土木工程材料教學(xué) 金屬材料

土木工程材料教學(xué)金屬材料第1頁/共126頁22010熟練掌握建筑鋼材的基本性質(zhì)掌握土木工程中常用建筑鋼材及其選用了解鋼材的生產(chǎn)、組成和結(jié)構(gòu)本章要求第2頁/共126頁32010概述——基本概念生鐵：鐵礦石冶煉而成，用來煉鋼和制造鑄件鋼：生鐵在煉鋼爐中冶煉——雜質(zhì)氧化、含碳量降到2.06%以下、其它元素調(diào)整到規(guī)范范圍，即得到鋼（包括鋼錠、鋼坯、鋼鑄件等）

鋼與生鐵的區(qū)別——含碳量生鐵：含碳量大于2.06％的鐵碳合金鋼：

含碳量小于2.06％的鐵碳合金第3頁/共126頁42010鋼材——鋼錠、鋼坯等通過壓力加工制成所需要的各種形狀、尺寸和性能的材料。建筑鋼材——建筑工程中使用的各種鋼材，包括用于鋼結(jié)構(gòu)的各種型鋼、鋼板、鋼管；用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種鋼筋、鋼絲；建筑裝飾用鋼材。概述——基本概念第4頁/共126頁52010優(yōu)點：材質(zhì)均勻，性能可靠，強(qiáng)度高，具有一定的塑性和韌性，具有承受沖擊和振動荷載的能力，可焊接、鉚接或螺栓連接，便于裝配，加工性強(qiáng)缺點：耐久性差，易銹蝕，維修費(fèi)用大，耐火性差概述——鋼材的特點第5頁/共126頁62010第一節(jié)鋼材的生產(chǎn)、組成與結(jié)構(gòu)一、鋼材的生產(chǎn)二、鋼材的分類三、鋼材的組成

四、鋼材的結(jié)構(gòu)第6頁/共126頁72010一、鋼材的生產(chǎn)冶煉鑄錠壓力加工

降C到預(yù)定范圍除雜質(zhì)到允許范圍廢鋼、生鐵鋼錠/坯各種鋼材氣泡閉合缺陷消除

氧化鐵殘留在鋼水中，降低鋼材質(zhì)量脫氧處理

氧化過程電爐鋼平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼半鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度

化學(xué)偏析熱加工

冷加工偏析、縮孔、氣泡組織不致密等缺陷第7頁/共126頁轉(zhuǎn)爐鋼以熔融的鐵水為原料，不需燃料。吹入空氣或純氧，通過氧化作用除去鐵水中的雜質(zhì)?；瘜W(xué)成分難以精確控制，雜質(zhì)含量較高，質(zhì)量差；但成本低。第8頁/共126頁

以固體或液體生鐵、鐵礦或廢鋼為原料，用煤油或重油作燃料，雜質(zhì)靠鐵礦石、廢鋼中的氧或吹入的氧起氧化作用而除去。治煉時間長(4-12h)，清除雜質(zhì)較徹底，化學(xué)成分可以精確控制，故含雜質(zhì)少，鋼材質(zhì)量好，成本較轉(zhuǎn)爐鋼高。平爐鋼第9頁/共126頁

熱源是高壓電弧，熔煉溫度高，且溫度可自由調(diào)節(jié)，清除雜質(zhì)容易，因此，電爐鋼的質(zhì)量最好。

電爐鋼第10頁/共126頁112010化學(xué)偏析鑄錠冷卻過程中，由于鋼內(nèi)某些元素在鐵的液相中溶解度高于固相，使這些元素向凝固較遲的鋼錠中心集中，導(dǎo)致化學(xué)成分在鋼錠截面上分布不均勻的現(xiàn)象稱為化學(xué)偏析（以硫、磷偏析最為嚴(yán)重）。

對鋼的質(zhì)量有很大的影響第11頁/共126頁沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼脫氧劑弱脫氧劑錳鐵必要數(shù)量的硅、錳和鋁脫氧程度不充分充分注錠效果FeO+C=CO狀似水沸鋼水平靜地凝固品質(zhì)組織不夠致密氣泡含量較多化學(xué)偏析較大質(zhì)量較差組織致密化學(xué)成分均勻性能穩(wěn)定質(zhì)量較好產(chǎn)率/成本高/低低/高適用范圍一般建筑結(jié)構(gòu)承受振動沖擊荷載重要的焊接鋼結(jié)構(gòu)第12頁/共126頁132010壓力加工熱加工：將鋼錠加熱至一定溫度使其呈塑性狀態(tài)，施加壓力改變鋼錠的形狀——不僅獲得了要求的形狀，同時克服了許多缺陷，提高了鋼的強(qiáng)度和質(zhì)量，一般加工次數(shù)越多，強(qiáng)度提高越大。冷加工：在常溫下進(jìn)行的壓力加工。例如冷拉、冷拔、冷軋、刻痕等。一定范圍內(nèi)，冷加工變形程度越大，屈服強(qiáng)度提高越多，塑性和韌性降低越多。第13頁/共126頁問題：鋼材的脫氧程度對鋼材質(zhì)量的影響？

答：脫氧程度不高的鋼材中還保留較多的FeO，在鋼材鑄錠時，碳與FeO反應(yīng)生成CO氣泡，并有一部分殘留在鋼中，造成微裂縫和成分偏析，降低致密性、強(qiáng)度和可焊性，低溫下的韌性變差，冷脆性和時效敏感性增大等。

脫氧程度排序：特殊鎮(zhèn)靜鋼＞鎮(zhèn)靜鋼＞半鎮(zhèn)靜鋼＞沸騰鋼

鋼材性能與質(zhì)量排序：特殊鎮(zhèn)靜鋼＞鎮(zhèn)靜鋼＞半鎮(zhèn)靜鋼＞沸騰鋼第14頁/共126頁152010二、鋼材的分類化學(xué)成分生產(chǎn)方法用途質(zhì)量等級按脫氧程度按爐種轉(zhuǎn)爐鋼平爐鋼電爐鋼鎮(zhèn)靜鋼（Z）特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）沸騰鋼（F）半鎮(zhèn)靜鋼（BZ）第15頁/共126頁162010GB/T13304.1-2008鋼分類第1部分按化學(xué)成分分類

碳素鋼

合金鋼低碳鋼（C%<0.25%）中碳鋼（C%=0.25%～0.60%）高碳鋼（C%>0.6%）按化學(xué)成分分類——占鋼總產(chǎn)量的70%

元素種類：錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻鎳鋼、硅錳鋼等低合金鋼（合金元素總量<5%）中合金鋼（合金元素總量=5～10%）高合金鋼（合金元素總量>10%）第16頁/共126頁172010鋼結(jié)構(gòu)用鋼型鋼鋼板鋼管按用途分類——鋼筋鋼絲鋼絞線

鋼砼結(jié)構(gòu)用鋼建筑裝飾用鋼不銹鋼及其制品彩色涂層/壓型鋼板輕鋼龍骨

第17頁/共126頁182010按質(zhì)量等級分類——GB/T13304.2-2008鋼分類第2部分

按主要質(zhì)量等級和主要性能或使用特性的分類

合金鋼優(yōu)質(zhì)合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼低合金鋼普通質(zhì)量非/低合金鋼優(yōu)質(zhì)非/低合金鋼特殊質(zhì)量非/低合金鋼非合金鋼第18頁/共126頁192010三、鋼材的組成910℃以下，體心立方結(jié)構(gòu)，α鐵910~1400℃，面心立方結(jié)構(gòu)，γ鐵1400~1534℃，體心立方結(jié)構(gòu)，δ鐵第19頁/共126頁2元素

3結(jié)合方式4基本組織固溶體化合物機(jī)械混合物Fe+C鐵素體

C+αFe奧氏體

C+γFe滲碳體

Fe3C

珠光體

第20頁/共126頁名稱組織成分含碳量%性質(zhì)鐵素體α-鐵固溶少量的碳＜0.04接近于純鐵，質(zhì)軟，延展性好，塑性、韌性大強(qiáng)度、硬度低（HB=80）奧氏體γ-鐵固溶碳＜2.06強(qiáng)度和硬度低，塑性大高溫延性好，適于加工滲碳體化合物Fe3C6.67硬而脆（HB=600）無延性，抗拉強(qiáng)度低碳鋼中的主要強(qiáng)化組分珠光體鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物層狀結(jié)構(gòu)＜0.8亞共析鋼硬度較高（HB=200）塑性較好抗拉強(qiáng)度高0.8共析鋼＞0.8過共析鋼亞共析鋼

鐵為溶劑碳為溶質(zhì)珠光體+鐵素體珠光體珠光體+滲碳體第21頁/共126頁αk—沖擊韌性σb—抗拉強(qiáng)度HB—硬度δ—伸長率ψ—斷面收縮率第22頁/共126頁232010化學(xué)元素對鋼材性能的影響合金元素：改善性能

硅Si錳Mn鈦Ti釩V鈮Nb雜質(zhì)元素：劣化性能

OSPN第23頁/共126頁化學(xué)元素強(qiáng)度硬度塑性韌性可焊性其他碳C<1%↑↑↑↓↓↓冷脆性↑硅Si>1%↑Si<1%↑↑↓↓↓↓↓冷脆性↑錳Mn↑↑↑↑脫氧、硫劑鈦Ti↑↑↑↓↑強(qiáng)脫氧劑釩V↑↑時效↓鈮Nb

↑↑↑↑時效↓磷P↑↑↓↓↓↓↓↓偏析冷脆↑↑氮N↑↑↓↓↓↓冷脆性↑硫S↑↓↓偏析↑氧O↑↓↓時效↑主加合金元素低合金鋼中常用合金元素第24頁/共126頁252010四、鋼材的結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)3個特征——晶體結(jié)合——金屬鍵晶體構(gòu)造——多晶體晶體缺陷——點

線面

體強(qiáng)度高、塑性好各向同性σ實＜＜σ理

第25頁/共126頁262010第二節(jié)建筑鋼材的性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)工藝性質(zhì)冷彎、可焊性熱處理冷加工、時效拉伸性質(zhì)彈性、塑性、硬度沖擊韌性、冷脆性耐久性銹蝕耐熱、耐酸、耐堿第26頁/共126頁272010鋼筋自受力直至拉斷過程分為4個階段——

力學(xué)性質(zhì)1——拉伸性質(zhì)彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段頸縮階段第27頁/共126頁282010屈強(qiáng)比屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度鋼筋拉伸性能的主要檢驗指標(biāo)——承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)鋼材要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計時強(qiáng)度取值的依據(jù)

鋼材承受最大拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)可靠性/鋼材強(qiáng)度的有效利用率合理值=0.6～0.75第28頁/共126頁上屈服強(qiáng)度ReH：試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力。下屈服強(qiáng)度ReL：在屈服期間，不計初始瞬時效應(yīng)時的最低應(yīng)力。屈服強(qiáng)度：當(dāng)金屬材料呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象時，在試驗期間達(dá)到塑性變形發(fā)生而力不增加的應(yīng)力點，應(yīng)區(qū)分上屈服強(qiáng)度和下屈服強(qiáng)度。

第29頁/共126頁抗拉強(qiáng)度Rm：與強(qiáng)化階段最高點C相對應(yīng)的應(yīng)力是鋼筋的極限強(qiáng)度，稱為（極限）抗拉強(qiáng)度。第30頁/共126頁

——在一定條件下，鋼材疲勞破壞的應(yīng)力值隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加而降低。疲勞破壞：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。典型的低碳鋼疲勞曲線

第31頁/共126頁322010鋼材疲勞破壞的原因：一般由拉應(yīng)力引起，首先在局部開始形成細(xì)小斷裂，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。疲勞強(qiáng)度：試件在交變應(yīng)力作用下，不發(fā)生疲勞破壞的最大主應(yīng)力值，一般把鋼材承受交變荷載200～400萬次時不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力作為疲勞強(qiáng)度（疲勞極限）。

疲勞破壞第32頁/共126頁疲勞斷裂的宏觀斷口

疲勞源區(qū)：白亮圓斑所包圍的眼狀小塊擴(kuò)展區(qū)：白色、平滑斷口，有貝殼花樣弧線，放射狀終斷區(qū)：與一般快速斷裂一樣第33頁/共126頁342010鋼材的疲勞強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，如鋼材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、荷載的性質(zhì)、構(gòu)件的形狀和表面狀態(tài)、成分偏析和內(nèi)部的各種缺陷等。一般來說，鋼材抗拉強(qiáng)度高，其疲勞強(qiáng)度也高。而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。由于疲勞設(shè)計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）。

疲勞破壞第34頁/共126頁35韓國漢城大橋倒塌

連接漢江南北兩岸的圣水大橋由韓國最大建筑公司之一東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。1994年10月21日早晨7點40分左右，圣水大橋已是一片車水馬龍。因天氣陰沉，大多數(shù)車輛正開著車燈，以時速40公里的速度行駛。突然，一聲巨響，一塊長達(dá)48米的橋板從大橋中段塌入江中，正在橋上行駛的汽車隨之墜入20多米高的橋下。造成死亡32人、重傷17人。第35頁/共126頁東亞建筑公司在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材。漢城市政當(dāng)局在交通管理上疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計負(fù)載限制為32t，建成后交通流量逐年增加，倒塌時負(fù)載為43.2t，超常負(fù)荷，鋼梁螺栓及桿件疲勞破壞所致。

經(jīng)五個多月的各種試驗和研究，總結(jié)事故原因如下：第36頁/共126頁372010北海油田平臺傾覆1980年3月27日，北海Ekofisk油田的AlexanderLKielland號平臺突然從水下深部傳來一次震動，緊接著一聲巨響，平臺立即傾斜，短時間內(nèi)翻于海中，致使122人喪生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。事故原因：撐竿支座疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)胃脱杆贁嗔?。由于撐竿斷裂，使相?個支桿過載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，使平臺20分鐘內(nèi)全部傾覆。第37頁/共126頁382010力學(xué)性質(zhì)2——彈性、塑性、硬度彈性：鋼材在彈性階段，應(yīng)力和應(yīng)變成正比，具有彈性。彈性模量：彈性階段應(yīng)力和應(yīng)變的比值稱為，即E=σ/ε=tgα（MPa）。一定應(yīng)力下，E越大，材料產(chǎn)生的彈性變形越小。因此，彈性模量反映了鋼材構(gòu)件的剛度，是鋼材在受力條件下計算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。第38頁/共126頁塑性：伸長率δ或斷面收縮率指標(biāo)ψ來表示。伸長率是指試件拉斷后，標(biāo)距長度的增量與原始標(biāo)距長度之比（%）斷面收縮率：是指試件拉斷后，頸縮處橫截面積的減縮量占原橫截面積的百分率（%）因測量方便，一般常用伸長率表征鋼材的塑性：δ越大，說明鋼材的塑性越好。伸長率與原始標(biāo)距有關(guān)，對于同種鋼材δ5>δ10。

第39頁/共126頁硬度：是指在表面局部體積內(nèi)，抵抗其他較硬物體壓入產(chǎn)生塑性變形的能力。硬度通常與抗拉強(qiáng)度有一定關(guān)系。根據(jù)測定方法不同，常用的鋼材硬度有：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。

布氏硬度是用一定直徑D的硬質(zhì)鋼球，在規(guī)定荷載F作用下壓入試件表面，并持續(xù)一定時間后卸載，量出壓痕直徑d，然后計算每單位壓痕球面積所受的荷載值，即布氏硬度值（HB）。第40頁/共126頁412010力學(xué)性質(zhì)3——沖擊韌性、冷脆性沖擊韌性：鋼材抵抗沖擊荷載而不破壞的能力。

規(guī)范規(guī)定：有刻槽的標(biāo)準(zhǔn)試件，在沖擊試驗的擺錘沖擊下，以破壞后缺口處單位面積上所消耗的功來表示沖擊韌性，符號ak，單位J/cm2。重擺所作功缺口處最小橫截面積第41頁/共126頁422010化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)質(zhì)量：鋼中P、S含量較高，存在偏析，非金屬夾雜物和焊接中的微裂紋，都會使沖擊韌性顯著降低。溫度：冷脆性時間：時效性質(zhì)（工藝性質(zhì)）影響沖擊韌性的因素——第42頁/共126頁脆性斷裂韌性斷裂a(bǔ)kJ/cm2

T，℃冷脆性：常溫下，隨溫度的下降，沖擊韌性降低很小，此時破壞的鋼件斷口呈韌性斷裂狀。當(dāng)溫度降至某一溫度范圍時，ak突然發(fā)生明顯下降，鋼材開始呈脆性斷裂。發(fā)生冷脆性時的溫度稱為脆性臨界溫度（范圍）第43頁/共126頁問題：

鋼材的伸長率與鋼材中的含碳量有何關(guān)系？

答：伸長率反映鋼材的塑性，伸長率越大，塑性越好。鋼材的塑性隨著含碳量增加而變差，因此，鋼材的伸長率隨著含碳量增加而減小。第44頁/共126頁問題：

什么是屈強(qiáng)比，對選用鋼材有何意義？

答：屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度是衡量鋼材強(qiáng)度的兩個重要指標(biāo)，二者之比稱為屈強(qiáng)比s/b。

在應(yīng)用中，s/b愈小，則反映鋼材的可靠性愈大，結(jié)構(gòu)的安全性愈高。但這個比值過小，則鋼材的利用率低，不夠經(jīng)濟(jì)；若屈強(qiáng)比較大，雖然鋼材的利用率較大，但強(qiáng)度的儲備過小，脆斷傾向較大，不夠安全。因此，屈強(qiáng)比最好在0.60~0.75，既安全又經(jīng)濟(jì)。第45頁/共126頁462010冷彎性質(zhì)：常溫條件下，鋼材承受彎曲變形的能力檢驗：試件經(jīng)規(guī)定的彎曲程度后，檢查彎曲處外面及側(cè)面有無裂紋、起層、鱗落和斷裂等情況，進(jìn)行評定。工藝性質(zhì)1——冷彎第46頁/共126頁472010一般用彎曲角度α以及彎心直徑d和對應(yīng)鋼材的厚度或直徑a的比值來表示。彎曲角度越大，d和a的比值越小，表明冷彎性能越好。工藝性質(zhì)1——冷彎第47頁/共126頁482010檢驗鋼材塑性的方法：冷彎、伸長率伸長率大的鋼材，其冷彎性能必然好冷彎試驗對鋼材塑性的評定比拉伸試驗更嚴(yán)格、更敏感冷彎有助于暴露鋼材的某些缺陷，如鋼材內(nèi)部的氣孔、雜質(zhì)、裂紋和嚴(yán)重偏析等。冷彎是評定焊接質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，可以發(fā)現(xiàn)焊接時的局部脆性及焊接接頭質(zhì)量缺陷。工藝性質(zhì)1——冷彎第48頁/共126頁492010焊接是鋼結(jié)構(gòu)的主要連接形式之一?？珊感裕涸谝欢ê附庸に嚄l件下，在焊縫及附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后的力學(xué)性能，特別是強(qiáng)度不得低于原鋼材的性質(zhì)。主要受化學(xué)元素及其含量的影響——

工藝性質(zhì)2——可焊性含碳量高將增加焊接的硬脆性，含碳量小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性。加入合金元素如硅、錳、釩、鈦等，也將增大焊接的硬脆性，降低可焊性。硫能使焊接產(chǎn)生熱裂紋及硬脆性。第49頁/共126頁502010冷加工：鋼材在常溫下進(jìn)行的機(jī)械加工叫冷加工（或冷加工強(qiáng)化、冷作強(qiáng)化）。冷加工強(qiáng)化：鋼材冷加工產(chǎn)生塑性變形時，強(qiáng)度和硬度提高，但塑性、韌性及彈性模量降低的現(xiàn)象即冷加工強(qiáng)化。一定范圍內(nèi)，冷加工變形程度越大，屈服強(qiáng)度↑、塑性↓、韌性↓、彈性模量↓就越多。工藝性質(zhì)3——冷加工（強(qiáng)化）第50頁/共126頁512010冷拉：在常溫下將鋼材拉至應(yīng)力超過屈服點，但遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時即卸荷。冷加工方式：冷拉、冷拔、冷軋、刻痕等當(dāng)試件冷拉至超過屈服強(qiáng)度的任意一個K點時卸荷載，此時由于試件已產(chǎn)生塑性變形，曲線沿KO'下降，KO'大致與BO平行。如果立即重新拉伸，則新的屈服點將提高至K點，以后的曲線將與原來曲線KCD相似。

鋼筋冷拉強(qiáng)化

冷拉后，鋼筋屈服強(qiáng)度提高20%～30%，同時增加鋼筋長度（4%～10%）。因此，冷拉也是節(jié)約鋼材的一種措施（一般10%～20%）。

第51頁/共126頁522010冷拔作用比純拉伸的作用強(qiáng)烈，鋼筋不僅受拉，而且同時受到擠壓作用。冷拔鋼絲的屈服點可提高40％～60％。冷拔：將6～8mm的光圓鋼筋，通過一鎢合金拔絲?？锥粡?qiáng)力拉拔，使其徑向擠壓縮小而縱向伸長。第52頁/共126頁532010金屬材料的強(qiáng)化途徑——一是提高金屬的原子間結(jié)合力，提高其理論強(qiáng)度，并制得無缺陷的完整晶體。另一強(qiáng)化途徑是向晶體內(nèi)引入大量晶體缺陷，如位錯、點缺陷、異類原子、晶界、高度彌散的質(zhì)點或不均勻性（如偏聚）等，這些缺陷阻礙位錯運(yùn)動，也會明顯地提高金屬強(qiáng)度。事實證明，這是提高金屬強(qiáng)度最有效的途徑。

第53頁/共126頁542010鋼材冷加工至塑性變形后，由于塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)生相對滑移，致使滑移面處的晶粒破碎，晶格歪扭，畸變加劇，從而對繼續(xù)滑移造成阻力，要使它重新產(chǎn)生滑移就必須增加外力，即屈服強(qiáng)度有所提高。冷加工硬化（強(qiáng)化）機(jī)理——第54頁/共126頁552010由于減少了可以利用的滑移面，故塑性降低。塑性變形時，外力所作的功除了轉(zhuǎn)化為熱量之外，還有一小部分被保留在金屬內(nèi)部，表現(xiàn)為殘余應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力使鋼材彈性模量降低。冷加工硬化（強(qiáng)化）機(jī)理——第55頁/共126頁562010時效：鋼材隨時間的延長，強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、沖擊韌性下降的現(xiàn)象叫時效。自然時效——鋼材在自然條件下時效的過程，非常緩慢。人工時效——鋼材經(jīng)冷加工后，在常溫下擱置15～20天或加熱至100～200℃保持2h以內(nèi)，鋼的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度都進(jìn)一步提高，而塑性、韌性繼續(xù)降低。一般強(qiáng)度較低的鋼材采用自然時效，而強(qiáng)度較高的鋼材采用人工時效。工藝性質(zhì)4——時效（強(qiáng)化）第56頁/共126頁572010第57頁/共126頁582010溶于α-Fe晶格中的氮和氧等原子，以Fe4N與FeO的形式析出并向缺陷處移動和聚集。隨時間的增長，向晶格缺陷處移動和集中的速度加快，從而造成晶格缺陷處氮、氮原子富集，晶格畸變加劇，可進(jìn)一步阻礙晶?；?，使強(qiáng)度進(jìn)一步提高，塑性和韌性繼續(xù)下降。但由于時效過程中內(nèi)應(yīng)力消減，故彈性模量可基本恢復(fù)。

鋼材產(chǎn)生時效強(qiáng)化的原因——第58頁/共126頁592010時效敏感性

——因時效而導(dǎo)致鋼材性能改變的程度。時效敏感性大的鋼材，經(jīng)時效后，其沖擊韌性、塑性改變較大。承受振動、沖擊荷載作用的重要性結(jié)構(gòu)（如吊車梁、橋梁等），應(yīng)選用時效敏感性小的鋼材。

工藝性質(zhì)4——時效（強(qiáng)化）第59頁/共126頁602010耐久性——銹蝕

銹蝕：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）?；瘜W(xué)銹蝕電化學(xué)銹蝕應(yīng)力銹蝕第60頁/共126頁612010化學(xué)銹蝕：指鋼材與周圍的介質(zhì)（如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等）直接發(fā)生化學(xué)作用，生成疏松的氧化物而引起的銹蝕。電化學(xué)銹蝕：鋼材由不同的晶體組織構(gòu)成，并含有雜質(zhì)，由于這些成分的電極電位不同，當(dāng)有電解質(zhì)溶液（如水）存在時，就會在鋼材表面形成許多微小的局部原電池。引起的銹蝕稱為電化學(xué)銹蝕。鋼材在大氣中的銹蝕，實際上是化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕共同作用所致，但以電化學(xué)銹蝕為主。耐久性——銹蝕

第61頁/共126頁622010原則——改變鋼材本身的易腐蝕性隔離環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)改變鋼材表面的電化學(xué)過程如何防止鋼材銹蝕？

第62頁/共126頁632010鋼結(jié)構(gòu)防銹——采用耐候鋼耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼，是在碳素鋼和低合金鋼中加入少量銅、鉻、鎳、鉬等合金元素而制成。這種鋼在大氣作用下，能在表面形成一種致密的防腐保護(hù)層，起到耐腐蝕作用，同時保持鋼材良好的焊接性能。耐候鋼的強(qiáng)度級別與常用碳素鋼和低合金鋼一致，技術(shù)指標(biāo)也相近，但其耐腐蝕能力卻高出數(shù)倍。耐候鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和工藝性能參見GB4172《焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼》和GB4171《高耐候性結(jié)構(gòu)鋼》。第63頁/共126頁642010鋼結(jié)構(gòu)防銹——金屬/非金屬覆蓋在鋼材表面用非金屬材料作為保護(hù)膜，與環(huán)境介質(zhì)隔離。如噴涂涂料、鍍金屬、搪瓷和塑料等。涂層的作用主要是物理阻隔作用。但是有兩種原因會導(dǎo)致金屬腐蝕。一是涂層本身存在缺陷，有針孔的存在；二是在施工和運(yùn)行過程中不可避免涂層會破壞，使金屬暴露于腐蝕環(huán)境。這些缺陷的存在導(dǎo)致大陰極小陽極的現(xiàn)象，使得涂層破損處腐蝕加速。

第64頁/共126頁652010鋼結(jié)構(gòu)防銹——電化防腐陽極保護(hù)在某些電解質(zhì)溶液中，將可鈍化的被保護(hù)金屬作為陽極，施加外部電流進(jìn)行陽極極化到某一電位范圍，使之生成鈍化膜以減少或防止金屬腐蝕。陽極保護(hù)是施加陽極極化電流使金屬致鈍，適用于在介質(zhì)中有自鈍化傾向的金屬保護(hù)。陰極保護(hù)通過降低腐蝕電位獲得防蝕效果的電化學(xué)保護(hù)方法。包括犧牲陽極陰極保護(hù)和強(qiáng)制電流（外加電流）陰極保護(hù)。第65頁/共126頁662010鋼結(jié)構(gòu)防銹——電化防腐犧牲陽極陰極保護(hù)：將還原性較強(qiáng)的、比鐵活潑的金屬（如鋅、鎂）作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為陽極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為陰極就可以避免腐蝕。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)：把要保護(hù)的鋼鐵作為陰極，另外用不溶性電極作為輔助陽極，外加直流電源。通電后，大量電子被強(qiáng)制流向被保護(hù)的鋼鐵，使鋼鐵表面產(chǎn)生負(fù)電荷（電子）的積累，只要外加足夠強(qiáng)的電壓，金屬腐蝕而產(chǎn)生的原電池電流就不能被輸送，防止鋼鐵腐蝕。第66頁/共126頁672010保證砼密實度以及鋼筋外側(cè)砼保護(hù)層厚度在CO2濃度高的工業(yè)區(qū)采用PⅠ、PⅡ或P.O限制含氯鹽外加劑摻量并使用砼用鋼筋防銹劑預(yù)應(yīng)力砼應(yīng)禁止使用含氯鹽的骨料和外加劑鋼筋涂覆環(huán)氧樹脂或鍍鋅嚴(yán)格控制鋼材質(zhì)量混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的防銹碳化氯離子侵蝕第67頁/共126頁682010俄羅斯游泳館頂棚坍塌事件

2005.12.4俄羅斯“海豚”游泳館頂棚坍塌，造成包括10名兒童在內(nèi)的14人遇難，另有11人受傷。第68頁/共126頁692010俄羅斯游泳館頂棚坍塌事件

頂棚金屬框架因銹蝕嚴(yán)重而斷裂是導(dǎo)致事故發(fā)生的最主要原因。

游泳館內(nèi)90％的相對濕度和40攝氏度的高溫環(huán)境容易導(dǎo)致金屬建材被銹蝕，鋼筋混凝土墻體也易遭到破壞。第69頁/共126頁702010第三節(jié)建筑鋼材的主要品種碳素結(jié)構(gòu)鋼（屬非合金鋼）低合金結(jié)構(gòu)鋼第70頁/共126頁712010一、碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號及其表示方法：由代表屈服強(qiáng)度的字母“Q”、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法四部分按順序組成。屈服強(qiáng)度數(shù)值：195、215、235、275MPa質(zhì)量等級：A、B、C、D（由低到高）脫氧方法：以F表示沸騰鋼、Z和TZ表示鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼，Z和TZ在鋼的牌號中予以省略。

Q235AF表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級沸騰鋼《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700--2006第71頁/共126頁不同等級鋼的化學(xué)成分第72頁/共126頁碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能第73頁/共126頁碳素結(jié)構(gòu)鋼的冷彎性能B：試樣寬度a：試樣厚度或直徑第74頁/共126頁752010Q195—強(qiáng)度不高，塑性、韌性、加工性能與焊接性能較好，主要用于軋制薄板和盤條等。Q215—與Q195鋼基本相同，其強(qiáng)度稍高，大量用做管坯、螺栓等。Q235—強(qiáng)度適中，有良好的承載性，又具有較好的塑性和韌性，可焊性和可加工性也較好，是應(yīng)用最廣泛的鋼種

，大量制作成鋼筋、型鋼和鋼板等。Q275—強(qiáng)度、硬度較高，耐磨性較好，但塑性、沖擊韌性和可焊性差，不宜在建筑結(jié)構(gòu)中使用，主要用于制造軸類、農(nóng)具、耐磨零件和墊板等。

碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用

第75頁/共126頁762010

沸騰鋼質(zhì)量較差、時效敏感性大、鋼材性能不夠穩(wěn)定，僅用于一般結(jié)構(gòu)工程使用。在動荷載、焊接結(jié)構(gòu)或嚴(yán)寒低溫條件下工作時，往往限制沸騰鋼的使用——直接承受動荷載的焊接結(jié)構(gòu)非焊接結(jié)構(gòu)而計算溫度≤-20℃時受靜荷載及間接動荷載作用，而計算溫度≤

-30℃時的焊接結(jié)構(gòu)

碳素結(jié)構(gòu)鋼的選用

第76頁/共126頁772010在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上加入總量小于5%合金元素的鋼材。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法——

字母“Q”+屈服強(qiáng)度+質(zhì)量等級根據(jù)屈服強(qiáng)度劃分成八個等級：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690質(zhì)量分為五個等級：A、B、C、D、E，依次提高例如：Q345D二、低合金結(jié)構(gòu)鋼《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591--2008第77頁/共126頁782010合金元素加入鋼以后，與鐵和碳共同作用，改變了鋼材的組織、性能。在含碳量相近的情況下，提高了鋼材的屈服強(qiáng)度，同時使鋼材具有良好的塑性、沖擊韌性、可焊性及耐低溫、耐蝕性等，延長了使用壽命。在相同使用條件下，采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼可比碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)省用鋼量約20%～30%，減輕了結(jié)構(gòu)自重。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的性能第78頁/共126頁792010低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。尤其是大型結(jié)構(gòu)、重型結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑、橋梁工程、承受動力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度的低合金結(jié)構(gòu)鋼，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果更顯著。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用第79頁/共126頁802010

主要性能指標(biāo)——力學(xué)性能拉伸試驗（屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率）沖擊試驗（沖擊吸收能量）工藝性能（彎曲試驗）

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的性能第80頁/共126頁低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分第81頁/共126頁低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能第82頁/共126頁832010低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的工藝性能第83頁/共126頁842010一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼

二、混凝土結(jié)構(gòu)用鋼第四節(jié)建筑鋼材的主要應(yīng)用第84頁/共126頁852010一、鋼結(jié)構(gòu)用鋼型鋼（熱軋或冷成型）鋼板（熱軋或冷軋）鋼管第85頁/共126頁第86頁/共126頁第87頁/共126頁882010（一）型鋼鋼結(jié)構(gòu)常用的型鋼有：工字鋼、H型鋼、T型鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼等。型鋼由于截面形式合理，材料在截面上分布對受力最為有利，且構(gòu)件間連接方便，所以它是鋼結(jié)構(gòu)中采用的主要品種。型鋼的規(guī)格通常以反映其斷面形狀的主要輪廓尺寸來表示。第88頁/共126頁892010熱軋L型鋼（GB9946）——不等邊不等厚角鋼

第89頁/共126頁902010熱軋普通工字鋼工字鋼是截面為工字型、腿部內(nèi)側(cè)有1:6斜度的長條鋼材。工字鋼截面尺寸均相對較高、較窄，故對截面兩個主袖的慣性矩相差較大，因此，主要用于承受橫向彎曲（腹板平面內(nèi)受彎）的桿件，而不宜單獨(dú)用作軸心受壓構(gòu)件或雙向彎曲的構(gòu)件，應(yīng)用范圍上有著很大的局限。第90頁/共126頁912010H型鋼由工字鋼發(fā)展而來，與工字鋼相比，H型鋼的各個部位均以直角排布，因此在各個方向上都具有很好的抗彎能力，而且重量輕、節(jié)省鋼材，施工簡單、節(jié)約成本。常用于要求承載力大、截面穩(wěn)定性好的大型建筑（如廠房、高層建筑等）。熱軋H型鋼第91頁/共126頁922010HW：高度和翼緣寬度基本相等。鋼結(jié)構(gòu)中主要用于柱，在鋼砼框架結(jié)構(gòu)中作為鋼芯柱（勁性鋼柱）HM：高度和翼緣寬度比例大致為1.33~1.75。主要在鋼結(jié)構(gòu)中用做鋼框架柱，在承受動力荷載的框架結(jié)構(gòu)中用做框架梁。HN：高度和翼緣寬度比例大于等于2。主要用于梁。工字鋼的用途相當(dāng)于HN型鋼——梁

熱軋H型鋼第92頁/共126頁932010槽鋼是截面為凹槽形的長條鋼材。使用時翼板受力，立向放置。主要用于建筑鋼結(jié)構(gòu)、車輛制造和其它工業(yè)結(jié)構(gòu)，常和工字鋼配合使用。

熱軋普通槽鋼第93頁/共126頁942010用鋼板或帶鋼在冷狀態(tài)下彎曲成的各種斷面形狀的成品鋼材，是制作輕型鋼結(jié)構(gòu)的主要材料。與熱軋型鋼相比較，冷彎型鋼具有熱軋所不能生產(chǎn)的各種特薄、形狀合理而復(fù)雜的截面，較合理地利用材料強(qiáng)度；與普通鋼結(jié)構(gòu)（即由傳統(tǒng)的工字鋼、槽鋼、角鋼和鋼板制作的鋼結(jié)構(gòu)）相比較，可節(jié)約鋼材30～50％左右。冷彎型鋼第94頁/共126頁用冷彎薄壁型鋼做的中式別墅

第95頁/共126頁962010（二）鋼板鋼板是用鋼水澆注，冷卻后壓制而成的平板狀鋼材。根據(jù)軋制溫度不同，又可分為熱軋和冷軋兩種。建筑用鋼板主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼；重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、高壓容器等由采用低合金鋼鋼板。按厚度來分，鋼板分為厚板（厚度大于3mm）和薄板（厚度≤3mm）兩種。厚板可用于焊接結(jié)構(gòu)；薄板可用作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，或制作壓型鋼板等。第96頁/共126頁972010薄鋼板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、V形等形狀，稱為壓型鋼板。壓型鋼板具有單位質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、施工快、外形美觀等特點，主要用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、樓板、屋面等。壓型鋼板第97頁/共126頁第98頁/共126頁第99頁/共126頁1002010二、混凝土結(jié)構(gòu)用鋼熱軋鋼筋冷加工鋼筋熱處理鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲及鋼絞線第100頁/共126頁熱軋鋼筋是由低碳鋼和普通合金鋼在高溫狀態(tài)下壓制成型并自然冷卻的成品鋼筋。主要用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的配筋，是土木建筑工程中使用量最大的鋼材品種之一。直徑6.5～9毫米的鋼筋，大多數(shù)卷成盤條；直徑10～40毫米的一般是6～12米長的直條。熱軋帶肋鋼筋、熱軋光圓鋼筋、低碳鋼熱軋圓盤條（一）熱軋鋼筋第101頁/共126頁普通熱軋帶肋鋼筋三個牌號：

HRB335HRB400HRB500（一）熱軋鋼筋1.熱軋帶肋鋼筋（GB1499.2-2007）

熱軋Hotrolled

帶肋Ribbed

鋼筋Bars屈服強(qiáng)度特征值

第102頁/共126頁細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋三個牌號：

HRBF335HRBF400HRBF500細(xì)晶粒

Fine在熱軋過程中，通過控軋和控冷工藝形成的細(xì)晶粒鋼筋

第103頁/共126頁力學(xué)性能指標(biāo)

牌號公稱直徑/mm屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A/%最大力總伸長率Agt/%不小于HRB335HRBF3356-2528-50335455177.5HRB400HRBF4006-2528-5040054016HRB500HRBF5006-2528-5050063015第104頁/共126頁斷后伸長率A斷裂總伸長率At最大力總伸長率Agt

最大力非比例伸長率Ag第105頁/共126頁彎曲/反向彎曲性能

彎曲180°后，鋼筋受彎曲部位表面不得產(chǎn)生裂紋。

牌號公稱直徑d/mm彎芯直徑HRB335HRBF3356-2528-50>40-503d4d5dHRB400HRBF4006-2528-50>40-504d5d6dHRB500HRBF5006-2528-50>40-506d7d8d根據(jù)需方要求，鋼筋可進(jìn)行反向彎曲性能試驗。第106頁/共126頁兩個牌號：HPB235

HPB3002.熱軋光圓鋼筋（GB1499.1-2008）熱軋、光圓、鋼筋英語首位字母

屈服強(qiáng)度特征值

（一）熱軋鋼筋第107頁/共126頁牌號公稱直徑6-22mm屈服強(qiáng)度ReL/MPa抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A/%最大力總伸長率Agt/%冷彎試驗180od—彎芯直徑a—鋼筋公稱直徑不小于HPB23523537025.010.0d=aHPB300300420技術(shù)要求——力學(xué)/工藝性能

第108頁/共126頁低碳鋼熱軋圓盤條是由屈服強(qiáng)度較低的碳素結(jié)構(gòu)鋼軋制的盤條，是目前用量最大、使用最廣的線材。除大量用作建筑鋼筋混凝土的配筋外，還適用于供拉絲、包裝及其他用途。四個牌號：Q195、Q215Q235、Q2753.低碳鋼熱軋圓盤條（GB/T701-2008）（一）熱軋鋼筋第109頁/共126頁牌號力學(xué)性能冷彎試驗180°d=彎心直徑a=試樣直徑抗拉強(qiáng)度RmN/mm2斷后伸長率A11.3%不小于Q19541030d=0Q21543528d=0Q23550023d=0.5aQ27554021d=1.5a技術(shù)要求——力學(xué)/工藝性能

第110頁/共126頁（二）冷加工鋼筋冷拉熱軋鋼筋冷拔低碳鋼絲冷軋帶肋鋼筋冷軋扭鋼筋第111頁/共126頁（二）冷加工鋼筋冷拉熱軋鋼筋：屈服點提高17%～27%，材料變脆，屈服階段縮短，伸長率降低，冷拉時效后，強(qiáng)度略有提高。冷拔低碳鋼絲：直徑為6.6～8mm的Q235（或Q215）盤圓鋼筋冷拔制成。屈服強(qiáng)度可提高40%～60%，且已失去了低碳鋼的性質(zhì)，變得硬脆，屬硬鋼類鋼絲。GB50204規(guī)定，冷拔鋼絲按強(qiáng)度分為兩級：甲級為預(yù)應(yīng)力鋼絲；乙級為非預(yù)應(yīng)力鋼絲，適用于作焊接網(wǎng)、焊接骨架、箍筋和構(gòu)造鋼筋。第112頁/共126頁冷軋帶肋鋼筋：熱軋盤條經(jīng)多道冷軋減徑，一道壓肋，并經(jīng)消除內(nèi)應(yīng)力后形成的一種帶有二面或三面月牙形的鋼筋。冷軋帶肋鋼筋在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，是冷拔低碳鋼絲的更新?lián)Q代產(chǎn)品，在現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中，則可代換Ⅰ級鋼筋，以節(jié)約鋼材，是同類冷加工鋼材中較好的一種。

（二）冷加工鋼筋第113頁/共126頁

四個牌號：