建筑金屬材料清華土木工程材料實(shí)用教案

1、 教學(xué)目標(biāo) 掌握：鋼材主要技術(shù)性能、土木工程用鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、防銹處理。 熟悉：鋼材的分類(fn li)，加工處理。 了解：鋼材的冶煉，其他建筑金屬的性能和應(yīng)用。 教學(xué)重點(diǎn) 鋼材主要技術(shù)性能 鋼材的冷加工和熱處理 土木工程用鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)本章(bn zhn)主要教學(xué)內(nèi)容與要求第1頁/共45頁第一頁，共46頁。建筑(jinzh)金屬材料“鳥巢(nio cho)”的鋼結(jié)構(gòu)造型u建筑金屬材料概述u鋼材的冶煉及分類u鋼材的主要技術(shù)性能u鋼材組織和成分對性能的影響u鋼材的冷加工與熱處理u鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及選用(xunyng)u鋼材的銹蝕與防護(hù)u其他建筑金屬材料第2頁/共45頁第二頁，共46頁。建筑(jin

2、zh)金屬材料概述 金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主，其他金屬或非金屬元素為輔構(gòu)成的，并具有金屬特征的工程材料，包括純金屬與合金。 黑色金屬是指以鐵元素為主要成分的金屬及其合全，如鋼和生鐵。 有色金屬是指黑色金屬以外的金屬，如鋁、銅、鉛、鋅等金屬及其合金。 土木工程中應(yīng)用的金屬材料主要有建筑鋼材和鋁合金兩種 建筑鋼材是指用于工程建設(shè)的各種( zhn)鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的各種( zhn)型鋼（圓鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼）、鋼板，鋼筋混凝土用的各種( zhn)鋼筋、鋼絲和鋼絞線，除此之外，還包括用作門窗和建筑五金等的鋼材。 鋁合金廣泛用于現(xiàn)代建筑裝修領(lǐng)域中，主要用作門窗和室內(nèi)外裝飾裝修，施工便捷

3、，有優(yōu)良的性能和獨(dú)特的裝飾效果。第3頁/共45頁第三頁，共46頁。鋼材(gngci)的冶煉 鋼和鐵的主要成分都是鐵和碳，用含碳量的多少加以區(qū)分，含碳量大于2.11的為生鐵，小于2.11的為鋼。 鋼由生鐵冶煉而成。生鐵的性質(zhì)硬而脆，塑性很差，抗拉強(qiáng)度(kn l qin d)很低 。通過冶煉將生鐵中的含碳量降至2.11以下，其他雜質(zhì)含量降至一定的范圍內(nèi)，顯著改善其技術(shù)性能。 鋼的冶煉方法主要有平爐法、轉(zhuǎn)爐法、電爐法以及特種煉鋼法，不同的冶煉方法對鋼材的質(zhì)量有著不同的影響。第4頁/共45頁第四頁，共46頁。 按照鋼的化學(xué)成分，可將鋼材分為碳素鋼和合金鋼兩大類 碳素鋼：鋼材組分元素中含量僅次于鐵元素的

4、成分為碳時； 合金鋼：鋼材組分元素中含量僅次于鐵元素的成分為其他合金元素時。 (1)碳素鋼根據(jù)(gnj)含碳量多少，碳素鋼可分為： 低碳鋼：含碳量0.25以下。 中碳鋼：含碳量0.250.6。 高碳鋼：含碳量大于0.6。 (2)合金鋼根據(jù)(gnj)合金元素的含量分： 低合金鋼：合金元素總含量小于5； 中合金鋼：合金元素總含量在510之間； 高合金鋼：合金元素總含量大于10。 鋼材(gngci)的分類按化學(xué)成分 第5頁/共45頁第五頁，共46頁。 普通碳素鋼按鋼中所含硫、磷量來分來： 普通碳素鋼：硫含量0.055，磷含量0.045 優(yōu)質(zhì)碳素鋼：硫含量0.040，磷含量0.040 高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

5、硫含量0.030，磷含量0.035 合金鋼按冶金(yjn)質(zhì)量分類： 普通合金鋼：硫含量0.05，磷含量0.045 優(yōu)質(zhì)合金鋼：硫含量0.030，磷含量0.035 高級優(yōu)質(zhì)合金鋼：硫含量0.020，磷含量0.030 特級優(yōu)質(zhì)合金鋼：硫含量0.015，磷含量0.025 鋼材(gngci)的分類按質(zhì)量、用途u根據(jù)鋼的用途，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼：u結(jié)構(gòu)鋼：用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件，土木工程(tm gngchng)中常用u工具鋼：用過各種量具、刀具及模具的鋼u特殊鋼：有特殊物理、化學(xué)及機(jī)械性能，如不銹鋼、耐熱鋼等第6頁/共45頁第六頁，共46頁。 根據(jù)脫氧程度的不同，澆鑄的鋼錠可分為沸騰鋼、

6、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼等四種： 沸騰鋼：煉鋼時加入錳鐵進(jìn)行脫氧，脫氧很不完全，故稱沸騰鋼，代號為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，雜質(zhì)多，質(zhì)量較差，但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高，可廣泛用于一般的建筑工程。 鎮(zhèn)靜鋼：煉鋼時一般采用硅鐵、錳鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧充分，這種鋼水鑄錠時能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，基本無氣泡產(chǎn)生，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號為“Z”。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密、成分均勻、性能(xngnng)穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。 半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，代號為“b”。 特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧完全徹底的鋼，代號為“TZ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼鋼材的質(zhì)量最

7、好，用于特別重要的工程結(jié)構(gòu)。鋼材的分類(fn li)按脫氧程度第7頁/共45頁第七頁，共46頁。建筑鋼材的主要(zhyo)技術(shù)性能 力學(xué)性能 抗拉性能 沖擊韌性 耐疲勞 硬度 工藝性能 冷彎性能 焊接性能 鋼材的性能是合理選用(xunyng)(xunyng)的鋼材的基本依據(jù)。第8頁/共45頁第八頁，共46頁。抗拉性能(xngnng) 抗拉性能是土木工程用鋼材最主要的技術(shù)(jsh)性能。 通過拉伸試驗(yàn)可以測得屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率，這些是鋼材的重要技術(shù)(jsh)性能指標(biāo)。 u 彈性階段：彈性階段：OA段，彈性極限段，彈性極限(Re) 應(yīng)力應(yīng)力-應(yīng)變呈正線性關(guān)系，其比值為彈性模應(yīng)變呈正線性關(guān)系

8、，其比值為彈性模量。量。 u 屈服階段：屈服階段：AB段，應(yīng)力超過段，應(yīng)力超過Re后，開后，開始始(kish)產(chǎn)生塑性變形；下屈服點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形；下屈服點(diǎn)(B下下)，屈服強(qiáng)度（，屈服強(qiáng)度（ ReL ）。）。 u 強(qiáng)化階段：強(qiáng)化階段：BC段，鋼材抵抗外力的能段，鋼材抵抗外力的能力重新提高，抗拉極限力重新提高，抗拉極限(Rm )u 頸縮階段：頸縮階段：CD段，拉斷前薄弱處截面段，拉斷前薄弱處截面顯著縮小，產(chǎn)生顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮頸縮” 低碳鋼受拉時應(yīng)力-應(yīng)變圖 中碳鋼與高碳，規(guī)定產(chǎn)生殘余變形為原標(biāo)距長度0.20.2時的應(yīng)力值作為屈服強(qiáng)度，稱條件條件屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)，用 R Rp0.2p0.2表示第9頁

9、/共45頁第九頁，共46頁。屈強(qiáng)(q qin)比 屈強(qiáng)比指的是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度之比；亦有強(qiáng)屈比概念 屈強(qiáng)比能反映(fnyng)(fnyng)鋼材的利用率和可靠性。 屈強(qiáng)比越小，其結(jié)構(gòu)的安全可靠性越高，不易因局部超載而造成脆性斷裂而破壞； 但屈強(qiáng)比過小，又說明鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，造成鋼材浪費(fèi)。 建筑結(jié)構(gòu)鋼合理的屈強(qiáng)比一般為0.600.600.750.75。 常用碳素鋼的屈服比為0.580.580.630.63。 普通的合金鋼的屈強(qiáng)比在0.670.670.750.75。 低碳鋼屈強(qiáng)比meLRR中高碳鋼屈強(qiáng)比mRR2 . 0p第10頁/共45頁第十頁，共46頁。塑性(sxng) 建筑鋼材應(yīng)具有很

10、好的塑性。鋼材的塑性通常用伸長率和斷面收縮率表示。 伸長率（） 通常以5和10分另表示L05d0和L010 d0時的伸長率。對于(duy)同一種鋼材，其5 10。 斷面收縮率(Z ) 伸長率和斷面收縮率表示鋼材斷裂前經(jīng)受塑性變形的能力；伸長率越大或斷面收縮率越高，鋼材塑性越大。100%00ulllu100%00uSSSZ第11頁/共45頁第十一頁，共46頁。沖擊韌性 沖擊(chngj)韌性是指鋼材抵抗沖擊(chngj)荷載作用的能力，用沖斷試件所需能量的多少來表示?？赏ㄟ^沖擊(chngj)試驗(yàn)確定。u 當(dāng)沖擊擺從一定高度自由落下將試件沖斷時，試件吸收(xshu)的能量等于沖擊擺所做的功，缺口底

11、部處單位面積上所消耗的功，即為沖擊韌性指標(biāo)。 AHm）（hgaku鋼材沖擊韌性與鋼材化學(xué)成分、組織狀態(tài)以及冶煉、加工都有關(guān)系。鋼材中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋(li wn)等都會使沖擊韌性顯著降低。 第12頁/共45頁第十二頁，共46頁。u鋼材的硬度是指其表面抵抗硬物壓人產(chǎn)生局部變形(bin xng)的能力，常用的測試方法有布氏法、洛氏法和維氏法等，土木工程用鋼材常用布氏硬度表示，其代號為HB。u硬度值往往與其他性能有一定的相關(guān)性。如鋼材的HB值與抗拉強(qiáng)度之間就有較好的相關(guān)關(guān)系。對于碳素鋼：u 當(dāng)HB175時，Rm3.6HB；當(dāng)HB175時，Rm3.5HB疲勞強(qiáng)

12、度 鋼材在交變荷載反復(fù)作用下，可在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度的情況下發(fā)生(fshng)破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。 鋼材的疲勞破壞的指標(biāo)用疲勞強(qiáng)度（或稱疲勞極限）來表示，它是指試件在交變應(yīng)力下，作用107周次，不發(fā)生(fshng)疲勞破壞的最大應(yīng)力值。 一般來說，鋼材的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也較高。 硬度硬度(yngd)第13頁/共45頁第十三頁，共46頁。冷彎性能(xngnng) 冷彎性能(xngnng)是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，冷彎性能(xngnng)指標(biāo)以試件在常溫下所能承受的彎曲程（彎曲角度和彎心直徑d）表示。u鋼材的冷彎后，檢查(jinch)彎曲處有無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象。若沒有這些

13、現(xiàn)象則認(rèn)為冷彎性能合格。鋼材冷彎時的彎曲角度越大，d/a越小，則表示冷彎性能越好。 u鋼材的冷彎性能不僅能反映其塑性，更有助于暴露鋼材的內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力、微裂紋、表面未熔合及夾雜物等缺陷。Pad第14頁/共45頁第十四頁，共46頁。焊接(hnji)性能 鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不低于原有鋼材的強(qiáng)度。包括兩方面： 接合性能，即在一定焊接條件下，產(chǎn)生焊接缺陷的敏感性； 使用性能，即在一定焊接工藝條件下，焊接接頭滿足使用要求的適應(yīng)性。 鋼材的含碳量(C)和碳當(dāng)量(CE)是決定焊接性的主要因素。

14、我國的熱軋帶肋鋼筋的碳當(dāng)量規(guī)定為CE0.55。 常用土木工程用鋼材的焊接性 低碳鋼碳當(dāng)量CE0.25，塑性好，焊接性能優(yōu)良(yuling)。 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：當(dāng)CE0.4時，焊接性能良好；當(dāng)CE0.4時，焊接性較差，焊前需預(yù)熱，焊后應(yīng)及時進(jìn)行熱處理，以消除應(yīng)力。第15頁/共45頁第十五頁，共46頁。鋼材鋼材(gngci)焊接質(zhì)量檢驗(yàn)焊接質(zhì)量檢驗(yàn) 鋼材焊接后必須取樣進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗(yàn)，一般包括外觀檢查和力學(xué)試驗(yàn)： 外觀檢查：焊縫處有無裂紋、砂眼、咬肉和焊件變形等缺陷(quxin)； 力學(xué)試驗(yàn)：進(jìn)行拉伸試驗(yàn)或者彎曲試驗(yàn)，要求試驗(yàn)時試件的斷裂不能發(fā)生在焊接處。焊接點(diǎn)斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)第16頁/共45頁第

15、十六頁，共46頁。體心立方體體心立方體鋼材(gngci)的組織 鋼是鐵碳合金晶體。晶體結(jié)構(gòu)中各個原子是以金屬鍵相結(jié)合的，這是鋼材具有較高強(qiáng)度和良好塑性的基礎(chǔ)。 原子在晶粒中排列的規(guī)律不同可以形成不同的晶格，晶體結(jié)構(gòu)會隨著溫度或壓力的改變(gibin)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。鐵素體鐵素體奧氏體奧氏體滲碳體滲碳體珠光體珠光體鋼的組織(zzh)形式固溶體(Fe中固溶微量C)化合物( Fe和C化合物Fe3C )機(jī)械混合物(固溶體和化合物)鋼的基本組織面心立方體面心立方體第17頁/共45頁第十七頁，共46頁。鋼的基本組織(zzh)與性能組織名稱含碳量結(jié)構(gòu)特征抗拉強(qiáng)度（MPa）布氏硬度延伸率性能鐵素體鐵素體 0

16、.02%C溶于溶于Fe中的固體相中的固體相180280508030%50%性能與純鐵相似，即強(qiáng)度、性能與純鐵相似，即強(qiáng)度、硬度低，塑性、韌性好。硬度低，塑性、韌性好。珠光體珠光體0.8鐵素體與滲鐵素體與滲碳體的機(jī)械碳體的機(jī)械混合物混合物75015020%25%性能介于鐵素體和滲碳體之性能介于鐵素體和滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，間，強(qiáng)度較高，硬度適中，有一定的塑性。有一定的塑性。滲碳體滲碳體6.69化合物化合物Fe3C 強(qiáng)度極高強(qiáng)度極高800接近于零接近于零鐵中的主要強(qiáng)化相，強(qiáng)度、鐵中的主要強(qiáng)化相，強(qiáng)度、硬度很高，脆性大。硬度很高，脆性大。奧氏體奧氏體0.8C溶于溶于Fe中的固體相中的固體相

17、400160220 40%50%其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，其強(qiáng)度和硬度比鐵素體高，塑性、韌性好。因此，鋼材塑性、韌性好。因此，鋼材多數(shù)加熱到奧氏體進(jìn)行鍛造。多數(shù)加熱到奧氏體進(jìn)行鍛造。鋼材的組織(zzh)對性能的影響土木工程用鋼的含碳量在0.8以下，基本晶體組織由鐵素體和珠光體所組成(z chn)，無滲碳體；強(qiáng)度較高，塑性、韌性較好。第18頁/共45頁第十八頁，共46頁。 （1）碳：土木工程用鋼材含碳量不大于0.8。在此范圍內(nèi)，隨著鋼中碳含量的提高，強(qiáng)度和硬度相應(yīng)提高，而塑性和韌性則相應(yīng)降低，碳還可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。（2）硅：當(dāng)硅在鋼中的含量較低（

18、小于1%）時，可提高鋼材的強(qiáng)度，而對塑性和韌性影響不明顯。作為合金元素，含量在1.01.2時，強(qiáng)度提高，塑性和韌性明顯下降，工藝性變差。（3）錳：錳是我國低合金鋼的主加合金元素，錳含量一般在1%范圍內(nèi)，它的作用主要是使強(qiáng)度提高，錳還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質(zhì)(xngzh)改善。鋼材的化學(xué)成分對性能(xngnng)的影響第19頁/共45頁第十九頁，共46頁。（）硫：硫是很有害元素。呈非金屬硫化物夾雜物存在(cnzi)于鋼中，具有強(qiáng)烈的偏析作用，增大鋼材的熱脆性，降低各種機(jī)械性能。硫化物造成的低熔點(diǎn)使鋼在焊接時易于產(chǎn)生熱裂紋，顯著降低可焊性。（）磷：為有害元素，含量提高，鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和韌性顯著下降，特別是溫度愈低，對韌性和塑性的影響愈大，磷在鋼中的偏析作用強(qiáng)烈，使鋼材冷脆性增大，并顯著降低鋼材的可焊性。提高鋼的耐磨性和耐腐蝕性，在低合金鋼中可配合其他元素作為合金元素使用。 （）氧：