第2章 建筑金属材料.ppt

第2章建筑金属材料,本章学习指导,历史回顾、工程应用,2.1钢的分类,2.2建筑钢材的力学与工艺性能,2.3钢材的组成结构及对性能的影响,2.4钢材的强化与加工,2.5土木工程常用金属材料的性质及应用,2.6钢材的腐蚀与防护,本章学习指导,本章共6个知识点。学习目标是⑴了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系；⑵掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影响因素；⑶熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法；⑷掌握土木工程中常用建筑钢材的分类及其选用原则。本章的难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。除钢材外，铝合金近年迅速发展，对其在土木工程中的应用亦应有所了解。,历史回顾,广州海珠桥的钢材,2004年，提供建造海珠桥钢材的英国企业向广州市政部门发来传真，提醒有关部门注意，这些钢材是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸下来的，所以就其寿命计算，海珠桥使用的钢材预计已有百年历史，已经进入疲劳期，继续使用则需进行疲劳强度的测试，并根据测试结果进行加固等。,广州海珠桥已“年逾七旬”，但其使用的钢材预计已有百年历史。,工程应用,钢结构厂房,工程应用,国家体育场“鸟巢”,工程应用,巴黎艾菲尔铁塔,2.1钢的分类,钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06％的铁碳合金称为生铁。铸铁含碳量为2％～4％）；工业纯铁含碳量小于0.04。,2.1.1按化学成分分类,2.1.2按品质（杂质含量）分类,2.1.3按冶炼时脱氧程度分类,2.1.1按化学成分分类,1.碳素钢低碳钢含碳量0.60％2.合金钢低合金钢合金元素总含量10％建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。,2.1.2按品质（杂质含量）分类,1.普通钢含硫量≤0.050％；含磷量≤0.045％。2.优质钢含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。3.高级优质钢含硫量≤0.025％；含磷量≤0.025％。4.特级优质钢含硫量≤0.015％；含磷量≤0.025％。,2.1.3按冶炼时脱氧程度分类,1.沸腾钢炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾。这种钢材称为沸腾钢，代号为“F”。其冲击韧性和可焊性较差。2.镇静钢炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，代号为“Z”。3.半镇静钢指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，代号为“b”。4.特殊镇静钢比镇静钢脱氧程度更彻底的钢，代号为“TZ”。特殊镇静钢质量最好，适用于特别重要的结构工程。,2.2建筑钢材的力学与工艺性能,2.2.1抗拉性能,2.2.2冲击韧性,2.2.3耐疲劳性,2.2.4工艺性能,2.2.1抗拉性能,在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映钢材的主要力学特征。从右图低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到被拉断，经历了四个阶段弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。每个阶段的特点详见动画演示。,基础知识,（1）伸长率δn,l1拉断后标距部分长度mm；l0原标距长度mm；n长试件n10，短试件n5。,通常取l05d，或l010d，伸长率分别为δ5和δ10。相同钢材，δ5＞δ10。,钢材的塑性,2.2.1抗拉性能,1两种钢材的选用,请观察下图中Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的应力－应变曲线的差异。讨论下述问题,,①若对于变形要求严格的构件，Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢选用何种更合适,②使用Ⅰ、Ⅱ两种钢材，哪一个安全性较高,观察与讨论,1两种钢材的选用,从Ⅰ、Ⅱ两条曲线比较可知，低碳钢Ⅱ的弹性模量E小于低碳钢Ⅰ，也就是说，低碳钢Ⅱ的抗变形能力不如低碳钢Ⅰ。对于变形要求严格的构件选用低碳钢Ⅰ更为合适。,1两种钢材的选用,Ⅰ、Ⅱ两种低碳钢的屈服强度бs相近，但低碳钢Ⅰ的抗拉强度бb高于Ⅱ。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，即бs/бb。屈强比越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。当然，屈强比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，也不合理。有时也使用强屈比（бb/бs）来评价钢材的可靠性。钢材Ⅰ的屈强比较低，故其安全性高于钢材Ⅱ。Q235钢材的屈强比为0.58～0.63，普通的合金钢的屈强比在0.67～0.75之间。,2.2.2冲击韧性,钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧，在试样中间开V形缺口。,钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功。,反映钢材抵抗冲击荷载的能力。,2.2.3耐疲劳性,受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。,钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。,2.2.4工艺性能,1.冷弯性能,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度α和弯心直径d为指标表示，如右图所示,伸长率反映钢材在均匀变形下的塑性。冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。,2.焊接性能,钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能特别是强度应不低于原有钢材的强度。,2.3钢材的组成结构及对性能的影响,2.3.1钢材的晶体结构,2.3.2钢材的基本晶体组织,2.3.3钢材的成分对性能的影响,2.3.1钢材的晶体结构,钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁-碳合金晶体，钢的晶格有两种构架体心立方晶格和面心立方晶格见下图。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。钢材的晶格并不都是完好无缺地规则排列，而是存在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远比理论强度小的根本原因。,,,2.3.2钢材的基本晶体组织,片状珠光体（1000倍）,针状和块状铁素体（100倍）,2.3.3钢材的成分对性能的影响,除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。,碳是决定钢材性能的最重要元素。,σb抗拉强度αk冲击韧性δ伸长率ψ断面收缩率HB硬度,有益元素硅、锰、钛、钒等有害元素硫、磷、氮、氢、氧等,2.4钢材的强化与加工,2.4.1冷加工强化,2.4.2时效处理,2.4.3热处理,2.4.1冷加工强化,将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。,,2.4.2时效处理,将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放15～20d，或加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。时效处理方法有两种在常温下存放15～20d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至100～200℃后保持一定时间（2～3h），称人工时效，适合于高强钢筋。,钢筋冷拉时效后的应力-应变曲线,由图可见，将钢筋冷拉至强化阶段的K点，然后卸荷，则产生塑性变形，若立即受拉，钢筋的应力-应变曲线将沿O’KCD发展至破坏。,2.4.3热处理,热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其晶格组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理包括淬火、回火、退火和正火，见下图。,,,,钢的热处理工艺,2.5土木工程常用金属材料的性质及应用,2.5.1建筑常用钢种,2.5.2钢结构用钢,2.5.3混凝土结构用钢,2.5.4铝合金,2.5.1建筑常用钢种,1.碳素结构钢,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。,Q235-AF,Q215-B的含义,2.优质碳素结构钢,优质碳素结构钢根据锰含量的不同可分为普通锰含量钢和较高锰含量钢两组。,08F、10F、15F；08、10、15、、80、85；15Mn70Mn,,,15平均含碳量0.15％,,Mn较高含锰量,共31个牌号,,3.低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5％的合金元素的钢材，具有强度高，塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀等特点。,牌号的含义同碳素结构钢。,牌号,Q345-A的含义,2.5.2钢结构用钢,钢结构用钢主要是热轧成形的钢板和型钢等；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及低合金高强度结构钢。钢结构用钢有热轧型钢、冷弯薄壁型钢、棒材、钢管和板材。,工字钢。热轧工字钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB706-88；H型钢和T型钢。热轧H型钢和剖分T型钢GBT11263-2005；槽钢。热轧槽钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB707-88；L型钢。热轧L型钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB9946-88；角钢。热轧等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB9787-88、热轧不等边角钢尺寸、外形、重量及允许偏差GB9788-88。,1.热轧型钢,主要采用碳素结构钢（如Q235）和低合金高强度结构钢（如Q345）。,,翼缘宽，侧向刚度大，抗弯能力强。在承受相同截面负荷条件下，可使钢结构重量减轻1530。翼缘宽且两表面互相平行，便于机械加工和安装，使钢结构的连接简单易行。,H型钢,工字钢,H钢的特点,,槽钢,角钢,,2.冷弯薄壁型钢,采用2～6mm薄钢板冷弯或模压而成；空心型钢。方形、矩形；开口薄壁型钢。角钢、槽钢、Z型钢等。,矩形管,方形管,Z型钢,,3.棒材,六角钢、八角钢；扁钢；圆钢、方钢；,圆钢,,4.钢管,无缝钢管；焊缝钢管；,钢管,5.板材,钢板。一般采用碳素结构钢（重型结构和大跨度结构也有采用低合金高强度结构钢）冷轧或热轧而成；花纹钢板；压型钢板。经辊压或冷弯制成截面呈V型、U型、梯形或类似形状波纹的钢板；彩色涂层钢板。,压型钢板,花纹钢板,2.5.3混凝土结构用钢,混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成，包括热轧钢筋、冷轧扭钢筋和冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,1.热轧钢筋,,光圆钢筋,带肋钢筋,2.冷轧带肋钢筋,热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径后，在其表面冷轧成二面或三面有横肋的钢筋。牌号CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170；力学性能指标σb、δ5或δ10、弯曲试验或反复弯曲试验次数、松弛率；应用CRB550为普通混凝土用钢筋，其它牌号为预应力混凝土用钢筋。,冷轧带肋钢筋（GB/T13788-2000）,,3.预应力混凝土用钢丝和钢绞线,优质碳素结构钢盘条，经酸洗、拔丝模或轧辊冷加工或经消除应力等工艺制成的高强度钢丝；按加工状态分类冷拉钢丝（WCD）、低松弛钢丝（WLR）和普通松弛钢丝（WNR）；按外形分类光圆钢丝（P）、螺旋肋钢丝（H）和刻痕钢丝（I）。冷拉钢丝的力学性能指标σp0.2、σb、δgt、弯曲次数、ψ、扭转次数、松弛率。低松弛钢丝（WLR）和普通松弛钢丝（WNR）的力学性能指标σp0.2、σb、δgt、弯曲次数、ψ、松弛性能。,1.预应力混凝土用钢丝,预应力混凝土用钢丝（GB/T7144-2000）,2.预应力混凝土用钢绞线,一般由2根、3根或7根直径为2.5mm～6.0mm的高强度钢丝经绞埝和消除内应力的热处理而制成；产品性能指标抗拉强度Rm、最大力Fm、Fp0.2、δgt、松弛性能。应用强度高、塑性好、易于锚固，多用于大跨度、重荷载的预应力混凝土结构。,预应力混凝土用钢绞线（GB/T5224-2003）,,4.预应力混凝土用热处理钢筋,由热轧螺纹钢筋经淬火和回火等调质处理制成；以盘条供应，开盘后自然伸直；规格6mm、8.2mm、10mm。牌号40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr；代号RB150；力学性能指标σp0.2、σb、δ10、松弛率。应用预应力混凝土梁板和轨枕，不能焊接与点焊。,预应力混凝土用热处理钢筋（GB4463-84）,,2.5.4铝合金,纯铝在建筑上的应用较少，可加工成铝粉，用于加气混凝土的发气。为提高铝的强度，在铝中可加入锰、镁、铜、硅、锌等制成各种铝合金，铝合金可被加工成各种铝合金门窗、龙骨、压型板、花纹板、管材、型材、棒材等。,2.6钢材的腐蚀与防护,2.6.1钢材的腐蚀,2.6.2钢材的防护,2.6.1钢材的腐蚀,钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。,化学锈蚀。与周围介质发生直接化学反应。电化学锈蚀。与电解质溶液接触，形成微电池。,电化学锈蚀是钢材锈蚀的最主要形式。,阳极区,铁溶解，即铁被腐蚀，并放出电子,阴极区,消耗电子，氧被还原,溶液区,生成铁锈，体积膨胀,进一步氧化，体积再膨胀,1.使钢材有效截面积均匀减小；2.产生局部锈坑，引起应力集中,产生锈蚀疲劳；3.显著降低钢的强度、塑性韧性等力学性能；4.体积增大（最大可达6倍），使混凝土胀裂。,腐蚀的危害,2.6.2钢材的防护,1.钢材的防腐,具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋的防锈。,2.钢材的防火,耐火试验与火灾案例调查表明无保护层时钢柱和钢屋架的耐火极限只有0.25h，裸露钢梁耐火极限仅为0.15h；温度在200℃以内，可以认为钢材的性能基本不变；超过300℃以后，弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著下降，应变急剧增大；到达600℃时已失去承载能力。,钢是不燃性材料，但不能够抵抗火灾。,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，推迟钢结构的升温速率。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、砂浆将钢构件包裹起来。,防火涂料膨胀型（薄型，涂2～7mm），耐火极限可达0.5～1.5h；非膨胀型（厚型，涂8～50mm），耐火极限可达0.5～3h。不燃性板材。石膏板、蛭石板、硅酸钙板、珍珠岩板、矿棉板等。,