土木工程材料第七章土木工程用钢材及铝合金.ppt

1、基本要求 7.0 概述 7.1 钢的生产和分类 7.2 化学成分对钢材性能的影响 7.3 钢的技术性质 7.4 钢材的冷加工和热处理 7.5 钢材（结构）的连接 7.6 木工程用钢、钢材的标准和选用 7.7 钢材的腐蚀和防护 7.8 铝及铝合金,第七章 土木工程用钢材和铝合金,基 本 要 求,主要内容 化学成分对钢材性能的影响 建筑钢材的拉伸性能、冲击韧性及冷弯性能 建筑钢材的冷加工、时效强化及热处理 常用建筑钢材的标准及选用 钢材的腐蚀与防护,金属材料分类,金属材料,有色金属,黑色金属,铜、铝及合金,钢 结 构,钢 筋,生铁 (c2.06%),按化学成分可分为: 黑色金属和有色金属,Back

2、,7.0 概 述,定义：指用于工程建设的各种钢材，包括： 型钢 钢板 钢丝 钢筋,建筑钢材,优点 比强度高 塑性好、韧性好 能承受冲击和振动荷载 加工性好 便于装配施工,建筑钢材,缺点 易锈蚀，耐火性差 维护费用大,Back,应用： 大跨度结构 多层及高层结构 受动荷载作用的工业厂房,建筑钢材,钢桥,Back,铁路钢轨,钢结构厂房,总高度：324.8米左右 总质量：约11500吨 结构形式：钢架镂空结构（总用钢量7000吨，12000个金属部件，250万只铆钉）,巴黎艾菲尔铁塔,武汉长江大桥,2008年奥运会“鸟巢”工程,钢结构总用钢量4.2万吨,铝是世界上最为广泛应用的金属之一。 优点： 质

3、量轻，可装配化生产 在空气中的稳定性和阳极处理后的极佳外观 应用：铝合金型材，用于门窗、隔断等,铝合金,Back,铝合金门窗,铝合金型材,7.1 钢的生产和分类,钢的冶炼 钢材的加工方法 钢的分类 钢材的分类,Back,一、钢的冶炼,生铁的冶炼：还原反应为主 钢的冶炼：氧化,Back,钢的生产分为两步：（1）炼铁；（2）炼钢。,钢：含碳量为0.062.0%； 生铁：含碳量2 （2.116.67%）； 铸铁：含碳量为24）； 工业纯铁：含碳量小于0.04%。,冶炼过程,焦炭,铁矿石,生铁,高炉 熔融,生铁,精炼,氧化,钢,脱氧 铸锭,钢锭,建筑钢材,钢材的冶炼过程,还原,加工,二、钢材的加工方法

4、,大部分为压力加工，根据加工温度的不同分为冷加工和热加工。 轧制 锻造 拉拔 挤压,碳素钢 低碳钢 C0.6% 合金钢 低合金钢 10%,按化学成分分类,三、钢的分类,按质量分,普通钢 P0.045%,S0.055% 优质钢 P0.035-0.04%, S0.04% 高级优质钢 P0.025%,S0.025%,按结构用途分,结构钢 各种工程构件及机械零件,属低碳钢或中碳钢 工具钢 刀具、模具 特殊钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢,Back,三、钢的分类,按冶炼时脱氧程度分,沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 特殊镇静钢,Back,三、钢的分类,四、钢材的分类,型钢类 钢板类 钢管类 钢丝类,方形管,Z型钢,花

5、纹钢板,压型钢板,H型钢,矩形管,1. 碳。决定钢材性能的最重要元素（硬化元素）,b抗拉强度 k冲击韧性 A 伸长率 Z 断面收缩率 HB 硬度,有益元素：硅、锰、钛、钒； 有害元素：硫、磷、氮、氧、氢。,7.2 化学成分对钢材性能的影响,主要出现在合金钢或特殊合金钢中的元素： 锰（Mn）：提高强度、硬度及耐磨性，改善热加工性能；但会减弱钢的抗腐蚀性能和焊接性能。 铬（Cr）：显著提高强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性；可提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性（不锈钢、耐热钢）。 钼（Mo）：碳化作用剂，防止钢材变脆，高温时保持钢材的强度。 镍（Ni）：提高强度的同时保持良好的塑性和韧性，较高的耐酸碱

6、性，高温下有防锈和耐热能力。 钨（W）：增强抗磨损性。,工程中的钢结构和钢筋混凝土结构中的钢材的基本性能有：,机械/力学性能 拉伸性能 冲击韧性 疲劳强度 工艺性能 冷弯性能 焊接性能,Back,7.3 建筑钢材的技术性质,拉伸性能是建筑钢材的主要性能 钢材受拉后的技术性能指标可以用低碳钢的应力应变图来反映。 屈服强度 抗拉强度 伸长率,一、力学性能,1. 抗拉性能,低碳钢单轴拉伸试验,c,d,a,b,p,0,b,b,s,s,弹性阶段：oa 屈服阶段：ab 强化阶段：bc 颈缩阶段：cd,低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图,弹性极限 p、上屈服强度s、下屈服强度s、抗拉强度b,屈服强度（s）是确定

7、容许应力的主要依据；,硬钢的屈服点,中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象，规范以0.2%残余变形所对应的应力值作为名义屈服强度，用p0.2表示。,钢材的屈强比、有效利用率及安全性之间的关系,合理屈强比： 碳素钢 0.60-0.65 低合金结构钢 0.65-0.75 合金结构钢 0.84-0.86,屈强比（s/b）,（1）伸长率A,Lu拉断后标距部分长度mm； L0原标距长度mm。,通常取L0=5d0或L0=10d0，伸长率分别为A和A11.3。 相同钢材，AA11.3。,2. 塑性,伸长率的测定,（2）断面收缩率 Z,A0试件的原截面面积，mm2； A1试件断裂后颈缩处的横截面积，mm2；,3.

8、韧性,钢材抵抗冲击荷载的能力。用冲击韧性k表示。,k冲击韧性（J/cm2）； Ak 试件冲断时吸收的冲击能（J）； F试件槽口处最小横截面积（cm2）。,温度对钢材冲击韧性影响很大。,钢的脆性转变温度,冲击韧性骤然下降而成脆性（冷脆性）,负温条件下使用的结构，设计时必须考虑钢材的低温冲击韧性。,4. 耐疲劳性,疲劳破坏：是指钢材在交变荷载反复作用下，在远小于抗拉强度时发生的突然破坏。 疲劳强度：是指钢材在交变荷载作用下，于规定的周期基数内不发生断裂所能承受的最大循环应力。,5. 硬度,钢材抵抗硬物压入表面的能力。 常用的硬度指标为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）和维氏硬度（HV）。,1. 冷

9、弯性能,在更苛刻的条件下检验钢材的塑性； 以试验时的弯曲角度和弯心直径作为指标来表示； 弯曲角度愈大，弯心直径愈小，表示对冷弯性能要求愈高； 冷弯性能合格：弯曲处无裂纹、断裂及起层等现象。,二、工艺性能,2. 焊接性,获得良好的焊接接头，不易形成裂纹、气孔、夹渣。,7.4 钢材的冷加工与热处理,钢材的冷加工与时效处理 钢材的热处理,Back,一、钢材的冷加工与时效,冷加工：钢材在再结晶温度以下（即常温）的机械加工。如冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低。 时效：钢材经冷加工后，随着时间的延长，其屈服强度和抗拉强度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象。, 自然时

10、效：常温下存放1520天； 人工时效：加热至100200并保持2h左右； 时效敏感性：因时效而使钢材性能改变的程度。,思考：对于受动荷载或经常处于中温条件工作的钢结构，如桥梁、钢轨、锅炉等，应选时效敏感性大还是小的钢材？,O,O1,B,D1,C,D,C1,K1,K,未冷拉： s在B点处,冷拉： s变大（K点） 塑性和韧性降低,冷拉+时效： s、b变大 塑性和韧性降低,工程中往往是冷加工和时效处理同时采用。,钢筋的冷拉与时效处理,二、钢材的热处理,加热,保温,退火,退火。降低硬度，提高塑性，消除组织缺陷和内应力。 正火。与退火相比，钢的硬度、强度较高，而塑性减小。 淬火。获得高强度、高硬度的组织

11、，但塑性和韧性显著降低。 回火。消除淬火产生很大的内应力，减低脆性。,正火,淬火,回火,7.5 钢材（结构）的连接,焊接连接 螺栓连接 铆钉连接 钢筋机械连接,Back,一、焊接连接,焊接是各种型钢、钢板、钢筋等钢材的主要连接方式。 分类：熔化焊、压力焊、钎焊,优点：方便适用，不需要附加零件，不需要在钢材上开孔，构造简单，节省钢材，制作方便，易于采用自动化操作，生产效率高；焊缝连接的刚度大，密封性好。 注意： （1）钢的化学成分、冶炼质量及冷加工等都可能影响焊接性能。 （2）钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，包括拉伸试验和冷弯试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。,二、螺栓连接,优点：

12、安装和拆卸方便，适用于需要装卸结构的连接和临时性连接，是大型装配式构件的主要连接形式之一。 缺点：需在板件上开孔和拼装，增加制作工作量，螺栓孔使截面削减，并且浪费钢材。,螺栓连接的种类,三、铆钉连接,优点：塑性、韧性和整体性好，连接变形小，传力可靠，承受动力荷载时的疲劳性好，质量易于控制。 缺点：构造复杂，用钢量大，施工麻烦，打铆时噪声大，劳动条件差。,四、钢筋机械连接,优点：施工简单、工艺性能良好、接头质量可靠、不受钢筋焊接性的制约、可全天候施工、节约钢材和能源等。 标准：钢筋机械连接通用技术规程（JGJ107-2003）,常用机械连接接头类型：挤压接头、螺纹接头 （1）带肋钢筋套筒挤压连接

13、：将需要连接的带肋钢筋，插于特制的钢套筒内，利用挤压机压缩套筒，使之产生塑性变形，靠变形后的钢套筒与带肋钢筋之间的紧密咬合来实现钢筋的连接。 适用于钢筋直径为1640mm的HRB335、HRB400带肋钢筋的连接。,（2）钢筋螺纹接头连接：适用于HR335、HR400钢筋的连接。,7.6 土木工程用钢、钢材的标准和选用,土木工程用钢的主要类别 钢结构用钢材 钢筋混凝土用钢材 专门结构用钢材,Back,1、碳素结构钢,（GB 700-2006）,（1）牌号,Q235 AF,Q215 B的含义？,一、土木工程用钢的主要类别,（2）选用原则：以冶炼方法和脱氧程度来区分钢材品质，选用时应根据结构的工作

14、条件、承受荷载的类型、受荷方式、结构的连接方式和使用温度等因素综合考虑。 （3）技术要求：,化学成分：见表7-4 机械性能：s、b 、A、冲击吸收功（表7-5）； 冷弯试验：弯曲角度180o，弯心直径有所不同（表7-6）。,（4）技术特性：力学性能稳定，塑性好，在各种加工中敏感性小，构件在焊接、超载、受冲击和温度应力等不利的情况下能保证安全；并且冶炼方便，成本较低。,2. 低合金高强度结构钢,GB/T 1591-2008,牌号的含义同碳素结构钢。,（1）牌号,Q345 A的含义？,（2）技术要求,化学成分：表7-7 机械性能： s、b 、A等（表7-8） 冷弯试验：弯曲角度180o，弯心直径有

15、所不同。（表7-9）,（3）技术特性：高强度、高硬度，良好的塑性和韧性，耐磨、耐腐蚀、耐低温性好；具有含碳量0.2%，具有较好的可焊性；冶炼方便，成本低。 （4）应用：轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构，特别适用于各种重型结构、高层建筑、大柱网及大跨度结构。,3、优质碳素结构钢,（GB/T 699-1999）,08F、10F、15F；08、10、15、80、85；15Mn70Mn,F：沸腾钢,15：平均含碳量0.15,Mn：较高含锰量,（1）牌号,共31个牌号。,（2）技术要求,化学成分：有害元素S0.035%，P0.035% 机械性能。 s、b 、A、Z、HBW等

16、； 推荐热处理及温度。,四、合金结构钢,（GB/T 3077-1999）,如：30CrMnSiA； 20SiMn2MoV,30：含碳量0.30,Si：含硅量1.50 Mn2：含锰量1.502.49,（1）牌号：77个 牌号表示：两位数字、合金元素符号、合金元素平均含量、冶金质量等级,3：含量2.503.49； 4：含量3.504.49；,（2）技术特点：所有牌号均含有Si和Mn，生产过程严格控制S、P，并且均为镇静钢，质量稳定。与碳素结构钢相比，具有较高的强度和较好的综合性能（即良好的塑性、韧性、可焊性耐低温性、耐锈蚀性、耐磨性、耐疲劳性等），有利于节省用钢和增长结构使用寿命。 （3）应用：轧

17、制各种型钢、钢板、钢管、铆钉、螺栓、螺帽及钢筋，特别适用于各种重型结构、大跨度结构、高层结构等。,角钢。热轧等边角钢 尺寸、外形、重量及允许偏差GB9787-88、热轧不等边角钢 尺寸、外形、重量及允许偏差GB9788-88。 L型钢。热轧L型钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB9946-88； 工字钢。热轧工字钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB706-88 ； 槽钢。热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB707-88 ； H型钢和T型钢。热轧H型钢和剖分T型钢 GBT11263-2005 ； 热轧扁钢。GB704-88,1、热轧型钢,主要采用碳素结构钢（如Q235）和低合金高强度结构钢（如Q345

18、 ）。,二、钢结构用钢材,角钢,等边角钢：边宽边宽 边厚（mm） 如：30303,不等边角钢：长边宽短边宽边厚（mm） 如：100808,俗称角铁，是两边互相垂直成角形的长条钢材。有等边与不等边之分。,长度：一般为319m 应用：可组成各种受力构件，也可作构件之间的连接件。,外形类似于不等边角钢，主要区别是两边的厚度不等，又称不等边不等厚角钢。,规格表示：腹板高面板宽腹 板厚面板厚（mm） 如L25090913 长度：通常为612m,应用：海洋工程结构和要求较高的建筑工程结构。,L型钢,槽钢,角钢,工字钢,也称钢梁，是截面为工字形的 长条钢材。,规格表示： 腰高度（cm） 腰高度腿宽度腰宽度（

19、mm）,规格范围：10号63号 长度：通常为519m,应用：一般宜用于单向受弯构件，如各种建筑结构、 桥梁、支架、机械等。,是截面为凹槽形的长条钢材。,规格表示： 腰高度（cm） 腰高度腿宽度腰厚度（mm）,规格范围：5号40号 长度：通常为519m,应用：作为承受横向弯曲的梁和承受轴向力的杆件，主要用于建筑架构、车辆制造和其他工业结构，常与工字钢配合使用。,槽钢,H型钢,也称宽腿工字钢，分为宽翼缘H型钢（HK）、窄翼缘H型钢（HZ）和H型钢柱。,规格表示：公称高度（mm） 腹板高翼缘宽腹板厚翼缘厚（mm）,规格范围：HK100号HK900号； HZ80号HZ600号；HU200号HU500号

20、 长度：通常为635m,是截面为矩形并稍带钝边的长条 钢材。,规格表示：厚度宽度（mm）,规格范围：3mm10mm60mm150mm,应用：建筑上用作房架结构件、扶梯、桥梁、栅栏等；也可用作焊管和叠轧薄板的坯料。,热轧扁钢,2. 冷弯薄壁型钢,采用1.56mm薄钢板冷弯或模压而成； 空心型钢。方形、矩形； 开口薄壁型钢。角钢、槽钢、Z型钢等。,矩形管,方形管,Z型钢,冷弯型钢截面示意图,3. 棒材,六角钢、八角钢； 扁钢； 圆钢、方钢；,圆钢,4. 钢管,无缝钢管； 焊接钢管；,钢管,5. 板材,钢板。一般采用碳素结构钢（重型结构和大跨度结构也有采用低合金高强度结构钢）冷轧或热轧而成 ； 花纹

21、钢板； 压型钢板。经辊压或冷弯制成截面呈V型、U型、梯形或类似形状波纹的钢板； 彩色涂层钢板。,压型钢板,花纹钢板,三、钢筋混凝土用钢材,1. 热轧钢筋,热轧光圆钢筋：GB1499.1-2008，采用Q235轧制 热轧带肋钢筋：GB1499.2-2007，采用低合金钢轧制 余热处理钢筋：GB13014-1991,相关性能见表7-9,光圆钢筋,带肋钢筋,2. 冷轧带肋钢筋,热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成二面或三面有横肋的钢筋。 牌号：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170； 力学性能指标：b、A或A11.3 、弯曲试验或反复弯曲试验次数、松弛率； 应

22、用： CRB550为普通混凝土用钢筋，其它牌号为预应力混凝土用钢筋。,冷轧带肋钢筋（GB/T 13788-2000）,3.预应力筋,冷轧带肋钢筋：CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170 钢丝 钢绞线 钢棒 螺纹钢筋,（1）预应力混凝土用钢丝：优质碳素结构钢经冷拔或再经回火等工艺处理制成的高强度钢丝。,标准：预应力混凝土用钢丝GB/T5223-2002,一般由2根、3根或7根直径为2.5mm6.0mm的高强度钢丝经绞埝和消除内应力的热处理而制成； 产品性能指标：抗拉强度b 、最大力Fm 、Fp0.2、gt 、松弛性能。 应用：强度高、塑性好、易于锚固，多用于大跨度、重荷载的预应

23、力混凝土结构。,预应力混凝土用钢绞线（GB/T 5224-2003）,（2）预应力混凝土用钢绞线,低合金钢热轧盘条经冷加工后（或不经冷加工）淬火和回火所得，按外形分为光圆、螺旋槽、螺旋肋和带肋四种钢棒。 产品性能指标：,预应力混凝土用钢棒（GB/T 5223.3-2005）,（3）预应力混凝土用钢棒,是一种热轧成带有不连续外螺纹的直条钢筋，在任意截面处，均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。 规格：公称直径分别为18mm、25mm、32mm、40mm、50mm 强度等级：PSB785、PSB830、PSB930、PSB1080 力学性能： s 、 b 、A、Agt、应力松弛性

24、能,（GB/T 20065-2006）,（4）预应力混凝土用螺纹钢筋,在混凝土中掺钢纤维的作用：提高抗冲击强度和韧性，显著改善其抗裂、抗剪、抗弯、抗拉、抗疲劳等性能。 钢纤维的原材料：碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢 生产方式：钢丝切断、薄板剪切、熔融抽丝、铣削 规格：直径0.450.7mm，长径比5080 强度等级：按抗拉强度分为1000、600、380三个等级,YB/T151-1999,4. 混凝土用钢纤维,四、专门结构用钢材,性能要求：较高的强度，良好的塑性、韧性、可焊性及较高的疲劳强度，良好的抗大气腐蚀性。通常为平炉或氧气转炉镇静钢。 牌号：,Q235q：专用于焊接桥梁，C含量和P、S等

25、杂质含量低，Cl、O等气体杂质含量也少，具有优良的可焊性。 Q345q、Q370q和Q420q：低合金钢，完全脱氧、杂质含量少，具有良好的综合机械性能，强度较高，塑性、韧性、可焊性较好。Q345q为目前建造钢梁主体结构的基本钢材。,分为轻轨和重轨，规格用单位长度质量（kg/m）来表示。轻轨为530kg/m，重轨为3375kg/m。 性能要求：较高的强度，较高的耐磨性、冲击韧性和疲劳强度，良好的可焊性和耐腐蚀性。 生产：采用含碳量较高（高碳钢）的平炉或氧气转炉镇静钢进行轧制，并进行淬火处理。 （1）铁路用热轧钢轨（GB2585-2007）：U74、U71Mn、U70MnSi、 U71MnSiCu

26、、U75V、U76NbRe、U70Mn,（2）起重机轨（YB/T5055-1993）：也称吊车轨，牌号为U71Mn （3）轻轨（GB11264-89）：,12kg/m：力学性能不做特别要求，仅要求满足钢牌号（50Q、55Q、45SiMnP、50SiMnP）性能即可 1530kg/m：55Q、50SiMnP要求b 685MPa，布氏硬度197HBW，落锤试验后钢材不断不裂；36CuCrP要求Rm785MPa，布氏硬度220HBW，落锤试验后钢材不断不裂。 长度以间隔0.5m分档，最短5m，最长10m；规格有9、12、15、22、30kg/m。,7.7 钢材的腐蚀与防护,钢材的防腐 钢材的防火,B

27、ack,一、钢材的防腐,化学腐蚀：是指钢材与周围介质直接发生化学作用，生成疏松的氧化物。,1. 腐蚀,由O2产生：,Fe+O2FeO，Fe2O3，Fe3O4,由CO2产生：,Fe+CO2FeO，Fe3O4+CO,由H2O产生：,Fe+H2OFeO，Fe3O4+H2,电化学腐蚀：与电解质溶液接触，形成微电池。,电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。,阳极区：,铁溶解，即铁被腐蚀，并放出电子,阴极区：,消耗电子，氧被还原,溶液区：,生成铁锈，体积膨胀,进一步氧化，体积再膨胀,截面积减小，性能降低，甚至报废； 产生锈坑，造成应力集中，产生锈蚀疲劳。 体积增大（最大可达6倍），使混凝土胀裂。,2. 腐蚀的

28、危害,环境中的湿度、氧； 介质中的酸、碱、盐； 钢材的化学成分及表面状况。 卤素离子，特别是氯离子使锈蚀迅速发展。,3.钢材锈蚀的影响因素,4.防止钢材锈蚀的措施,采用耐候钢、不锈钢； 金属覆盖。分阳极覆盖（镀锌、镀铬）和阴极覆盖（镀锡、镀铜）； 外加电流保护法。负极接钢结构，正极接难熔金属； 非金属覆盖； 混凝土用钢筋的防锈。混凝土密实、保护层、限制含氯盐外加剂掺量、钢筋防锈剂、钢筋涂覆环氧树脂或镀锌。,无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，裸露钢梁耐火极限仅为0.15h； 温度在200以内，可以认为钢材的性能基本不变；超过300以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；到达600时已失去承载能力。,二、钢材的防火,1.钢是不燃性材料，但不能够抵抗火灾。,耐火试验与火灾案例调查表明：,1973年5月5日，天津市人民体育馆发生火灾。该馆是大跨度的钢屋架结构，着火不到一个小时，就整体坍塌了。 1998年5月5日北京玉泉营环岛家具城，也是大跨度的钢屋架结构，建筑面积23000，着火后，不到lh就被整体烧塌落架了。 2001年9月1