第七章土木工程用鋼材和鋁合金

第七章土木工程用鋼材和鋁合金第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料分為黑色金屬（鐵、鋼、合金鋼）、有色金屬（銅、鋁、鉛等非鐵金屬及其合金）。人類使用金屬材料始于青銅時代，隨后進入鐵器時代。1860年前后，發(fā)明了鋼的冶煉技術(shù)。1889年建造的法國埃菲爾塔，標(biāo)志著鋼結(jié)構(gòu)的興起。1940年以后，鋁合金、不銹鋼等現(xiàn)代金屬建筑材料迅速發(fā)展。目前用量較大的金屬材料有500多種。建筑鋼材指建筑工程中所用的各種鋼材（型鋼、鋼板、鋼筋、建筑五金）。建筑鋼材是最重要的建筑材料之一。建筑鋼材強度高，材性好，比強度高，施工便利，缺點是易銹蝕。第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)鋼的生產(chǎn)和分類一、鋼的冶煉1.生鐵的冶煉鐵礦石、石灰石、焦碳和少量錳礦石在高爐內(nèi)進行還原反應(yīng)，由氧化鐵形成金屬鐵，再吸收碳而成生鐵。鐵渣排出時用水急冷，形成水淬礦渣。2.鋼的冶煉生鐵在轉(zhuǎn)爐（最常用）、平爐或電爐中進行氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)而成鋼。第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鋼的分類1、按冶煉時脫氧程度分類：沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。2、按化學(xué)成分分類：碳素鋼（低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼）、合金鋼（低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼）。3、按有害雜質(zhì)分類：普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼、特級優(yōu)質(zhì)鋼。4、按用途分類：結(jié)構(gòu)鋼（結(jié)構(gòu)構(gòu)件、機械零件等，一般為低碳鋼或中碳鋼）、工具鋼（工具、量具、模具等，一般為高碳鋼）、特殊鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等，一般為合金鋼）。建筑工程中常用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼（軟鋼）、普通合金結(jié)構(gòu)鋼中的低合金鋼。第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)鋼材的技術(shù)性質(zhì)一、力學(xué)性質(zhì)1.抗拉性能第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月低碳鋼（軟鋼）是建筑工程中廣泛使用的一種鋼材，其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如上左圖所示。中碳鋼、高碳鋼（硬鋼）的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與低碳鋼不同，如上右圖所示。硬鋼的抗拉強度高，塑性變形小，屈服現(xiàn)象不明顯。規(guī)范規(guī)定以產(chǎn)生相對于初始長度0.2%殘余變形時的應(yīng)力值作為名義屈服點，以σ0.2表示。第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月低碳鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了材料的許多重要技術(shù)性能：（1）彈性階段：OA段，呈直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值即彈性模量（E=σ/ε），產(chǎn)生彈性變形，A點對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限（σP）。（2）屈服階段：AB段，呈鋸齒狀，應(yīng)力在不大的范圍內(nèi)波動，應(yīng)變急劇增大，開始產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。B下點對應(yīng)的應(yīng)力為屈服點或屈服強度（σS）。鋼材受力達到屈服點后，由于變形迅速發(fā)展，盡管尚未破壞，但已不能滿足使用要求，故設(shè)計中一般以屈服點作為強度取值的依據(jù)。（3）強化階段：BC段，呈平緩上升曲線，應(yīng)力持續(xù)上升，應(yīng)變快速發(fā)展，C點對應(yīng)的應(yīng)力為極限強度或抗拉強度（σb）。工程上，不能直接利用抗拉強度，而是用屈強比（σS/σb）反映材料的安全可靠程度和利用率（常用碳素鋼的屈強比0.58~0.63，低合金鋼0.65~0.75）。（4）頸縮階段：CD段，呈快速下降曲線，應(yīng)力持續(xù)下降，應(yīng)變快速增加，變形不再是均勻分布，在試件的薄弱處產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，直至在D點斷裂。第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月2.塑性鋼材在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力。鋼材的塑性指標(biāo)：伸長率、斷面收縮率。（1）伸長率：試件拉斷后對接在一起，測得標(biāo)距伸長值與原始標(biāo)距的百分比。δ=（l1-l0）/l0*100%（2）斷面收縮率：試件拉斷后，頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

ψ=（A0-A1）/A0*100%伸長率反映鋼材塑性大小。伸長率越大，塑性越好。鋼材拉伸時的塑性變形在試件標(biāo)距內(nèi)的分布是不均勻的，頸縮處的伸長較大，故l0/d0越大，頸縮處的伸長值在總伸長值中所占比例越小，則計算所得伸長率越小。l0/d0通常取5或10，相應(yīng)的伸長率分別為δ5、δ10。對于同一鋼材，δ5＞δ10。第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月3.沖擊韌性鋼材抵抗沖擊荷載的能力。以缺口試件的沖擊彎曲試驗測定。鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學(xué)成分、冶煉質(zhì)量、溫度、時效等因素有關(guān)。當(dāng)溫度下降到一定范圍時，鋼材的沖擊韌性值突然下降很多，這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。如右圖所示。北方寒冷地區(qū)需檢驗鋼材的冷脆性，應(yīng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的鋼材。第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月4.疲勞強度鋼材在交變荷載（大小、方向變化的荷載）的反復(fù)作用下，在應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強度時發(fā)生破壞，稱疲勞破壞。鋼材在無數(shù)次（通常取10000000次）重復(fù)的交變荷載作用下不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力，稱疲勞強度。疲勞破壞是由于疲勞裂紋累積擴展所致，在斷口可明顯分辨出疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)。5.硬度布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月二、工藝性能1.冷彎性能鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。以冷彎試驗判定是否合格。冷彎性能反映鋼材在苛刻變形條件下承受靜荷載作用時的塑性。2.焊接性能焊接件的拉伸、彎曲試驗，以破壞不發(fā)生在焊接處為合格。第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)鋼材的冷加工和熱處理一、冷加工冷加工：在常溫下進行機械加工，包括冷拉、冷拔、冷扭、冷沖、冷壓等。冷加工強化：鋼材通過冷加工產(chǎn)生塑性變形，提高屈服強度，相應(yīng)地降低塑性和韌性。常對鋼筋進行冷拉、冷拔。冷加工強化的原因：鋼材在冷加工變形時，產(chǎn)生晶格變形。經(jīng)過冷加工強化，鋼材的屈服強度提高，沖擊韌性降低。在工程上，可節(jié)約鋼材，但受沖擊荷載的部位不得使用冷拉、冷拔鋼筋。時效：鋼材經(jīng)冷加工后，隨時間的延長，屈服強度和極限強度逐漸提高，而塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象。時效處理：經(jīng)過冷拉的鋼筋，在常溫下存放15~20天（自然時效），或加熱到100~200℃并保持2~3小時（人工時效），使強度進一步提高的過程。在工程中，經(jīng)過時效處理，可使鋼筋的屈服強度提高20~25%，節(jié)約鋼材20~30%。產(chǎn)生時效的原因：溶于α-Fe晶格中的氮、氧等原子，向滑移面等缺陷處移動、聚集，使晶格變形加劇。第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱處理熱處理是對鋼材在固態(tài)范圍內(nèi)施加一定的加熱、保溫、冷卻處理，以改善其性能。溫度和時間是熱處理的兩個基本工藝因素。根據(jù)加熱和冷卻條件以及目的不同，鋼的熱處理工藝可分類為：普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）、表面熱處理（表面淬火、化學(xué)熱處理）。退火：加熱保溫后，在爐內(nèi)慢冷至500℃以下在空氣中冷卻。目的是降低硬度以便進行切削加工。正火：加熱保溫后，在空氣中冷卻。正火是退火的特例，正火后鋼的強度和硬度均比退火后的高。目前常用的低、中碳鋼的鋼材在供貨時常以正火狀態(tài)交貨。淬火：加熱保溫后，在淬火劑中冷卻。目的是提高硬度和耐磨性、獲得良好的綜合性能（強度高、韌性好）。常用淬火劑有：水、油、鹽、堿。第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月回火：將淬火鋼件重新加熱保溫后，冷卻到室溫。目的是消除內(nèi)應(yīng)力、降低脆性、改善機械性能。淬火后的鋼件，一般都必須及時進行回火?；鼗鸱譃榈蜏鼗鼗穑訜釡囟?50~250℃）、中溫回火（加熱溫度350~500℃）、高溫回火（加熱溫度500~650℃）。工廠里習(xí)慣把淬火與高溫回火合稱為調(diào)質(zhì)處理，廣泛應(yīng)用于連桿、螺栓、齒輪、軸等結(jié)構(gòu)零件。鋼的表面熱處理包括表面淬火、化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮、氰化、滲鋁、滲鉻等）。通過表面熱處理可使鋼件的表面層具有高硬度和耐磨性，芯部具有足夠的塑性和韌性。第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月熱處理不改變零部件的形狀和尺寸，而是改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變其性能。鋼在固態(tài)下能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化，因此可以利用溫度變化來控制奧氏體的轉(zhuǎn)變，以改變鋼的內(nèi)部組織和晶體結(jié)構(gòu)。例如，含碳量0.8%的同樣兩塊鋼，加熱到800℃保溫后，一塊在爐中緩慢冷卻，測得硬度為HRC15，另一塊迅速投入水中急冷，測得硬度為HRC62；觀察其顯微組織發(fā)現(xiàn)，前者為珠光體，后者為馬氏體。應(yīng)該指出，鋼經(jīng)過熱處理，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化，與緩慢加熱或冷卻條件下所得的理論的平衡組織有所不同。第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)土木工程用鋼材的選用土木工程用鋼主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB700-2006）、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（GB1591-1994）、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB699-1999）、合金結(jié)構(gòu)鋼（GB/T3077-1999）。碳素結(jié)構(gòu)鋼可加工成各種型鋼、鋼筋、鋼絲，適用于一般結(jié)構(gòu)和工程。碳素結(jié)構(gòu)鋼塑性好、力學(xué)性能穩(wěn)定、成本低，因此在土木工程中用量較大。碳素結(jié)構(gòu)鋼有5種牌號，選用時，鋼的品質(zhì)：平爐鋼、氧氣轉(zhuǎn)爐鋼優(yōu)于空氣轉(zhuǎn)爐鋼，鎮(zhèn)靜鋼優(yōu)于沸騰鋼；鋼的牌號：牌號增大，強度和硬度增大，塑性、韌性、可加工性能降低。

Q235號鋼，綜合性能好，廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)，用作鋼結(jié)構(gòu)的屋架、閘門、管道、橋梁及鋼筋。Q195、Q215號鋼，強度較低，塑性、韌性、可焊性好，用于受荷較小及焊接結(jié)構(gòu)、鉚釘、地腳螺絲等。Q255、Q275號鋼，強度較高，塑性、韌性、可焊性差，用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中配筋、螺栓等。第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素而制成的，具有強度高、硬度高、塑性及韌性良好、耐腐蝕性好等特點，可比碳素結(jié)構(gòu)鋼減輕自重20~30%，特別適合于重型結(jié)構(gòu)、高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、橋梁。低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼有5個牌號。低合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于型鋼、鋼板、鋼管、鋼筋。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼性能優(yōu)于碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有31個牌號，性能主要取決于含碳量。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成本較高，主要用于鋼鑄件、高強螺栓、預(yù)應(yīng)力混凝土的錨具、鋼絲。第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月一、土木工程用鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB700-2006）規(guī)定，分五個牌號：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。技術(shù)要求：化學(xué)成分、力學(xué)性能（拉伸、沖擊、冷彎）。2.低合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《低合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB1591-1994）規(guī)定，分17個牌號。3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB699-1999）規(guī)定，分31個牌號。4.合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T3077-1999）規(guī)定，分77個牌號。第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月二、鋼結(jié)構(gòu)用鋼材1.熱軋型鋼角鋼、L型鋼、工字鋼、槽鋼、H型鋼、扁鋼。2.冷彎型鋼3.鋼板4.鋼管三、鋼筋混凝土用鋼材1.熱軋鋼筋2.冷軋帶肋鋼筋3.預(yù)應(yīng)力筋4.鋼纖維四、專門結(jié)構(gòu)用鋼材1.橋梁結(jié)構(gòu)鋼2.鋼軌鋼第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)鋁及鋁合金鋁是一種輕金屬（密度2700kg/m3），其在地殼中的含量為8.13%，僅次于氧、硅。鋁被稱為第二金屬，其產(chǎn)量及消費僅次于鋼鐵。鋁具有良好的力學(xué)性能、加工性能，但純鋁的強度、硬度不高，常與銅、鎂、錳、硅、鋅等制成鋁合金。按加工方式的不同，鋁合金分為鑄造鋁合金、變形鋁合金。在建筑中，常用鋁合金型材制作門窗、隔墻和吊頂?shù)目蚣?，將鋁合金裝飾板用于屋面、墻面等，將鋁箔用于絕熱、防潮。第20頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題1、含碳量對碳素鋼的性能有何影響？2、拉伸試驗可測定鋼材哪些力學(xué)性能？它對選用鋼材有何用途？3、某鋼材試樣，直徑10mm，長度100mm，當(dāng)荷載達26.69kN時開始塑性變形，當(dāng)荷載最高達47.10kN時被拉斷，拉斷后試樣長度116mm，斷口直徑6.7mm，求該鋼材的屈服強度、極限強度、伸長率、斷面收縮率？4、鋼材冷加工的目的？5、鋼材熱處理的目的？第21頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題參考答案1、含碳量對碳素鋼的性能有何影響？2、拉伸試驗可測定鋼材哪些力學(xué)性能？它對選用鋼材有何用途？隨含碳量增加，碳素鋼的硬度提高、塑性降低、韌性降低、冷脆性及時效敏感性增大