰厚度”（mm）或“腰高度”（cm）表示。同一腰高的槽钢，若有几种不同的腿宽和腰厚，则在其后标注a、b、c表示该腰高度下的相应规格。槽钢的规格范围为540。槽钢可用做承受轴向力的杆件、承受横向弯曲的梁以及联系杆件，主要用于建筑钢结构、车辆制造等。,2 冷弯薄壁型钢 结构用冷弯空心型钢空心型钢是用连续辊式冷弯机组生产的，按形状可分为方形空心型钢（代号为F）和矩形空心型钢（代号为J）。,通用冷弯开口型钢冷弯开口型钢是用可冷加工变形的冷轧或热轧钢带在连续辊式冷弯机组上生产的，按形状分为8种

37、：冷弯等边角钢、冷弯不等边角钢、冷弯等边槽钢、冷弯不等边槽钢、冷弯内卷边槽钢、冷弯外卷边槽钢、冷弯Z型钢、冷弯卷边Z型钢。,3 棒材、钢管和板材 （1）棒材-六角钢、八角刚、扁钢、圆钢、方钢； （2）钢管热轧无缝钢管、焊接钢管； （3）板材钢板材包括钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板和彩色涂层钢板等。,2.5.3 钢筋混凝土用钢材,1 热轧钢筋 钢筋混凝土用热轧钢筋，根据其表面状态特征分为光圆钢筋和带肋钢筋。其力学性能见表2-8,I级钢筋由碳素结构钢轧制，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

38、筋。 HRB335级和HRB400级钢筋的强度较高，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。 HRB500级钢筋强度高，但塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。,2 冷轧扭钢筋 3 冷轧带肋钢筋 4 预应力混凝土用钢丝 5 钢绞线,2.5.4 铝及铝合金,铝是一种银白色的轻金属，属于有色金属，纯铝的比重削，仅2.7 g/cm3，为铁的三分之一，熔点较低（660 ），具有良好的导热性、导电性、反辐射性能及耐腐蚀性能，并有易于加工和焊接等特点。,防锈铝,防锈铝是铝镁或铝锰的合金。其特点是耐蚀性较高，抛光性好，能长期保持其光亮的表面，其强度比纯铝高，塑性及焊接性能良好，但切削

39、加工性不良，可用于承受中等或低负载及要求耐腐蚀及光洁表面的构件、管道等。,硬铝,硬铝是铝和铜或再加入镁、锰等组合的合金，建筑工程上主要为含铜（3.84.8）、镁（0.40.8）、锰（0.40.8）、硅（不大于0.8）的铝合金，称为硬铝。 经热处理强化后，可获得较高的强度和硬度，耐腐蚀性好。建筑上可用于作承重结构或其他装饰制件，其强度极限可达330490 MPa，伸长率可达1220，布氏硬度值HB可达1 000 MPa，是发展轻型结构的好材料。,超硬铝,超硬铝是铝和锌、镁、铜等的合金。经热处理强化后，其强度和硬度比普通硬铝更高，塑性及耐蚀性中等，切削加工性和点焊性能良好，但在负荷状态下易受腐蚀，

40、常用包铝方法保护，可用于承重构件和高荷载零件。,锻铝,锻铝是铝和镁、硅及铜的合金。除具有较高的强度外，还有良好的高温塑性及焊接性，但易腐蚀，适宜作承重中等荷载的构件。,铝在建筑上，早在80多年千就已被作为装饰材料，逐渐发展应用到窗框、幕墙，以及结构构件。 1970年美国建筑上用铝量约为100多万吨，20年中，增长了4倍，占其全国铝消耗量的1/4以上。 1973年日本在建筑上使用铝占其全国总耗铝量的1/3，在房屋建筑中使用600 kt以上。,2 铝合金制品,铝合金门窗,铝合金门窗用已表面处理过的型材和配件组合装配而成。主要有推拉窗，平开窗，悬挂窗等。具有质量轻、气密性，水密性和隔声性能好，色泽美

41、观，不锈蚀，不褪色，经久耐用，有利于工业化生产。,铝合金装饰板,铝合金花纹板采用铝合金坏料花纹轧辊制成。有针状、扁豆状、方格等花纹。其特点是花纹美观、防滑、防锈蚀，不易磨损，便于安装等。可用于现在建筑的墙面装饰、楼梯踏步等。 铝合金波纹板边面轧制成波浪形或梯形。其特点是防火、防潮、防腐蚀。可用于商场、宾馆、饭店等建筑物的墙面和屋面装饰。,铜及铜合金,纯铜,铜由黄铜矿、辉铜矿等精练而成的铜锭、铜锭线和电解铜三种，经加工变形后活动各种形状的纯铜材，纯铜经脱氧为无氧铜。 铜是有色金属中的紫色重金属，其特点为具有很高的导电、导热、耐蚀性和易加工性，延展性好,铜合金,在铜中掺入锌、锡、铝等可制成铜合金，

42、其强度、硬度等性能得到提高，使用性能更好。,黄铜,在铜中掺入锌的合金为普通黄铜，在铜中掺入锌和其他元素组成锡、铅等。 土木工程中常用的为普通黄铜或普通黄铜粉，呈黄色或金黄色，装饰性好。普通黄铜主要用于建筑五金、水暖电器、土木工程装饰，门窗、栏杆等。普通黄铜粉用于调制装饰涂料、代替金粉使用。,青铜,在铜中掺入锡的合金为锡青铜。在铜中掺入铝、铁等的合金为铝青铜。呈青灰色或灰黄色，强度较高硬度大，耐磨性、耐蚀性好。主要用于板材、管材，机械零件等,铸铁,黑色金属中含碳大于2.06%的铁碳合金称为生铁。常用的断口呈灰色鼓称为铸铁。 铸铁性脆、无塑性，抗压强度较高，抗拉和抗弯强度不高，不适合用于结构材料。

43、常用于排水沟、地沟等的盖板、铸铁水管、暖气片及零部件、门、窗、栏杆等。,2.6 钢材的锈蚀和防止,2.6.1 钢材的腐蚀,钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。钢材腐蚀的现象普遍存在，如在大气中生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介质或湿度较大时，情况就更为严重。 腐蚀不仅使钢材有效截面积均匀减小，还会产生局部锈坑，引起应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。,化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏松的氧化物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀的速度缓慢，

44、但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大大加快。,2 电化学腐蚀,1 化学腐蚀,钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水)存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电池。整个电化学腐蚀过程如下：,阳极区：Fe = Fe2+ + 2e阴极区：2H2O + 2e + 1/2O2 = 2OH- + H2O溶液区：Fe2+ 2OH-= Fe(OH)2 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O= 4 Fe(OH)3,水是弱电解质溶液，而溶有CO2的水则成为有效的电解质溶液，从而加速电化学腐蚀的过程。钢材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐蚀共同作用所致，但以电化学腐蚀为主。,2.6.2