土木工程材料金屬材料PPT課件

1、本 章 目 錄本章提要概述2.1 鋼材的冶煉與分類2.2 建筑鋼材的力學性能與工藝性能2.3 鋼材的組織和化學成分對鋼材性能的影響2.4 常用建筑鋼材的技術(shù)標準2.5 鋼材的腐蝕與防護2.6 鋼的防火2.7 建筑裝飾用鋼材制品2.8 建筑中用鋁及鋁合金制品2.9 銅和銅合金案例分析 第1頁/共103頁本章提要 金屬材料的基本概念 金屬材料具備的基本性質(zhì) 如何根據(jù)土木工程應用選擇金屬材料 本章重點：建筑鋼材的基本性能及應用。 本章難點：鋼材冷加工強化與時效處理的機理。 第2頁/共103頁概述 金屬材料的通常分類金屬材料黑色金屬：鐵、鋼、合金鋼等有色金屬：鋁、銅、鋅、鉛及合金等第3頁/共103頁2

2、.1 鋼材的冶煉與分類2.1.1 鋼的冶煉2.1.2 鋼材的分類第4頁/共103頁2.1.1 鋼的冶煉 鋼：鐵碳合金，鐵Fe為主要元素：碳C含量2.11，雜質(zhì)元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。 生鐵：鐵碳合金，C含量高，約為2.116.69，并含較多雜質(zhì)的。冶 煉生 鐵鋼 生鐵中的碳氧化，降低含C量，除去雜質(zhì)元素，降低其含量第5頁/共103頁（一）冶煉 根據(jù)煉鋼設備的不同，煉鋼方法有轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐三種方法：三種主要煉鋼方法的特點爐種 原料 特 點 生產(chǎn)鋼種氧氣轉(zhuǎn)爐 鐵水，廢鋼 可有效除去磷、硫雜質(zhì)少， 碳素鋼 效率高 質(zhì)量好。 低合金鋼 電爐 生鐵、廢鋼 產(chǎn)量低、耗電大，雜質(zhì)少

3、 合金鋼 質(zhì)量最好，成本高 優(yōu)質(zhì)碳素鋼平爐 生鐵、廢鋼 時間長，成分穩(wěn)定 碳素鋼 質(zhì)量較好、成本較高 低合金鋼第6頁/共103頁2.1.2 鋼材的分類1.按冶煉方法分鋼轉(zhuǎn)爐鋼沸騰鋼電爐鋼平爐鋼按冶煉方法分按脫氧程度分半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼按爐襯材料分為酸性鋼和堿性鋼第7頁/共103頁2.1.2 鋼材的分類2.按化學成分分鋼中碳鋼低合金鋼高碳鋼低碳鋼碳素鋼合金鋼中合金鋼高合金鋼C0.25%C=0.25%0.60C0.60合金總含量5%5%1010第8頁/共103頁2.1.2 鋼材的分類 3按有害雜質(zhì)含量分類 按硫（S）和磷（P）的含量多少，可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級優(yōu)質(zhì)鋼四種。 4

4、按用途不同分類 按鋼的用途不同，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼三種。 第9頁/共103頁問題：鋼材的脫氧程度對鋼材質(zhì)量的影響？ 答：脫氧程度不高的鋼材中還保留較多的FeO，在鋼材鑄錠時，碳與FeO反應生成CO氣泡，并有一部分殘留在鋼中，造成微裂縫和成分偏析，降低致密性、強度和可焊性，低溫下的韌性變差，冷脆性和時效敏感性增大等。 脫氧程度排序： 特殊鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼 鋼材性能與質(zhì)量排序： 特殊鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼沸騰鋼第10頁/共103頁 2.2 建筑鋼材的力學性能與工藝性能 2.2.1 力學性能 2.2.2 工藝性能第11頁/共103頁2.2.1 力學性能 鋼材的力學性能，即是指鋼材在

5、外力（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能，包括：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。 拉伸壓縮彎曲剪切扭轉(zhuǎn)荷載形式第12頁/共103頁2.2.1 力學性能 1抗拉性能 2沖擊韌性 3耐疲勞性 4硬度第13頁/共103頁1抗拉性能拉伸試驗機與樣品的安裝 第14頁/共103頁l1 l0 伸長l0l1F0F1F1 F0 頸縮n=(l1 - l0 )/ l0 100%=(F0-F1)/F0100%第15頁/共103頁 （1）彈性階段（OA段） （2）屈服階段（AB段） （3）強化階段（BC段） （4）頸縮階段（CD）常用低碳鋼的彈性模量E約為2.02.1105MPa，彈性極限為p約為180200MPa。 E這

6、種應力基本保持不變，而應變顯著增加的現(xiàn)象，稱為屈服。常用低碳鋼的屈服極限s約為185235MPa。故設計中一般以屈服點作為強度取值依據(jù)。 過了屈服階段后，材料又恢復了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力。這種現(xiàn)象稱為材料的強化?？估瓘姸仍谠O計中雖不能利用，但屈強比（s /b）在設計中有著重要意義。 屈強比小，結(jié)構(gòu)的安全性高。若屈強比過小，則鋼材利用率低。建筑結(jié)構(gòu)鋼屈強比一般在0.600.75范圍內(nèi)較合理。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的屈強比大約為0.580.63；低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈強比大約為0.650.75；對有抗震要求的框架結(jié)構(gòu)縱向受力鋼筋要求屈強比不應超過0.80。第16頁/共103頁問題：

7、 什么是屈強比，對選用鋼材有何意義？第17頁/共103頁塑 性 鋼材在荷載作用下斷裂前產(chǎn)生永久變形的能力稱為鋼材的塑性, 用伸長率和斷面收縮率來表示。 伸長率（） 在拉伸試驗中, 試樣拉斷后, 標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。 = （l1l0）/ l0 100% 斷面收縮率（） 試樣拉斷后, 縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。 = （F0F1）/ F0 100% 伸長率和斷面收縮率的值越大，鋼材的塑性越大第18頁/共103頁中碳鋼與高碳鋼（硬鋼）由于材質(zhì)較硬，抗拉強度高，塑性變形較小，受拉時無明顯的屈服階段 。故常以其規(guī)定殘余變形為0.2%l0時的應力值作為名

8、義屈服點，也稱條件屈服點，用0.2表示。 第19頁/共103頁強度概念小結(jié) 鋼材抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為其強度，鋼材的強度用拉伸試驗測定。強度指標根據(jù)其變形特點分下列幾個： 彈性極限（P） 表示鋼材保持彈性變形, 不產(chǎn)生塑性變形的最大應力, 是彈性零件的設計依據(jù)。 屈服強度（ s） 表示鋼材開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力，是鋼結(jié)構(gòu)設計的依據(jù)。 條件屈服強度0.2 對于屈服現(xiàn)象不明顯的硬鋼，則規(guī)定以產(chǎn)生殘余變形為0.2%時的應力。 強度極限(抗拉強度b ) 表示金屬受拉時所能承受的最大應力。 第20頁/共103頁問題：屈服現(xiàn)象的特征是什么？ 答： 其特征是：鋼材拉伸試驗過程中，應力不增加而塑性變

9、形不斷增加。第21頁/共103頁2沖擊韌性 鋼材抵抗沖擊（動）荷載作用的能力，稱為沖擊韌性，采用V形缺口試件，用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。 測得試樣沖擊吸收功,用符號W（J) 表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積 S0, 即得到材料的沖擊韌度 ak。 ak （J/m2)值越大,表示沖斷時吸收的功越多，鋼材的沖擊韌性越好。 隨溫度降低，鋼材由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔眩箾_擊值降低的現(xiàn)象稱為冷脆性，與之對應的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。第22頁/共103頁沖擊試驗： 測量擺錘沖擊前后的能量差擺錘的高度差擺錘的質(zhì)量。 再測量試件斷裂面積。擺錘試件H0H1第23頁/共103頁問題： 鋼材的沖擊韌性的影響因

10、素？ 答：鋼材的沖擊韌性對鋼材內(nèi)部的各種缺陷和環(huán)境溫度非常敏感，因此，沖擊韌性主要受下列因素影響：1.鋼中的S、P等有害雜質(zhì)含量(成分偏析程度)；2.環(huán)境溫度3.鋼的時效隨時間的延長，鋼材表現(xiàn)強度和硬度提高，但其塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為時效。時效作用導致鋼材性能改變程度的大小叫時效敏感性。 第24頁/共103頁3耐疲勞性 鋼構(gòu)件若在交變應力（隨時間進行周期性交替變更的應力）的反復作用下，往往在工作應力遠小于抗拉強度時發(fā)生驟然斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞破壞”。 當應力作用方式、大小或方向等交替變更時，裂紋兩面的材料時而緊壓或張開，形成了斷口光滑的疲勞裂紋擴展區(qū)。隨著裂紋向縱深發(fā)展，在疲勞破壞的

11、最后階段，裂紋尖端由于應力集中而引起剩余截面的脆性斷裂，形成斷口粗糙的瞬時斷裂區(qū)。第25頁/共103頁疲勞強度 在交變應力（動荷載）作用下，雖然鋼構(gòu)件所承受的應力低于材料的屈服點，但經(jīng)過較長時間的工作而產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程，稱為疲勞破壞。 材料承受的交變應力( )與材料斷裂前承受交變應力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來表示。 鋼材承受的交變應力越大, 則斷裂時應力循環(huán)次數(shù)N越少。當應力低于一定值時, 試樣可以經(jīng)受無限次周期循環(huán)而不破壞, 此應力值稱為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強度) 。 第26頁/共103頁4硬度 鋼材抵抗另一硬物體壓入其內(nèi)的能力叫硬度，即受壓時抵抗局部塑性變

12、形的能力。有布氏法和洛氏法兩種方法測定。 洛氏硬度測量原理圖 布氏硬度測量原理圖 第27頁/共103頁問題：鋼材的疲勞破壞過程怎樣？其疲勞強度與哪些因素有關(guān)？答：疲勞破壞過程包括再交變應力作用下，疲勞裂縫的產(chǎn)生擴展突然斷裂。 其主要影響因素有：1.內(nèi)部缺陷（晶界、微孔、夾雜物等）；2.成分偏析；3.過大的內(nèi)應力，截面沿縱向的突變；4.表面狀態(tài)；5.受力的種類、應力循環(huán)特征值、循環(huán)次數(shù)等。第28頁/共103頁2.2.2 工藝性能 1冷彎性能 2冷加工性能及時效處理 3焊接性能 4鋼材的熱處理第29頁/共103頁1冷彎性能1、定義：常溫下鋼材能承受較大的彎曲變形而不破壞的能力，衡量鋼材的冷塑性變形

13、能力；2、評價指標：用不同彎曲角度和不同彎心半徑d相對于鋼材厚度a的比值（d/a）表示；3、試驗方法：按一定的角與d/a值進行冷彎，試件彎曲處的外拱面及兩個側(cè)面不出現(xiàn)裂縫和起層現(xiàn)象為合格。 第30頁/共103頁P鋼材的冷彎試驗ad外拱面第31頁/共103頁2冷加工性能及時效處理（1）冷加工強化（2）鋼材的時效處理第32頁/共103頁（1 1）冷加工處理 將鋼材在其結(jié)晶溫度以下的塑性變形加工稱為冷加工，如在常溫下進行冷拉、冷拔、冷軋等冷加工處理。 由于冷塑性變形引起強度增高而塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為加工硬化，或形變硬化。 冷加工硬化原理： 鋼材加工至塑性變形后，由于塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)生相對滑

14、移，使滑移面下的晶粒破碎，經(jīng)格歪扭，構(gòu)成滑移面的凹凸不平，從而給使用中的變形造成附加阻力，提高了鋼材對外力作用下重新滑移產(chǎn)生的抵抗力。 加工硬化的效果：屈服強度提高塑性和韌性降低可焊性變壞硬脆傾向增加等。 第33頁/共103頁鋼材的重復拉伸0 p e 0第34頁/共103頁（2）時效處理 將經(jīng)過冷加工的鋼筋，在常溫下存放1520天，或在100120C保持一定時間，其強度進一步提高，彈性模量基本恢復，這個過程稱為時效處理。 時效硬化原理： 由于溶于鐵素體中的過飽和的氮和氧原子，隨著時間的增長慢慢地以Fe4N和FeO從鐵素體中析出，形成滲碳體分布于晶體的滑移面或晶界面上，阻礙晶粒的滑移，增加抵抗塑

15、性變形的能力，從而使鋼材的強度和硬度增加、塑性和沖擊韌性降低。 第35頁/共103頁時效處理 鋼材產(chǎn)生實效的難易程度稱為時效敏感性，用時效敏感系數(shù)表示： C值越大，時效敏感性越大。 為了盡快取得強化效果，可將冷拉過的鋼筋加熱到100200C保持2小時，以加速時效的發(fā)展，這種方法稱為人工實效。 實際意義：承受動載或處于中溫的鋼結(jié)構(gòu)，要求鋼材具有較小的時效敏感性。但對于建筑上用的鋼筋來說，可提高其屈服強度。 第36頁/共103頁 可焊性 1、定義：鋼材在焊接后，焊頭聯(lián)結(jié)的牢固程度和硬脆傾向大小的性能；2、測量：將焊接的鋼材試件進行拉伸試驗，要求斷裂處不在焊接點上。3、影響因素： 化學成分（含碳量、

16、S、P和氣體雜質(zhì)）； 冶煉質(zhì)量（鎮(zhèn)靜鋼） 冷加工等。 第37頁/共103頁合格不合格鋼材的可焊性試驗焊接點斷裂點斷裂點第38頁/共103頁問題：直接承受動荷載作用的焊接鋼結(jié)構(gòu)是否能使用經(jīng)冷加工的鋼材嗎？為什么？ 答：不能。 因為冷加工后鋼材的塑性和韌性大大降低，可焊性變差，增加了焊接后的硬脆傾向，為了防止鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生突然的脆性斷裂，所以不能采用。第39頁/共103頁熱處理對鋼材性質(zhì)的影響 熱處理是將鋼材在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。 熱處理可大幅度地改善金屬材料的工藝性能和使用性能，絕大多數(shù)機械零件必須經(jīng)過熱處理。第40頁/共103頁熱處理對鋼材

17、性質(zhì)的影響 退火可降低鋼的硬度，提高塑性和韌性，消除加工處理中形成的缺陷和內(nèi)應力； 正火提高塑性和韌性，強度降低較小，使三者之間良好配合； 淬火提高鋼材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韌性； 回火消除淬火后鋼材的內(nèi)應力和脆性； 淬火和高溫回火的聯(lián)合處理稱為調(diào)值，可使鋼材既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性。 第41頁/共103頁問題 退火、正火、淬火和回火有何差別？第42頁/共103頁溫度727C等溫處理回火淬火正火退火時間鋼材的熱處理工藝第43頁/共103頁2.3 鋼材的組織和化學成分對鋼材性能的影響.金屬的晶體結(jié)構(gòu) (1)金屬材料都是晶體結(jié)構(gòu)，金屬原子按幾何形狀排列，形成體心立方、面心立方和

18、密排六方等三種晶格；(2)晶格節(jié)點上的金屬原子互相以金屬鍵相結(jié)合，所有的價電子為自由電子；(3)鋼材內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由很多晶粒組成的多晶體，各晶粒之間存在晶界。 第44頁/共103頁金屬晶體金屬晶體體心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)第45頁/共103頁2.3.1 鋼的基本組織 同素異晶間的轉(zhuǎn)變：液態(tài)鐵 Fe Fe Fe 體心立方 面心立方 體心立方 合金的基本概念 固溶體：一種金屬溶于另一種金屬中形成固體溶液 化合物：二種以上元素形成新的化合物第46頁/共103頁2.3.1 鋼的基本組織 鐵素體 碳溶于Fe中的固溶體。 Fe為體心結(jié)構(gòu)，孔隙較小，溶碳量較低，因而具有良好的塑性和韌性，強度與硬度較低

19、。 滲碳體 鐵和碳的化合物Fe3C，含碳量高達6.69，故性質(zhì)硬脆，塑性和韌性幾乎為零，硬度高。 珠光體 鐵素體與滲碳體的混合物，兩者相間存在于同一晶體中，含碳量0.77，其性質(zhì)介于二者之間。 奧氏體 碳溶于Fe中的固溶體，在7270C以上存在，含碳量0.772.11，其強度與硬度不高，塑性好，故鋼材在高溫下熱加工。第47頁/共103頁鐵素體的晶體組織鋼材的晶體組織珠光體的晶體組織鐵素體和珠光體珠光體與滲碳體球狀珠光體動畫第48頁/共103頁2.3.2 鋼的化學成分對鋼性能的影響 鋼材中除了主要化學成分鐵（Fe）以外，還含有少量的碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、

20、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）等元素，這些元素雖然含量少，但對鋼材性能有很大影響.第49頁/共103頁一、化學成分對鋼材性質(zhì)的影響化學化學元素元素強度強度韌性韌性塑性塑性其其 他他 性性 能能C C增加增加降降 低低降低焊接性能，增加冷脆性和時效傾向降低焊接性能，增加冷脆性和時效傾向SiSi增加增加影響不大影響不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蝕性可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蝕性MnMn增加增加影響不大影響不大消減硫引起的熱脆性、提高耐磨性、降低焊接性消減硫引起的熱脆性、提高耐磨性、降低焊接性P P稍有稍有增加增加顯著降低顯著降低增大冷脆性，顯著降低焊接性，提高耐磨和耐蝕增大冷脆性，

21、顯著降低焊接性，提高耐磨和耐蝕性性S S降低降低降降 低低增大熱脆性，降低焊接性、耐腐蝕性和機械性能增大熱脆性，降低焊接性、耐腐蝕性和機械性能O O降低降低降降 低低降低機械性能，使焊接和冷彎性能變壞，增加熱降低機械性能，使焊接和冷彎性能變壞，增加熱脆性脆性N N提高提高降降 低低降低焊接性、使冷彎性能變壞、加劇冷脆性與時降低焊接性、使冷彎性能變壞、加劇冷脆性與時效敏感性效敏感性TiTi提高提高改善改善 降低降低提高焊接性和抗蝕性提高焊接性和抗蝕性V V提高提高改善改善減少冷脆性、降低焊接性減少冷脆性、降低焊接性第50頁/共103頁鐵晶體中的碳原子 碳 是“雜質(zhì)” 碳原子創(chuàng)造了一個應力場，阻止

22、了位錯的廣泛滑移。 它需消耗較大的能量來克服障礙。第51頁/共103頁 加入其它元素到金屬中，削弱晶界或原子的滑移，使金屬變得又硬又強。 例如，碳原子加入到鐵中成為鋼。障礙的例子: 鐵晶體中的碳原子第52頁/共103頁2.4 常用建筑鋼材的技術(shù)標準2.4.1 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材2.4.2 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材第53頁/共103頁2.4.1 鋼結(jié)構(gòu)用鋼材1碳素結(jié)構(gòu)鋼2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼4鋼結(jié)構(gòu)用型鋼、鋼管和鋼板第54頁/共103頁1碳素結(jié)構(gòu)鋼 （1）鋼的牌號： 根據(jù)國標GB700-1988，碳素結(jié)構(gòu)鋼按照屈服強度分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五個牌號，每個牌號又根據(jù)硫

23、、磷等雜質(zhì)含量分為A、B、C、D四個質(zhì)量等級。 牌號的順序：屈服強度字母Q、屈服強度數(shù)值、 質(zhì)量等級（A、B、C、D）、 脫氧程度符號（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服強度為235MPa，A級沸騰（F）碳素結(jié)構(gòu)鋼。（）技術(shù)要求見表。鋼牌號與性能的關(guān)系 鋼牌號越大，鋼的含碳量增加，強度與硬度增高，塑性和韌性降低，可焊性變差。 第55頁/共103頁碳素結(jié)構(gòu)鋼（3）選用原則：應根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的工作條件、荷載類型、連接方式、環(huán)境溫度與介質(zhì)的腐蝕情況等綜合因素選用。例如： Q195和Q215號鋼強度較低，塑性和韌性較大，易彎加工，可用于鋼釘、螺栓等。Q235A使用于承受靜載作用的鋼結(jié)構(gòu)；Q2

24、35B可用于承受動載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)；Q235C可用于承受動載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)；Q235D可用于低溫承受動荷載焊接的鋼結(jié)構(gòu)。Q255和Q275強度較高，塑性和韌性較差，主要用于機械零件等第56頁/共103頁思考題：1、碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號如何組成？2、鋼牌號如何反映鋼材的性能和質(zhì)量？3、如何根據(jù)使用要求選用鋼材牌號？第57頁/共103頁2.2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 (1)鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，代表平均含碳量的萬分數(shù)，如含錳量較高時，在牌號后加注（Mn）。 如：45號鋼，表示氣焊碳量為0.45%。(2)選用：3045號鋼，用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件和高強度螺栓；6580號鋼，常用于制作碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞

25、線等。 第58頁/共103頁3低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼(1)組成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量0.2%。(2)合金元素的作用：細化結(jié)晶，起到細晶強化作用，不僅可提高強度和硬度，還可一定程度上增加塑性和韌性。彌散強化作用，較硬微粒均勻分散在晶粒內(nèi)部，阻礙晶?；谱冃危蟠筇岣咪摰膹姸群陀捕?。(3)牌號：與碳素結(jié)構(gòu)鋼一樣，用Q+屈服強度值+質(zhì)量等級（A、B、C、D、E）表示。(4)特性：強度和硬度高，有害雜質(zhì)少，質(zhì)量高且穩(wěn)定，良好的塑性和韌性，適當?shù)目珊感浴?5)應用：適合于大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑和橋梁。第59頁/共103頁低合金結(jié)構(gòu)鋼的性能要求(1) 高強度

26、：一般其屈服強度在300MPa以上。(2) 高韌性：要求延伸率為15%20%，室溫沖擊韌性大于600kJ/m2800kJ/m2。對于大型焊接構(gòu)件，還要求有較高的斷裂韌性。(3) 良好的焊接性能和冷成型性能。(4) 低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。(5) 良好的耐蝕性。第60頁/共103頁低合金結(jié)構(gòu)鋼的組成特點(1) 低碳：由于韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超過0.20%。(2) 加入以錳為主的合金元素。(3) 加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細碳化物或碳氮化物，有利于獲得細小的鐵素體晶粒和提高鋼的強度和韌性。(4) 加入少量銅（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蝕

27、性能。(5) 加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能。 第61頁/共103頁問題：與碳素鋼相比，低合金結(jié)構(gòu)鋼有何特點？ 答：由于低合金結(jié)構(gòu)鋼中的合金元素的細晶強化和彌散強化作用，以及含碳量低，有害雜質(zhì)少，質(zhì)量較高且穩(wěn)定，使得低合金結(jié)構(gòu)鋼有以下特點： 不但具有較高的屈服強度和抗拉強度，而且具有較好的塑性、韌性和適當?shù)暮附有?，耐低溫性較好，時效敏感性也較小。第62頁/共103頁4鋼結(jié)構(gòu)用型鋼、鋼管和鋼板 型鋼 鋼管 鋼板第63頁/共103頁鋼結(jié)構(gòu)用鋼第64頁/共103頁2.4.2 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材主要品種有： 1熱軋鋼筋 2冷加工鋼筋 3熱處理鋼筋 4預應力混凝土用鋼絲和

28、鋼絞線 第65頁/共103頁1. 1.熱軋鋼筋 (1)牌號：有、四個級別，其中、為帶了鋼筋，牌號為：HRB+屈服強度的最小值構(gòu)成，級為光圓鋼筋，牌號為R235； 、級為熱軋帶肋鋼筋有HRB335、 HRB400、 HRB500 三個牌號。 2、性能與用途：級鋼筋的強度不高，彈塑性和可焊性好，用作預應力混凝土的受力筋或構(gòu)造筋；、級強度高，塑性和可焊性也好，用于大中型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的受力筋。級鋼筋強度高，彈塑性和可焊性較差，可用作預應力鋼筋。 第66頁/共103頁2冷加工鋼筋 （1）冷拉熱軋鋼筋（2）冷軋帶肋鋼筋（3）冷軋扭鋼筋有、四個級別，他們由熱軋鋼筋經(jīng)現(xiàn)場冷拉和人工時效處理得到。 級適用于普

29、通混凝土結(jié)構(gòu)中的受力筋；可用作預應力鋼筋。 冷軋帶肋鋼筋代號為CRB，按抗拉強度分為五級：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中數(shù)值表示鋼筋應達到的最小抗拉強度值。冷軋帶肋鋼筋的力學、工藝性質(zhì)見表212。高性能建材 冷軋扭鋼筋由低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)專用鋼筋冷軋扭機調(diào)直、冷軋并冷扭一次成型，具有規(guī)定截面形狀和節(jié)距的連續(xù)螺旋狀鋼筋。按其截面形狀不同分為I型（矩形截面）和型（菱形截面）兩種類型。代號為LZN。標記符號為原材料（母料）軋制前的公稱直徑（d）。標記示例：LZN10(I)冷軋扭鋼筋，標志直徑為10mm，矩形截面。第67頁/共103頁3熱處理鋼筋 有熱軋帶

30、肋鋼筋經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理得到，代號RB150。 牌號：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三種。不能冷拉和焊接。 性能：屈服強度不小于1325MPa，極限強度不小于1470MPa，伸長率不小于6。應符合GB4463-84的規(guī)定。 用途：主要用于預應力混凝土梁、預應力混凝土軌枕和其他預應力混凝土結(jié)構(gòu)。 熱處理鋼筋的設計強度取標準強度的0.8，先張法和后張法預應力的張拉控制應力分別為標準強度的0.7和0.65。 第68頁/共103頁4預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線（1）預應力鋼絲:冷拉鋼絲為WCD、低松弛級鋼絲為WLR、普通松弛級鋼絲為WNR。 1)預應力混凝土鋼絲使用牌號為6080

31、的優(yōu)質(zhì)碳素鋼盤條，經(jīng)酸洗、冷拉或冷拉再回火等工藝制成，分冷拉鋼絲（L）和矯直回火鋼絲（J）兩種。為了增加握裹力，進行表面壓痕，形成刻痕鋼絲（JK）。2)特性：強度高、柔性好、無接頭，質(zhì)量穩(wěn)定，不需焊接。3)用途：大跨度橋梁、屋架、吊車梁、電桿、軌枕等預應力鋼筋。 第69頁/共103頁4預應力混凝土用鋼絲和鋼絞線 （2）預應力混凝土用鋼絞線 預應力混凝土用鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼絲經(jīng)絞捻和消除內(nèi)應力的熱處理而制成。 用兩根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為12）、用三根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為13）、用七根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為17）。按應力松馳能力分為I級松馳和級松馳兩種。第70頁/共103頁2

32、.5 鋼材的腐蝕與防護第71頁/共103頁第72頁/共103頁第73頁/共103頁第74頁/共103頁2.5.1 腐蝕的類型 鋼材受到周圍介質(zhì)的化學或電化學作用而逐漸破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。1、化學腐蝕 由非電解質(zhì)溶液或各種干燥氣體（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的純化學腐蝕，多數(shù)是氧化作用，在鋼材表面產(chǎn)生疏松的氧化物膜層。2、電化學腐蝕 鋼材與電解質(zhì)溶液接觸后，由于發(fā)生電化學作用而引起的腐蝕。3、腐蝕的影響因素：鋼材的成分、環(huán)境條件、周圍介質(zhì)的性質(zhì)等。 第75頁/共103頁電化學腐蝕過程 陽極反應: Fe Fe2 + 2e (1) 陰極反應: O2+ 2H2O+ 4e- 4OH(

33、吸氧) (2) 2H + 2e H2 (放氫) (3) 在介質(zhì)水中：Fe2 + 2OH- Fe(OH)2 (4) 進一步氧化：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 (5) 氫氧化鐵部分脫水成為鐵銹: 2Fe(OH)3H2OFe2O3H2O (6) 或 Fe(OH)3H2OFeOOH (7)第76頁/共103頁銹蝕產(chǎn)生的原因 如果兩種金屬以化學方式接觸, 那么,電化學就會因各個金屬的電位上差值而建立、組成一個化學原電池。陽極金屬就出現(xiàn)銹蝕。 錨桿表面存在不均勻性的地方, 例如局部損傷, 就產(chǎn)生不同的電位差, 于是形成微型原電池。 在錨桿防護層間斷處, 一般可能產(chǎn)生原電池。如預應力損失

34、可能與灌漿錨索界面粘結(jié)和相互嵌鎖的惡化(開裂、擠碎) 有關(guān)。 錨桿處與土壤中離子濃度有變化的環(huán)境中, 那時就形成差動電池, 其銹蝕也就產(chǎn)生了。第77頁/共103頁 原電池銹蝕原理圖 不同形式銹蝕的形態(tài) 雙金屬電池示意圖 第78頁/共103頁氯離子引起的鋼筋銹蝕機理第79頁/共103頁鋼材銹蝕的危害 減小鋼材的受力面積，降低承載力； 產(chǎn)生體積膨脹，毀壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；第80頁/共103頁鐵的氧化物或氫氧化物的體積第81頁/共103頁2.5.2 鋼材防護措施 （1）制成合金鋼 加入合金元素鉻、鎳制成不銹鋼、或加入銅制成合金鋼，可顯著提高抗銹蝕能力。（2）金屬覆蓋 在鋼材表面電鍍或噴鍍一層金屬覆蓋物

35、，如：鍍鋅、鍍錫、鍍鉻、鍍銀等。 （3）非金屬覆蓋。在鋼材表面用非金屬材料作為保護膜，與環(huán)境介質(zhì)隔離，以避免或減緩腐蝕，如噴涂涂；料、搪瓷和塑料等。第82頁/共103頁補充：設置陽極或陰極 1）陽極保護：在鋼結(jié)構(gòu)附近埋設廢鋼鐵作為陽極，保護鋼結(jié)構(gòu)作為陰極，通上直流電源，則鋼結(jié)構(gòu)陰極受保護； 2）陰極保護：在被保護鋼結(jié)構(gòu)上，連接一塊比鐵更活潑的金屬，如鋅、鎂等，使活潑金屬作為陽極被腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)作為陰極受保護。 3）混凝土中鋼筋的防銹，主要靠水泥石的高堿度介質(zhì)，使鋼筋表面形成鈍化膜保護。 第83頁/共103頁陽極與陰極保護原理陰極保護方式陽極保護方式第84頁/共103頁氯鹽腐蝕的對策(1)在近海岸

36、區(qū)域，不使用露面混凝土；用砂漿面磚等進行表面裝修。(2)海水面能浸及的部位，混凝土保護層要在100mm以上,鋼筋混凝土用環(huán)氧樹脂涂刷。此外，也有電化學陰極保護方法。(3)電化學防腐原理鐵（Fe）與空氣中水分接觸時，有Fe2+和e生成，如圖 中所示，F(xiàn)e(OH)3(紅鐵銹)生成。為了停止這一過程，施加外部電流，可抑制這一過程。防腐蝕電流施加方式，如圖 所示的電流陽極方式：有以Zu系，Al系等為陽極的方式，或外部電源的方式。第85頁/共103頁2.6 鋼的防火 耐火試驗與火災案例調(diào)查表明：以失去支持能力為標準，無保護層時鋼柱和屋架的耐火極限只有0.25h，而裸露鋼梁的耐火極限僅為0.15h。溫度在

37、200C以內(nèi)，可以認為鋼材的性能基本不變；當溫度超過300C以后，鋼材的彈性模量、屈服點和極限強度均開始顯著降低；到達600C時，彈性模量、屈服點和極限強度均接近于零，已失去承載力。所以，沒有防火保護層的鋼結(jié)構(gòu)是不耐火的。第86頁/共103頁2.6 鋼的防火 1防火涂料包裹法 2不燃性板材包裹法 3實心包裹法第87頁/共103頁2.7 建筑裝飾用鋼材制品 2.7.1 不銹鋼及其制品 2.7.2 彩色不銹鋼板 2.7.3 彩色涂層鋼板 2.7.4 彩色涂層壓型鋼板 2.7.5 輕鋼龍骨不銹鋼是加鉻元素為主并加其他元素的合金鋼，鉻含量越高，鋼的抗腐蝕性越好。除鉻外，不銹鋼中還含有鎳、錳、鈦、硅等元

38、素，這些元素都能影響不銹鋼的強度、塑性、韌性和耐蝕性。不銹鋼按其化學成分可分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和高錳低鉻不銹鋼等幾類。按不同耐腐蝕特點，又可分為普通不銹鋼（簡稱不銹鋼）和耐酸鋼兩類。 第88頁/共103頁2.7 建筑裝飾用鋼材制品1.不銹鋼裝飾制品 用作建筑物的柱、屋面、內(nèi)外墻面、門窗、欄桿等的表面裝飾。 2.彩色涂層鋼板 用作建筑外墻板，屋面板，護壁板等。 3.輕鋼龍骨 主要用作墻體和天花吊頂?shù)凝埞侵Ъ堋?第89頁/共103頁輕鋼龍骨及其應用第90頁/共103頁彩鋼板的表面涂層第91頁/共103頁軋制的彩鋼板第92頁/共103頁鋼結(jié)構(gòu)廠房第93頁/共103頁2.8 建筑中用鋁及鋁合金制品第94頁/共103頁2.8.1 鋁的特性 密度為2.70，質(zhì)輕，熔點低，比強度高； 導電和導熱性很好； 有一定的耐蝕性，但耐堿和耐酸性差，較易發(fā)生電化學腐蝕。 強度和硬度不高（0 . 2=35150MPa，b=90170 Pa，HB=2344），伸長率較大（35%50%），剛度低； 故工程結(jié)構(gòu)中不用純鋁材料。 第95頁/共103頁2.8.2 鋁合金 1、組成：在鋁中加入適量的合金元素，如Cu、Mg、Mn、Si、Zn等，制得鋁合金。 2、特性：強度與硬度提高，彈性模量比鋼低，線膨脹系數(shù)是鋼的