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Chapter8建建筑筑金金属属材材料料123本章主要内容本章主要内容8.1钢材的钢材的分类分类8.2建筑钢材的建筑钢材的主要技术性质主要技术性质8.3钢材的钢材的组成结构及对性能的影响组成结构及对性能的影响（课本（课本8.34）8.4钢材的钢材的强化与加工强化与加工8.5工程中工程中常用金属材料常用金属材料的性质及应用的性质及应用8.6钢材的钢材的腐蚀与防护腐蚀与防护4本章（本章（8 8）要求）要求掌握钢材的力学性能：掌握钢材的力学性能：意义、测定方法及影响因素；意义、测定方法及影响因素；熟悉钢材的强化机理及方法；熟悉钢材的强化机理及方法；掌握常用钢材的分类及选用原则；掌握常用钢材的分类及选用原则；熟悉钢材防止腐蚀的方法；熟悉钢材防止腐蚀的方法；了解钢材的微观结构及其与性能的关系；了解钢材的微观结构及其与性能的关系；了解铝合金的应用。了解铝合金的应用。5(1)什么是建筑钢材？什么是建筑钢材？钢材是指以铁为主要元素，含碳量为钢材是指以铁为主要元素，含碳量为0.02%2.06%，并含有其他元素的合金材料，经过冷、热加，并含有其他元素的合金材料，经过冷、热加工而得到的各种定型产品。工而得到的各种定型产品。建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、建筑钢材是指用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢等）、钢管、钢板和用于钢筋混凝土角钢、工字钢等）、钢管、钢板和用于钢筋混凝土的各种钢筋、钢丝等。的各种钢筋、钢丝等。8.1.1概述概述8.1钢材的分类钢材的分类68.1.1概述概述(2)建筑钢材的特点：建筑钢材的特点：强度高；强度高；韧性、塑性好；韧性、塑性好；抗冲击，能承受较大塑性变形，便于冷加工；抗冲击，能承受较大塑性变形，便于冷加工；质量均匀，性能可靠；质量均匀，性能可靠；易锈蚀，高温时易丧失强度。易锈蚀，高温时易丧失强度。8.1钢材的分类钢材的分类78.1钢材的分类钢材的分类8.1.1概述概述(3)建筑钢材的用途：建筑钢材的用途：建筑工程中作为结构材料，即：建筑工程中作为结构材料，即：型材作钢结构；平安性强、质量轻，适于型材作钢结构；平安性强、质量轻，适于大跨度及多、高层结构；大跨度及多、高层结构；钢筋作钢筋混凝土结构。强度高、耐久性钢筋作钢筋混凝土结构。强度高、耐久性好、适用范围广。好、适用范围广。81.按化学成分分类：按化学成分分类：钢（钢（C2.06%）碳素钢碳素钢低碳钢（低碳钢（C0.6%）合金钢合金钢p低合金钢低合金钢（合金10%）铁（铁（C2.06%）：炼钢生铁；铸造生铁（可锻、球）：炼钢生铁；铸造生铁（可锻、球墨及合金铸铁）。墨及合金铸铁）。8.1钢材的分类钢材的分类8.1.2钢材分类钢材分类92.按冶炼时钢液的脱氧程度分类：按冶炼时钢液的脱氧程度分类：（）沸腾钢：脱氧不充分的钢。当钢液注入锭模冷（）沸腾钢：脱氧不充分的钢。当钢液注入锭模冷却时会有大量气体（却时会有大量气体（CO/CO2）逸出，钢液呈沸腾状，）逸出，钢液呈沸腾状，代号代号F。其冲击韧性和可焊性差，但成品率高，本钱较低。其冲击韧性和可焊性差，但成品率高，本钱较低。（）镇静钢：炼钢时脱氧充分的钢。钢液注入锭模（）镇静钢：炼钢时脱氧充分的钢。钢液注入锭模时没有气泡产生，钢液平静地冷却凝固，代号时没有气泡产生，钢液平静地冷却凝固，代号Z。（）半镇静钢：脱氧程度和性能介于沸腾钢和镇静（）半镇静钢：脱氧程度和性能介于沸腾钢和镇静钢之间，代号钢之间，代号b。（）特殊镇静钢：脱氧程度比镇静钢更充分钢，代（）特殊镇静钢：脱氧程度比镇静钢更充分钢，代号号TZ。质量最好，适用于特别重要的结构工程质量最好，适用于特别重要的结构工程8.1.2钢材分类钢材分类103.按品质（有害杂质含量）分类：按品质（有害杂质含量）分类：（）一般钢：（）一般钢：S0.050%；P0.045%。（）优质钢：（）优质钢：S0.035%；P0.035%。（）高级优质钢：（）高级优质钢：S0.025%；P0.025%。（）特级优质钢：（）特级优质钢：S0.015%；P0.025%。8.1.2钢材分类钢材分类114.按主要性能及使用特性分类按主要性能及使用特性分类n（）结构钢；（）结构钢；n（）工具钢：刀具、模具等各种工具；（）工具钢：刀具、模具等各种工具；n（）特殊性能钢；（）特殊性能钢；n（）专门用途钢：桥梁、铁道、船舶、压力容器（）专门用途钢：桥梁、铁道、船舶、压力容器等用钢。等用钢。8.1.2钢材分类钢材分类125.按其加工工艺分类按其加工工艺分类（）压钢：热轧、冷轧、冷拔等工艺加工所得的（）压钢：热轧、冷轧、冷拔等工艺加工所得的各种钢材。各种钢材。（）锻钢：经锤打或锻压成型的钢材（可改善钢（）锻钢：经锤打或锻压成型的钢材（可改善钢材组织结构）。材组织结构）。（）铸钢（）铸钢：用钢液直接浇铸成型的钢，其化学成用钢液直接浇铸成型的钢，其化学成分可调节。（须进行热处理，以消除内应力）。分可调节。（须进行热处理，以消除内应力）。8.1.2钢材分类钢材分类建筑工程中所用的主要是：建筑工程中所用的主要是：属于属于碳素结构钢碳素结构钢的低碳钢；的低碳钢；属于属于合金钢合金钢的低合金结构钢。的低合金结构钢。Back138.2建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的主要技术性能力学性能力学性能强度、弹性、塑性及耐疲劳性等强度、弹性、塑性及耐疲劳性等工艺性能工艺性能冷弯性能和可焊性等冷弯性能和可焊性等8.2.1抗拉性能抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性能。抗拉性能是建筑钢材最重要的技术性能。技术指标：屈服点、抗拉强度和伸长率，由拉伸技术指标：屈服点、抗拉强度和伸长率，由拉伸试验测定。试验测定。148.2.1抗拉性能抗拉性能弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段:强化阶强化阶段段颈缩阶颈缩阶段段弹性阶段弹性阶段：应力：应力-应变呈直线，应力应变呈直线，应力/应变为常数，称应变为常数，称弹性模量弹性模量E屈服阶段屈服阶段：应变的增长比应力快，弹性变形：应变的增长比应力快，弹性变形+塑性塑性变形，应力达变形，应力达B1后，塑性变形急剧增加。后，塑性变形急剧增加。强化阶段强化阶段：屈服到一定程度后，抵抗外力的：屈服到一定程度后，抵抗外力的能力重新提高，最高点的应力称抗拉强度能力重新提高，最高点的应力称抗拉强度b颈缩阶段颈缩阶段：试件薄弱处的断面显著减小，塑：试件薄弱处的断面显著减小，塑性变形急剧增加，产生性变形急剧增加，产生“颈缩颈缩”现象而断裂。现象而断裂。158.2.1抗拉性能抗拉性能屈服阶段：屈服阶段：屈服强度屈服强度s强化阶段：强化阶段：抗拉强度抗拉强度b(低碳钢为低碳钢为375-500MPa)强屈比强屈比（抗拉强度与屈服强度之比）越大，（抗拉强度与屈服强度之比）越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，故结构的平安性越高。但强屈比太大，则故结构的平安性越高。但强屈比太大，则钢材不能有效地被利用。强屈比钢材不能有效地被利用。强屈比1.2（抗（抗震结构震结构1.25）168.2.1抗拉性能抗拉性能塑性指标：塑性指标：伸长率伸长率：标距局部的伸长值：标距局部的伸长值(L1-L0)占原始标距占原始标距L0(5d0或或10d0)的百分率称为伸长率的百分率称为伸长率,5/10,100/200断面收缩率断面收缩率：(A0-A1)/A0试件颈缩现象示意图试件颈缩现象示意图178.2.2硬度硬度钢材的硬度钢材的硬度是指其抵抗外物压入其外表的能力。常用压痕是指其抵抗外物压入其外表的能力。常用压痕的深度或压痕单位面积上所受压力来表示。的深度或压痕单位面积上所受压力来表示。常用的测定硬度方法有布氏法和洛氏法。常用的测定硬度方法有布氏法和洛氏法。1.布氏法的测定原理：用一定直径布氏法的测定原理：用一定直径D(mm)的钢球或硬质合金球，在规定的试验压力的钢球或硬质合金球，在规定的试验压力F(N)作用下，将其压入试件外表。经规定作用下，将其压入试件外表。经规定的持续时间后（钢材的持续时间后（钢材1015s），卸除荷），卸除荷载，则得到直径为载，则得到直径为d(mm)的压痕（以以下的压痕（以以下图）。试验压力除以压痕球形外表积所得图）。试验压力除以压痕球形外表积所得的值，即为试件的布氏硬度值，以的值，即为试件的布氏硬度值，以HB*表示（表示（HBS/HBW），不带单位），不带单位N/mm2。188.2.2硬度硬度2.洛氏法洛氏法其测定原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来其测定原理与布氏法相似，但系根据压头压入试件的深度来计算并表示硬度值。计算并表示硬度值。洛氏法压痕很小，可以测量较薄材料和较硬材料的硬度，常洛氏法压痕很小，可以测量较薄材料和较硬材料的硬度，常用于判定工件的热处理效果。用于判定工件的热处理效果。洛氏硬度可分为洛氏硬度可分为HRA、HRB、HRC、HRD四种，它们的测四种，它们的测量和应用的范围也各不同。一般生产中量和应用的范围也各不同。一般生产中HRC用得最多。用得最多。198.2.2硬度硬度3.硬度的其它表示方法硬度的其它表示方法根据测试方法的不同，硬度有多种表示方法：根据测试方法的不同，硬度有多种表示方法：静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）；静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）；划痕法（如莫氏硬度）；划痕法（如莫氏硬度）；回跳法（如肖氏硬度）；回跳法（如肖氏硬度）；显微硬度显微硬度高温硬度等。高温硬度等。203.硬度的其它表示方法硬度的其它表示方法（1）莫氏硬度（划痕法）莫氏硬度（划痕法）19世纪，德国矿物学家莫斯，世纪，德国矿物学家莫斯，矿物学或宝石学，也矿物学或宝石学，也用于其他固用于其他固体物料的硬度体物料的硬度划痕法：用棱锥形划痕法：用棱锥形钻针在所测物体的外表刻划而发生划痕。钻针在所测物体的外表刻划而发生划痕。依据划痕的深度分十个等级来表示物体的硬度依据划痕的深度分十个等级来表示物体的硬度：滑石滑石(talc)1（硬度最小），（硬度最小），石膏石膏(gypsum)2，方解石方解石(calcite)3，萤石萤石(fluorite)4，磷灰石磷灰石(apatite)5，正长石正长石(feldspar;orthoclase;periclase)6，石英石英(quartz)7，黄玉黄玉(topaz)8，刚玉刚玉(corundum)9，石石(diamond)10。硬度值并非绝对硬度值，而是按等级代码值表示硬度的顺序。硬度值并非绝对硬度值，而是按等级代码值表示硬度的顺序。218.2.2硬度硬度3.硬度的其它表示方法硬度的其它表示方法（2）肖氏硬度（回跳法）肖氏硬度（回跳法）将规定形状的将规定形状的石冲头从石冲头从固定的高度落在试样的外表上，冲弹起一定高度，以两高固定的高度落在试样的外表上，冲弹起一定高度，以两高度的比值，经计算得到试样的肖氏硬度值度的比值，经计算得到试样的肖氏硬度值。（3）显微硬度）显微硬度也是硬度表示方法之一，多用于硬质也是硬度表示方法之一，多用于硬质合金和硬质化合物，显微硬度合金和硬质化合物，显微硬度1800kg/mm2相当于莫氏硬度相当于莫氏硬度10（石）。石）。（4）高温硬度）高温硬度228.2.3冲击韧性冲击韧性钢材的冲击韧性：处在简支梁状态的试样在冲击负荷作用下折断钢材的冲击韧性：处在简支梁状态的试样在冲击负荷作用下折断时的冲击功。时的冲击功。（1）冲击韧性指标由夏比（）冲击韧性指标由夏比（V形缺口）冲击试验确定。形缺口）冲击试验确定。将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧（上图）。将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧（上图）。当试验机的重摆从一定高度自由落下时，于切槽处将其打断，试件汲取的能当试验机的重摆从一定高度自由落下时，于切槽处将其打断，试件汲取的能量等于重摆所作的功量等于重摆所作的功W，假设试件在缺口处的最小截面面积为，假设试件在缺口处的最小截面面积为A，则钢材的，则钢材的冲击韧性指标冲击韧性指标ak=W/A(单位单位J/cm2)。ak值愈大，冲击韧性愈好。值愈大，冲击韧性愈好。238.2.3冲击韧性冲击韧性钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态、以及冶炼、加工钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、组织状态、以及冶炼、加工都有关系，内在缺陷及环境温度也会影响钢材的冲击韧性。都有关系，内在缺陷及环境温度也会影响钢材的冲击韧性。脆性临界温度数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。脆性临界温度数值愈低，说明钢材的低温冲击性能愈好。（2）冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓）冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始下降缓和，当到达一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种和，当到达一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。在负温下使用的结构，应中选用脆性临界温度低于使用温在负温下使用的结构，应中选用脆性临界温度低于使用温度的钢材。度的钢材。248.2.4耐疲劳性耐疲劳性（1）钢材的疲劳破坏：承受交变荷载的反复作用时，钢材在）钢材的疲劳破坏：承受交变荷载的反复作用时，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。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。（2 2）危害：疲劳破坏在低应力作用下突然发生，危害极大。）危害：疲劳破坏在低应力作用下突然发生，危害极大。一般是由拉应力引起的：一般是由拉应力引起的：u局部细小裂纹（交变荷载作用下）局部细小裂纹（交变荷载作用下）u裂纹逐渐扩大（裂纹尖端应力集中）裂纹逐渐扩大（裂纹尖端应力集中）u直至突然发生瞬时疲劳断裂。直至突然发生瞬时疲劳断裂。25（4 4）影响因素：钢材的疲劳强度与以下因素有关：）影响因素：钢材的疲劳强度与以下因素有关：u组织结构组织结构u外表状态外表状态u合金成分合金成分u夹杂物夹杂物u应力集中等应力集中等一般地，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。一般地，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也较高。（3）钢材的疲劳强度极限：钢材在承受无穷次（）钢材的疲劳强度极限：钢材在承受无穷次（2106）交变）交变荷载作用下而不致引起断裂的最大循环应力值。荷载作用下而不致引起断裂的最大循环应力值。8.2.4耐疲劳性耐疲劳性268.2.5工艺性能工艺性能（1）冷弯性能）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，以试验时的冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度弯曲角度和弯心直径和弯心直径d为指标表示。为指标表示。钢材的冷弯试验是通过直径（或厚度）为钢材的冷弯试验是通过直径（或厚度）为a 的试件，采用规的试件，采用规定的弯心直径定的弯心直径d（d=na,n为整数），弯曲到规定的角度时（为整数），弯曲到规定的角度时（180或或 90），检查弯曲处有无裂纹、断层及起层等现象。假），检查弯曲处有无裂纹、断层及起层等现象。假设没有，则认为冷弯性能合格。设没有，则认为冷弯性能合格。伸长率：钢材在均匀变形下的塑性伸长率：钢材在均匀变形下的塑性冷弯性能：处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组冷弯性能：处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。织是否均匀、是否存在内应力和夹杂物等缺陷。278.2.5工艺性能工艺性能（2）焊接性能）焊接性能指钢材在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产指钢材在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性质（特别是强度）与母生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性质（特别是强度）与母材性质的一致程度。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影响钢材可焊性的主要因素是化学成分随含碳量、合金随含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低：元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低：如硫易产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹；如硫易产生热脆性，使焊缝处产生硬脆及热裂纹；含碳量超过含碳量超过0.25，可焊性显著下降等。，可焊性显著下降等。Back288.3钢材的组成结构及对性能的影响钢材的组成结构及对性能的影响v钢材是铁碳合金晶体。晶体结构中各个原子是以钢材是铁碳合金晶体。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金属键相结合的，这是钢材具有较高强度和良好塑性的根底。塑性的根底。v原子在晶粒中排列的规律不同，可以形成不同的原子在晶粒中排列的规律不同，可以形成不同的晶格，铁和碳两种元素以不同的形态存在，这种晶格，铁和碳两种元素以不同的形态存在，这种形态称为晶体组织。形态称为晶体组织。8.3.1钢材的晶体结构钢材的晶体结构298.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织8.3.2.1铁碳合金晶体中，铁碳合金晶体中，Fe和和C有以下三种结合形式：有以下三种结合形式：（1）固溶体）固溶体铁（铁（Fe）中固溶着微量的碳）中固溶着微量的碳(C)：铁素体铁素体奥氏体奥氏体（2）化合物）化合物铁和碳结合成化合物铁和碳结合成化合物Fe3，含，含C量量6.67%渗碳体，较高温度下长时间保温，会分解而析出石墨渗碳体，较高温度下长时间保温，会分解而析出石墨（3）机械混合物）机械混合物固溶体和化合物的混合物。固溶体和化合物的混合物。珠光体珠光体莱氏体莱氏体308.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织8.3.2.2钢的晶体组织钢的晶体组织（1）铁素体）铁素体钢材中钢材中“铁素体铁素体”，是指碳溶解在，是指碳溶解在Fe中的间隙固溶体，其中的间隙固溶体，其溶碳能力很小，常温下仅能溶解溶碳能力很小，常温下仅能溶解0.0008的碳，在的碳，在727时最时最大的溶碳能力为大的溶碳能力为0.02，体心立方晶格。常用符号，体心立方晶格。常用符号F表示。表示。p由于铁素体含碳量很低，其性能与纯铁相似，塑性、韧由于铁素体含碳量很低，其性能与纯铁相似，塑性、韧性很好，伸长率性很好，伸长率4550。强度、硬度较低，抗拉。强度、硬度较低，抗拉强度强度b250MPa，而，而HBS80。p铁素体不锈钢：是指在使用状态下以铁素体组织为主的铁素体不锈钢：是指在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。其含铬量不锈钢。其含铬量11%30%，体心立方晶体。，体心立方晶体。p铁素体有磁性铁素体有磁性.318.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织（2）奥氏体）奥氏体奥氏体是碳溶解在奥氏体是碳溶解在-Fe中的间隙固溶体，仍保持中的间隙固溶体，仍保持-Fe的面心的面心立方晶格，常用符号立方晶格，常用符号A表示。其溶碳能力较大，在表示。其溶碳能力较大，在727时溶时溶碳为碳为c0.77,1148时可溶碳时可溶碳2.11。p奥氏体是在大于奥氏体是在大于727高温下才能稳定存在的组织。高温下才能稳定存在的组织。p奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工奥氏体塑性好，是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织。时所要求的组织。p奥氏体是没有磁性的。奥氏体是没有磁性的。8.3.2.2钢的晶体组织钢的晶体组织328.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织（3）渗碳体）渗碳体渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，化学式为渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，化学式为Fe3C。渗碳体。渗碳体的含碳量为的含碳量为c6.67，熔点为，熔点为1227。p其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW800，塑性、，塑性、韧性几乎为零，脆性很大。韧性几乎为零，脆性很大。p在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响。布对铁碳合金的性能有直接影响。8.3.2.2钢的晶体组织钢的晶体组织338.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织（4）珠光体）珠光体珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体，用符号析体，用符号P表示。含碳量为表示。含碳量为c0.77。p其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。物，也称片状珠光体。p其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，决定于珠光体片层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。层间距，即一层铁素体与一层渗碳体厚度和的平均值。8.3.2.2钢的晶体组织钢的晶体组织348.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织（5）莱氏体）莱氏体莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所莱氏体是液态铁碳合金发生共晶转变形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，其含碳量为组成的共晶体，其含碳量为c4.3。p当温度高于当温度高于727时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号符号Ld表示。表示。p在低于在低于727时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号号Ld表示，称为变态莱氏体。表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，故硬度高，但塑性很差。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，故硬度高，但塑性很差。8.3.2.2钢的晶体组织钢的晶体组织358.3.2钢材的根本晶体组织钢材的根本晶体组织8.3.2.2钢的晶体组织钢的晶体组织名称名称含碳量含碳量/%结构特征结构特征性能性能铁素体铁素体0.02碳在碳在-Fe中的固溶体中的固溶体塑性、韧性好，但强度、塑性、韧性好，但强度、硬度低硬度低奥氏体奥氏体0.8碳在碳在-Fe中的固溶体中的固溶体强度、硬度不高，但塑强度、硬度不高，但塑性好性好渗碳体渗碳体6.67碳、铁化合物碳、铁化合物Fe3C抗拉强度低，塑性差，抗拉强度低，塑性差，性硬脆，但耐磨性硬脆，但耐磨珠光体珠光体0.8铁素体和渗碳体的混铁素体和渗碳体的混合物合物塑性较好，强度和硬度塑性较好，强度和硬度较高较高368.3.3钢材的冶炼、加工及其对钢材性能的影响钢材的冶炼、加工及其对钢材性能的影响1.钢的冶炼钢的冶炼378.3.3钢材的冶炼、加工及其对钢材性能的影响钢材的冶炼、加工及其对钢材性能的影响1.钢的冶炼钢的冶炼388.3.3钢材的冶炼、加工及其对钢材性能的影响钢材的冶炼、加工及其对钢材性能的影响1.钢的冶炼钢的冶炼398.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响化学成分：碳、硫、磷、氧、氮、硅、锰等，可分为两类：化学成分：碳、硫、磷、氧、氮、硅、锰等，可分为两类：p（1）改善优化钢材的性能，称为合金元素，主要有硅、）改善优化钢材的性能，称为合金元素，主要有硅、锰、钛、钒、铌等。锰、钛、钒、铌等。p（2）劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、）劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。氮、磷等。408.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（1）碳）碳随着含碳量的增加，钢的塑性（伸长率、断面收缩率）随着含碳量的增加，钢的塑性（伸长率、断面收缩率）和冲击韧性逐渐下降，但硬度增大；抗拉强度则是先随含和冲击韧性逐渐下降，但硬度增大；抗拉强度则是先随含量量C增加增加(0.8%).u建筑钢材含碳量不大于建筑钢材含碳量不大于0.8。C含量增加，将导致钢材的冷弯性能、焊接性能和抗腐蚀含量增加，将导致钢材的冷弯性能、焊接性能和抗腐蚀性能下降。性能下降。418.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（2）硅）硅钢中硅的含量较低（小于钢中硅的含量较低（小于1%）时，可提高钢材的强度，）时，可提高钢材的强度，而对塑性和韧性影响不明显。而对塑性和韧性影响不明显。但含量较高时（但含量较高时（1%）时，其含量增加会导致塑性、韧性）时，其含量增加会导致塑性、韧性及可焊性下降，增加钢材的冷脆性。及可焊性下降，增加钢材的冷脆性。428.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（3）锰）锰是我国低合金钢的主加合金元素，脱氧去硫作用是我国低合金钢的主加合金元素，脱氧去硫作用锰含量锰含量p一般碳素钢，一般碳素钢，0.8%;p低合金钢，含量在低合金钢，含量在1%1.4范围范围p高锰钢，含锰量达高锰钢，含锰量达11%14%（很高的耐磨性）（很高的耐磨性）其作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热其作用主要是使强度提高，锰还能消减硫和氧引起的热脆性，改善热加工性。脆性，改善热加工性。438.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（4）硫）硫硫是很有害元素：硫是很有害元素：在钢中以在钢中以FeS形式存在于晶界上，引起钢的热脆现象（由形式存在于晶界上，引起钢的热脆现象（由于于FeS的低熔点，便钢材在热加工过程中产生晶粒的别离，的低熔点，便钢材在热加工过程中产生晶粒的别离，引起钢的断裂）。引起钢的断裂）。具有强烈的偏析作用，降低了钢的冲击韧性、疲劳强度、具有强烈的偏析作用，降低了钢的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗腐蚀性。低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，可焊性和抗腐蚀性。低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。夹杂物存在于钢中，显著降低可焊性。夹杂物存在于钢中，448.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（5）磷）磷磷是有害元素：磷是有害元素：P固溶于铁素体中，使钢的屈服点和抗拉强度提高，但塑固溶于铁素体中，使钢的屈服点和抗拉强度提高，但塑性降低、韧性显著下降（温度愈低，对韧性和塑性的影响性降低、韧性显著下降（温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大）。愈大）。使钢的冷弯性能急剧下降，可焊性变差。使钢的冷弯性能急剧下降，可焊性变差。磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大。磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大。但磷可提高钢在大气作用下的耐腐蚀性，在低合金钢中可配合但磷可提高钢在大气作用下的耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。其他元素作为合金元素使用。钢材对磷的含量严格限制，一般碳素钢中，钢材对磷的含量严格限制，一般碳素钢中，P不得超过不得超过0.045%458.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（6）氧）氧也是有害杂质：也是有害杂质：多以氧化物形式存在，使钢材强度下降，热脆性增加，多以氧化物形式存在，使钢材强度下降，热脆性增加，冷弯性能变差，并使钢的热加工性能和焊接性能下降。冷弯性能变差，并使钢的热加工性能和焊接性能下降。（7）氮）氮虽有局部溶于铁素体，提高钢的屈服点、抗拉强度和硬度，虽有局部溶于铁素体，提高钢的屈服点、抗拉强度和硬度，但是会导致：但是会导致：钢的塑性和冲击韧性显著下降，钢的塑性和冲击韧性显著下降，增大冷脆性、热脆性和时效敏感，增大冷脆性、热脆性和时效敏感，并使钢的焊接性能和冷弯性能变差。并使钢的焊接性能和冷弯性能变差。468.3.4钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响（8）钛）钛钛是强脱氧剂。钛是强脱氧剂。能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向能显著提高强度，改善韧性和可焊性，减少时效倾向是常用的合金元素。是常用的合金元素。（9）钒）钒钒是强的碳化物和氮化物形成元素。钒是强的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高强度，并能减少时效倾向，能有效提高强度，并能减少时效倾向，但增加焊接时的淬硬倾向。但增加焊接时的淬硬倾向。Back478.4钢材的强化与加工钢材的强化与加工8.4.1冷加工强化冷加工强化（1）钢的冷加工强化处理）钢的冷加工强化处理将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性将钢材在常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这一过程称为变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这一过程称为冷加工强化处理。冷加工强化处理。钢材在塑性变形的过程中，晶粒破碎而细化，晶格钢材在塑性变形的过程中，晶粒破碎而细化，晶格发生拉长、压扁或扭曲等，晶界处位错密度增大。发生拉长、压扁或扭曲等，晶界处位错密度增大。（2）冷加工强化的机理）冷加工强化的机理488.4.2冷加工强化的方法冷加工强化的方法（1 1）冷拉）冷拉（2 2）冷拔）冷拔将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔进行拉将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔进行拉拔。钢筋不仅受拉，同时还受挤压，屈服拔。钢筋不仅受拉，同时还受挤压，屈服点提高点提高404060%60%，具有硬钢的特点。，具有硬钢的特点。将钢筋拉至其应力将钢筋拉至其应力-应变曲线的强化阶段内应变曲线的强化阶段内任一点任一点K处，然后缓慢卸去荷载，则当再度处，然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，其屈服强度将有所提高（加载时，其屈服强度将有所提高（2025%），而塑性变形能力将有所降低。），而塑性变形能力将有所降低。（3 3）冷轧）冷轧将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢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接力。筋，可提高其强度及与混凝土的粘接力。钢筋纵向与横向同时产生变形，能较好地钢筋纵向与横向同时产生变形，能较好地保持其塑性和内部结构均匀性。保持其塑性和内部结构均匀性。498.4.2冷加工强化的方法冷加工强化的方法能适当减小钢筋混凝土结构设计截面尺寸，或减小混凝能适当减小钢筋混凝土结构设计截面尺寸，或减小混凝土中配筋数量；土中配筋数量；有利于简化施工工序。如，有利于简化施工工序。如，l冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；冷拉盘条钢筋可省去开盘和调直工序；l冷拉直条钢筋可与矫直、除锈等工序一并完成。冷拉直条钢筋可与矫直、除锈等工序一并完成。（4）冷加工强化的应用）冷加工强化的应用工地或预制厂、钢筋混凝土施工中常利用冷加工强化原工地或预制厂、钢筋混凝土施工中常利用冷加工强化原理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，理，对钢筋或低碳钢盘条按一定制度进行冷拉或冷拔加工，以提高屈服强度。以提高屈服强度。508.4.3时效处理时效处理自然时效：在常温下存放自然时效：在常温下存放1520。适用于低强度钢筋；。适用于低强度钢筋；人工时效：加热到人工时效：加热到100200后保持一段时间（后保持一段时间（23h）。）。适用于高强度钢筋。适用于高强度钢筋。（1）概念）概念冷加工处理后的钢筋，于常温下存放冷加工处理后的钢筋，于常温下存放1520，或加热，或加热到到100200后保持一段时间（后保持一段时间（23h），其屈服强度进一），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则根本恢复。这个过程称为时效处理。低，弹性模量则根本恢复。这个过程称为时效处理。（2）时效处理的方法）时效处理的方法518.4.3时效处理时效处理（3）时效处理的作用效果）时效处理的作用效果钢筋经冷拉和时效处理后：钢筋经冷拉和时效处理后：其其s进一步提高，进一步提高，b也提高，也提高，塑性和韧性进一步降低，塑性和韧性进一步降低，弹性模量则根本恢复。弹性模量则根本恢复。528.4.4热处理热处理将比较硬脆、存在内应力的钢，将比较硬脆、存在内应力的钢，再加热至根本组再加热至根本组织改变温度以下（织改变温度以下（150650），），保温后按一定保温后按一定制度冷却至室温的热处理方法。制度冷却至室温的热处理方法。回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和回火后的钢材，内应力消除，硬度降低，塑性和韧性得到改善。韧性得到改善。将钢材加热至根本组织改变温度以上，保温将钢材加热至根本组织改变温度以上，保温使其根本组织改变为奥氏体，然后投入水或使其根本组织改变为奥氏体，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加，强度和硬度增加，塑性和韧性明显下降热处理是将钢材按规定的温度，进行加热、保温和冷却热处理是将钢材按规定的温度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。包括：淬火、回火、退火和正火。包括：淬火、回火、退火和正火。（1 1）淬火）淬火（2 2）回火）回火53（3 3）退火）退火将钢材加热至根本组织转变温度以下（低温将钢材加热至根本组织转变温度以下（低温退火）或以上（高温退火），适当保温后缓退火）或以上（高温退火），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。变，使钢的塑性和韧性得到改善。8.4.4热处理热处理（4 4）正火）正火将钢件加热至根本组织转变温度以上，然后将钢件加热至根本组织转变温度以上，然后在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高在空气中冷却，使晶格细化，钢的强度提高而塑性有所降低。而塑性有所降低。Back548.5土木工程常用金属材料的性质及应用土木工程常用金属材料的性质及应用8.5.1建筑常用钢种建筑常用钢种（1）碳素结构钢）碳素结构钢按国家标准按国家标准GB700-2006规定，我国碳素结构钢分五个牌号，规定，我国碳素结构钢分五个牌号，即即Q195、Q215、Q235、Q255和和Q275。各牌号钢又按其。各牌号钢又按其S、P含量由多至少分为含量由多至少分为A、B、C、D共四个质量等级。共四个质量等级。55碳素结构钢的牌号表示方法：按顺序由以下四局部组成碳素结构钢的牌号表示方法：按顺序由以下四局部组成F代表屈服点的字母（代表屈服点的字母（Q）；）；F屈服点数值（屈服点数值（N/mm2，或，或MPa）；）；F质量等级符号质量等级符号(A、B、C、D)；F脱氧程度符号脱氧程度符号(F、b、Z、TZ)。当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示当为镇静钢或特殊镇静钢时，则牌号表示“Z”与与“TZ”符号符号可予以省略。可予以省略。8.5.1建筑常用钢种建筑常用钢种（1）碳素结构钢）碳素结构钢56根据根据GB700-2006碳素结构钢的规定，随着牌号的增大，碳素结构钢的规定，随着牌号的增大，对钢材的屈服强度和抗拉强度的要求提高，对伸长率的要求对钢材的屈服强度和抗拉强度的要求提高，对伸长率的要求降低。降低。8.5.1建筑常用钢种建筑常用钢种（1）碳素结构钢）碳素结构钢如如“Q235-A.F”表示：表示：屈服点为屈服点为235MPa的的A级沸腾碳素结构钢级沸腾碳素结构钢578.5.1建筑常用钢种建筑常用钢种（2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢GB/T699-1999优质碳素结构钢，大局部为镇静钢，对优质碳素结构钢，大局部为镇静钢，对有害杂质含量操作严格，质量稳定，综合性能好。有害杂质含量操作严格，质量稳定，综合性能好。优质碳素结构钢分为两大组：优质碳素结构钢分为两大组：一般锰含量（一般锰含量（0.35%0.8%）；）；较高锰含量（较高锰含量（0.7%1.2%)。优质碳素结构钢共优质碳素结构钢共31个牌号，表示方法：个牌号，表示方法：F平均含碳量（平均含碳量（0.01%为单位）；为单位）；F含锰量标注；含锰量标注；F脱氧程度代号脱氧程度代号(F、b、Z、TZ)。588.5.1建筑常用钢种建筑常用钢种（3）低合金结构钢）低合金结构钢GB1591-94低合金高强度结构钢均为镇静钢，其牌号低合金高强度结构钢均为镇静钢，其牌号由三局部组成：由三局部组成：代表钢材屈服强度的字母（代表钢材屈服强度的字母（Q）；）；屈服强度数值（屈服强度数值（N/mm2，即，即MPa）；）；质量等级符号质量等级符号(A、B、C、D)。在碳素钢的根底上，参加总量小于在碳素钢的根底上，参加总量小于5%的合金元素冶炼得到的的合金元素冶炼得到的钢，称为低合金高强度结构钢，简称低合金结构钢。常用的合钢，称为低合金高强度结构钢，简称低合金结构钢。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铌、铬、镍及稀土元素等。金元素有硅、锰、钛、钒、铌、铬、镍及稀土元素等。1）牌号）牌号598.5.1建筑常用钢种建筑常用钢种（3）低合金结构钢）低合金结构钢按按GB1591-94低合金高强度结构钢，共有：低合金高强度结构钢，共有：5个牌号：个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q4605个质量等级：个质量等级：根据根据S、P等有害杂质含量分为等有害杂质含量分为A、B、C、D和和E。1）牌号）牌号例如：例如