第八章-金屬材料

第八章金屬材料

土木工程中常用鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的各種型鋼（圓鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼等）、鋼板和鋼筋混凝土中的各種鋼筋、鋼絲等。第八章金屬材料

金屬材料是指一種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的合金材料的總稱。金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬指的是以鐵、鉻、錳元素等為主要成分的金屬及其合金，在土木工程中應(yīng)用最多的是鋼材。有色金屬指的是除鐵、鉻、錳以外的其他金屬，如鋁、銅、鉛、鋅、錫等金屬及其合金。

鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、熔劑（石灰石）、焦炭在高爐中經(jīng)過還原反應(yīng)和造渣反應(yīng)而得到的一種碳鐵合金，其中碳的含量為2.06％～6.67％，磷、硫等雜質(zhì)的含量也較高。生鐵性能脆硬，無塑性和韌性，不能進(jìn)行焊接、鍛造、軋制等加工，在工程上難以使用。煉鋼的原理就是把生鐵在煉鋼爐內(nèi)進(jìn)行氧化，除去其中大部分碳和雜質(zhì)，使碳的含量降低到2.06％以下的鐵碳合金。目前，大規(guī)模煉鋼的方法主要有平爐煉鋼法、氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電爐煉鋼法三種。一、鋼材的冶煉第一節(jié)鋼的基本知識第八章金屬材料1、按化學(xué)成分分類

碳素鋼、合金鋼。2、按冶煉時脫氧程度不同分類

特殊鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼。3、按品質(zhì)（硫、磷雜質(zhì)含量）不同分

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、工具鋼、特殊鋼。二、鋼材的分類第八章金屬材料

一、力學(xué)性能

（一）拉伸性能軟鋼的應(yīng)力—應(yīng)變曲線共分為四個階段，即彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。自開始加載到A點之前，鋼筋處于彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系；應(yīng)力達(dá)到A點后鋼筋進(jìn)入屈服階段，應(yīng)力不再增加而應(yīng)變急劇增長形成屈服臺階AB；超過B點后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系重新表現(xiàn)為上升的曲線，BC段稱為強(qiáng)化階段；到達(dá)應(yīng)力最高點C點后鋼筋產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象，應(yīng)力開始下降，到D點鋼筋被拉斷，CD段稱為破壞階段。第二節(jié)鋼材的主要技術(shù)性能第八章金屬材料1、伸長率第八章金屬材料2、斷面收縮率

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，說明鋼材塑性越大。

（二）沖擊韌性

指鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力。影響因素：化學(xué)成分、溫度、時間。

對于重要的結(jié)構(gòu)以及承受動荷載作用的結(jié)構(gòu)，特別是處于負(fù)溫條件下的結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證鋼材具有一定的沖擊韌性。

（三）耐疲勞性鋼材在交變（數(shù)值和方向都有變化的）荷載的反復(fù)作用下，往往在應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度時發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞破壞。疲勞破壞的危險應(yīng)力用疲勞極限來表示。鋼材的疲勞破壞，一般認(rèn)為是由拉應(yīng)力引起的。鋼材的疲勞極限與抗拉強(qiáng)度有關(guān)，鋼材的抗拉強(qiáng)度高，其疲勞極限也高。第八章金屬材料

二、工藝性能

（一）冷彎性能

指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。衡量指標(biāo)：彎曲角度，彎心直徑與鋼材的直徑（厚度）的比值（D/a）。鋼材的彎曲角度越大，彎心直徑與鋼材的直徑或厚度的比值越小，表示鋼材的冷彎性能越好。

（二）焊接性能指鋼材在通常的焊接方法和工藝條件下獲得良好焊接接頭的性能?？珊感院玫匿摬暮附雍蟛灰仔纬闪鸭y、氣孔等缺陷，焊頭牢固可靠，焊縫及其附近受熱影響區(qū)的性能不降低。影響因素：化學(xué)成分。一般含碳量越高，可焊性越低。

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三、鋼材的化學(xué)成分對鋼材性能的影響

（一）碳

碳是鋼材中的主要元素，是決定鋼材性能的重要因素。在含碳量小于0.8％的范圍內(nèi)，隨著含碳量的增加，鋼材的抗拉強(qiáng)度和硬度增加，塑性和沖擊韌性降低。當(dāng)含碳量超過1％時，隨著含碳量的增加，除硬度繼續(xù)增加外，鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性都降低，耐腐蝕性和可焊性變差，冷脆性和時效敏感性增大。第八章金屬材料

（二）有益元素

1.硅

硅是煉鋼時為了脫氧而加入的元素。當(dāng)鋼材中含硅量在1％以內(nèi)時，它能增加鋼材的強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性，且對鋼材的塑性、韌性、可焊性無明顯影響。當(dāng)鋼材中含硅量大于1％時，將會顯著降低鋼材的塑性、韌性、可焊性，并增大冷脆性和時效敏感性。

2.錳錳是煉鋼時為了脫氧而加入的元素，是我國低合金結(jié)構(gòu)鋼的主要合金元素。錳的作用主要是能顯著提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，改善鋼材的熱加工性能和可焊性，幾乎不降低鋼材的塑性、韌性。

3.鋁、釩、鈦、鈮

它們都是煉鋼時的強(qiáng)脫氧劑，也是最常用的合金元素。適量加入鋼內(nèi)能改善鋼材的組織，細(xì)化晶粒，顯著提高強(qiáng)度，改善韌性和可焊性。

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（三）有害元素

1.硫硫是鋼材中極有害的元素。硫的存在，還會導(dǎo)致鋼材的沖擊韌性、可焊性及耐腐蝕性降低，故鋼材中硫的含量應(yīng)嚴(yán)格控制。為了消除硫的危害，可在鋼中加入適量的錳。

2.磷磷是鋼中的有害元素，它能使鋼的強(qiáng)度和硬度增加，但會使鋼材的塑性、韌性顯著降低，可焊性變差，尤其在低溫下，沖擊韌性下降更突出，是鋼材冷脆性增大的主要原因。

3.氧、氮、氫這三種有害氣體都會顯著降低鋼材的塑性和韌性，應(yīng)加以限制。氧使鋼的強(qiáng)度、塑性和可焊性降低。氮隨著含量增加，能使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，但使鋼的塑性、韌性、可焊性大大降低，還會加劇鋼的時效敏感性、冷脆性和熱脆性。第八章金屬材料第三節(jié)鋼材的冷加工及熱處理一、鋼材的冷加工和時效處理

（一）鋼材的冷加工

1．冷拉

2．冷拔

3．冷軋第八章金屬材料

（二）時效處理

鋼材冷加工后，在常溫下存放15—20d或加熱至100～200℃，保持一定時間，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度明顯提高，而塑性及韌性明顯降低，這種現(xiàn)象稱為時效。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。工程中常對鋼材進(jìn)行冷加工和時效處理來提高屈服強(qiáng)度，節(jié)約鋼材。冷拉和時效處理后的鋼筋，在冷拉的同時還被調(diào)直和清除了銹皮，簡化了施工工序。但對于受動荷載或經(jīng)常處于負(fù)溫條件下工作的鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用時效敏感性小的鋼材。第八章金屬材料

二、鋼材的熱處理熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。通過熱處理，可以改善鋼件在冷熱加工過程中的工藝性能，即消除前工序產(chǎn)生的缺陷而為后工序的順利進(jìn)行創(chuàng)造條件；以及充分發(fā)揮材料的潛力，賦予工件所需的最終使用性能。土木工程中鋼材應(yīng)用最多的普通熱處理是退火、正火、淬火和回火。第八章金屬材料第四節(jié)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)和選用一、鋼材的主要鋼種

（一）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（簡稱碳素結(jié)構(gòu)鋼）

1、牌號碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法由屈服點的字母Q，屈服點數(shù)值，質(zhì)量等級和脫氧程度四個部分組成。碳素結(jié)構(gòu)鋼按屈服點的數(shù)值（MPa）劃分為Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五個牌號；質(zhì)量等級分為A、B、C、D四個等級；脫氧程度分為沸騰鋼（F）、半鎮(zhèn)靜鋼（b）、鎮(zhèn)靜鋼（Z）和特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ），牌號表示時，Z、TZ可省略。第八章金屬材料

2、技術(shù)性能

碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分應(yīng)符合表8-2的規(guī)定，力學(xué)性能應(yīng)符合表8-3的規(guī)定，冷彎試驗指標(biāo)應(yīng)符合表8-4的規(guī)定。碳素結(jié)構(gòu)鋼隨著鋼號的增大，強(qiáng)度和硬度增大，塑性、韌性和可加工性能逐步降低；同一鋼號內(nèi)質(zhì)量等級越高，鋼的質(zhì)量越好。

第八章金屬材料3、應(yīng)用

Q195、Q215號鋼，強(qiáng)度低，塑性和韌性較好，易于冷加工，常用作鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等。

Q235號鋼具有較高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性和可焊性，綜合性能好，能滿足一般鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土用鋼要求，且成本較低。因此，Q235號鋼在土木工程中應(yīng)用最廣泛。

Q275號鋼強(qiáng)度較高，但塑性、韌性較差，不宜焊接和冷彎加工，主要用于軋制帶肋鋼筋、機(jī)械零件和工具等。第八章金屬材料

（二）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)含錳量不同分為普通含錳量（0.35％～0.70％）和較高含錳量（0.70％～1.20％）兩大組。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼多為鎮(zhèn)靜鋼，綜合性能好，但成本較高。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼共有31個鋼號，鋼號的表示方法由平均含碳量（以0.01％為單位）、含錳量注標(biāo)、脫氧程度代號組合而成。含錳量較高時，在鋼號后加注“Mn”；在優(yōu)質(zhì)碳素鋼中，只有三個鋼號屬于沸騰鋼，應(yīng)在鋼號后加注“F”，其余均為鎮(zhèn)靜鋼。例如：“45Mn”表示平均含碳量為0.45％的較高含錳量的鎮(zhèn)靜鋼；“30”則表示平均含碳量為0.30％的普通含錳量的鎮(zhèn)靜鋼。第八章金屬材料

（三）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

1、牌號

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法為：屈服點的字母Q，屈服點數(shù)值（MPa），質(zhì)量等級。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼按屈服點的數(shù)值（MPa）劃分為Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五個牌號；質(zhì)量等級分為A、B、C、D、E五個等級，質(zhì)量按順序逐級提高。例如：Q295A表示屈服點不低于295MPa的A級低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。第八章金屬材料

2、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能應(yīng)符合表8-5、表8-6的規(guī)定。

3、性能及應(yīng)用

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度高，綜合性能好，使用壽命長，塑性、韌性和可焊性好，有利于加工和施工。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼主要用于軋制型鋼、鋼板、鋼筋及鋼管，在建筑工程中廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，特別是重型、大跨度、高層結(jié)構(gòu)和橋梁等。

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二、鋼筋混凝土用鋼材

（一）熱軋鋼筋

熱軋鋼筋外形可分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋兩種。熱軋光圓鋼筋的牌號用HPB235及HPB300表示。普通熱軋帶肋鋼筋有HRB335、HRB400、HRB500三個牌號。HRB335和HRB400強(qiáng)度較高，塑性和可焊性均較好，廣泛應(yīng)用于大、中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主筋，經(jīng)冷拉處理后也可作為預(yù)應(yīng)力筋。HRB500用中碳低合金鎮(zhèn)靜鋼軋而成，在提高強(qiáng)度的同時保證塑性和韌性，主要用于工程中的預(yù)應(yīng)力鋼筋。第八章金屬材料

（二）冷加工鋼筋

1、冷拉鋼筋

2、冷拔低碳鋼絲

冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.5mm或8mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼熱軋盤條，在常溫下通過拔絲機(jī)進(jìn)行多次強(qiáng)力拉拔而成。

3、冷軋帶肋鋼筋將熱軋圓盤條經(jīng)冷軋和冷拔減徑后在其表面冷軋形成有月牙肋的鋼筋即為冷軋帶肋鋼筋。冷軋帶肋鋼筋分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五個牌號。CRB550為普通鋼筋混凝土用鋼筋，其他牌號為預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋。第八章金屬材料

（三）預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋

熱處理鋼筋是由熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和回火進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理后而成的鋼筋。熱處理鋼筋規(guī)格，有公稱直徑6、8.2、10mm三種。熱處理鋼筋具有較高的綜合力學(xué)性能，除具有很高的強(qiáng)度外，還具有高韌性和高黏結(jié)力及塑性降低小等優(yōu)點，特別適用于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的配筋。但其對應(yīng)力腐蝕及缺陷敏感性強(qiáng)，使用時應(yīng)防止銹蝕及刻痕等現(xiàn)象。第八章金屬材料

（四）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲是用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制成，抗拉強(qiáng)度高達(dá)1470～1770MPa，分為消除應(yīng)力光圓鋼絲、消除應(yīng)力刻痕鋼絲、消除應(yīng)力螺旋肋鋼絲和冷拉鋼絲四種。鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素鋼鋼絲經(jīng)絞捻后消除內(nèi)應(yīng)力制成的。預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼絞線具有強(qiáng)度高、柔韌性好、無接頭、質(zhì)量穩(wěn)定、施工簡便等優(yōu)點，使用時按要求的長度切割，主要用于大跨度、大荷載、曲線配筋的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。第八章金屬材料

三、鋼結(jié)構(gòu)用鋼材

（一）型鋼

1、熱軋型鋼鋼結(jié)構(gòu)常用的熱軋型鋼有：工字鋼、槽鋼、等邊角鋼、不等邊角鋼、H型鋼、T型鋼等。

第八章金屬材料2、冷彎薄壁型鋼

冷彎薄壁型鋼用2～6mm的鋼板經(jīng)冷彎或模壓而制成，有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼和方形、矩形等空心薄壁型鋼。第八章金屬材料

（二）鋼板和壓型鋼板

鋼板是用碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金鋼軋制而成的扁平鋼材，可熱軋或冷軋生產(chǎn)。。以平板狀態(tài)供貨的稱鋼板，以卷狀供貨稱鋼帶。厚度大于4mm以上為厚板，厚度小于或等于4mm的為薄板。熱軋?zhí)妓亟Y(jié)構(gòu)鋼厚板是鋼結(jié)構(gòu)的主要用材，低合金鋼厚板用于重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁和高壓容器等。薄板主要用于屋面、墻面或壓型板的原料等。壓型鋼板用薄板經(jīng)冷壓或冷軋成波形、雙曲形、V形等，制成彩色、鍍鋅、防腐等薄板。其質(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。

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（三）鋼管

鋼管多用于制作桁架、桅桿等構(gòu)件，也可用于制作鋼管混凝土。鋼管混凝土可用于高層建筑、塔柱、構(gòu)架柱、廠房柱等。鋼管按生產(chǎn)工藝不同有無縫鋼管和焊接鋼管兩大類。焊接鋼管由優(yōu)質(zhì)或普通碳素鋼鋼板卷焊而成；無縫鋼管是以優(yōu)質(zhì)碳素鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼為原材料，采用熱軋—冷拔聯(lián)合工藝生產(chǎn)而成的。無縫鋼管主要用于壓力管道，焊縫形式有直紋焊縫和螺紋焊縫；焊接鋼管成本低，易加工，但抗壓性能較差，適用于各種結(jié)構(gòu)、輸送管道等。第八章金屬材料第五節(jié)鋼材的防腐與防火一、鋼材的銹蝕（腐蝕）

1、化學(xué)銹蝕

是指鋼材表面直接與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的銹蝕。

2、電化學(xué)銹蝕

電化學(xué)銹蝕是由于金屬表面形成了原電池而產(chǎn)生的銹蝕。鋼材在大氣中的銹蝕，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。第八章金屬材料

二、鋼材的防腐

1、在鋼材表面施加保護(hù)層

在鋼材表面施加保護(hù)層，使鋼材與周圍介質(zhì)隔離，從而防止鋼材銹蝕。保護(hù)層可分為金屬保護(hù)層和非金屬保護(hù)層。

2、制成耐侯鋼耐侯鋼是在碳素鋼和低合金鋼中加入鉻、銅、鈦、鎳等合金元素而制成的，如在低合金鋼中加入鉻可制成不銹鋼。第八章金屬材料

三、鋼材的防火

1、在鋼材表面涂覆防火涂料

防火涂料按受熱時的變化分為膨脹型（薄型）和非膨脹型（厚型）兩種。膨脹型防火涂料的涂層厚度一般為2～7mm，覆著力較強(qiáng)，可同時起裝飾作用。