第08章金属材料.ppt

1、钢材的分类 1. 按化学成分分类 （）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.022.06。此外尚含有极少量的硅、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0.25）、 中碳钢（含碳量为0.250.60） 高碳钢（含碳量大于0.60）,（）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、铌、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） 中合金钢（合金元素总含量为10） 高合金钢（合金元素总含量大于10）。,2. 按冶炼时脱氧程度分类

2、（）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，会有大量的气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“。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。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“”。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的结构工程。,（）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“”。 （）特殊镇静钢。

3、比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。,钢材的技术性质 1. 抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性质。其技术指标为由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率。低碳钢（软钢）受拉的应力一应变图能够较好地解释这些重要的技术指标，见图8.低碳钢受拉时的应力一应变图,3. 按有害杂质含量分类 接钢中有害杂质磷（）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类：（）普通钢。磷含量不大于0.045；硫含量不大于0.050%。（）优质钢。 磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。（）高级优质钢。磷含量不大于 0.025%；硫含量不大于0.015%

4、。（）特级优质钢。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。,（）屈服点：当试件拉力在 范围内时，如卸去拉力，试件能恢复原状，应力与应变的比值为常数，因此，该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时，称屈服下限下所对应的应力为屈服强度或屈服点，记做s。设计时一般以s作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以0.2残余变形时的应力0.2作为屈服强度。,（）抗拉强度：从图8中曲线逐步上升可以看出：试件在屈服阶段以后，其抵抗塑性变形的能力又重新提高，称为强化阶段。对应于最高点的应力称为抗拉强度，用b表示。 设计中抗拉强度虽然不能利用，但屈强比sb有一定意义。屈强比

5、愈小，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但屈强比太小，则反映钢材不能有效地被利用。,(3) 伸长率：图8中当曲线到达点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即,伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。通常以5和10分别表示L0=5d0和 L0=10d0（0为试件直径）时的伸长率。对同一种钢材，5应大于10。,冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形

6、的能力，是钢材的重要工艺性能。 冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90、180）及弯心直径 对试件厚度（或直径）a的比值（/a）区分的，试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。,钢材的化学成分、组织状态、内在缺陷及环境温度都会影响钢材的冲击韧性。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓和，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种脆性称为钢材的冷脆性。 发生冷脆时的温度称为临界温度，其数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。所以在负温下使用的结构，应当选用脆性临界温度较工作温度为低的钢材。 随时间的延长而表现出强度提

7、高，塑性和冲击韧性下降的现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年，但是钢材如经受冷加工变形，或使用中经受震动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构应该选用时效敏感性小的钢材。,冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标，用冲击韧性ak（/cm2）表示。ak值愈大，冲击韧性愈好。,硬度 钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。常用的测定硬度的方法有布氏法和洛氏法。 布氏法的测定

8、原理是利用直径为（）的淬火钢球，以P（）的荷载将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸除荷载，即得到直径为（）的压痕，以压痕表面积（）除荷载，所得的应力值即为试件的布氏硬度值，以数字表示，不带单位。 洛氏法测定的原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来表示硬度值，洛氏法压痕很小，常用于判定工件的热处理效果。,耐疲劳性 在反复荷载作用下的结构构件，钢材往往在应力远小于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。 一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，因此，钢材的

9、疲劳极限与其抗拉强度有关，一般抗拉强度高，其疲劳极限也较高。由于疲劳裂纹是在应力集中处形成和发展的，故钢材的疲劳极限不仅与其内部组织有关，也和表面质量有关。,焊接性能 钢材的可焊性是指焊接后在焊缝处的性质与母材性质的一致程度。影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量。如硫产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹。又如，含碳量超过0.3，可焊性显著下降等。,钢材的化学成分及对性能的影响 钢材的化学成分主要是指碳、硅、锰、硫、磷等，在不同情况下往往还需考虑氧、氮及各种合金元素。 （1）碳：土木工程用钢材含碳量不大于0.8。在此范围内，随着钢中碳含量的提高，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性则相应降低，碳

10、还可显著降低钢材的可焊性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。,（2）硅：当硅在钢中的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。 （）锰：锰是我国低合金钢的主加合金元素，锰含量一般在1%范围内，它的作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。,（）硫：硫是很有害元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。 （）磷：为有害元素，含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，

11、使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。,（）氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，可降低钢的机械性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊形变差。 （）氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有铝、妮、钒等的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。,（）钛：钛是强脱氧剂。它能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向，是常用的合金元素。 （）钒：钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能

12、减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。,钢材的晶体组织 钢是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以金属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑性的基础。原子在晶粒中排列的规律不同可以形成不同的晶格，如体心立方晶格是原子排列在一个正六面体的中心和各个顶点而构成的空间格子；面心立方体晶格是原子排列在一个正六面体的各个顶点和六个面的中心而构成的空间格子。铁和碳两种元素可以不同的形态存在，这种形态称为晶体组织。,碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中，其Fe和有以下三种结合形式： 固溶体铁（Fe）中固溶着微量的碳(C)； 化合物铁和碳结合成化合物Fe3； 机械混合物固溶体和化合物的混合物。 以上三种形式的Fe合金

13、，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像，故也称显微组织。,钢的基本组织主要有以下几种： （）铁素体 钢材中的铁素体为在一Fe中的固溶体，由于一Fe体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含量很少（小于0.02），由此决定其塑性、韧性很好，但强度、硬度很低。 （）奥氏体 奥氏体为在一Fe中的固溶体，溶碳能力较强，高温时含碳量可达2.06，低温时下降至0.8。其强度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。,（）渗碳体 渗碳体为铁和碳的化合物Fe3C ，其含量高（达6.67），晶体结构复杂，塑性差，性硬脆，抗拉强度低。 （）珠光体

14、珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含量较低（0.8），层状结构，塑性较好，强度和硬度较高。,钢材的冷加工和热处理 1. 钢材的冷加工 冷加工是指钢材在常温下进行的加工，建筑钢材常见的冷加工方式有：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使产生塑性变形，从而提高屈服强度，这个过程称为钢材的冷加工强化。 冷加工强化的原理是：钢材在塑性变形中晶格的缺陷增多，而缺陷的晶格严重畸变，对晶格的进一步滑移将起到阻碍作用，故钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低。由于塑性变形中产生内应力，故钢材的弹性模量降低。,工地或预制厂钢筋混凝土施工中常利用这一原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进

15、行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。 将经过冷拉的钢筋于常温下存放1520，或加热到100200并保持一段时间，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。,时效钢材随时间的延长，强度、硬度提高，而塑性、韧性下降的现象称为时效。钢材在自然条件下的时效是非常缓慢的，若经过冷加工或使用中经常受到振动、冲击荷载作用时，时效将迅速发展。钢材经冷加工后在常温下搁置1520天或加热至100200保持2h以内，钢材的屈服强度、抗拉强度及硬度都进一步提高，而塑性、韧性继续降低完成时效过程，前者称为自然时效，后者称为人工时效。如图9-8所示，经冷加工和时效后，其应力应变曲线为OK1C1D1，此时屈服

16、强度（K1）和抗拉强度（C1）比时效前进一步提高。一般强度较低的钢材采用自然时效，而强度较高的钢材采用人工时效。,冷拉以后再经过时效处理的钢筋，其屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性继续有所降低。由于时效过程中应力的消减，故弹性模量可基本恢复。 钢材产生时效的主要原因是，溶于一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷处移动和集中的速度大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则进一步降低，而弹性模量则基本恢复。,钢材的热处理 按照一定的制度，将钢材加热到一定的温度，在此温度下保持一定的时间，再以一定的速度和方式进行冷却，以使钢

17、材内部晶体组织和显微结构按要求进行改变，或者消除钢中的内应力，从而获得人们所需求的机械力学性能，这一过程就称为钢材的热处理。 钢材的热处理通常有以下几种基本方法： () 淬火。将钢材加热至723（相变温度）以上某一温度，并保持一定时间后，迅速置于水中或机油中冷却，这个过程称钢材的淬火处理。钢材经淬火后，强度和硬度提高，脆性增大，塑性和韧性明显降低。,() 回火。将淬火后的钢材重新加热到723以下某一温度范围，保温一定时间后再缓慢地或较快地冷却至室温，这一过程称为回火处理。回火可消除钢材淬火时产生的内应力，使其硬度降低，恢复塑性和韧性。回火温度愈高，钢材硬度下降愈多，塑性和韧性等性能均得以改善。

18、若钢材淬火后随即进行高温回火处理，则称调质处理，其目的是使钢材的强度、塑性、韧性等性能均得以改善。,（）退火。退火是指将钢材加热至723以上某一温度，保持相当时间后，在退火炉中缓慢冷却。退火能消除钢材中的内应力，细化晶粒，均匀组织，使钢材硬度降低，塑性和韧性提高。 （）正火。是将钢材加热到723以上某一温度，并保持相当长时间，然后在空气中缓慢冷却，则可得到均匀细小的显微组织。钢材正火后强度和硬度提高，塑性较退火为小,建筑钢材的主要钢种 （1）碳素结构钢 按国家标准GB700-88规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分

19、为、四个质量等级。碳素结构钢的牌号表示按顺序由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值（/mm2）、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧程度符号(F、B、Z、TZ)等四部分组成。例如Q235-A.F.，它表示：屈服点为235N2的平炉或氧气转炉冶炼的级沸腾碳素结构钢。当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示“”与“Z”符号可予以省略。,二、混凝土结构用钢目前混凝土结构用钢主要有：热轧钢筋、冷拉热轧钢筋、冷拔低碳钢丝、冷轧带肋钢筋、热处理钢筋和预应力混凝土用钢丝及钢绞线。1、热轧钢筋混凝土结构用热轧钢筋应有较高的强度，具有一定的塑性、韧性、冷弯和可焊性。热轧钢筋主要有用Q235轧制的光圆钢筋和用合金钢轧制

20、的带肋钢筋两类。热轧钢筋的标准国标钢筋混凝土用热轧光圆钢筋（GB1301391）和钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（GB149991）规定，按强度（屈服强度和抗拉强度）将钢筋分为四级。热轧直条圆钢筋为级，强度等级代号为R235；热轧带肋钢筋的级别为、级，其强度等级代号为RL335、RL400、RL540；,2、热轧钢筋的选用普通混凝土废预应力钢筋可根据使用条件选用级钢筋或、级钢筋；预应力混凝土应优先选用级钢筋，也可选用级或级钢筋。热轧钢筋除级是光圆钢筋，其余为月牙肋或等高肋钢筋，粗糙的表面可提高混凝土与钢筋之间的握裹力。3、冷拉热轧钢筋将级热轧钢筋，在常温下拉伸至超过屈服点的某一应力，然后卸荷，即制成

21、了冷拉钢筋。冷拉可使屈服点提高17%27%，材料变脆、屈服阶段变短，伸长率降低，冷拉时效后强度略有提高。生产中可将冷拉、除锈、调直、切断合并为一道工序，这样简化了流程，提高了效率；冷拉既可以节约钢材，有可以制成预应力钢筋，增加了品种规格，设备简单，易于操作，是钢筋冷加工的常用方法之一。,4、冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋使用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。国标冷轧带肋钢筋（GB1378892）规定，冷轧带肋钢筋代号用LL表示，并按抗拉强度等计划分为三级：LL550、LL650、LL800，其直径一般为5、6、7、8、10mm，冷轧带肋钢筋克服了冷拉、冷拔钢筋握裹力低的缺点，同时具有和冷拉、冷拔相近的强度，因此在中、小型预应力混凝土结构构件和普通混凝土结构构件中得到了越来越广泛的应用,5、冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝是将直径为6.58mm的Q235（或Q215）圆盘条通过截面小于钢筋截面的钨合金拔丝模而制成。冷拔钢丝不仅受拉、同时还将受到挤压作用，如图7-7所示。经受一次或多次