09 第9章 金属材料.pptx

第1页：第9章 金属材料

本页为图示内容，具体说明见对应图片。

第2页：第9章 金属材料内容导览

本章内容9.1建筑钢材9.2铝材及铝合金

第3页：9.1 建筑钢材

（a）钢筋（b）型钢（c）钢板（d）钢丝常用钢材

建筑钢材

建筑工程中使用的各种钢材，主要有用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。

第4页：钢材的技术性质

钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，塑性和韧性好，能承受冲击和振动荷载，可以焊接和铆接，易于加工和装配，因此，在土木工程中被广泛应用，尤其是在高层建筑和大跨度结构中，钢材是重要的建筑材料之一

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第5页：9.1.1 钢材的生产和分类

1.钢材的生产钢材是将生铁在炼钢炉中进行冶炼，然后浇注成钢锭，再经过扎制、锻压、拉拔等压力加工工艺制成的材料

生铁性能脆硬，在建筑上难以使用

炼钢的原理就是把熔融的生铁进行加工，使其中碳的含量降到2%以下，其他杂质的含量也控制在规定范围之内

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第6页：钢材的生产

目前，大规模炼钢方法主要有平炉炼钢法、氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法三种

（1）平炉炼钢法以固态或液态生铁、废钢铁或铁矿石作原料，用煤气或重油为燃料在平炉中进行冶炼

平炉钢熔炼时间长，化学成分便于控制，杂质含量少，成品质量高

其缺点是能耗高，生产效率低，成本高，已基本被淘汰

第7页：氧气转炉炼钢法

（2）氧气转炉炼钢法氧气转炉炼钢法已成为现代炼钢法的主流

它是以纯氧代替空气吹入炼钢炉的铁水中，能有效地除去硫、磷等杂质，使钢的质量显著提高，冶炼速度快而成本较低，常用来炼制较优质碳素钢和合金钢

（3）电弧炉炼钢法以电为能源迅速加热生铁或废钢原料，熔炼温度高且温度可自由调节，清除杂质容易

因此钢的质量最好，但成本高，主要用于优质碳素钢及特殊合金钢

第8页：钢材的分类

2．钢材的分类（1）按化学成分分类①碳素钢

碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金

其含碳量为0.02％～2.06％

此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素

碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢（含碳量小于0.25％）中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量大于0.60％）

第9页：合金钢的分类

②合金钢

是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种

常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等

按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量小于５％）中合金钢（合金元素总含量为５％～10％）高合金钢（合金元素总含量大于10％）

第10页：按冶炼时脱氧程度不同分类

（2）按冶炼时脱氧程度不同分类①沸腾钢

炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全

这种钢水浇入锭模时，会有大量ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢

沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差

但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程

第11页：镇静钢

②镇静钢

炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，同时能起去硫作用

这种钢水铸锭时能平静地充满锭模冷却凝固，故称镇静钢

镇静钢成本较高，但组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好

适用于预应力混凝土等重要的结构工程

第12页：按品质分类

（3）按品质分类根据硫、磷有害杂质的含量不同，钢材分为普通钢、优质钢和高级优质钢等（4）按用途分类钢材分为结构钢、工具钢和特殊钢

建筑上常用的钢种是普通碳素钢中的低碳钢和普通合金钢中的低合金钢

第13页：9.1.2 钢材的性质

9.1.2建筑钢材的主要技术性能钢材的性质主要包括力学性质、工艺性质和化学性质等，其中力学性质是最主要的性能之一

1．抗拉性能抗拉性能是表示钢材性能的重要指标

由于拉伸是建筑钢材的主要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸试验测定，以屈服点、抗拉强度和伸长率等指标表征

第14页：低碳钢受拉应力—应变曲线

低碳钢受拉的应力-应变图

第15页：弹性阶段

(1)弹性阶段(O—A)在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段

弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp

当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量

第16页：屈服阶段

(2)屈服阶段(A—B)当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长

在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段

如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段

B下所对应的应力值称为屈服极限σs

第17页：强化阶段

(3)强化阶段(B—C)当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高

在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段

对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示，它是钢材所能承受的最大应力

第18页：屈服强度与抗拉强度之比

（屈强比）σs／σb是评价钢材使用可靠性的一个参数

屈强比愈小，钢材受力超过屈服点工作时可靠性越大，安全性越高，但是，屈强比太小，钢材强度的利用率偏低，浪费材料

第19页：颈缩阶段

(4)颈缩阶段(C—D)当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂

将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：

第20页：冲击韧性

2．冲击韧性冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力

它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以αk表示(J/cm2)

αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好

影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性

第21页：冲击韧性试验图

(a)试件尺寸

(b)试验装置

(c)试验机

第22页：硬度

3．测定钢材硬度常用布氏法

布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB

HB值越大，表示钢材越硬

硬度硬度

钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。

第23页：布氏硬度测定示意图

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第24页：钢材的疲劳性

4、耐疲劳性钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏

疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力

一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高

钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关

第25页：冷弯性能

5、钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的

试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高

冷弯性能冷弯性能

钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。

第26页：钢材冷弯试验示意图

（a）安装试件（b）弯曲90°（c）弯曲180°（d）弯曲至两面重合钢材冷弯试验示意图

第27页：钢材的焊接性能

6、焊接性能钢材主要以焊接的形式应用于工程结构中

焊接的质量取决于钢材与焊接材料的可焊性及其焊接工艺

可焊性好的钢材焊接后不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊头牢固可靠，焊缝及其热影响区的性能不低于母材的力学性能

影响钢材可焊性的主要因素是化学成分及含量

钢材的可焊性

钢材在通常的焊接方法和工艺条件下获得良好焊接接头的性能。

第28页：钢材的冷加工及热处理

7．钢材的冷加工及热处理（1）冷加工钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化

钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等

第29页：钢筋的冷拉时效

（2）时效将经过冷拉的钢筋于常温下存放15~20d，或加热到100~200℃并保持一段时间，其强度和硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低，这个过程称为时效处理

前者称为自然时效，后者称为人工时效

钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低

第30页：冷拉时效后的应力—应变关系

钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化

第31页：9.1.3 化学成分对钢材性能的影响

1．碳碳是决定钢材性能的主要元素

随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降

但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降

第32页：含碳量对钢材性能的影响

含碳量对热轧碳素钢性质的影响σb—抗拉强度

αk—冲击韧性

HB—硬度

δ—伸长率

φ—面积缩减率

第33页：硅、锰对钢材的影响

2、硅、锰加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用

3、硫、磷硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔点的共晶体

当钢材温度升至1000℃以上进行热加工时，共晶体熔化，晶粒分离，使钢材沿晶界破裂，这种现象叫做热脆性

磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性

第34页：氧、氮对钢材的影响

4、氧、氮未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等

这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能

氧还使钢热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加

5、铝、钛、钒、铌是钢强脱氧剂和合金元素

能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度

第35页：9.1.4 建筑钢材的标准

与选用建筑钢材材按用途可划分为钢结构用钢和混凝土结构用钢两大类

1．钢结构用钢材（1）碳素结构钢普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金

其含碳量为0.02%~2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素

现行国家标准《碳素结构钢》(GB/T700—2006)规定了碳素钢牌号表示方法、技术标准等

第36页：碳素结构钢的牌号

1）碳素结构钢的牌号碳素结构钢的牌号由四部分表示，按顺序为：屈服点字母（Q）、屈服点数值、质量等级（有A、B、C、D四级，逐级提高）和脱氧程度（F为沸腾钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇钢

用牌号表示时Z、TZ可省略）

例如：Q235—AF：表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢

Q235—B：表示屈服点为235MPa，B级镇静钢

第37页：碳素结构钢的技术要求

2）技术要求国家标准《碳素结构钢》（GB/T700-2006）对碳素结构钢的化学成分、力学性质及工艺性质做出了具体的规定

其化学成分及含量应符合课本表9-1的要求

碳素结构钢依据屈服点Q的数值大小划分为五个牌号

其力学性能要求如课本表9-2

冷弯试验规定如课本表9-3所示

第38页：碳素结构钢的选用

3）选用碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，其强度增大，但塑性和韧性降低

建筑工程中主要应用Q235号钢，可用于轧制各种型钢、钢板、钢管与钢筋

Q235号钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好，且冶炼方便，成本较低，因此广泛用于一般钢结构

Q195、Q215号钢材强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等

Q275号钢材强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等

第39页：低合金高强度结构钢

（2）低合金高强度结构钢低合金高强度钢是普通低合金结构钢的简称

一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成

合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素

加入合金元素后，可使其强度、耐腐蚀性、耐磨性、低温冲击韧性等性能得到显著提高和改善

第40页：1）低合金高强度钢的牌号

低合金高强度结构钢按力学性能和化学成分分为Q295，Q345，Q390，Q420，Q460五个牌号

按硫、磷含量分A，B，C，D，E五个质量等级，其中E级质量最好

钢号按屈服点字母Q、屈服点数值和质量等级排列

如Q295-A的含义为：屈服点为295MPa，质量等级为A的低合金高强度结构钢

第41页：低合金高强度结构钢牌号与性能

2）技术要求按GB1591-1994规定，低合金高强度结构钢的化学成分与力学性质如课本表9-4和表9-5所示

3）选用低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能，具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工

因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料

与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益

第42页：型钢

（3）型钢、钢板、钢管1）型钢型钢有热轧和冷轧两种成型方式

热轧型钢主要有角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等

2）钢板钢板亦有热轧和冷轧两种型式

热轧钢板有厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度小于4mm）两种，冷轧钢板只有薄板（厚度为0.2~4mm）一种

3）钢管钢管分为无缝钢管与焊接钢管两大类

第43页：混凝土结构用钢材

2．混凝土结构用钢材（1）热轧钢筋1）牌号《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB13013）和《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499）规定，热轧钢筋分为HPB235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号

牌号中HPB代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋，牌号中的数字表示热轧钢筋的屈服强度

其中热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆

热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋

第44页：带肋钢筋的外形

(a)等高肋钢筋

(b)月牙肋钢筋

第45页：钢筋的力学性能要求

2）技术要求按照GB13013-1991和GB1499-1998规定，对热轧光圆钢筋和热轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能的要求如课本表9-6所示

3）选用光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性好，便于冷加工，广泛用做普通钢筋混凝土

HRB335，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好，广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋

HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋

第46页：冷拉热轧钢筋

(2)冷拉热轧钢筋为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对热轧钢筋进行冷拉

(3)冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔后，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋

国标《冷轧带肋钢筋》（GB13789-2000）规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和钢筋的抗拉强度构成，分为CRB550，CRB650，CRB800，CRB970，CRB1170五个牌号，其中CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其它牌号为预应力混凝土用钢筋

第47页：冷轧扭钢筋

（4）冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋由低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋

按其截面形状不同分为I型（矩形截面）和Ⅱ型（菱形截面）两种类型

代号为LZN

（5）热处理钢筋热处理钢筋是用热轧螺纹钢筋经淬火和回火的调质处理而成的，代号为RB150

按螺纹外形可分为有纵肋和无纵肋两种

根据国标《预应力混凝土用热处理钢筋》的规定，热处理钢筋有40SiMn、48Si2Mn和45Si2Cr等三个牌号

第48页：预应力混凝土用钢丝和钢绞线

（6）预应力混凝土用钢丝和钢绞线预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝（代号为WCD）和消除应力钢丝两类

消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝（代号为WLR）和普通松弛级钢丝（代号为WNR）

钢丝按外形分为光圆钢丝（代号为P）、螺旋肋钢丝（代号为H）、刻痕钢丝（代号为I）三种

预应力钢绞线按捻制结构分为五类：用两根钢丝捻制的钢绞线（代号为1×2）、用三根钢丝捻制的钢绞线（代号为1×3）、用三根刻痕钢丝捻制的钢绞线（代号为1×3I）、用七根钢丝捻制的标准型钢绞线（代号为1×7）、用七根钢丝捻制又经模拔的钢绞线[代号为（1×7）C]

第49页：9.1.5 钢材的锈蚀与防止

1．钢材的锈蚀（1）化学锈蚀钢材的化学锈蚀是由于大气中的氧和工业废气中的硫酸气体、碳酸气体等与钢材表面作用引起的

（2）电化学锈蚀电化学锈蚀是由于金属表面形成原电池而产生的锈蚀

第50页：钢材锈蚀的防止

2．钢材锈蚀的防止（1）涂敷保护膜使金属与周围介质隔离，既不能产生氧化锈蚀反应，也不能形成腐蚀原电池

（2）电化学防腐电化学防腐包括阳极保护和阴极保护，适用于不容易或不能涂敷保护膜层的钢结构（3）制成合金钢在钢中加入合金元素铬、镍、钛、铜，制成不锈钢，提高其耐蚀能力

第51页：9.2 铝材及铝合金

9.2.1铝及铝合金铝为银白色轻金属，强度低，塑性好，导热、电热性能强

铝的化学性质很活泼，在空气中易和空气反应，于金属表面生成一层氧化铝薄膜，阻止其继续腐蚀

纯铝产品有铝锭和铝材两种

纯铝可加工成铝粉，用于加气混凝土的发气，也可作为防腐涂料（又称银粉）用于铸铁、钢材等的防腐

第52页：常用铝合金制品

9.2.2常用铝合金制品在现代建筑中，常用的铝合金制品有铝合金门窗，铝合金装饰板及吊顶，铝及铝合金波纹板、压型板、冲孔平板，以及铝箔等，具有承重、耐用、装饰、保温、隔热等优良性能

随着建筑物向轻质和装配化方向发展，今后铝合金将在我国建筑结构、门窗、顶棚、室内装饰及五金等方面广泛使用