最新土木工程材料第七章 金属材料幻灯片.ppt

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1、第第7章章 金属材料金属材料1.2 钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类 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 建筑钢材的锈蚀与防护建筑钢材的锈蚀与防护 建筑钢材的品种与选用建筑钢材的品种与选用 常用建筑钢材常用建筑钢材 铝合金及制品铝合金及制品 思考题思考题本章内容本章内容第第7章章 金属材料金属材料1.3第第7章章 金属材料金属材料1.4第第7章章 金属材料金属材料1.5第第7章章 金属材料金属材料1.6第第7章章 金属材料金属材料1.7第第7章章 金属材料金属材料1.8第第7章章 金属材料金属材料1.9 1) 弹性

2、阶段弹性阶段 OA为弹性阶段。在为弹性阶段。在OA范围内，随着荷载的增加，应变随应力成正比增加。如卸去范围内，随着荷载的增加，应变随应力成正比增加。如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变形，与荷载，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，用点相对应的应力为弹性极限，用 表示。表示。在这一范围内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用在这一范围内，应力与应变的比值为一常量，称为弹性模量，用E表示，即表示，即E= 。弹性。弹性模量反映钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。常用低碳钢的模量反映钢材的刚度，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。常用低碳钢

3、的弹性模量弹性模量E=2.01052.1MPa，弹性极限，弹性极限 =180MPa200MPa。 2) 屈服阶段屈服阶段 AB为屈服阶段。在为屈服阶段。在AB曲线范围内，应力与应变不成比例，开始产生塑性变形，应变曲线范围内，应力与应变不成比例，开始产生塑性变形，应变增加的速度大于应力增长速度，钢材抵抗外力的能力发生增加的速度大于应力增长速度，钢材抵抗外力的能力发生“屈服屈服”了。图中了。图中 点是这一点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，阶段应力最高点，称为屈服上限， 点为屈服下限。因点为屈服下限。因 比较稳定易测，故一般以比较稳定易测，故一般以 点对应点对应的应力作为屈服点，用的应力作为屈服

4、点，用 表示。常用低碳钢的表示。常用低碳钢的 为为195MPa300MPa。该阶段在材料万能试验机上表现为指针不动该阶段在材料万能试验机上表现为指针不动(即使加大送油即使加大送油)或来回窄幅摇动。或来回窄幅摇动。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。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。计中一般以屈服点作为强度取值依据。 3) 强化阶段强化阶段 BC为强化阶段。过为强化阶段。过B点后，抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，点后，抵抗塑性变形的能力又重新提高，变形发展速度比较快，

5、随着应力的提高而增强。对应于最高点随着应力的提高而增强。对应于最高点C的应力，称为抗拉强度，用的应力，称为抗拉强度，用 表示。常用低碳表示。常用低碳钢的钢的 为为385520MPa。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.10 抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值(即屈强比即屈强比 )，能反映钢材，能反映钢材的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。

6、常用碳素钢的屈强越安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为比为0.580.63，合金钢为，合金钢为0.650.75。 4) 颈缩阶段颈缩阶段 CD为颈缩阶段。过为颈缩阶段。过C点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象颈缩现象”，直至断裂。，直至断裂。 通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而

7、不破坏的能力，它是钢钢材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的一个重要性指标。钢材塑性用伸长率或断面收缩率表示。材的一个重要性指标。钢材塑性用伸长率或断面收缩率表示。将拉断后的试件于断裂处对接在一起将拉断后的试件于断裂处对接在一起(如图如图7.2所示所示)，测得其断后标距，测得其断后标距l1。试件拉断。试件拉断后标距的伸长量与原始标距后标距的伸长量与原始标距(l0)的百分比称为伸长率的百分比称为伸长率( )。伸长率的计算公式如下：。伸长率的计算公式如下： (7.1)钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能100100%lll第第7章章 金属材料金属材料1

8、.11 钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。所钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。所以原始标距以原始标距(l0)与直径与直径(d0)之比越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占的比例就越之比越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占的比例就越小，计算出的伸长率小，计算出的伸长率( )也越小。通常钢材拉伸试件取也越小。通常钢材拉伸试件取l0=5d0或或l0=10d0，对应的伸，对应的伸长率分别记为长率分别记为 和和 ，对于同一钢材，对于同一钢材， 。 测定试件拉断处的截面积测定试件拉断处的截面积( A1)。试件拉断前后截面积的改变量与原始截面积。

9、试件拉断前后截面积的改变量与原始截面积(A0 )的百分比称为断面收缩率的百分比称为断面收缩率( )。断面收缩率的计算公式如下：。断面收缩率的计算公式如下： (7.2)钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能510510010100%AAA第第7章章 金属材料金属材料1.12 伸长率和断面收缩率都表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或者伸长率和断面收缩率都表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或者断面收缩率越高，表示钢材塑性越好。尽管结构是在钢的弹性范围内使用，但在断面收缩率越高，表示钢材塑性越好。尽管结构是在钢的弹性范围内使用，但在应力集中处，其应力可能超过屈服点，此时产

10、生一定的塑性变形，可使结构中的应力集中处，其应力可能超过屈服点，此时产生一定的塑性变形，可使结构中的应力产生重分布，从而使结构免遭破坏。另外，钢材塑性大，则在塑性破坏前，应力产生重分布，从而使结构免遭破坏。另外，钢材塑性大，则在塑性破坏前，有很明显的塑性变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救问题，从而保有很明显的塑性变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救问题，从而保证钢材在建筑上的安全使用；也有利于钢材加工成各种形式。证钢材在建筑上的安全使用；也有利于钢材加工成各种形式。 中碳钢与高碳钢中碳钢与高碳钢(硬钢硬钢)拉伸时的应力拉伸时的应力应变曲线与低碳钢不同，无明显屈服现象，应变曲线

11、与低碳钢不同，无明显屈服现象，伸长率小，断裂时呈脆性破坏，其应力伸长率小，断裂时呈脆性破坏，其应力应变曲线如图应变曲线如图7.3所示。这类钢材由于不所示。这类钢材由于不能测定屈服点，规范规定以产生能测定屈服点，规范规定以产生0.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，也称残余变形时的应力值作为名义屈服点，也称条件屈服点用条件屈服点用 表示。表示。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能0.2图图7.3 中碳钢、高碳钢的应力中碳钢、高碳钢的应力应变曲线应变曲线第第7章章 金属材料金属材料1.132. 冲击韧性冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。

12、钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。钢材的冲击韧性试验是采用中部加工有冲击韧性试验是采用中部加工有V型或型或U型缺口的标准弯曲试件，置于冲击机的支架上，试型缺口的标准弯曲试件，置于冲击机的支架上，试件非切槽的一侧对准冲击摆，如图件非切槽的一侧对准冲击摆，如图7.4所示。当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试所示。当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件吸收的能量等于冲击摆所作的功，以缺口底部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指件吸收的能量等于冲击摆所作的功，以缺口底部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标，冲击韧性计算公式如下：标，冲击韧性

13、计算公式如下： (7.3)式中式中 k冲击韧性冲击韧性(J/cm2)。 m摆锤质量摆锤质量(9.81m/s2)。 A试件槽口处断面积试件槽口处断面积(cm2)。 k 值越大，冲击韧性越好，即其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。值越大，冲击韧性越好，即其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，脱氧不完全，存在化学偏析，含影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，脱氧不完全，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹，都会使钢材的冲击韧性显著下降。同时环境温度对钢有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹，都会使钢材的冲击

14、韧性显著下降。同时环境温度对钢材的冲击韧性影响也很大。材的冲击韧性影响也很大。 试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很快而呈脆性。这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，如图然下降很快而呈脆性。这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，如图7.5所示。脆性转变温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。因此，在负温下使用的结构，应当选所示。脆性转变温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。因此，在负温下使用的结构，应当选用脆性转变温度低于使用温度的钢材。脆性临界

15、温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温用脆性转变温度低于使用温度的钢材。脆性临界温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温条件规定条件规定-20或或-40的负温冲击值指标。的负温冲击值指标。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能k()m g HhA第第7章章 金属材料金属材料1.14 冷加工时效处理也会使钢材的冲击韧性下降。钢材的时效是指钢材随时间的延冷加工时效处理也会使钢材的冲击韧性下降。钢材的时效是指钢材随时间的延长，钢材强度逐渐提高而塑性、韧性下降的现象。完成时效的过程可达数十年，长，钢材强度逐渐提高而塑性、韧性下降的现象。完成时效的过程可达数十年，但钢材如经过冷加工或使用中受振动

16、和反复荷载作用，时效可迅速发展。因时效但钢材如经过冷加工或使用中受振动和反复荷载作用，时效可迅速发展。因时效导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经过时效后，导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经过时效后，冲击韧性的降低越显著。为了保证结构安全，对于承受动荷载的重要结构，应当冲击韧性的降低越显著。为了保证结构安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感性小的钢材。选用时效敏感性小的钢材。3. 疲劳强度疲劳强度 钢材在交变荷载反复作用下，可在远小于抗拉强度的情况下突然破坏，这种破钢材在交变荷载反复作用下，可在远小于抗拉强度的情况下突然破坏，这种破坏称

17、为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度坏称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏指标用疲劳强度(或称疲劳极限或称疲劳极限)来表示，它是指来表示，它是指试件在交变应力下，作用试件在交变应力下，作用107周次，不发生疲劳破坏的最大应力值。周次，不发生疲劳破坏的最大应力值。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.15 钢材的疲劳破坏是拉应力引起。首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖钢材的疲劳破坏是拉应力引起。首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材的内部成分的偏端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。

18、因此，钢材的内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。疲劳强度的因素。 疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。在设计承疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。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。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。4. 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

19、定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为法有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。布氏法的测定原理是利用直径为布氏法的测定原理是利用直径为D(mm)的淬火钢球，以荷载的淬火钢球，以荷载P(N)将其压入试件表将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为面，经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为d(mm)的压痕，以压痕表面积的压痕，以压痕表面积A(mm2)除荷载除荷载P，即得布氏硬度，即得布氏硬度(HB)值，此值无量纲。图值，此值无量纲。图7.6是布氏硬度测定示意是布氏硬度测定示意图。图。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性

20、能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.16 在测定前应根据试件厚度和估计的硬度范围，按试验方法的规定选定钢球直径、在测定前应根据试件厚度和估计的硬度范围，按试验方法的规定选定钢球直径、所加荷载及荷载持续时间。布氏法适用于所加荷载及荷载持续时间。布氏法适用于HB450的钢材，测定时所得压痕直径应的钢材，测定时所得压痕直径应在在0.25Dd450时，钢球时，钢球本身将发生较大变形，甚至破坏，应采用洛氏法测定其硬度。布氏法比较准确，本身将发生较大变形，甚至破坏，应采用洛氏法测定其硬度。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜用于成品检验，而洛氏法压痕小，它是以压头压入试件的深但压痕较大，不适宜用于成

21、品检验，而洛氏法压痕小，它是以压头压入试件的深度来表示硬度值的，常用于判断工件的热处理效果。度来表示硬度值的，常用于判断工件的热处理效果。 材料的硬度是材料弹性、塑性、强度等性能的综合反映。实验证明，碳素钢的材料的硬度是材料弹性、塑性、强度等性能的综合反映。实验证明，碳素钢的HB值与其抗拉强度值与其抗拉强度 之间存在较好的相关关系，当之间存在较好的相关关系，当HB175时，时， 3.5HB。根据这些关系，可以在钢结构原位上测出钢材的。根据这些关系，可以在钢结构原位上测出钢材的HB值，来值，来估算钢材的抗拉强度。估算钢材的抗拉强度。二、工艺性能二、工艺性能 钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工

22、艺的要求。冷弯、冷拉、冷拔及焊钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑钢材的重要工艺性能。接性能是建筑钢材的重要工艺性能。 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。钢材的冷弯性能是以试验时冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度的弯曲角度()和弯心直径和弯心直径(d)为指标表示，如图为指标表示，如图7.7所示。所示。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.17 钢材冷弯试验时，用直径钢材冷弯试验时，用直径(或厚度或厚度)为为a的试件，选用弯心直径的试

23、件，选用弯心直径d=na的弯头的弯头(n为自然数，其大为自然数，其大小由试验标准来规定小由试验标准来规定)，弯曲到规定的角度，弯曲到规定的角度(90或或180)后，弯曲处若无裂纹、断裂及起层等后，弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，即认为冷弯试验合格。现象，即认为冷弯试验合格。 钢材的冷弯性能与伸长率一样，也是反映钢材在静荷作用下的塑性，但冷弯试验条件更苛钢材的冷弯性能与伸长率一样，也是反映钢材在静荷作用下的塑性，但冷弯试验条件更苛刻，更有助于暴露钢材的内部组织是否均匀，是否存在内应力、微裂纹、表面未熔合及夹杂刻，更有助于暴露钢材的内部组织是否均匀，是否存在内应力、微裂纹、表面未熔合及夹杂物等缺

24、陷。物等缺陷。2. 焊接性能焊接性能 建筑工程中，钢材间的连接建筑工程中，钢材间的连接90%以上采用焊接方式。因此，要求钢材应有良好的焊接性能。以上采用焊接方式。因此，要求钢材应有良好的焊接性能。在焊接中，由于高温作用和焊接后急剧冷却作用，焊缝及其附近的过热区将发生晶体组织及在焊接中，由于高温作用和焊接后急剧冷却作用，焊缝及其附近的过热区将发生晶体组织及结构变化，产生局部变形及内应力，使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，降低了焊接的质量。结构变化，产生局部变形及内应力，使焊缝周围的钢材产生硬脆倾向，降低了焊接的质量。可焊性良好的钢材，焊缝处性质应尽可能与母材相同，焊接才牢固可靠。可焊性良好的钢材，焊

25、缝处性质应尽可能与母材相同，焊接才牢固可靠。 钢材的化学成分、冶炼质量、冷加工、焊接工艺及焊条材料等都会影响焊接性能。含碳量钢材的化学成分、冶炼质量、冷加工、焊接工艺及焊条材料等都会影响焊接性能。含碳量小于小于0.25%的碳素钢具有良好的可焊性，含碳量大于的碳素钢具有良好的可焊性，含碳量大于0.3%时可焊性变差；硫、磷及气体杂质时可焊性变差；硫、磷及气体杂质会使可焊性降低；加入过多的合金元素，也会降低可焊性。对于高碳钢和合金钢，为改善焊会使可焊性降低；加入过多的合金元素，也会降低可焊性。对于高碳钢和合金钢，为改善焊 接质量，一般须要采用预热和焊后处理，以保证质量。接质量，一般须要采用预热和焊后

26、处理，以保证质量。 钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括拉伸试验，有些焊接种类还包括了弯曲钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括拉伸试验，有些焊接种类还包括了弯曲试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。同时还要检查焊缝处有无裂纹、砂眼、咬试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。同时还要检查焊缝处有无裂纹、砂眼、咬肉和焊件变形等缺陷。肉和焊件变形等缺陷。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.183. 冷加工性能及时效处理冷加工性能及时效处理 1) 冷加工强化与时效处理的概念冷加工强化与时效处理的概念 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷

27、轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑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。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，于常温下存放将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15d20d，或加热到，或加热到100200并保持并保持2h3h后，则后，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。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。通常对强度较低的钢筋可

28、采用自然时效，强度较高的钢筋则须采用人工时效。 对钢材进行冷加工强化与时效处理的目的是提高钢材的屈服强度，以便节约钢材。对钢材进行冷加工强化与时效处理的目的是提高钢材的屈服强度，以便节约钢材。 2) 常见冷加工方法常见冷加工方法 建筑工地或预制构件厂常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。建筑工地或预制构件厂常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。 (1) 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。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。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.19 冷拉参数的控制直接关系到冷

29、拉效果和钢材质量。一般钢筋冷拉仅控制冷拉率，冷拉参数的控制直接关系到冷拉效果和钢材质量。一般钢筋冷拉仅控制冷拉率，称为单控，对用作预应力的钢筋，须采用双控，即既控制冷拉应力，又控制冷拉称为单控，对用作预应力的钢筋，须采用双控，即既控制冷拉应力，又控制冷拉率。冷拉时当拉至控制应力时可以未达控制冷拉率，反之钢筋则应降级使用。率。冷拉时当拉至控制应力时可以未达控制冷拉率，反之钢筋则应降级使用。 钢筋冷拉后，屈服强度可提高钢筋冷拉后，屈服强度可提高20%30%，可节约钢材，可节约钢材10%20%，钢材经冷，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。 (2)

30、 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，屈服强度可提高高40%60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。 3) 钢材冷加工强化与时效处理的机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

31、，可从其拉伸试验的应力钢筋经冷拉、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应变图得到反映反映(如图如图7.8所示所示)。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.20 (1) 图中图中OBCD曲线为未冷拉，其含义是将钢筋原材一次性拉断，而不是指不拉伸。曲线为未冷拉，其含义是将钢筋原材一次性拉断，而不是指不拉伸。此时，钢筋的屈服点为此时，钢筋的屈服点为B点。点。 (2) 图中图中OKCD曲线为冷拉无时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过曲线为冷拉无时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过抗拉强度抗拉强度(使之产生塑性变形使之

32、产生塑性变形)的某一点的某一点K，卸去荷载，然后立即再将钢筋拉断。卸去荷，卸去荷载，然后立即再将钢筋拉断。卸去荷载后，钢筋的应力载后，钢筋的应力-应变曲线沿应变曲线沿K O恢复部分变形恢复部分变形(弹性变形部分弹性变形部分)，保留，保留O O残余变形。残余变形。通过冷拉无时效处理，钢筋的屈服点升高至通过冷拉无时效处理，钢筋的屈服点升高至K点，以后的应力点，以后的应力应变关系与原来曲线应变关系与原来曲线KCD相似。这表明钢筋经冷拉后，屈服强度得到提高，抗拉强度和塑性与钢筋原材基相似。这表明钢筋经冷拉后，屈服强度得到提高，抗拉强度和塑性与钢筋原材基本相同。本相同。 (3) 图中图中OK1C1D1曲

33、线为冷拉时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过曲线为冷拉时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过抗拉强度抗拉强度(使之产生塑性变形使之产生塑性变形)的某一点的某一点K，卸去荷载，然后进行自然时效或人工时效，卸去荷载，然后进行自然时效或人工时效，再将钢筋拉断。通过冷拉时效处理，钢筋的屈服点升高至再将钢筋拉断。通过冷拉时效处理，钢筋的屈服点升高至K1点，以后的应力点，以后的应力应变关应变关系系K1C1D1比原来曲线比原来曲线KCD短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高，与钢短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高，与钢筋原材相比，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则相应

34、降低。筋原材相比，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则相应降低。 钢材冷加工强化的原因是钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产钢材冷加工强化的原因是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，晶格歪曲畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸变，滑移面变得凹凸不平，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。同时，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。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，冷加工强化后的钢材，

35、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。且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.21 钢材产生时效的主要原因是溶于钢材产生时效的主要原因是溶于 -Fe中的碳、氮原子，本来就有向晶格缺陷处移动、中的碳、氮原子，本来就有向晶格缺陷处移动、集中甚至呈碳化物或氮化物析出的倾向，当钢材经冷加工产生塑性变形后，碳、氮原集中甚至呈碳化物或氮化物析出的倾向，当钢材经冷加工产生塑性变形后，碳、氮原子的移动和集中大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，子的移

36、动和集中大为加快，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，塑性和韧性则降低，而弹性模量造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则降低，而弹性模量则基本相同。则基本相同。4. 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

37、工现场，有时需对焊接件进行热处理。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。钢材热处理的方法有以下几种。钢材热处理的方法有以下几种。 1) 退火退火 是将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却是将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却(随炉冷却随炉冷却)的一种热处理工艺，有低温退的一种热处理工艺，有低温退火和完全退火之分。低温退火的加热温度在基本组织转变温度以下；完全退火的加热火和完全退火之分。低温退火的加热温度在基本组织转变温度以下；完全退火的加热温度在温度在800850。其目的是细化晶粒，改善组织，减少加工中产生的缺陷、减轻。其目的是细化晶粒，改善组织，减少加工中产生的

38、缺陷、减轻晶格畸变，降低硬度，提高塑性，消除内应力，防止变形、开裂。晶格畸变，降低硬度，提高塑性，消除内应力，防止变形、开裂。 2) 正火正火 是退火的一种特例。正火在空气中冷却，两者仅冷却速度不同。与退火相比，正火是退火的一种特例。正火在空气中冷却，两者仅冷却速度不同。与退火相比，正火后钢材的硬度、强度较高，而塑性减小。其目的是消除组织缺陷等。后钢材的硬度、强度较高，而塑性减小。其目的是消除组织缺陷等。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.223) 淬火淬火 是将钢材加热到基本组织转变温度以上是将钢材加热到基本组织转变温度以上(一般为一般为900以上

39、以上)，保温使组织完全转，保温使组织完全转变，即放入水或油等冷却介质中快速冷却，使之转变为不稳定组织的一种热处理变，即放入水或油等冷却介质中快速冷却，使之转变为不稳定组织的一种热处理操作。其目的是得到高强度、高硬度的组织。淬火会使钢材的塑性和韧性显著降操作。其目的是得到高强度、高硬度的组织。淬火会使钢材的塑性和韧性显著降低。低。4) 回火回火 是将钢材加热到基本组织转变温度以下是将钢材加热到基本组织转变温度以下(150650内选定内选定)，保温后在空气中，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺，通常和淬火是两道相连的热处理过程。其目的是促进不冷却的一种热处理工艺，通常和淬火是两道相连的热处理过程。

40、其目的是促进不稳定组织转变为需要的组织，消除淬火产生的内应力，改善机械性能等。稳定组织转变为需要的组织，消除淬火产生的内应力，改善机械性能等。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.23一、一、 钢的组织及其对钢材性能的影响钢的组织及其对钢材性能的影响 纯铁在不同的温度下有不同的晶体结构。纯铁在不同的温度下有不同的晶体结构。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 1 535 1 394 912 液态铁 -Fe -Fe -Fe 体心立方晶体 面心立方晶体 体心立方晶体 但是要得到了含但是要得到了含Fe100%纯度的钢是不可能的

41、，实际上，钢是以铁为主的纯度的钢是不可能的，实际上，钢是以铁为主的Fe-C合合金，其基本元素是金，其基本元素是Fe和和C，虽然，虽然C含量很少，但对钢材性能的影响非常大。碳素钢含量很少，但对钢材性能的影响非常大。碳素钢冶炼时在钢水冷却过程中，其冶炼时在钢水冷却过程中，其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)。 (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Fe3C。 (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。 以上三种形式的以上三种形式的Fe-C合金，于一定条件下能形

42、成具有一定形态的聚合体，称为合金，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。钢的基本组织及其性能如表钢的组织。钢的基本组织及其性能如表7-2所示。所示。 建筑工程中所用的钢材含碳量均在建筑工程中所用的钢材含碳量均在0.8%以下，所以建筑钢材的基本组织是由铁以下，所以建筑钢材的基本组织是由铁素体和珠光体组成，由此决定了建筑钢材既有较高的强度，同时塑性、韧性也较素体和珠光体组成，由此决定了建筑钢材既有较高的强度，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。好，从而能很好地满足工程所需的技术性能。第第7章章 金属材料金属材料1.24表表7-2 钢的基本组织及其性能钢的基本组

43、织及其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C溶于C溶于组织名称含碳量(%)结构特征性 能铁素体0.02-Fe中的固溶体强度、硬度很低，塑性好，冲击韧性很好奥氏体0.8-Fe中的固溶体强度、硬度不高，塑性大渗碳体6.67化合物Fe3C抗拉强度很低，硬脆，很耐磨，塑性几乎为零珠光体0.8铁素体与的机械混合物强度较高，塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间二、二、 钢的化学成分对钢材性能的影响钢的化学成分对钢材性能的影响 钢的化学成分对钢材性能的影响如表钢的化学成分对钢材性能的影响如表7-3所示。所示。第第7章章 金属材料金属材料1.25表表7-3 钢的化学成分对钢材性

44、能的影响钢的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的组织和化学成分对钢材性能的影响化学成分化学成分对钢材性能的影响备 注碳(C)含碳量在0.8%以下时，随含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性降低；但当含碳量大于1.0%时，随含碳量增加，钢的强度反而下降。含碳量增加，钢的焊接性能变差，尤其当含碳量大于0.3%时，钢的可焊性显著降低建筑钢材的含碳量不可过高，但是在用途上允许时，可用含碳量较高的钢，最高可达0.6%硅(Si)硅含量在1.0%以下时，可提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，但可焊性和冷加工性能有所影响。硅可作为合金元素，用以提高

45、合金钢的强度硅是有益元素，通常碳素钢中硅含量小于0.3%，低合金钢含硅量小于1.8%锰(Mn)锰可提高钢材的强度、硬度及耐磨性。能消减硫和氧引起的热脆性，改善钢材的热工性能。锰可作为合金元素，提高钢材的强度锰是有益元素，通常锰含量在1%2%硫(S)硫引起钢材的“热脆性”，会降低钢材的各种机械性能，使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低硫是有害元素，建筑钢材的含硫量应尽可能减少，一般要求含硫量小于0.045%磷(P)磷引起钢材的“冷脆性”，磷含量提高，钢材的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性提高，塑性、韧性和可焊性显著下降磷是有害元素，建筑用钢要求含磷量小于0.045%氧(O)含氧量增加，

46、使钢材的机械强度降低、塑性和韧性降低，促进时效，还能使热脆性增加，焊接性能变差氧是有害元素，建筑钢材的含氧量应尽可能减少，一般要求含氧量小于0.03%氮(N)氮使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差。但在铝、铌、钒等元素的配合下，可细化晶粒，改善钢的性能，故可作为合金元素。建筑钢材的含氮量应尽可能减少，一般要求含氮量小于0.008%第第7章章 金属材料金属材料1.26一、钢材锈蚀机理一、钢材锈蚀机理 钢材的锈蚀是指钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。根据钢材与环境介质作钢材的锈蚀是指钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。根据钢材与环

47、境介质作用的机理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。用的机理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。 1. 化学锈蚀化学锈蚀 化学锈蚀是指钢材与周围介质化学锈蚀是指钢材与周围介质(如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等)发生化学反应，生成发生化学反应，生成疏松的氧化物而产生的锈蚀。一般情况下，是钢材表面疏松的氧化物而产生的锈蚀。一般情况下，是钢材表面FeO保护膜被氧化成黑色的保护膜被氧化成黑色的Fe3O4。在常温下，钢材表面能形成在常温下，钢材表面能形成FeO保护膜，可以防止钢材进一步锈蚀。所以，在干燥环境中化保护膜，可以防止钢材进一步锈蚀。所以，在干燥环境中化学锈蚀速度缓慢

48、，但在温度和湿度较大的情况下，这种锈蚀进展加快。学锈蚀速度缓慢，但在温度和湿度较大的情况下，这种锈蚀进展加快。 2. 电化学锈蚀电化学锈蚀 电化学锈蚀是指钢材与电解溶液接触而产生电流，形成原电池而引起的锈蚀。电化学锈蚀电化学锈蚀是指钢材与电解溶液接触而产生电流，形成原电池而引起的锈蚀。电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。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，当有电解质溶液存在时，形成许多微电池。电化学锈蚀过程由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液存在时，形成许多微

49、电池。电化学锈蚀过程如下：如下： 阳极：阳极：Fe=Fe2+2e 阴极：阴极：H2O+1/2O2=2OH-2e 总反应式：总反应式：Fe2+2OH-=Fe(OH)2 Fe(OH)2不溶于水，但易被氧化：不溶于水，但易被氧化：2Fe(OH)2+ H2O+1/2O2=2Fe(OH)3(红棕色铁锈红棕色铁锈)，该氧，该氧化过程会发生体积膨胀。化过程会发生体积膨胀。建筑钢材的锈蚀与防护建筑钢材的锈蚀与防护第第7章章 金属材料金属材料1.27 由此可知，钢材发生电化学锈蚀的必要条件是水和氧气的存在。由此可知，钢材发生电化学锈蚀的必要条件是水和氧气的存在。钢材锈蚀后，受力面积减小，使承载能力下降。在钢筋混

50、凝土中，因锈蚀时固相钢材锈蚀后，受力面积减小，使承载能力下降。在钢筋混凝土中，因锈蚀时固相体积增大，从而引起钢筋混凝土顺筋开裂。体积增大，从而引起钢筋混凝土顺筋开裂。二、二、 钢筋混凝土中钢筋锈蚀钢筋混凝土中钢筋锈蚀 普通混凝土为强碱性环境，普通混凝土为强碱性环境，pH为为12.5左右，使之对埋入其中的钢筋形成碱性保左右，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Fe(OH)2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，也能稳定存在，并成为钢筋的保护膜。