高等学校土建类专业应用型本科十二五规划教材.ppt

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1、高等学校土建类专业应用型本科“十二五”规划教材,土木工程材料（第2版）,主编：刘斌 徐珍,金属材料,金属材料：黑色金属和有色金属 黑色金属：碳素钢（碳素结构钢、碳素工具钢、铸造碳钢）；合金钢（合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢、铸造合金钢）；铸铁（灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁） 有色金属：铜及其合金（纯铜、黄铜、白铜、青铜）；铝及其合金（纯铝、变形铝合金、铸造铝合金）；轴承合金（锡基轴承合金、铅基轴承合金、铝基轴承合金）钛及其合金 建筑钢材在土木工程中的应用 型钢结构 现代建筑结构,金属材料,7.1钢材的生产和分类 碳钢(steals)和生铁(cast irons)都是以铁元素为溶剂

2、，加入适量碳元素,经冶炼结晶而成的多元铁碳合金。理论上将含碳量在2.11%以下的铁碳合金称为碳钢，含碳量在2.11%6.67%的铁碳合金称为生铁。 7.2钢材的冶炼和生产,金属材料,金属材料,7.2.1钢的三种铸锭 经冶炼后的钢水浇入锭模，形成柱状钢锭的工艺过程称为铸锭。钢水在浇注前必须进行脱氧处理。其方法是在钢水中加入锰铁、硅铁和铝锭等脱氧剂。,金属材料,沸腾钢 大部分气体逸出，少量气体凝固并被封闭在钢锭内部，形成许多小气泡而形成疏松现象。这就使得钢的成分不均匀，组织不够致密，冲击韧性较差（特别是低温下的冲击韧性、焊接性差），从而质量较差。这类钢锭不产生缩孔，切头浪费小，成本低。 镇静钢 浇

3、注前用锰铁、硅铁和铝联合实现充分脱氧，钢水在锭模内平静地结晶。该类钢化学成分均匀，内部组织致密，冲击韧性良好，质量较高。 半镇静钢 半镇静钢的脱氧程度、内部组织、力学性能介于沸腾钢和镇静钢之间。,金属材料,7.2.2钢材的分类 按化学成分分类 （1） 碳素钢 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%。 (2) 合金钢 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%。,金属材料,按质量（硫、磷含量）分类 普通钢：含硫量0.050%,含磷量0.045%; 优质钢：含硫量0.035%,含磷

4、量0.035%; 高级优质钢：含硫量0.025%,含磷量0.025%，该类钢的钢号后面常加“高”字或“A”以示之; 特级优质钢：含硫量0.015%,含磷量0.025%，该类钢号后加“E”以示之。 按冶炼钢水浇注时的脱氧程度分类 沸腾钢:其代号为“F”; 镇静钢:其代号为“Z”,钢号后一般不写; 半镇静钢:其代号为“b”; 特殊镇静钢:脱氧更充分彻底,其代号为“TZ”；,金属材料,按钢材形状特征不同分类 建筑钢材的加工有冷加工与热加工两种方法：对于建筑钢材的热加工，主要是热轧和热处理；对于建筑钢材的冷加工，主要是冷轧、冷拉拔等加工。 根据钢材形状特征不同，可归纳为型材、线材、板材、带材、管材及其

5、他特殊钢材等品种。 （1） 型钢,金属材料,（2） 板带钢 中厚度 薄板 极薄带材（卷材） (3) 钢管,金属材料,（4） 生产工艺简介 热轧型钢生产,金属材料, 冷弯型钢生产 线材生产 一般把直径5.522 mm细长的热轧圆钢叫做线材，是热轧型材中断面最小的一种。大多为成卷交货，故又称盘条。 拉拔生产 一般热轧线材的最小直径为5.5 mm。当金属丝、细管材，以及包括一些异型材的直径小于5.5 mm时,就不可能轧制了。,金属材料,金属材料,金属材料,金属材料, 挤压生产方法 挤压不仅能生产简单的管材和型材，还可以生产用轧制等方法不能生产的形状极为复杂的管材和型材。,金属材料,7.3建筑钢材的技

6、术性能 建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢（圆钢、角钢、工字钢、槽钢、H钢）、钢板； 静载荷指大小不变或变化很慢的载荷； 冲击载荷指突然增加的载荷，特点是有速度和大小； 疲劳载荷指经受周期性或非周期性的动载荷（又称循环载荷）。,金属材料,7.3.1抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的性能。,金属材料,通过该关系曲线分析后可得两个结果：一是低碳钢从受拉到断裂时测得钢材的三个重要技术指标即为屈服强度、抗拉强度和塑性（伸长率、断面收缩率）；二是低碳钢从受拉伸到断裂过程中，经历了四个阶段： （1） 弹性阶段（Oe） （2） 屈服阶段（es） （3） 强化阶段（sb）均匀塑性变形阶段 （4） 颈缩阶段（b

7、D）,金属材料,7.3.2冲击韧性 钢材抵抗冲击载荷作用而 不破坏的能力称为冲击韧 性(impact toughness)。,金属材料,7.3.2.1大能量一次摆锤冲击试验 （1） 冲击试样 根据国家标准GB/T 2291994规定,常用的试样有V型缺口和U型缺口试样,其尺寸为10 mm10 mm55 mm,金属材料,（2） 冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用能量守恒原理：试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。 AK=GH1-GH2=G（H1-H2）,金属材料,（3） 影响钢材冲击韧性的因素 钢材的化学成分、组织状态、晶粒大小 钢材中磷、硫含量高，存在偏析、非金属夹杂物、晶

8、粒粗大，都会使冲击韧性下降。 钢材的冶炼和加工 钢材在冶炼或加工过程中产生了非金属夹杂，或因焊接形成的微裂纹等都会使冲击韧性值下降。 温度t() 冲击韧性随温度的降低而下降。,金属材料,金属材料,7.3.2.2小能量多次冲击试验 实践表明，一次冲击韧度高的材料，小能量多次冲击抗力不一定高，如大功率柴油机曲轴是用孕育铸铁制成的，它的冲击韧度接近于零,而在长期使用中未发生断裂。因此，需要采用小能量多次冲击试验来检验这类金属的抗冲击性能。,金属材料,7.3.3耐疲劳性能 在交变应力（随时间作周期性变化的应力，又叫循环应力）作用下的钢结构件，往往在其应力远低于屈服强度的情况下突然发生脆性破坏，这种破坏

9、称为疲劳破坏。,金属材料,7.3.4硬度 材料抵抗局部变形,特别是 塑性变形、压痕或划痕的能力称 为硬度(hardness)。测试钢材硬度 常用的方法有布氏法和洛氏法两种。 7.3.4.1布氏硬度 （1） 布氏硬度的测试原理,金属材料,（2） 布氏硬度的表示方法 习惯上只写明硬度的数值而不标单位。 当试验的压头为淬硬钢球时，其硬度符号用HBS表示；当试验压头为硬质合金球时，其硬度符号用HBW表示。 （3） 应用范围及优缺点 其优点是测量精度高，能较真实地反映出金属材料的平均性能，工程上应用广泛。缺点是操作时间较长，不宜测试薄壁构件或成品。,金属材料,7.3.4.2洛氏硬度 洛氏硬度(hardn

10、ess)试验原理,金属材料,7.3.5工艺性能 （1）冷弯性能 冷弯(bending)性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是钢材重要的工艺性能指标。 （2）焊接性能 常用建筑钢材的焊接 低碳钢的焊接性 低合金高强度结构钢的焊接性 奥氏体不锈钢的焊接性,金属材料,7.4钢的化学成分及其对钢材性能的影响 7.4.1钢的晶体结构与组织,金属材料,7.4.1.1铁元素的同素异构转变,金属材料,7.4.1.2钢材的基本晶体结构与组织,金属材料,金属材料,7.4.1.3钢中基本组织含量与含碳量的关系 当含碳量在0.77%以下时，其基本 组织为铁素体和珠光 体，随含 碳量 增加，珠光 体量亦增加，铁素

11、体量 减少，强度和硬度逐渐提高，塑性和 韧性逐渐减小；当含碳量为0.77%时， 钢的基本组织仅为珠光体;当含碳量大 于0.77%时，钢的基本组织由珠光体 和渗碳体组成，随含碳量增加，渗 碳体量增加，珠光体量减少，硬度 逐渐提高，塑性和韧性、强度减小。,金属材料,7.4.2化学成分对钢材性质的影响 碳（C） 含碳量增加，钢材的 强度和硬度增加，塑性和韧性下降。 但是，含碳量大于1.0%时，钢材变 脆，强度反而下降（沿晶界出现二 次网状渗碳体所至）。含碳量增加， 还使焊接性、耐蚀性下降；而且使 钢材的冷脆性和时效敏感性增加。 含碳量大于0.3%时，焊接性明显 下降。,金属材料,硅（Si）、锰（Mn

12、）、硫（S）、磷（P）,金属材料,钛(Ti)、钒（V） 显著提高钢的强度，并改善韧性，减少时效敏感性，改善焊接性，但塑性稍有降低，是常用的合金元素。 氧（O）、氮（N） 氧和氮都是炼钢过程中进入钢液的。未除尽的氧、氮大部分以化合物（FeO、Fe4N）的形式存在于钢中。这些非金属化合物、夹杂物会降低钢材的强度、冷弯性和焊接性。,金属材料,7.5钢材的加工与焊接 7.5.1钢材的冷加工强化和时效强化 冷变形 冷变形后的时效处理 （1） 概念 冷变形是 指钢材在常温常压情况下，进行冷拉、冷拔或冷轧、冷挤压，使其塑性变形的过程。 （2） 冷变形的实质 当变形达到一定程度后，各晶粒内的晶格取向发生了转动

13、，使变形前位向紊乱的晶粒呈有序化，并沿着外力方向被拉长，这种现象称为变形结构。特点是无回复与再结晶，只在再结晶温度Tz(0.350.40)Tr条件下发生(Tr指钢材的熔点)。,金属材料,金属材料,(3) 冷加工强化 经冷变形后，金属材料的强度（b、s）增加、塑性（、）降低的现象称为冷加工（cold treatment）强化，或称冷作硬化。,金属材料,冷变形后的处理方法时效处理。 (1) 自然时效 （2） 人工时效 7.5.2钢材的热处理(heat treatment) 退火 其目的： 降低钢的硬度，改善塑性、韧性，以利于切削和冷变形加工； 细化晶粒，均匀钢的组织和化学成分，改善钢的性能，或为以

14、后的热处理作准备； 消除钢中的残余内应力，防止变形和开裂。 正火 将钢材或钢件加热至规定的温度，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺称为正火。 淬火 回火 高温回火（500650 ）硬度达HRC2540,金属材料, 中温回火（250500 ） 硬度可达HRC4050。 低温回火（250 ）硬度（HRC5864） 表面热处理 其目的是使工件表面层具有高硬度和耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。,金属材料,7.6建筑钢材的技术标准与选用 建筑钢材应用分类如下： 建筑钢材：钢结构用钢（各种型钢、钢板）；混凝土结构用钢（钢筋、钢丝、钢绞线） 建筑钢材的原料钢种大多数为碳素结构钢和低合金（高强度）钢。

15、 7.6.1常用建筑钢材的标准与选用 土木工程中常用的 碳素结构钢(carbon structural steels)和低合金（高强度）结构钢。 （1） 牌号及其表示方法 Q+s+质量级别+脱氧方法符号,金属材料,脱氧方法符号有F（沸腾钢）、Z（镇静钢）和TZ(特殊镇静钢)。一般情况下，Z和TZ可省略不写。例如：Q235AF表示平均屈服点为235 MPa的A级沸腾钢。 （2） 碳素结构钢的技术标准与应用 碳素结构钢的平均wC在0.06%0.38%范围内，钢中有害元素和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用较广。它通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、槽钢

16、、角钢、H型钢等），一般以热轧空冷状态供应。,金属材料,7.6.1.2优质碳素结构钢 优质碳素结构钢中的硫、磷等杂质含量较少，按冶金质量等级分类,金属材料,7.6.1.3低合金高强度结构钢(high strength low alloy structural steels) 合金结构钢的牌号表示方法由三部分组成，即“数字+元素符号+数字”。 （1） 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是指在碳钢基础上添加总量小于5%的一种或多种合金元素的钢材。 （2） 牌号 低合金钢均为镇静钢，其牌号表示方法为：Q+屈服强度值+质量等级。其中Q表示钢材屈服强度中“屈”字的汉语拼音首字母。 （3） 技术标准与

17、应用 根据国标低合金高强度结构钢（GB/T 15912008）的规定。,金属材料,7.6.2钢结构用钢 钢结构用钢主要是热轧成型的钢板和型钢，薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢；钢材所用的母材主要是普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢。 7.6.2.1热轧型钢 钢结构常用的型钢有工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢等。,金属材料,H型钢、H型钢桩（图7.32）的规格标记采用“高度H宽度B腹板宽t1翼缘厚t2”表示，例如： H340250914 剖分T型钢（图7.33）的规格标记采用“高度H宽度B腹板宽t1翼缘厚t2”表示，例如： T248199914,金属材料,7.6.

18、2.2冷弯薄壁型钢 (1) 结构用冷弯空心型钢 空心型钢是用连续辊式冷弯机组生产的。按其形状分为方形空心型钢（代号为F）和矩形空心型钢（代号为J）。 (2) 通用冷弯开口型钢 该型钢是利用可冷加工变形的冷轧或热轧钢带在连续辊式冷弯机组上生产的。按其形状分为八种，即冷弯等边和冷弯不等边角钢、冷弯等边和不等边槽钢、冷弯内卷边和冷弯外卷边槽钢、冷弯Z型钢、冷弯卷边Z型钢。 7.6.2.3棒材、钢管和板材 （1） 棒材 常用的棒材有六角钢、八角钢、扁钢、圆钢和方钢。,金属材料,（2） 钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。钢管在相同截面积下刚度较大，是中心受压杆的理想截面；流线型的表面使其承受风压

19、小，用于高耸结构十分有利。 （3） 板材 板材分为平板钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板和彩色涂层钢板等。 7.6.3混凝土结构用钢 钢筋混凝土结构用钢筋主要有： 热轧钢筋 冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋 冷拔低碳钢丝 预应力混凝土用热处理钢筋 预应力混凝土用钢丝和钢绞线,金属材料,预应力混凝土用热处理钢筋 （1） 预应力混凝土用钢丝 （2） 钢绞线 7.6.4铝和铝合金 铝及其特性 铝是有色金属中银白色的轻金属，密度为2.7 g/cm3,熔点为660 。铝的导电性和导热性很好(仅次于铜、银、金），空气中其表面易生成一层稳定的氧化铝薄膜，即Al2O3，从而隔绝空气中的氧继续对铝的氧化，起到了保护作用，故

20、使铝具有一定的耐腐蚀性。,金属材料,铝合金的分类与牌号表示 （1） 铝合金的分类 根据化学成分及生产工艺，可以分为形变铝合金和铸造铝合金两大类。形变铝合金是指可以进行冷或热压力加工的铝合金；铸造铝合金是指由液态直接浇铸成各种形状复杂制品的铝合金。 （2） 铝合金的牌号 目前，应用的铸造铝合金有铝硅（AlSi）、铝铜（AlCu）、铝镁（AlMg）及铝锌（AlZn）四个系列。 铝合金制品 （1） 铝合金门窗 （2）铝合金板,金属材料,7.7钢材的腐蚀与防护 7.7.1钢材腐蚀的概念 钢材表面与周围介质发生作用引起破坏的现象叫做腐蚀（或锈蚀）。 化学腐蚀 电化学腐蚀 阳极区：Fe=Fe2+2e- 阴极区：2H2O+4e-+O2=4OH- 溶液区： Fe2+2OH-=Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3,金属材料,7.7.2钢材的防护 钢材的防腐 （1） 采用耐候钢 （2） 覆盖法防腐 (3) 混凝土用钢筋的防锈 钢材的防火 钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，延缓钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土和砂浆包裹钢结构件。,高等学校土建类专业应用型本科“十二五”规划教材,Thank you!,