林建好土木工程材料本科金属材料.pptx

基本要求基本要求主要内容 钢的冶炼方法和分类；钢的冶炼方法和分类；钢材的力学性能和工艺性能；钢材的力学性能和工艺性能；钢的组织和化学成分对钢材性能的影响；钢的组织和化学成分对钢材性能的影响；钢筋混凝土结构用钢筋、钢丝、钢绞线和钢结构用各种型钢的技术性质和应钢筋混凝土结构用钢筋、钢丝、钢绞线和钢结构用各种型钢的技术性质和应用。用。重点重点钢材的力学性能和工艺性能；钢材的力学性能和工艺性能；钢的组织和化学成分对钢材性能的影响；钢的组织和化学成分对钢材性能的影响；常用钢材的技术性质和应用。常用钢材的技术性质和应用。第1页/共65页基本要求基本要求难点钢材的力学性能和工艺性能；钢材的力学性能和工艺性能；钢的组织和化学成分对钢材性能的影响钢的组织和化学成分对钢材性能的影响。注意事项本章是整个课程的重点之一；学习时重点掌握钢材的两大部分性能，即一是力学 性能，二是工艺性能；同时掌握钢的组织和化学成分对钢材性能的影响；如何选择常用建筑钢材；了解钢材的锈蚀机理和防止措施以及防火方法。第2页/共65页第7 7章 金属材料 概述第3页/共65页定义分类特点应用第4页/共65页概 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 钢筋钢筋钢筋钢筋型钢型钢型钢型钢 钢板钢板钢板钢板钢丝钢丝钢丝钢丝第5页/共65页分类金属材料金属材料金属材料金属材料有色金属有色金属有色金属有色金属黑色金属黑色金属黑色金属黑色金属铜、铝及合金铜、铝及合金钢钢 结结 构构钢钢 筋筋生铁生铁 (c2.06%)(c2.06%)(c2.06%)(c2.06%)按化学成分可分为:黑色金属和有色金属 概 述第6页/共65页概 述优点钢材强度高、品质均匀;具有定的弹性和塑性变形能力，能够承受冲击、振动等荷载;可加工性好，能进行各种机械加工，也可以通过铸造的方法，将钢铸造成各种形状，还可以通过切割、铆接或焊接等多种方式的连接，进行装配施工。特点缺点缺点钢材易锈蚀钢材易锈蚀;耐火性差耐火性差;维护费用大。维护费用大。第7页/共65页概 述 钢材广泛使用在建筑工程、市政工程等建设中，除用于钢筋混凝土结构、钢材广泛使用在建筑工程、市政工程等建设中，除用于钢筋混凝土结构、钢结构、桥梁工程和铁路工程外，还大量用作门窗和建筑五金等。钢结构、桥梁工程和铁路工程外，还大量用作门窗和建筑五金等。应用钢桥钢桥钢桥钢桥第8页/共65页第7 7章 金属材料 7.17.1钢的冶炼与分类第9页/共65页7.17.17.17.1钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类冶炼原理冶炼原理炼钢的原理就是通过将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到预定范围内，使其它杂质的含量降低到允许范围内。过程过程焦炭焦炭焦炭焦炭铁矿石铁矿石铁矿石铁矿石生铁生铁生铁生铁高炉熔融生铁生铁生铁生铁精炼氧化氧化氧化氧化还原还原还原还原钢钢钢钢铸锭铸锭铸锭铸锭钢锭钢锭钢锭钢锭建筑钢材建筑钢材建筑钢材建筑钢材第10页/共65页7.17.17.17.1钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类冶炼方法冶炼方法氧气转炉法：是以熔融铁水为原料，由炉顶向转炉内吹入高压氧气，能使铁水中硫、磷等有害杂质迅速氧化而被有效除去。其特点是冶炼速度快(每炉需2545min)，钢质较好且成本较低。常用来生产优质碳素钢和合金钢。目前，氧气转炉法是最主要的一种炼钢方法。平炉法：是以固体或液态生铁、废钢铁及适量的铁矿石为原料，以煤气或重油为燃料，依靠废钢铁及铁矿石中的氧与杂质起氧化作用而成渣，熔渣浮于表面，使下层液态钢水与空气隔绝，避免了空气中的氧、氮等进入钢中。平炉法冶炼时间长（每炉需412h)，有足够的时间调整和控制其成分，去除杂质更为彻底，故钢的质量好。可用于炼制优质碳素钢、合金钢及其它有特殊要求的专用钢。其缺点是能耗高，成本高。此法已逐渐被淘汰。电炉法：是以废钢铁及生铁为原料，利用电能加热进行高温冶炼。该法熔炼温度高，且温度可自由调节，清除杂质较易，故电炉钢的质量最好，但成本也最高。主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢。第11页/共65页7.17.17.17.1钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类按脱氧程度分类按脱氧程度分类钢种钢种脱氧程度脱氧程度冷却情况冷却情况钢材质量钢材质量沸腾钢沸腾钢不充分不充分浇筑时有大量浇筑时有大量 CO 逸出逸出 差差半镇静钢半镇静钢介于二者之间介于二者之间 好好镇静钢镇静钢充分充分平静冷却，无平静冷却，无CO 逸出逸出 组织致密、成分组织致密、成分均匀、机械性能均匀、机械性能好好特殊镇静钢特殊镇静钢最充分最充分最好最好第12页/共65页7.17.17.17.1钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类按化学成分分类按化学成分分类碳素钢碳素钢低碳钢 C0.6%合金钢合金钢低合金钢 10%按有害杂质含量分类按有害杂质含量分类普通钢：S0.050%，P0.045%；优质钢：S0.035%，P0.035%；高级优质钢：S0.025%，P0.025%；特级优质钢：S0.015%，P0.025%。按用途分类按用途分类结构钢：指主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低碳钢或中碳钢；工具钢：指主要用于各种工具、量具及模具的钢，一般为高碳钢；特殊钢：具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等，一般为合金钢。建筑上所用的主要是属碳素结构钢的低碳钢和属普通钢的低合金结构钢。第13页/共65页第7 7章 金属材料 7.27.2钢材的力学性能与工艺性能第14页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能强度强度 在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。第15页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能强度强度弹性模量和比例极限钢材受力初期，应力与应变成正比例地增长，应力与应变之比为常数，称为弹性模量，即 。这个阶段的最大应力(点对应值)称为比例极限 。弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要指标。值越大，抵抗弹性交形的能力越大；在一定荷载作用下，值越大，材料发生的弹性变形量越小。一些对变形要求严格的构件，为了把弹性变形控制在一定限度内，应选用刚度大的钢材。弹性极限应力超过比例极限后，应力应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形仍能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力(点对应值)称为弹性极限 。事实上，与 相当接近。第16页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能强度强度屈服强度当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到 点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用表示 。有些钢材无明显的屈服现象，通常以发生微量塑性变形（0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度(），见图7-2。屈服点是钢材力学性质最重要的指标。如果钢材超过屈服点以上工作，虽然没有断裂，但会产生不允许的结构变形，一般不能满足使用上的要求。因此，在结构设计时，屈服点是确定钢材容许应力的主要依据。第17页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能强度强度极限强度当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能力又重新提高，此时变形虽然发展快，但却只能随着应力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的能力明显降低，并在最薄弱处发生较大塑性变形，此处试件截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏（点）。钢材受拉断裂前的最大应力值（点对应值）称为强度极限或抗拉强度 。抗拉强度虽然是材料抵抗断裂破坏能力的一个重要指标，可是在结构设计中却不能利用。然而屈服点与抗拉强度之比（屈强比）却有一定的意义。屈强比愈小，则结构安全度愈大，不易发生跪性断裂和局部超载引起的破坏。但屈强比太小，则不能充分发挥钢材的强度水平。通常情况下，屈强比在0.600.75范围内比较合适。第18页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能强度强度在反复交变荷载作用下，结构工程中所使用的钢材往往会在应力远低于其抗拉强度的情况下，发生突然破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。以疲劳强度来表示。在疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期基数内不发生断裂时所能承受的最大应力值即为钢材的疲劳强度。在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。疲劳强度塑性塑性 塑性表示钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的一个重要性能指标。钢材的塑性通常用拉伸试验时的伸长率或断面收缩率表示。伸长率断面收缩率第19页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能冲击韧性冲击韧性定义：冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。试验方法：采用中间开有V型缺口的标准弯曲试样，置于冲击试验机的底座上，并使切槽位于受拉的一侧，如图7-3所示，当试验机的重摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件所吸收的能量等于重摆所做的功（）。以试件在缺口处的最小横截面积（）除所做的功（），则得：冲击韧性越大表示钢材抵抗冲击的能力越强。第20页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能硬度硬度钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度的方法很多，有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用硬度指标为布氏硬度值，其代号为 。布氏法的测定原理是利用直径为（mm）的淬火钢球，以荷载 （N）将其压入试件表面，经规定的持荷时间后卸去荷载，得到直径为 （mm）的压痕，以压痕表面积 （mm2）除荷载 ，所得应力值的MPa数即为试件的布氏硬度值 ，此值无量纲。图7-5为布氏硬度测定示意图。耐疲劳性耐疲劳性 钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限(或称疲劳强度)表示，它是指疲劳试验中试件在交变应力作用下，在规定的周期内不发生断裂所能承受的最大应力。第21页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能冷弯性能冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受一定弯曲程度而不破裂的能力。弯曲程度用弯曲角度和弯心直径对试件厚度或直径的比值来衡量。冷弯试验是将钢材按规定的弯心直径弯曲到规定的角度，通过检查被弯曲后钢材试件拱面和两侧面是否发生裂纹、起层或断裂来判定合格与否。弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度或直径的比值愈小，则表示钢材的冷弯性能愈好（如图7-6）。第22页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能焊接性能焊接性能钢结构的连接主要靠焊接，在工业与民用建筑的钢结构中，焊接结构要占90%以上。在钢筋混凝土结构工程中，大量的钢筋接头、钢筋网片、钢筋骨架、预埋铁件以及装配式钢筋混凝土预制构件的安装等，都需要采用焊接。钢材的可焊性是指钢材焊接部位经过焊接热加工后不出现裂纹、原母材的性质改变较小的性能。钢材焊接基本方法电弧焊 接触对焊 影响钢材焊接质量的主要因素钢材的化学成分焊接工艺焊条材料第23页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能冷加工性能及时效处理冷加工性能及时效处理概念将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑性和韧性会降低，这个过程称为冷加工强化处理。将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15d20d，或加热到100200并保持2h3h后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，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，强度较高的钢筋则须采用人工时效。常见冷加工方法建筑工地或预制构件厂常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。冷拉。将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉，拉伸至产生一定的塑性变形后，卸去荷载。钢筋冷拉后，屈服强度可提高20%30%，可节约钢材10%20%，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。冷拔。将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在10%以内。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光滑，屈服强度可提高40%60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。第24页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能冷加工性能及时效处理冷加工性能及时效处理钢材冷加工强化与时效处理的机理 钢筋经冷拉、时效后的力学性能变化规律，可从其拉伸试验的应力应变图得到反映。第25页/共65页OO1BD1CDC1K1K冷拉冷拉屈服点屈服点:s s s s 变大变大塑性和韧性降低塑性和韧性降低时效时效s s,变大 塑性和韧性降低 冷加工和时效强化示意图第26页/共65页7.27.27.27.2钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能钢材的热处理钢材的热处理 热处理是将钢材在固态范围内按一定规则加热、保温和冷却，以改变其金相组织和显微结构组织，从而获得所需性能的一种工艺过程。土木工程所用钢材一般在生产厂家进行热处理并以热处理状态供应。在施工现场，有时需对焊接件进行热处理。钢材热处理的方法退火正火淬火回火第27页/共65页第7 7章 金属材料7.37.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响第28页/共65页7.37.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响钢材的晶体结构钢材的晶体结构钢材和一切金属材料一样，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。第29页/共65页钢材的基本组织钢材的基本组织 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。主要有铁素体、奥氏体、渗碳体和珠光体。铁素体。钢材中的铁素体系C在 中的固溶体，由于 体心立方晶格的原子间空隙小，溶碳能力较差，故铁素体含C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C在 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C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。珠光体为铁素体和渗碳体的机械混合物，含C量较低（0.8%），层状结构，塑性和韧性较好，强度较高。7.37.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响第30页/共65页钢材的基本组织钢材的基本组织碳素钢中基本组织的相对含量与其含碳量关系密切，见图7-9。由图可知，当含C量小于0.8%时，钢的基本组织由铁素体和珠光体组成，其间随着含C量提高，铁素体逐渐减少而珠光体逐渐增多，钢材则随之强度、硬度逐渐提高而塑性、韧性逐渐降低。当含C量为0.8%时，钢的基本组织仅为珠光体。当含C量大于0.8%时，钢的基本组织由珠光体和渗碳体组成，此后随含C量增加，珠光体逐渐减少而渗碳体相对渐增，从而使钢的硬度逐渐增大，塑性和韧性减小，且强度下降。建筑工程中所用的钢材其含碳量均在0.8%以下，所以建筑钢材的基本组织是由铁素体和珠光体组成，由此就决定了建筑钢材既具有较高的强度，同时塑性、韧性也较好，从而能很好地满足工程所需的技术性能要求。7.37.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响第31页/共65页7.37.3钢的组织和化学成分对钢材性能的影响第32页/共65页第7 7章 金属材料7.47.4建筑钢材的锈蚀与防护第33页/共65页7.47.4建筑钢材的锈蚀与防护化学锈蚀化学锈蚀 钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作锈蚀（腐蚀）。钢材锈蚀的现象普遍存在，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。锈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；锈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，锈蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。化学锈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锈蚀。在干燥环境中化学锈蚀的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时锈蚀速度大大加快。电化学锈蚀电化学锈蚀 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。整个电化学锈蚀过程如下：第34页/共65页7.47.4建筑钢材的锈蚀与防护电化学锈蚀电化学锈蚀水是弱电解质溶液，而溶有COCO2 2的水则成为有效的电解质溶液，从而加速电化学锈蚀的过程。钢材在大气中的锈蚀，实际上是化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用所致，但以电化学锈蚀为主。第35页/共65页7.47.4建筑钢材的锈蚀与防护普通混凝土为强碱性环境，pH为12.5左右，使之对埋入其中的钢筋形成碱性保护。在碱性环境中，阴极过程难于进行。即使有原电池反应存在，生成的也能稳定存在，并成为钢筋的保护膜。所以，用普通混凝土制作的钢筋混凝土，只要混凝土表面没有缺陷，里面的钢筋是不会锈蚀的。普通混凝土制作的钢筋混凝土有时也发生钢筋锈蚀现象。其主要原因有以下几个方面：一是混凝土不密实，环境中的水和空气能进入混凝土内部；二是混凝土保护层厚度小或发生了严重的碳化，使混凝土失去了碱性保护作用；三是混凝土内含量过大，使钢筋表面的保护膜被氧化；四是预应力钢筋存在微裂缝等缺陷，引起应力锈蚀。加气混凝土碱度较低，电化学腐蚀过程能顺利进行，同时这种混凝土多孔，外界的水和空气易深入内部，所以，加气混凝土中的钢筋在使用前必须进行防腐处理。轻骨料混凝土和粉煤灰混凝土的护筋性能，经过多年试验研究和应用，证明是良好的，其耐久性不低于普通混凝土。为了防止钢筋锈蚀，应保证混凝土的密实度以及钢筋保护层的厚度。在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通水泥，限制含氯盐外加剂的掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂(如亚硝酸钠)。预应力混凝土应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂。对于加气混凝土等可以在钢筋表面涂环氧树脂或镀锌等方法来防止。第36页/共65页7.47.4建筑钢材的锈蚀与防护 钢材的锈蚀既有内因（材质），又有外因（环境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以从改变钢材本身的易锈蚀性，隔离环境中的侵蚀性介质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖等。钢是不燃性材料，但这并不表明钢材能够抵抗火灾。耐火试验与火灾案例表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露钢梁的耐火极限为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；至达600时已经失去承载能力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，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。第37页/共65页第7 7章 金属材料7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用第38页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用土木工程用钢有钢结构用钢和钢筋混凝土用钢两类，前者主要应用有型钢、钢板和钢管，后者主要应用有钢筋、钢丝和钢铰线，二者钢制品所用的原料用钢多为碳素钢、合金钢和低合金钢。其技术标准及选用如下。碳素结构钢的牌号碳素结构钢的牌号 根据现行国家标准碳素结构钢(GB/T 7002006)规定，碳素结构钢牌号由字母和数字组合而成，按顺序为：屈服点符号、屈服极限值、质量等级及脱氧程度。共有四个牌号：Q195、Q215、Q235、Q275；按质量等级分为A、B、C、D四级；按脱氧程度分为沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）、特殊镇静钢（TZ）四类，Z和TZ在钢的牌号中可省略。例如：Q235AF表示屈服点为235MPa、质量等级为A级的沸腾钢；Q235A表示为屈服点为235 MPa、质量等级为A级的镇静钢。第39页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用碳素结构钢的主要技术要求碳素结构钢的主要技术要求碳素结构钢的主要技术要求包括力学性能、工艺性能和化学成分要求三个方面。第40页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用碳素结构钢的主要技术要求碳素结构钢的主要技术要求第41页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用碳素结构钢的主要技术要求碳素结构钢的主要技术要求 从表7-2、表7-3、表7-4可看出：碳素结构钢随牌号递增而含碳量提高，强度提高，塑性和冷弯性能降低。第42页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用碳素结构钢的特性及应用碳素结构钢的特性及应用 碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低。不同牌号的碳素结构钢在土木工程中有不同的应用。Q195 钢强度不高，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条等。Q215 钢用途与Q195 钢基本相同，由于其强度稍高，还大量用做管坯和螺栓等。Q235 钢既有较高的强度，又有较好的塑性和韧性，可焊性也好，在土木工程中应用最广泛，大量用于制作钢结构用钢、钢筋和钢板等。其中Q235A 级钢，一般仅适用于承受静荷载作用的结构，Q235C 和Q235D 级钢可用于重要的焊接结构。另外，由于Q235D 级钢含有足够的形成细晶粒结构的元素，同时对硫、磷有害元素控制严格，故其冲击韧性好，有较强的抵抗振动、冲击荷载能力，尤其适用于负温条件。Q255 钢强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用于做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。Q275 钢强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差。不宜用于建筑结构，主要用于制作机械零件和工具等。第43页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用碳素结构钢选用原则碳素结构钢选用原则 在结构设计时，对于用作承重结构的钢材，应根据结构的重要性、荷载持征（动荷载或静荷载）、连接方法（焊接或铆接）、工作温度（正温或负温）等不同情况选择其牌号和材质。下列情况的承重结构不宜采用沸腾钢：焊接结构。重级工作制吊车梁、吊车桁架或类似结构；设计冬季计算温度等于或低于-20-20时的轻、中级工作制的吊车粱、吊车桁架或类似结构；设计冬季计算温度等于或低于-30-30时的其他承重结构。非焊接结构。设计冬季计算温度等于或低于-20-20时的重级工作制吊车梁、吊车桁架或类似的结构。工程上使用的钢材要求强度高，塑性好，且易于加工，碳素结构钢的性能不能完全满足工程的需要。在碳素结构钢基础上掺入少量（掺量小于5）的合金元素（如锰、钒、钛、铌、镍等）即成为低合金高强度结构钢。第44页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的牌号低合金高强度结构钢的牌号 根据低合金高强度结构钢（GB/T 159l2008）规定：低合金高强度结构钢按力学性能和化学成分分为Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个牌号，按硫、磷含量分A、B、C、D、E五个质量等级，其中E级质量最好。牌号按屈服点符号、屈服点数值和质量等级符号顺序排列。例如：Q420B的含义为屈服点为420 MPa、质量等级为B的低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求按现行国家标准低合金高强度结构钢（GB/T 159l2008）规定，低合金高强度结构钢的化学成分、拉伸性能、夏比（V型）冲击试验温度和冲击吸收能量以及弯曲试验的要求见表7-5、表7-6、表7-7、表7-8。第45页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求第46页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求第47页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求第48页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求第49页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求第50页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的主要技术要求低合金高强度结构钢的主要技术要求第51页/共65页7.5 7.5 建筑钢材的品种与选用低合金高强度结构钢的性能及应用低合金高强度结构钢的性能及应用 由于合金元素的细晶强化和固深强化等作用，使低合金钢不仅具有较高的强度，而且也具有较好的塑性、韧性和可焊性。因此，它是综合性能较为理想的建筑钢材。低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢（角钢、槽钢、工字钢）、钢板、钢管及钢筋，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、承受动荷载和冲击荷载的结构。优质碳素结构钢按国家技术标准GB/T 6991999优质碳素结构钢的规定，按其含锰量不同，可分为普通含锰量的钢（含锰量0.25%0.80%）（共有20种牌号）和较高含锰量的钢（含锰量0.70%1.20%）（共有11种牌号）两大组。优质碳素结构钢大部分为镇静钢，也有沸腾钢，一般以热轧状态供应，与普通碳素钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、疏的含量分别不大0.035%，质量稳定，其他缺陷限制也较严格，具有较好的综合性能，但成本较高。第52页/共65页第7 7章 金属材料7.6 7.6 常用建筑钢材第53页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材热轧钢筋热轧钢筋 混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构用钢材，主要由碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素钢轧制而成。其主要品种有热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线等。按直条或盘条（盘圆）供货。热轧钢筋根据其表面特征不同分为光圆钢筋和带肋钢筋。带肋钢筋横肋一般为月牙肋，其纵肋分为有肋和无肋两种。热轧直条光圆钢筋按照钢筋混凝土用钢 第1 1部分：热轧光圆钢筋(GB1499.12008)(GB1499.12008)的规定：热轧光圆钢筋按照屈服强度特征值分为235235、300300级。钢筋的力学性能和工艺性能应符合表7-97-9的规定。根据供需双方协议，伸长率类型可以从 或 中选定。第54页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材热轧直条光圆钢筋热轧带肋钢筋 根据钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋（GB1499.22007）的规定，热轧带肋钢筋分类为普通热轧带肋钢筋（Hot rolled Ribbed Bars，简称HRB）和细晶粒热轧钢筋（Hot rolled Ribbed Bars of Fine grains，简称HRBF）两种，其晶体组织主要为铁素体和珠光体，不得有影响使用功能的其他晶体组织存在。细晶粒热轧钢筋是在热轧过程中，通过控轧和控冷工艺形成的细粒钢筋。热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能应符合表7-10的规定。第55页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材热轧钢筋热轧钢筋热轧带肋钢筋热轧钢筋的级别越高，强度越高，塑性韧性越差。在热轧钢筋中，HPB235钢筋为光圆钢筋，强度较低，塑性好，易于加工成型，可焊性好；HRB335、HRB400、HRBF400为月牙肋钢筋，强度较高，塑性、可焊性好，为钢筋混凝土结构的主要用筋；HRB500级钢筋，强度高，塑性韧性有保证，但可焊性较差。HPB235、HRB335、HRB400 级钢筋在钢筋混凝土中作受力筋及构造筋，HRB500级钢筋经冷拉后可作为预应力筋。第56页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材冷拉热轧钢筋冷拉热轧钢筋为提高钢材强度、节约钢材，工程中常按施工规范对热轧钢筋进行冷拉。冷拉后钢筋的力学性能应符合混凝土结构工程施工质量验收规范(2011年版)（GB502042002）的规定，见表7-11。冷拉HPB235级钢筋适用作非预应力受力钢筋，冷拉HRB335、HRB400、HRB500级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土结构的预应力筋。由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断，因此冷拉钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。第57页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是采用热轧圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成带有沿长度方向均匀分布的二面或三面横肋的钢筋。肋呈月牙形，二面或三面肋均应沿钢筋横截面周圈上均匀分布，且其中有一面的肋必须与另一面或另两面的肋反向。冷轧带肋钢筋是热轧圆盘钢筋的深加工产品，是一种新型高效建筑钢材。根据国家标准冷轧带肋钢筋（GB137882008GB137882008）规定，其按抗拉强度最小值可分为四级牌号，即CRB550CRB550、CRB650CRB650、CRB800CRB800、CRB970CRB970，其中C C、R R、B B分别表示“冷轧”、“带肋”、“钢筋”的英文首位字母，后面的数字表示钢筋抗拉强度最小数值。CRB550CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土用钢筋。冷轧带肋钢筋中CRB550钢筋的公称直径范围为412mm，CRB650及以上牌号钢筋的公称直径为4mm、5mm、6mm。制造冷轧带肋钢筋的盘条应符合GB/T701和GB/T4354或其他有关标淮的规定，其力学性能和工艺性能应符合表7-12的要求。当进行冷弯试验时，受弯曲部位表面不得产生裂纹，反复弯曲试验的弯曲半径应符合表7-13的规定。第58页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋具有以下优点：强度高、塑性好，综合力学性能优良。抗拉强度大于550MPa，伸长率可大于4。握裹力强。混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力为同直径冷拔钢丝的36倍。同时由于塑性较好，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。节约钢材，降低成本。以冷轧带肋钢筋代替级钢筋用于普通钢筋混凝土构件（如现浇楼板），可节约钢材30%以上。提高构件整体质量，改善构件的延性，避免“抽丝”现象。用冷轧带肋钢筋制作的预应力空心楼板，其强度、抗裂度均明显优于用冷拔低碳钢丝制作的构件。第59页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材预应力混凝土用钢丝和钢绞线预应力混凝土用钢丝和钢绞线钢丝。预应力筋混凝土用钢丝为高强度钢丝，使用优质碳素结构钢经冷拔或再经回火等工艺处理制成。其强度高，柔性好，适用于大跨度屋架、吊车梁等大型构件及V V型折板等，使用钢丝可节省钢材，施工方便，安全可靠，但成本较高。预应力钢丝按加工状态分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝和普通松弛级钢丝，其代号为：冷拉钢丝WCDWCD、低松弛级钢丝WLRWLR、普通松弛级钢丝WNRWNR。钢丝按外形可分为光圆、螺旋肋、刻痕三种，其代号为：光圆钢丝PP、螺旋肋钢丝HH、刻痕钢丝II。经低温回火消除应力后钢丝的塑性比冷拉钢丝要高，刻痕钢丝是经压痕轧制而成，刻痕后与混凝土握裹力大，可减少混凝土产生裂缝。上述钢丝应符合预应力混凝土用钢丝（GB/T 52232002GB/T 52232002）所要求的机械性能。钢绞线。钢绞线是用2、3或7根钢丝在绞线机上，经绞捻后，再经低温回火处理而成。钢绞线具有强度高、柔性好、与混凝土粘结力好、易锚固等特点。主要用于大跨度、重荷载的预应力混凝土结构。预应力混凝土钢丝与钢绞丝具有强度高、柔性好、无接头等优点，且质量稳定，安全可靠，施工时不需冷拉及焊接，主要用作大跨度桥梁、屋架、吊车梁、薄腹梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。第60页/共65页7.6 7.6 常用建筑钢材钢结构用钢材主要是热轧成型的钢板和型钢等；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。(参照教材P189-193)P189-193)第61页/共65页第7 7章 金属材料7.7 7.7 铝合金及制品第62页/共65页7.7 7.7 铝合金及制品由于纯铝的强度低而限制了它的应用范围，工业生产中常采用合金化的方式，即在铝中加入一定量的合金元素，如铜、镁、锰、锌和硅等来提高强度和耐蚀性。铝合金由于一般力学性能明显提高并仍保持铝质量轻的固有特性，所以使用价值也大为提高，在建筑装饰中得到广泛的应用。常用的铝合金有防锈铝合金（LF）、硬铝合金（LY）、超硬铝合金（LC）和锻铝合金（LD）。铝合金门窗 铝合金装饰板及吊顶铝合合花纹板及浅纹板铝合金压型板铝合金穿孔平板铝合金波纹板铝合金吊顶第63页/共65页第64页/共65页感谢您的观看。第65页/共65页