第2章建筑金屬材料

1、第 2 章 建筑金屬材料材料綜合選用 本章學(xué)習(xí)指導(dǎo) 本章共 6 個(gè)知識(shí)點(diǎn)。本章的教學(xué)目標(biāo)是： 了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系； 熟練掌握建筑鋼材的力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性及塑性變形，耐疲勞性）的意義，測(cè)定方 法及影響因素； 熟悉建筑鋼材的強(qiáng)化機(jī)理及強(qiáng)化方法； 掌握土木工程中常用的建筑鋼材的分類及其選用原則。 本章的難點(diǎn)是鋼材的塑性、韌性、耐疲勞性，以及微量組分對(duì)鋼材性能的影響。建議在學(xué)習(xí) 中需聯(lián)系鋼材的組成結(jié)構(gòu)分析其性能，來(lái)理解其應(yīng)用。還需說(shuō)明的是，除鋼材外，鋁合金近年 迅速發(fā)展，對(duì)其在土木工程中的應(yīng)用亦應(yīng)有所了解。廣州海珠橋的鋼材 廣州海珠橋已經(jīng)“年逾七旬” ，但其使用的鋼材預(yù)計(jì)已有

2、百年歷史。2004 年，提供建造海珠橋鋼材的英國(guó)企業(yè)向廣州市政部門發(fā)來(lái)傳真，提醒有關(guān)部門注意， 這些鋼材是從當(dāng)時(shí)英國(guó)的一座舊鋼橋上拆卸下來(lái)的，所以就其壽命計(jì)算，海珠橋使用的鋼材預(yù) 計(jì)已有百年歷史，已經(jīng)進(jìn)入疲勞期，繼續(xù)使用則需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行 加固等。2.1 鋼的分類2.06%鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于的鐵碳合金稱為生鐵。2.1.1 按化學(xué)成分分類2.1.2 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類2.1.3 按冶煉時(shí)脫氧程度分類2.1.1 按化學(xué)成分分類1. 碳素鋼低碳鋼：含碳量 < 0.25中碳鋼：含碳量為 0.25%0.60%高

3、碳鋼：含碳量 > 0.602. 合金鋼低合金鋼：合金元素總含量 < 5.0%中合金鋼：合金元素總含量為 5.0% 10%高合金鋼：合金元素總含量 > 10% 建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合 金鋼加工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。2.1.2 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類1普通鋼：含硫量W 0.050%;含磷量W 0.045%。2優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量w 0.035%;含磷量w 0.035%。3. 高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量w0.025% ;含磷量w 0.025%。4. 特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量w0.015% ;含磷量w 0.025%。2.1.3 按冶煉時(shí)脫氧

4、程度分類1. 沸騰鋼煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會(huì)與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱為沸騰鋼，其代號(hào)為“ F”其沖擊韌性和可焊性較差。2. 鎮(zhèn)靜鋼 煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼液會(huì)平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，其代號(hào)為“Z ”。3. 半鎮(zhèn)靜鋼指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，其代號(hào)為“b”。4. 特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，故稱為特殊鎮(zhèn)靜鋼， 代號(hào)為“ TZ ”特殊鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。2.1 鋼的分類鋼材的冶煉脫氧程度與性

5、能下圖為沸騰鋼（圖A）與鎮(zhèn)靜鋼（圖B）兩鋼錠的縱剖面，請(qǐng)觀察其結(jié)構(gòu)差別，討論其性能差異。從圖中可見(jiàn)，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時(shí) 有大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化學(xué)成分和力學(xué) 性能不夠均勻、強(qiáng)度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產(chǎn)成本低，可用于一般建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜 鋼是指在澆鑄時(shí)，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無(wú)一氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生,是脫氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實(shí)，品質(zhì)好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載的重要結(jié)構(gòu)。此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于 特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫氧程度與質(zhì)量

6、介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其質(zhì)量 較好。2.1 鋼的分類某廠的鋼結(jié)構(gòu)屋架用中碳鋼焊接而成，使用一段時(shí)間后，屋架坍塌。首先是因?yàn)殇摬牡倪x用不當(dāng)，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；其次是焊接性能較差，焊接時(shí)鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。建筑上常用的主 要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。2.2 建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能2.2.1 抗拉性能2.2.2 沖擊韌性2.2.3 耐疲勞性2.2.4 工藝性能2.2.1 抗拉性能在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。測(cè)定鋼材強(qiáng)度的主要方法是拉伸試驗(yàn)， 鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同

7、時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映鋼材的主要力學(xué)特 征。從圖低碳鋼的應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到被拉斷，經(jīng)歷了四個(gè)階段：彈性階 段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。每個(gè)階段的特點(diǎn)詳見(jiàn)動(dòng)畫演示。2.2.1 抗拉性能2.2.2 沖擊韌性鋼材的沖擊韌性是處在簡(jiǎn)支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功。鋼材的 沖擊韌性試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間 開(kāi) V 形缺口。2.2.3 耐疲勞性受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開(kāi)始形成

8、細(xì)小裂紋，隨后由于 微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀 態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。2.2.4 工藝性能1. 冷彎性能冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度a和彎心直徑d為指標(biāo)表示，如下圖所示。2. 焊接性能 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(guò)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)度應(yīng)不低于原有鋼材的強(qiáng)度。2.2 建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能(1) 兩種鋼材的選用(2) 兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較(3) 疲勞斷裂的特征與原因(4) 鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的

9、關(guān)系2.2.1 抗拉性能(1) 兩種鋼材的選用請(qǐng)觀察下圖中i、n兩種低碳鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線的差異。討論下述問(wèn)題： 若對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，i、n兩種低碳鋼選用何種更合適？ 使用i、n兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高？(1)兩種鋼材的選用從i、n兩條曲線比較可知，低碳鋼n的彈性模量E小于低碳鋼I,也就是說(shuō)，低碳鋼n的抗變形能力不如低碳鋼I。對(duì)于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼I更為合適。(1) 兩種鋼材的選用I、n兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度6s相近，但低碳鋼I的抗拉強(qiáng)度6b高于n。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為屈強(qiáng)比，即6s/6 b。屈強(qiáng)比越小，反映鋼材超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然,屈強(qiáng)比過(guò)

10、小時(shí),表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低,也不合理。有時(shí)也使用強(qiáng)屈 比(6 b/ 6 s)來(lái)評(píng)價(jià)鋼材的可靠性。鋼材I的屈強(qiáng)比較低，故其安全性高于鋼材n。Q235鋼材的屈強(qiáng)比為0.580.63，普通的合金鋼的屈強(qiáng)比在0.670.75之間。(2) 兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較2.2.2 沖擊韌性請(qǐng)觀察下圖中I、n兩低合金鋼曲線，若在東北地區(qū)，應(yīng)選用何種鋼更有利？ (2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較 溫度對(duì)沖擊韌性有重大影響,當(dāng)溫度降至一定程度時(shí),沖擊韌性大幅度下降而使鋼材呈脆性, 此現(xiàn)象稱為冷脆性。曲線中棕色段代表脆性斷裂,藍(lán)色段代表脆性轉(zhuǎn)變范圍,黑色段代表韌性 斷裂。從上圖中可知，低合金鋼I的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于

11、n,即說(shuō)明鋼材的低溫沖擊韌性較好。東北地區(qū)冬季氣溫低，主要考慮低溫沖擊韌性問(wèn)題，選用I更有利。影響鋼材的沖擊韌性還有許多因素,例如,鋼中磷、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等都 會(huì)使沖擊韌性顯著降低。 請(qǐng)觀察下圖中疲勞斷裂的宏觀斷口特征,并分析討論疲勞斷裂的特征和原因。疲勞斷裂的特征與原因2.2.3 耐疲勞性A ：疲勞源區(qū)；B :擴(kuò)展區(qū)；C :終斷區(qū)疲勞斷裂的宏觀斷口 疲勞裂紋起源于鍵槽左邊底部的拐角處，無(wú)裂紋構(gòu)件疲勞的宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)：疲勞源區(qū)(A區(qū))；擴(kuò)展區(qū)(B區(qū)):終斷區(qū)(C區(qū))。 引起鋼材疲勞破壞的原因很多，主要是由于拉應(yīng)力引起較大的拉應(yīng)變，先在某局部形成細(xì)

12、小裂紋，然后因受剪切應(yīng)力而擴(kuò)展。故鋼材的抗拉強(qiáng)度高，疲勞極限也高。鋼材表面的加工印 痕、焊接接頭的卷邊和表面微小腐蝕缺陷，都可使疲勞極限顯著降低。零件或構(gòu)件的幾何形狀 和大小，對(duì)疲勞極限有不小的影響，有缺口、尖角的零件與無(wú)缺口、銳角的零件相比，疲勞行 為有很大差別；構(gòu)件尺寸越大，則疲勞強(qiáng)度越低。由于疲勞設(shè)計(jì)中存在著大量不確定因素，因 而選用材料的安全系數(shù) K較高(鋼材的K> 2)，而且在零件實(shí)際使用前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)校核。 疲勞斷裂的特征與原因 鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系A(chǔ)、B兩種鋼材,A鋼材3 5及3 10均略大于B鋼材。但從下圖可知，A鋼材的冷彎性能卻不如 B 鋼材。請(qǐng)分析原因

13、及 A 與 B 兩種鋼材內(nèi)部組織的差異。224工藝性能 鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系 伸長(zhǎng)率反映的是鋼材在均勻變形下的塑性。而冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可 揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。而這些缺陷在拉伸試驗(yàn)中常因 塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。2.2 建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能 ( 1 )廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌(2) 鋼貯罐脆性斷裂(3) 北海油田平臺(tái)傾覆(4) 某運(yùn)輸廊倒塌分析( 1 )廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌 抗拉性能廣東某國(guó)際展覽中心包括展廳、會(huì)議中心和一棟 16層的酒店，總建筑面積 42 000 m2。 1989 年 建成投入使用。 1992年

14、曾降大暴雨，其中 4號(hào)展廳網(wǎng)架倒塌。在倒塌現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)大量高強(qiáng)度螺栓 被拉斷或折斷，部分桿件有明顯壓屈，但未發(fā)現(xiàn)桿件拉斷及明顯頸縮現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)桿件與錐 頭焊縫拉開(kāi)。另外，網(wǎng)架建成后多次發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，事故現(xiàn)場(chǎng)兩排水口表面均有堵塞。 由于 4 號(hào)展廳除承擔(dān)本身雨水外，還要承擔(dān)會(huì)議中心屋面溢流而來(lái)的雨水。由于溢流口、雨 水斗設(shè)置不合理，未能有效排水導(dǎo)致網(wǎng)架積水超載。 所受拉力超過(guò)高強(qiáng)度螺栓的極限承載力而被拉斷，高強(qiáng)度螺栓安全度低于桿件安全度，其安 全度不足?？估阅?鋼貯罐脆性斷裂 沖擊韌性1989年1月22日，內(nèi)蒙古某糖廠一個(gè)直徑為 20 m,高為15.76 m的剛交工驗(yàn)收不久的廢糖蜜鋼 貯罐發(fā)生斷

15、裂。破壞過(guò)程呈突發(fā)性，沒(méi)有任何先兆，非常迅速。破壞時(shí)罐內(nèi)糖蜜貯量為4027 t，不僅未達(dá)到設(shè)計(jì)貯量，還低于試用期間曾達(dá)到的 4559 t 水平，罐體內(nèi)應(yīng)力并不太高，距鋼材屈 服強(qiáng)度相差較遠(yuǎn)，地震和人為破壞及廢糖蜜自燃爆炸的因素可排除，請(qǐng)分析鋼貯罐發(fā)生斷裂的 原因。韌性斷裂在發(fā)生前有明顯預(yù)兆，而脆性斷裂是突發(fā)性的。經(jīng)調(diào)查表明，其裂口特征：罐體下部 第 1、 2層母材撕裂，斷口呈顆粒狀，人字形紋尖端朝上，呈脆性斷裂。對(duì)鋼材材質(zhì)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)部分鋼板含碳量和含硫量較高，降低了鋼材的塑性和可焊性，其常溫沖擊韌性比規(guī)定值偏 低，故該鋼材易出現(xiàn)脆性斷裂。且焊接質(zhì)量差，綜合分析可知，罐體破壞的根源是焊接質(zhì)

16、量低 而導(dǎo)致的低溫脆性斷裂。對(duì)接焊縫中大量未焊透部位如同張開(kāi)型的焊接裂紋，在罐壁環(huán)向拉力 的作用下，能引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為罐體斷裂的引發(fā)點(diǎn)。在荷載變化、應(yīng)力集中、殘余應(yīng) 力和溫差應(yīng)力的作用下，裂紋會(huì)緩慢擴(kuò)展。而鋼材的韌性較差，不能阻止裂紋的擴(kuò)展，最后達(dá) 到臨界值而突然斷裂。沖擊韌性北海油田平臺(tái)傾覆耐疲勞性1980 年 3月 27 日，北海愛(ài)科菲斯科油田的 A.L. 基爾蘭德號(hào)平臺(tái)突然從水下深部傳來(lái)一次振動(dòng)， 緊接著一聲巨響，平臺(tái)立即傾斜，短時(shí)間內(nèi)翻于海中，致使 23 人喪生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 現(xiàn)代海洋鋼結(jié)構(gòu)如移動(dòng)式鉆井平臺(tái)，特別是固定式樁基平臺(tái)，在惡劣的海洋環(huán)境中受風(fēng)浪和海 流的長(zhǎng)期反

17、復(fù)作用和沖擊振動(dòng)；在嚴(yán)寒海域長(zhǎng)期受流冰等隨海潮對(duì)平臺(tái)的沖擊碰撞；另外,低溫作用以及海水腐蝕介質(zhì)的作用等都給鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)帶來(lái)極為不利的影響。突出問(wèn)題就是海洋鋼結(jié) 構(gòu)的脆性斷裂和疲勞破壞。上述事故的調(diào)查分析顯示，事故原因是撐竿中水聲器支座疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)?竿迅速斷裂。由于撐竿斷裂，使相鄰 5 個(gè)支桿過(guò)載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，使平 臺(tái) 20min 內(nèi)全部?jī)A覆。耐疲勞性某運(yùn)輸廊倒塌分析工藝性能某燒結(jié)礦倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸廊道于1965年1月發(fā)生倒塌。事故發(fā)生時(shí)室外氣溫為 36C左右。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及取樣試驗(yàn)可知所用的沸騰鋼含碳0.23%0.25%,含硫0.06%,焊接質(zhì)量差。請(qǐng)分析事故原因。工藝性

18、能 原因之一是所使用的鋼材不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,發(fā)生脆性斷裂。所用鋼材含碳量及含硫量均超過(guò)用 于焊接結(jié)構(gòu)鋼材的要求,即含碳不超過(guò)0.22%,含硫量不超過(guò) 0.055 %。硫的析出集中點(diǎn)正是弦桿鋼發(fā)生脆性破壞的部位。原因之二是斷裂處焊縫低劣,以及焊接接縫處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,助長(zhǎng)了此桁架的斷裂破壞。 經(jīng)檢查,多處焊縫明顯未焊透,有焊瘤、夾雜缺陷,焊接質(zhì)量差。2.3 鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響2.3.1 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)2.3.2 鋼材的基本晶體組織2.3.3 鋼材的成分對(duì)性能的影響2.3.1 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)鋼材和一切金屬材料一樣,也為晶體結(jié)構(gòu),它是鐵-碳合金晶體,鋼的晶格有兩種構(gòu)架,即體心立方晶格和面心立

19、方晶格 （見(jiàn)下圖 ）。其晶體結(jié)構(gòu)中,各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起,這種結(jié) 合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。鋼材的晶格并不都是完好無(wú)缺地規(guī)則排列, 而是存在許多缺陷,它們將顯著地影響鋼材的性能,這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根 本原因。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。2.3.2 鋼材的基本晶體組織鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為 鋼的組織, 在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖像（見(jiàn)下圖 ）,故也稱顯微組織。 主要有鐵素體、滲碳體、珠光體和奧氏體。片狀珠光體（ 1000 倍）針狀和塊狀鐵素體（ 100倍）2

20、.3.3 鋼材的成分對(duì)性能的影響 除鐵、碳外，鋼材在冶煉過(guò)程中會(huì)從原料、燃料中引入一些的其他元素。鋼材的成分對(duì)性能有 重要影響。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、 Mn 、Ti 、V、Nb 等；另一類能劣化鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。2.3 鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響(1) 碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響(2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能(1) 碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響 下圖是碳素鋼基本組織相對(duì)含量與含碳量的關(guān)系。請(qǐng)分析低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量 的增加，其基本組織及性能如何變化。鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)

21、系 討論(1) 碳素鋼中含碳量對(duì)其組織和性能的影響 建筑鋼材的含碳量不大于 0.8，即基本組織為鐵素體和珠光體。從圖可見(jiàn)，隨含碳量增加，珠 光體含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強(qiáng)度較高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。(2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能 請(qǐng)觀察以下晶格缺陷示意動(dòng)畫，討論鋼材的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的關(guān)系。討論(2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合力較強(qiáng)。而面與面之間，則由于原子間距離較 大，結(jié)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)生相對(duì)滑移，故建筑鋼材塑性變形 較大。從上面的動(dòng)畫可見(jiàn)，鋼材的晶格存在許多缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些 缺陷的存

22、在，使晶格受力滑移時(shí)，不是理論上的整個(gè)滑移面上全部原子一起移動(dòng)，只是缺陷處 局部移動(dòng)，故實(shí)際強(qiáng)度低于理論強(qiáng)度。2.3 鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響 鋼結(jié)構(gòu)倒塌 蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉(cāng)庫(kù)運(yùn)輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷裂的位置在應(yīng)力 集中處節(jié)點(diǎn)附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭均未破壞；全部斷口和拉斷處都很 新鮮，未發(fā)黑、無(wú)銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CT 3號(hào)沸騰鋼。2.3 鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對(duì)性能的影響切取母材作化學(xué)成分分析可知：其碳、硫含量均超過(guò)蘇聯(lián)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用CT 3號(hào)沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中 55的沸騰鋼中碳平均含量超過(guò) 0.22的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破壞發(fā)生部位附

23、近含量達(dá) 0.38； 32的試樣硫含量超過(guò) 0.055 的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在折斷部位達(dá) 0.1。碳對(duì)鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強(qiáng)度、硬度增高，而塑性和韌性降低，且增 大鋼的冷脆性，降低可焊性。而硫多數(shù)以 FeS 形成存在，是強(qiáng)度較低、較脆的夾雜物，受力易 引起應(yīng)力集中，降低鋼的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，且對(duì)熱加工和焊接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材 不宜焊接，且使用的環(huán)境溫度較低，這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因。2.4 鋼材的強(qiáng)化與加工2.4.1 冷加工強(qiáng)化2.4.2 時(shí)效處理2.4.3 熱處理2.4.1 冷加工強(qiáng)化 將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，降低塑性韌性，

24、 這個(gè)過(guò)程稱為冷加工強(qiáng)化處理。2.4.2 時(shí)效處理將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放1520 d，或加熱至100200 C后保持一定時(shí)間（23h）,其屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度也提高，同時(shí)塑性和韌性也進(jìn)一步降低，彈性模量則 基本恢復(fù)。這個(gè)過(guò)程稱為時(shí)效處理。時(shí)效處理方法有兩種：在常溫下存放1520 d，稱為自然時(shí)效，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；加熱至100200 C后保持一定時(shí)間（23 h）,稱人工時(shí)效，適合于高強(qiáng)鋼筋。2.4.3 熱處理 熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度,進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理,以改變其晶格組織,得到所 需要的性能的一種工藝。熱處理包括淬火、回火、退火和正火,見(jiàn)圖。鋼的熱處理工藝2

25、.4 鋼材的強(qiáng)化與加工 冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理 請(qǐng)觀察下圖鋼筋的應(yīng)力 - -應(yīng)變曲線,并討論冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理。 鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力 -應(yīng)變圖的變化討論2.4 鋼材的強(qiáng)化與加工從上圖可見(jiàn),將鋼筋冷拉至強(qiáng)化階段的 K 點(diǎn),然后卸荷,則產(chǎn)生塑性變形,若立即受拉,鋼筋 的應(yīng)力 -應(yīng)變曲線將沿 O'KCD 發(fā)展至破壞。這時(shí),鋼筋在原來(lái)屈服階段不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象,屈 服點(diǎn)由 B 點(diǎn)提高到 K 點(diǎn),但抗拉強(qiáng)度基本不變,塑性和韌性降低,彈性模量降低。冷加工強(qiáng)化 的原因是冷拉至 K 點(diǎn)時(shí),塑性變形造成滑移面內(nèi)晶格歪扭,畸變加劇,阻礙了進(jìn)一步滑移,提 高了抵抗變形的能力。同時(shí),由于塑性變形中產(chǎn)

26、生的內(nèi)應(yīng)力,使鋼材彈性模量降低。2.4 鋼材的強(qiáng)化與加工 鋼結(jié)構(gòu)吊車梁發(fā)現(xiàn)裂紋 某廠氣輪車間吊車梁為鋼結(jié)構(gòu),建成后質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多,腹 板處較少；加勁筋上無(wú)裂紋,加勁板與梁翼或腹板之間的焊縫及附近亦未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋深度 經(jīng)鏟后，用深度計(jì)復(fù)測(cè)，大多數(shù)的深度為12 mm,少量紋深達(dá)3 mm。此批構(gòu)件鋼材雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；環(huán)境溫度正常；工程尚未使用；構(gòu)件運(yùn)輸安裝過(guò)程未被撞擊；裂紋部位 遠(yuǎn)離焊接影響區(qū)。2.4 鋼材的強(qiáng)化與加工經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時(shí)，由于片面追求速度，鑄鋼時(shí)剛澆好的鋼錠僅冷卻至400 C500 C就拆模，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時(shí)鋼板溫度

27、還在300 C以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制作，鋼板冷卻至 50 C左右時(shí)，已有裂紋。即鋼錠溫差過(guò)大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂 紋,經(jīng)加熱軋壓,裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形,故所軋制的鋼板上下兩面有裂紋。 而加勁板為另外采購(gòu)的鋼板,故未發(fā)現(xiàn)裂紋。2.5 土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用2.5.1 建筑常用鋼種2.5.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼2.5.3 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼2.5.4 鋁合金2.5.1 建筑常用鋼種1. 碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法等四部分按順序組成2. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含量的不同可分為普通錳含量鋼和較高錳含量鋼兩組。

28、3. 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是一種在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5的合金元素的鋼材，具有強(qiáng)度高，塑性和低溫沖擊韌性好、耐銹蝕等特點(diǎn)。2.5.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼 鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成形的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小 角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼有熱軋型鋼、 冷彎薄壁型鋼、棒材、鋼管和板材。2.5.3 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低。用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用 范圍，而混凝土又對(duì)鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素 鋼制成，包括熱軋鋼筋、冷軋扭鋼筋

29、和冷軋帶肋鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。2.5.4 鋁合金 純鋁在建筑上的應(yīng)用較少，可加工成鋁粉，用于加氣混凝土的發(fā)氣。為提高鋁的強(qiáng)度，在鋁中 可加入錳、鎂、銅、硅、鋅等制成各種鋁合金，鋁合金可被加工成各種鋁合金門窗、龍骨、壓 型板、花紋板、管材、型材、棒材等。2.5 土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用鋼支架的鋼材選用華北某廠需焊接一座露天且需承受動(dòng)荷載的鋼支架， 該廠已有三種碳素結(jié)構(gòu)鋼， 厚度均為 80 mm， Q235抗拉強(qiáng)度已可滿足設(shè)計(jì)要求。三種鋼材的價(jià)格是I< II <川。請(qǐng)選用。I Q235A FI Q235A b川 Q235C2.5.1 建筑常用鋼種 鋼支架的鋼材選用

30、 選I不當(dāng)。Q235A F為沸騰鋼，其內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物較多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻，抗沖 擊韌性特別是低溫抗沖擊韌性差，可焊性差，不宜用于承受動(dòng)荷載的焊接鋼結(jié)構(gòu)。請(qǐng)?jiān)龠x。2.5.1 建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用Q235A b為半沸騰鋼，性能雖優(yōu)于 Q235A F,但焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)保證碳的極限含量，而Q235A鋼的含碳量是不作為交貨條件的，一般不用于焊接結(jié)構(gòu)。另外厚度較大的鋼材，塑性、沖擊韌性 及焊接性能一般較差，選用厚度較大的焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選用材質(zhì)較好的鋼。2.5.1 建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用選擇正確。結(jié)構(gòu)鋼材的選用至少應(yīng)具有屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率三項(xiàng)機(jī)械性能和硫磷含量?jī)?項(xiàng)化學(xué)成分的合格保

31、證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有含碳量的合格保證。對(duì)于較大型構(gòu)件、直接承受動(dòng) 力荷載的結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對(duì)于大、重型結(jié)構(gòu)和直接承受動(dòng)力荷載的結(jié) 構(gòu)，還需根據(jù)冬季工作濕度情況，選用的鋼材需具有常溫，低溫沖擊韌性的合格保證。還需說(shuō)明的是，低含量高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素的強(qiáng)化作用，不但有較多的強(qiáng)度，而且 具有較好的塑性、韌性和可焊性。 Q345 鋼及 Q390 鋼的綜合性能較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼。其 價(jià)格雖稍高，但有更好的承受動(dòng)荷載和耐疲勞性能，可節(jié)省鋼材、減輕結(jié)構(gòu)自重。大跨度、大 型結(jié)構(gòu)及承受動(dòng)力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)廣泛采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。2.5 土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用韓國(guó)漢城

32、大橋倒塌1994年10月21日，韓國(guó)漢城漢江圣水大橋中段50 m長(zhǎng)的橋體像刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國(guó)最大的建筑公司之一的東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。韓國(guó)漢城大橋倒塌事故原因調(diào)查團(tuán)經(jīng)五個(gè)多月的各種試驗(yàn)和研究，于次年4月2日提交了事故報(bào)告。事故原因主要有以下兩方面：a東亞建筑公司沒(méi)有按圖紙施工，在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因。b.當(dāng)時(shí)韓國(guó)縮短工期及漢城市政當(dāng)局在交通管理上的疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計(jì)負(fù)載限制為32 t，建成后交通流量逐年增加，超常負(fù)荷，倒塌時(shí)負(fù)載為43.2 to2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)2.6.1鋼材的腐蝕2.6.2鋼材的防護(hù)

33、2.6.1鋼材的腐蝕鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱作腐蝕（銹蝕）。鋼材腐蝕的現(xiàn)象普遍存在，如在大氣中生銹，特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介質(zhì)或濕度較大時(shí)，情況就更為嚴(yán)重。腐蝕不 僅使鋼材有效截面積均勻減小，還會(huì)產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會(huì)顯著降低鋼的強(qiáng)度、 塑性韌性等力學(xué)性能。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。2.6.2鋼材的防護(hù)1. 鋼材的防腐具體措施有采用耐候鋼、金屬覆蓋、非金屬覆蓋和混凝土用鋼筋的防銹。2. 鋼材的防火鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的基本原理是采用絕熱或吸熱材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率。防火方法以包覆法為主，即以防火涂料、不燃性板

34、材或混凝土、砂漿將鋼構(gòu)件包裹起來(lái)。2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)板梁底出現(xiàn)裂縫華南地區(qū)某海港油氣碼頭引橋使用僅8年，n形板梁底出現(xiàn)明顯裂縫及鋼筋銹蝕。而n型板卻基本完好，請(qǐng)討論其原因。n型板梁底出現(xiàn)明顯裂縫圖基本完好的n型板2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)從上表中可見(jiàn)，隨混凝土深度增加，Cl-含量依次遞減。目前，國(guó)外一般把混凝土內(nèi)Cl-含量達(dá)到其致銹臨界含量值時(shí)的時(shí)間，確定為混凝土的安全使用壽命。具體臨界含量值各國(guó)各地區(qū)有差別。我國(guó)華南地區(qū)海港碼頭調(diào)查該值為0.105%0.145 %。該混凝土保護(hù)層設(shè)計(jì)厚度為5.5cm，且由于施工偏差，部分構(gòu)件實(shí)際保護(hù)層厚度低于設(shè)計(jì)值。當(dāng)海水中Cl-滲透進(jìn)混凝土，使鋼筋表面Cl

35、-含量達(dá)致銹值時(shí)，銹蝕開(kāi)始；腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土產(chǎn)生與鋼筋平行的順筋裂 縫，乃至混凝土開(kāi)裂，鋼筋的電化學(xué)腐蝕迅速進(jìn)行。2.6鋼材的腐蝕與防護(hù)廣東某斜拉橋拉索腐蝕失效分析廣東某斜拉橋（見(jiàn)右圖）竣工于1989年。1995年5月其中一條拉索突然墜落，經(jīng)檢驗(yàn)確認(rèn)其他拉 索的鋼絲已受不同程度的腐蝕，該橋最后全部更換新拉索。作者與其他教師一道對(duì)此拉索失效 的原因作檢測(cè)分析，研究其腐蝕失效的原因。2.6 鋼材的腐蝕與防護(hù) 對(duì)墜落的拉索進(jìn)行研究，鋼絲的腐蝕程度由下而上逐漸增加，且與所灌注的水泥漿體的情況有 明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由下到上劃分為五個(gè)區(qū)段?；菊６?略有銹蝕段 較少銹蝕段 銹蝕一般段銹蝕嚴(yán)重 拉索鋼絲所受的腐蝕原因是所灌注的水泥漿體不凝結(jié)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；