土木工程材料电子教案第2章 金属材料.pdf

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1、土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第 2 章金属材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录本 章 目 录本章提要本章提要概述概述2.1 钢材的冶炼与分类钢材的冶炼与分类2.2 建筑钢材的力学性能与工艺性能建筑钢材的力学性能与工艺性能2.3 钢材的组织和化学成分对钢材性能的影响钢材的组织和化学成分对钢材性能的影响2.4 常用建筑钢材的技术标准常用建筑钢材的技术标准2.5 钢材的腐蚀与防护钢材的腐蚀与防护2.6 钢的防火钢的防火2.7 建筑装饰用钢材制品建筑装饰用钢材制品2.8

2、建筑中用铝及铝合金制品建筑中用铝及铝合金制品2.9 铜和铜合金铜和铜合金案例分析案例分析 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录本章提要本章提要金属材料的基本概念金属材料具备的基本性质如何根据土木工程应用选择金属材料本章重点：建筑钢材的基本性能及应用。本章难点：钢材冷加工强化与时效处理的机理。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录概述金属材料的通常分类金属材料黑色金属：铁、钢、合金钢等有色金属：铝、铜、锌、铅及合金等土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内

3、容下一内容下一内容回主目录回主目录2.1 钢材的冶炼与分类钢材的冶炼与分类2.1.1 钢的冶炼钢的冶炼2.1.2 钢材的分类钢材的分类土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.1.1 钢的冶炼钢的冶炼 钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素：碳C含量2.11，杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.116.69，并含较多杂质的。冶 炼生 铁钢 生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（一）冶炼

4、 根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种 原料 特 点 生产钢种氧气转炉 铁水，废钢 可有效除去磷、硫杂质少， 碳素钢 效率高 质量好。 低合金钢 电炉 生铁、废钢 产量低、耗电大，杂质少 合金钢 质量最好，成本高 优质碳素钢平炉 生铁、废钢 时间长，成分稳定 碳素钢 质量较好、成本较高 低合金钢土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.1.2 钢材的分类钢材的分类1.按冶炼方法分钢转炉钢沸腾钢电炉钢平炉钢按冶炼方法分按脱氧程度分半镇静钢镇静钢特殊镇静钢按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢土木工程材料

5、土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.1.2 钢材的分类钢材的分类2.按化学成分分钢中碳钢低合金钢高碳钢低碳钢碳素钢合金钢中合金钢高合金钢C0.25%C=0.25%0.60C0.60合金总含量5%5%1010土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.1.2 钢材的分类钢材的分类3按有害杂质含量分类按硫（S）和磷（P）的含量多少，可分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢四种。4按用途不同分类按钢的用途不同，可分为结构钢、工具钢和特殊钢三种。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程

6、材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？ 答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和时效敏感性增大等。 脱氧程度排序： 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢 钢材性能与质量排序： 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 2.2 建筑钢材的力学性能与工艺建筑钢材的力学性能与工艺性能性能2.2.1 力学性能力学性能2.2.2 工艺

7、性能工艺性能土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.2.1 力学性能力学性能 钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.2.1 力学性能力学性能1抗拉性能2冲击韧性3耐疲劳性4硬度土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1抗拉性能拉伸试验机与样品的安装 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土

8、木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录l1 l0 伸长l0l1F0F1F1 F0 颈缩n=(l1 - l0 )/ l0 100%=(F0-F1)/F0100%土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（1）弹性阶段（OA段）（2）屈服阶段（AB段） （3）强化阶段（BC段） （4）颈缩阶段（CD）常用低碳钢的弹性模量E约为2.02.1105MPa，弹性极限为p约为180200MPa。 这种应力基本保持不变，而应变显著增加的现象，称为屈服。常用低碳钢的屈服极限s约为185235MPa。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。

9、 过了屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力。这种现象称为材料的强化。抗拉强度在设计中虽不能利用，但屈强比（s /b）在设计中有着重要意义。 屈强比小，结构的安全性高。若屈强比过小，则钢材利用率低。建筑结构钢屈强比一般在0.600.75范围内较合理。普通碳素结构钢Q235的屈强比大约为0.580.63；低合金结构钢的屈强比大约为0.650.75；对有抗震要求的框架结构纵向受力钢筋要求屈强比不应超过0.80。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题： 什么是屈强比，对选用钢材有何意义？土木工程材料土木工程材料

10、土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录塑 性 钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 = （l1l0）/ l0 100% 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 = （F0F1）/ F0 100% 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录中碳钢与高碳钢（硬钢）由于材质较硬，抗拉强度高

11、，塑性变形较小，受拉时无明显的屈服阶段 。故常以其规定残余变形为0.2%l0时的应力值作为名义屈服点，也称条件屈服点，用0.2表示。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录强度概念小结 钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度，钢材的强度用拉伸试验测定。强度指标根据其变形特点分下列几个： 弹性极限（P） 表示钢材保持弹性变形, 不产生塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。屈服强度（ s） 表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。 强

12、度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题：屈服现象的特征是什么？ 答： 其特征是：钢材拉伸试验过程中，应力不增加而塑性变形不断增加。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2冲击韧性 钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性，采用V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。 测得试样冲击吸收功,用符号W（J) 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0, 即得到材料的冲击韧度 ak。 ak （J/m2)值越大,表

13、示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。 随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录冲击试验： 测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。 再测量试件断裂面积。摆锤试件H0H1土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题： 钢材的冲击韧性的影响因素？ 答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下列因素影响：1.钢中的S、P等有害杂质含量(成

14、分偏析程度)；2.环境温度3.钢的时效随时间的延长，钢材表现强度和硬度提高，但其塑性和韧性降低，这种现象称为时效。时效作用导致钢材性能改变程度的大小叫时效敏感性。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3耐疲劳性钢构件若在交变应力（随时间进行周期性交替变更的应力）的反复作用下，往往在工作应力远小于抗拉强度时发生骤然断裂，这种现象称为“疲劳破坏”。 当应力作用方式、大小或方向等交替变更时，裂纹两面的材料时而紧压或张开，形成了断口光滑的疲劳裂纹扩展区。随着裂纹向纵深发展，在疲劳破坏的最后阶段，裂纹尖端由于应力集中而引起剩余截面的脆性断裂，形

15、成断口粗糙的瞬时断裂区。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录疲劳强度 在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳破坏。材料承受的交变应力()与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。钢材承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限次周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目

16、录回主目录4硬度 钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。 洛氏硬度测量原理图 布氏硬度测量原理图 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题：钢材的疲劳破坏过程怎样？其疲劳强度与哪些因素有关？答：疲劳破坏过程包括再交变应力作用下，疲劳裂缝的产生扩展突然断裂。 其主要影响因素有：1.内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）；2.成分偏析；3.过大的内应力，截面沿纵向的突变；4.表面状态；5.受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内

17、容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.2.2 工艺性能工艺性能1冷弯性能2冷加工性能及时效处理3焊接性能4钢材的热处理土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1冷弯性能1、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力；2、评价指标：用不同弯曲角度和不同弯心半径d相对于钢材厚度a的比值（d/a）表示；3、试验方法：按一定的角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录P钢材

18、的冷弯试验ad外拱面土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2冷加工性能及时效处理（1）冷加工强化（2）钢材的时效处理土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（1）冷加工处理将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工，如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。冷加工硬化原理： 钢材加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，经格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变

19、形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。加工硬化的效果：屈服强度提高塑性和韧性降低可焊性变坏硬脆倾向增加等。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录钢材的重复拉伸0 p e 0土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录（2）时效处理 将经过冷加工的钢筋，在常温下存放1520天，或在100120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称为时效处理。时效硬化原理： 由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体

20、中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录时效处理钢材产生实效的难易程度称为时效敏感性，用时效敏感系数时效敏感系数表示： C值越大，时效敏感性越大。为了尽快取得强化效果，可将冷拉过的钢筋加热到100200C保持2小时，以加速时效的发展，这种方法称为人工实效人工实效。实际意义：承受动载或处于中温的钢结构，要求钢材具有较小的时效敏感性。但对于建筑上用的钢筋来说，可提高其屈服强度。 土木工程材料土木工程材料土木

21、工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录 可焊性 1、定义：钢材在焊接后，焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能；2、测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。3、影响因素： 化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）； 冶炼质量（镇静钢） 冷加工等。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题：直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么

22、？ 答：不能。 因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录热处理对钢材性质的影响 热处理是将钢材在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录热处理对钢材性质的影响 退火可降低钢的硬度，提高塑性和韧性，消除加工处

23、理中形成的缺陷和内应力；正火提高塑性和韧性，强度降低较小，使三者之间良好配合；淬火提高钢材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韧性；回火消除淬火后钢材的内应力和脆性；淬火和高温回火的联合处理称为调值，可使钢材既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录问题退火、正火、淬火和回火有何差别？土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录温度727C等温处理回火淬火正火退火时间钢材的热处理工艺土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下

24、一内容回主目录回主目录2.3 钢材的组织和化学成分对钢钢材的组织和化学成分对钢材性能的影响材性能的影响.金属的晶体结构 (1)金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格；(2)晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合，所有的价电子为自由电子；(3)钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，各晶粒之间存在晶界。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录金金属属晶晶体体体心立方结构面心立方结构密排六方结构土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.

25、3.1 钢的基本组织钢的基本组织同素异晶间的转变：液态铁 Fe Fe Fe 体心立方 面心立方 体心立方合金的基本概念固溶体：一种金属溶于另一种金属中形成固体溶液化合物：二种以上元素形成新的化合物土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.3.1 钢的基本组织钢的基本组织铁素体 碳溶于Fe中的固溶体。 Fe为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度较低。渗碳体 铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达6.69，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。珠光体 铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量0.

26、77，其性质介于二者之间。奥氏体 碳溶于Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录铁素体的晶体组织钢材的晶体组织珠光体的晶体组织铁素体和珠光体珠光体与渗碳体球状珠光体动画土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.3.2 钢的化学成分对钢性能的影响钢的化学成分对钢性能的影响钢材中除了主要化学成分铁（Fe）以外，还含有少量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧

27、（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）等元素，这些元素虽然含量少，但对钢材性能有很大影响.土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录一、化学成分对钢材性质的影响化学化学元素元素强强度度韧韧性性塑性塑性其其 他他 性性 能能C C增加增加降降 低低降低降低焊焊接性能，增加冷脆性和接性能，增加冷脆性和时时效效倾倾向向SiSi增加增加影响不大影响不大可可焊焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀蚀性性MnMn增加增加影响不大影响不大消减硫引起的消减硫引起的热热脆性、提高耐磨性、降低脆性、提高耐磨性、降低焊焊接性接性P P稍

28、有稍有增加增加显显著降低著降低增大冷脆性，增大冷脆性，显显著降低著降低焊焊接性，提高耐磨和耐接性，提高耐磨和耐蚀蚀性性S S降低降低降降 低低增大增大热热脆性，降低脆性，降低焊焊接性、耐腐接性、耐腐蚀蚀性和机械性能性和机械性能O O降低降低降降 低低降低机械性能，使降低机械性能，使焊焊接和冷弯性能接和冷弯性能变变坏，增加坏，增加热热脆性脆性N N提高提高降降 低低降低降低焊焊接性、使冷弯性能接性、使冷弯性能变变坏、加坏、加剧剧冷脆性与冷脆性与时时效敏感性效敏感性TiTi提高提高改善改善 降低降低提高提高焊焊接性和抗接性和抗蚀蚀性性V V提高提高改善改善减少冷脆性、降低减少冷脆性、降低焊焊接性接

29、性土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录铁晶体中的碳原子碳 是“杂质”碳原子创造了一个应力场，阻止了位错的广泛滑移。它需消耗较大的能量来克服障碍。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录加入其它元素到金属中，削弱晶界或原子的滑移，使金属变得又硬又强。例如，碳原子加入到铁中成为钢。障碍的例子: 铁晶体中的碳原子土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.4 常用建筑钢材的技术标准常用建筑钢材的技术标准2.4.1 2.4.1 钢结

30、构用钢材钢结构用钢材钢结构用钢材钢结构用钢材2.4.2 2.4.2 混凝土结构用钢材混凝土结构用钢材混凝土结构用钢材混凝土结构用钢材土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.4.1 钢结构用钢材钢结构用钢材1碳素结构钢2优质碳素结构钢3低合金高强度结构钢4钢结构用型钢、钢管和钢板土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1碳素结构钢 （1）钢的牌号： 根据国标GB700-1988，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷

31、等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。 牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、 质量等级（A、B、C、D）、 脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。（）技术要求见表。钢牌号与性能的关系 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录碳素结构钢（3）选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如： Q195和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，

32、易弯加工，可用于钢钉、螺栓等。Q235A使用于承受静载作用的钢结构；Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构。Q255和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录思考题：1、碳素结构钢的牌号如何组成？2、钢牌号如何反映钢材的性能和质量？3、如何根据使用要求选用钢材牌号？土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.优质碳素结构钢 (1)钢的牌号用两位数

33、字表示，代表平均含碳量的万分数，如含锰量较高时，在牌号后加注（Mn）。 如：45号钢，表示气焊碳量为0.45%。(2)选用：3045号钢，用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓；6580号钢，常用于制作碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3低合金高强度结构钢(1)组成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量0.2%。(2)合金元素的作用：细化结晶，起到细晶强化作用，不仅可提高强度和硬度，还可一定程度上增加塑性和韧性。弥散强化作用，较硬微粒均匀分散在晶粒内部，阻碍晶粒滑移变形

34、，大大提高钢的强度和硬度。(3)牌号：与碳素结构钢一样，用Q+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D、E）表示。(4)特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可焊性。(5)应用：适合于大跨度结构、高层建筑和桥梁。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录低合金结构钢的性能要求(1) 高强度：一般其屈服强度在300MPa以上。(2) 高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3) 良好的焊接性能和冷成型性能。(4) 低的冷脆转变温

35、度。(5) 良好的耐蚀性。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录低合金结构钢的组成特点(1)低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。(2)加入以锰为主的合金元素。(3)加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。(4)加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。(5)加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容

36、回主目录回主目录问题：与碳素钢相比，低合金结构钢有何特点？ 答：由于低合金结构钢中的合金元素的细晶强化和弥散强化作用，以及含碳量低，有害杂质少，质量较高且稳定，使得低合金结构钢有以下特点： 不但具有较高的屈服强度和抗拉强度，而且具有较好的塑性、韧性和适当的焊接性，耐低温性较好，时效敏感性也较小。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4钢结构用型钢、钢管和钢板型钢钢管钢板土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录钢结构用钢土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容

37、下一内容下一内容回主目录回主目录2.4.2 混凝土结构用钢材混凝土结构用钢材主要品种有： 1热轧钢筋 2冷加工钢筋 3热处理钢筋 4预应力混凝土用钢丝和钢绞线 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录1.热轧钢筋 (1)牌号：有、四个级别，其中、为带了钢筋，牌号为：HRB+屈服强度的最小值构成，级为光圆钢筋，牌号为R235； 、级为热轧带肋钢筋有HRB335、 HRB400、 HRB500 三个牌号。 2、性能与用途：级钢筋的强度不高，弹塑性和可焊性好，用作预应力混凝土的受力筋或构造筋；、级强度高，塑性和可焊性也好，用于大中型钢筋混凝土结

38、构的受力筋。级钢筋强度高，弹塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2冷加工钢筋 （1）冷拉热轧钢筋（2）冷轧带肋钢筋（3）冷轧扭钢筋有、四个级别，他们由热轧钢筋经现场冷拉和人工时效处理得到。 级适用于普通混凝土结构中的受力筋；可用作预应力钢筋。 冷轧带肋钢筋代号为CRB，按抗拉强度分为五级：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。冷轧带肋钢筋的力学、工艺性质见表212。高性能建材 冷轧扭钢筋由低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调

39、直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。按其截面形状不同分为I型（矩形截面）和型（菱形截面）两种类型。代号为LZN。标记符号为原材料（母料）轧制前的公称直径（d）。标记示例：LZN10(I)冷轧扭钢筋，标志直径为10mm，矩形截面。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录3热处理钢筋 有热轧带肋钢筋经淬火和高温回火调质处理得到，代号RB150。牌号：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。不能冷拉和焊接。性能：屈服强度不小于1325MPa，极限强度不小于1470MPa，伸长率不小于6。应符合GB446

40、3-84的规定。用途：主要用于预应力混凝土梁、预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土结构。热处理钢筋的设计强度取标准强度的0.8，先张法和后张法预应力的张拉控制应力分别为标准强度的0.7和0.65。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4预应力混凝土用钢丝和钢绞线（1）预应力钢丝:冷拉钢丝为WCD、低松弛级钢丝为WLR、普通松弛级钢丝为WNR。 1)预应力混凝土钢丝使用牌号为6080的优质碳素钢盘条，经酸洗、冷拉或冷拉再回火等工艺制成，分冷拉钢丝（L）和矫直回火钢丝（J）两种。为了增加握裹力，进行表面压痕，形成刻痕钢丝（JK）。2)特性：

41、强度高、柔性好、无接头，质量稳定，不需焊接。3)用途：大跨度桥梁、屋架、吊车梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录4预应力混凝土用钢丝和钢绞线（2）预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除内应力的热处理而制成。 用两根钢丝捻制的钢绞线（表示为12）、用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为13）、用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为17）。按应力松驰能力分为I级松驰和级松驰两种。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.5 钢材

42、的腐蚀与防护钢材的腐蚀与防护土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.5.1 腐蚀的类型腐蚀的类型钢材受到周围介质的化学或电化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀。1、化学腐蚀 由非电解质溶液或各种干燥气体（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的纯化

43、学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材表面产生疏松的氧化物膜层。2、电化学腐蚀 钢材与电解质溶液接触后，由于发生电化学作用而引起的腐蚀。3、腐蚀的影响因素：钢材的成分、环境条件、周围介质的性质等。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录电化学腐蚀过程阳极反应: Fe Fe2 + 2e (1)阴极反应: O2+ 2H2O+ 4e- 4OH(吸氧) (2) 2H + 2e H2 (放氢) (3)在介质水中：Fe2 + 2OH- Fe(OH)2 (4)进一步氧化：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 (5)氢氧化铁部分脱水成为铁锈: 2F

44、e(OH)3H2OFe2O3H2O (6) 或 Fe(OH)3H2OFeOOH (7)土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录锈蚀产生的原因如果两种金属以化学方式接触, 那么,电化学就会因各个金属的电位上差值而建立、组成一个化学原电池。阳极金属就出现锈蚀。锚杆表面存在不均匀性的地方, 例如局部损伤, 就产生不同的电位差, 于是形成微型原电池。在锚杆防护层间断处, 一般可能产生原电池。如预应力损失可能与灌浆锚索界面粘结和相互嵌锁的恶化(开裂、挤碎) 有关。锚杆处与土壤中离子浓度有变化的环境中, 那时就形成差动电池, 其锈蚀也就产生了。土木工

45、程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录原电池锈蚀原理图不同形式锈蚀的形态双金属电池示意图 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录氯离子引起的钢筋锈蚀机理土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录钢材锈蚀的危害减小钢材的受力面积，降低承载力；产生体积膨胀，毁坏钢筋混凝土结构；土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录铁的氧化物或氢氧化物的体积土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木

46、工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.5.2 钢材防护措施钢材防护措施 （1）制成合金钢 加入合金元素铬、镍制成不锈钢、或加入铜制成合金钢，可显著提高抗锈蚀能力。（2）金属覆盖 在钢材表面电镀或喷镀一层金属覆盖物，如：镀锌、镀锡、镀铬、镀银等。 （3）非金属覆盖。在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀，如喷涂涂；料、搪瓷和塑料等。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录补充：设置阳极或阴极 1）阳极保护：在钢结构附近埋设废钢铁作为阳极，保护钢结构作为阴极，通上直流电源，则钢结构阴极受保护；

47、 2）阴极保护：在被保护钢结构上，连接一块比铁更活泼的金属，如锌、镁等，使活泼金属作为阳极被腐蚀，钢结构作为阴极受保护。 3）混凝土中钢筋的防锈，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢筋表面形成钝化膜保护。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录阳极与阴极保护原理阴极保护方式阳极保护方式土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录氯盐腐蚀的对策(1)在近海岸区域，不使用露面混凝土；用砂浆面砖等进行表面装修。(2)海水面能浸及的部位，混凝土保护层要在100mm以上,钢筋混凝土用环氧树脂涂刷。此外

48、，也有电化学阴极保护方法。(3)电化学防腐原理铁（Fe）与空气中水分接触时，有Fe2+和e生成，如图 中所示，Fe(OH)3(红铁锈)生成。为了停止这一过程，施加外部电流，可抑制这一过程。防腐蚀电流施加方式，如图 所示的电流阳极方式：有以Zu系，Al系等为阳极的方式，或外部电源的方式。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.6 钢的防火钢的防火耐火试验与火灾案例调查表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露钢梁的耐火极限仅为0.15h。温度在200C以内，可以认为钢材的性能基本不变；当温度超过30

49、0C以后，钢材的弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著降低；到达600C时，弹性模量、屈服点和极限强度均接近于零，已失去承载力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.6 钢的防火钢的防火1防火涂料包裹法2不燃性板材包裹法3实心包裹法土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.7 建筑装饰用钢材制品建筑装饰用钢材制品2.7.1 不锈钢及其制品不锈钢及其制品2.7.2 彩色不锈钢板彩色不锈钢板 2.7.3 彩色涂层钢板彩色涂层钢板2.7.4 彩

50、色涂层压型钢板彩色涂层压型钢板2.7.5 轻钢龙骨轻钢龙骨不锈钢是加铬元素为主并加其他元素的合金钢，铬含量越高，钢的抗腐蚀性越好。除铬外，不锈钢中还含有镍、锰、钛、硅等元素，这些元素都能影响不锈钢的强度、塑性、韧性和耐蚀性。不锈钢按其化学成分可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和高锰低铬不锈钢等几类。按不同耐腐蚀特点，又可分为普通不锈钢（简称不锈钢）和耐酸钢两类。 土木工程材料土木工程材料土木工程材料土木工程材料上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录2.7 建筑装饰用钢材制品建筑装饰用钢材制品1.不锈钢装饰制品 用作建筑物的柱、屋面、内外墙面、门窗、栏杆等的表面装饰。 2.彩色涂层钢板 用作建