土木工程材料之金屬材料PPT教案

1、土木工程材料之金屬材料土木工程材料之金屬材料 金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指以鐵元素為主要成分的金屬及其合金，如鋼和生鐵。有色金屬是指黑色金屬以外的金屬，如鋁、銅、鉛、鋅等金屬及其合金。土木工程中應(yīng)用的金屬材料主要有建筑鋼材和鋁合金兩種。金屬材料包括黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指以鐵元素為主要成分的金屬及其合金，如鋼和生鐵。有色金屬是指黑色金屬以外的金屬，如鋁、銅、鉛、鋅等金屬及其合金。土木工程中應(yīng)用的金屬材料主要有建筑鋼材和鋁合金兩種。 建筑鋼材是指用于工程建設(shè)的各種鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的各種型鋼建筑鋼材是指用于工程建設(shè)的各種鋼材，包括鋼結(jié)構(gòu)用的各種型鋼(圓鋼、角鋼

2、、槽鋼和工字鋼圓鋼、角鋼、槽鋼和工字鋼)；鋼板；鋼筋混凝土用的各種鋼筋、鋼絲和鋼鉸線。除此之外，還包括用作門窗和建筑五金等鋼材。；鋼板；鋼筋混凝土用的各種鋼筋、鋼絲和鋼鉸線。除此之外，還包括用作門窗和建筑五金等鋼材。 建筑鋼材強(qiáng)度高、品質(zhì)均勻，具有一定的彈性和塑性變形能力，能承受沖擊振動荷載。鋼材還具有很好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，裝配施工方便。建筑鋼材廣泛用于大跨度結(jié)構(gòu)、多層及高層建筑、受動力荷載結(jié)構(gòu)和重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，廣泛用于鋼筋混凝土之中，因此建筑鋼材是最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。鋼材的缺點是容易生銹，維護(hù)費用大，耐火性差。建筑鋼材強(qiáng)度高、品質(zhì)均勻，具有一定的彈性和塑性

3、變形能力，能承受沖擊振動荷載。鋼材還具有很好的加工性能，可以鑄造、鍛壓、焊接、鉚接和切割，裝配施工方便。建筑鋼材廣泛用于大跨度結(jié)構(gòu)、多層及高層建筑、受動力荷載結(jié)構(gòu)和重型工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)，廣泛用于鋼筋混凝土之中，因此建筑鋼材是最重要的建筑結(jié)構(gòu)材料之一。鋼材的缺點是容易生銹，維護(hù)費用大，耐火性差。 鋁合金近年來在建筑裝修領(lǐng)域中，廣泛用作門窗和室內(nèi)裝修外裝飾，有優(yōu)良的建筑功能及獨特的裝飾效果。銅、鋁及其合金由于具有質(zhì)量輕、可裝配化生產(chǎn)等特點，在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用也很廣泛。鋁合金近年來在建筑裝修領(lǐng)域中，廣泛用作門窗和室內(nèi)裝修外裝飾，有優(yōu)良的建筑功能及獨特的裝飾效果。銅、鋁及其合金由于具有質(zhì)量輕、可裝配化

4、生產(chǎn)等特點，在現(xiàn)代土木工程中的應(yīng)用也很廣泛。第1頁/共52頁一、鋼的冶煉一、鋼的冶煉 鋼和鐵的主要成分都是鐵和碳，用含碳量的多少加以區(qū)分，含碳量大于鋼和鐵的主要成分都是鐵和碳，用含碳量的多少加以區(qū)分，含碳量大于2.06%的為生鐵，小于的為生鐵，小于2.06%的為鋼。的為鋼。 鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭和少量石灰石等在高溫的鋼是由生鐵冶煉而成。生鐵是由鐵礦石、焦炭和少量石灰石等在高溫的作用下進(jìn)行還原反應(yīng)和其他的化學(xué)反應(yīng)，鐵礦石中的氧化鐵形成金屬鐵，作用下進(jìn)行還原反應(yīng)和其他的化學(xué)反應(yīng)，鐵礦石中的氧化鐵形成金屬鐵，然后再吸收碳而成生鐵。生鐵的主要成分是鐵，但含有較多的碳以及硫、然后再吸

5、收碳而成生鐵。生鐵的主要成分是鐵，但含有較多的碳以及硫、磷、硅、錳等雜質(zhì)，雜質(zhì)使得生鐵的性質(zhì)硬而脆，塑性很差，抗拉強(qiáng)度磷、硅、錳等雜質(zhì)，雜質(zhì)使得生鐵的性質(zhì)硬而脆，塑性很差，抗拉強(qiáng)度很低，使用受到很大限制。煉鋼的目的就是通過冶煉將生鐵中的含碳量很低，使用受到很大限制。煉鋼的目的就是通過冶煉將生鐵中的含碳量降至降至2.06%以下，其他雜質(zhì)含量降至一定的范圍內(nèi)，以顯著改善其技術(shù)性以下，其他雜質(zhì)含量降至一定的范圍內(nèi)，以顯著改善其技術(shù)性能，提高質(zhì)量。能，提高質(zhì)量。 鋼的冶煉方法主要有氧氣轉(zhuǎn)爐法、電爐法和平爐法三種，不同的冶煉方鋼的冶煉方法主要有氧氣轉(zhuǎn)爐法、電爐法和平爐法三種，不同的冶煉方法對鋼材的質(zhì)量有

6、著不同的影響，如表法對鋼材的質(zhì)量有著不同的影響，如表7-1所示。目前，氧氣轉(zhuǎn)爐法已成所示。目前，氧氣轉(zhuǎn)爐法已成為現(xiàn)代煉鋼的主要方法，而平爐法則已基本被淘汰。為現(xiàn)代煉鋼的主要方法，而平爐法則已基本被淘汰。鋼的冶煉與分類鋼的冶煉與分類第2頁/共52頁表表7-1 煉鋼方法的特點和應(yīng)用煉鋼方法的特點和應(yīng)用鋼的冶煉與分類鋼的冶煉與分類爐 種原 料特 點生產(chǎn)鋼種氧氣轉(zhuǎn)爐鐵水、廢鋼冶煉速度快，生產(chǎn)效率高，鋼質(zhì)較好碳素鋼、低合金鋼電爐廢鋼容積小，耗電大，控制嚴(yán)格，鋼質(zhì)好，但成本高合金鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼平爐生鐵、廢鋼容量大，冶煉時間長，鋼質(zhì)較好且穩(wěn)定，成本較高碳素鋼、低合金鋼 在鑄錠冷卻過程中，由于鋼內(nèi)某些元素在鐵

7、的液相中的溶解度大于固相，這些元素便向凝固較遲的鋼錠中心集中，導(dǎo)致化學(xué)成分在鋼錠中分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)偏析，其中以硫、磷偏析最為嚴(yán)重。偏析會嚴(yán)重降低鋼材質(zhì)量。在鑄錠冷卻過程中，由于鋼內(nèi)某些元素在鐵的液相中的溶解度大于固相，這些元素便向凝固較遲的鋼錠中心集中，導(dǎo)致化學(xué)成分在鋼錠中分布不均勻，這種現(xiàn)象稱為化學(xué)偏析，其中以硫、磷偏析最為嚴(yán)重。偏析會嚴(yán)重降低鋼材質(zhì)量。 在冶煉鋼的過程中，由于氧化作用使部分鐵被氧化成在冶煉鋼的過程中，由于氧化作用使部分鐵被氧化成FeO，使鋼的質(zhì)量降低，因而在煉鋼后期精煉時，需在爐內(nèi)或鋼包中加入錳鐵、硅鐵或鋁錠等脫氧劑進(jìn)行脫氧，脫氧劑與，使鋼的質(zhì)量降低，因而在煉鋼

8、后期精煉時，需在爐內(nèi)或鋼包中加入錳鐵、硅鐵或鋁錠等脫氧劑進(jìn)行脫氧，脫氧劑與FeO反應(yīng)生成反應(yīng)生成MnO、SiO2或或Al2O3等氧化物，它們成為鋼渣而被除去。若脫氧不完全，鋼水澆入錠模時，會有大量的等氧化物，它們成為鋼渣而被除去。若脫氧不完全，鋼水澆入錠模時，會有大量的CO氣體從鋼水中逸出，引起鋼水呈沸騰狀，產(chǎn)生所謂沸騰鋼。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故鋼材的質(zhì)量差。氣體從鋼水中逸出，引起鋼水呈沸騰狀，產(chǎn)生所謂沸騰鋼。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故鋼材的質(zhì)量差。第3頁/共52頁二、二、 鋼的分類鋼的分類 鋼的分類方法很多，目前的分類方

9、法主要有下面幾種。鋼的分類方法很多，目前的分類方法主要有下面幾種。 1. 按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 (1) 碳素鋼。碳素鋼含碳量為碳素鋼。碳素鋼含碳量為0.02%2.06%，按含碳量又可分為低碳鋼，按含碳量又可分為低碳鋼(含碳量含碳量0.25%)、中碳鋼、中碳鋼(合碳量合碳量0.25%0.6%)、高碳鋼、高碳鋼(含碳量含碳量0.6%)。在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。在建筑工程中，主要用的是低碳鋼和中碳鋼。 (2) 合金鋼。合金鋼可以分為低合金鋼合金鋼。合金鋼可以分為低合金鋼(合金元素總量合金元素總量5%)、中合金鋼、中合金鋼(合金元素總量為合金元素總量為5%l0%)、高合金鋼、高

10、合金鋼(合金元素總量合金元素總量l0%)。建筑上常用低合金鋼。建筑上常用低合金鋼。 2. 按有害雜質(zhì)含量分類按有害雜質(zhì)含量分類 (1) 普通鋼。硫含量普通鋼。硫含量0.050%，磷含量，磷含量0.045%。 (2) 優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量0.035%，磷含量，磷含量0.035%。 (3) 高級優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量高級優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量0.025%，磷含量，磷含量0.025%。 (4) 特級優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量特級優(yōu)質(zhì)鋼。硫含量0.025%，磷含量，磷含量0.015%。 建筑中常用普通鋼，有時也用優(yōu)質(zhì)鋼。建筑中常用普通鋼，有時也用優(yōu)質(zhì)鋼。鋼的冶煉與分類鋼的冶煉與分類第4頁/共52頁3. 根據(jù)冶煉時脫氧程度

11、分類根據(jù)冶煉時脫氧程度分類 (1) 沸騰鋼。煉鋼時加入錳鐵進(jìn)行脫氧，脫氧很不完全，故稱沸騰鋼，代號為沸騰鋼。煉鋼時加入錳鐵進(jìn)行脫氧，脫氧很不完全，故稱沸騰鋼，代號為“F”。沸騰鋼組織不夠致密，雜質(zhì)和夾雜物多，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高、可廣泛用于一般的建筑工程。沸騰鋼組織不夠致密，雜質(zhì)和夾雜物多，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但其生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量高、可廣泛用于一般的建筑工程。 (2) 鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時一般采用硅鐵、錳鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧充分，這種鋼水鑄錠時能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，基本無鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時一般采用硅鐵、錳鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧充分，這種鋼

12、水鑄錠時能平靜地充滿錠模并冷卻凝固，基本無CO氣泡產(chǎn)生，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號為氣泡產(chǎn)生，故稱鎮(zhèn)靜鋼，代號為“Z”(亦可省略不寫亦可省略不寫)。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。鎮(zhèn)靜鋼雖成本較高，但其組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預(yù)應(yīng)力混凝土等重要結(jié)構(gòu)工程。 (3) 特殊鎮(zhèn)靜鋼。比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好。適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程，代號為特殊鎮(zhèn)靜鋼。比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好。適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程，代號為“TZ” (亦可省略不寫亦可省略不寫)。 (4) 半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜

13、鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號為半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號為“b”。4. 根據(jù)用途分類根據(jù)用途分類 (1) 結(jié)構(gòu)鋼。主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。結(jié)構(gòu)鋼。主要用作工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件及機(jī)械零件的鋼。 (2) 工具鋼。主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。工具鋼。主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。 (3) 特殊鋼。具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。建筑上常用的是結(jié)構(gòu)鋼。特殊鋼。具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。建筑上常用的是結(jié)構(gòu)鋼。鋼的冶煉與分類鋼的冶煉與分類第5頁/共52頁 在土木工程中，掌握鋼材的性能是合

14、理選用鋼材的基礎(chǔ)。鋼材的性能主要包括力學(xué)性能在土木工程中，掌握鋼材的性能是合理選用鋼材的基礎(chǔ)。鋼材的性能主要包括力學(xué)性能(抗拉性能、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和硬度等抗拉性能、沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度和硬度等)和工藝性能和工藝性能(冷彎性能、焊接性能和熱處理性能等冷彎性能、焊接性能和熱處理性能等)兩個方面。兩個方面。一、一、 力學(xué)性能力學(xué)性能 1. 抗拉性能抗拉性能 抗拉性能是建筑鋼材最主要的技術(shù)性能。通過拉伸試驗可以測得屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率，這些是鋼材的重要技術(shù)性能指標(biāo)。抗拉性能是建筑鋼材最主要的技術(shù)性能。通過拉伸試驗可以測得屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率，這些是鋼材的重要技術(shù)性能指標(biāo)。建筑鋼材的抗拉性

15、能可用低碳鋼受拉時的應(yīng)力建筑鋼材的抗拉性能可用低碳鋼受拉時的應(yīng)力應(yīng)變圖應(yīng)變圖(如圖如圖7.1所示所示)來闡明。低碳鋼從受拉至拉斷，分為以下四個階段。來闡明。低碳鋼從受拉至拉斷，分為以下四個階段。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第6頁/共52頁 1) 彈性階段彈性階段 OA為彈性階段。在為彈性階段。在OA范圍內(nèi)，隨著荷載的增加，應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。如卸去范圍內(nèi)，隨著荷載的增加，應(yīng)變隨應(yīng)力成正比增加。如卸去荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與荷載，試件將恢復(fù)原狀，表現(xiàn)為彈性變形，與A點相對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限，用點相對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限，用 表示。表示。在這一范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變

16、的比值為一常量，稱為彈性模量，用在這一范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值為一常量，稱為彈性模量，用E表示，即表示，即E= 。彈性。彈性模量反映鋼材的剛度，是鋼材在受力條件下計算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。常用低碳鋼的模量反映鋼材的剛度，是鋼材在受力條件下計算結(jié)構(gòu)變形的重要指標(biāo)。常用低碳鋼的彈性模量彈性模量E=2.01052.1MPa，彈性極限，彈性極限 =180MPa200MPa。 2) 屈服階段屈服階段 AB為屈服階段。在為屈服階段。在AB曲線范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變不成比例，開始產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)曲線范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變不成比例，開始產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)變增加的速度大于應(yīng)力增長速度，鋼材抵抗外力的能力發(fā)生變增加的速度大于

17、應(yīng)力增長速度，鋼材抵抗外力的能力發(fā)生“屈服屈服”了。圖中了。圖中 點是這點是這一階段應(yīng)力最高點，稱為屈服上限，一階段應(yīng)力最高點，稱為屈服上限， 點為屈服下限。因點為屈服下限。因 比較穩(wěn)定易測，故一般以比較穩(wěn)定易測，故一般以 點點對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點，用對應(yīng)的應(yīng)力作為屈服點，用 表示。常用低碳鋼的表示。常用低碳鋼的 為為195MPa300MPa。該階段在材料萬能試驗機(jī)上表現(xiàn)為指針不動該階段在材料萬能試驗機(jī)上表現(xiàn)為指針不動(即使加大送油即使加大送油)或來回窄幅搖動。或來回窄幅搖動。鋼材受力達(dá)屈服點后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)鋼材受力達(dá)屈服點后，變形即迅速發(fā)展，盡管尚未

18、破壞但已不能滿足使用要求。故設(shè)計中一般以屈服點作為強(qiáng)度取值依據(jù)。計中一般以屈服點作為強(qiáng)度取值依據(jù)。 3) 強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段 BC為強(qiáng)化階段。過為強(qiáng)化階段。過B點后，抵抗塑性變形的能力又重新提高，變形發(fā)展速度比較快，點后，抵抗塑性變形的能力又重新提高，變形發(fā)展速度比較快，隨著應(yīng)力的提高而增強(qiáng)。對應(yīng)于最高點隨著應(yīng)力的提高而增強(qiáng)。對應(yīng)于最高點C的應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用的應(yīng)力，稱為抗拉強(qiáng)度，用 表示。常用低碳表示。常用低碳鋼的鋼的 為為385520MPa。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第7頁/共52頁 抗拉強(qiáng)度不能直接利用，但屈服點與抗拉強(qiáng)度的比值抗拉強(qiáng)度不能直接利用，但屈服點與抗拉

19、強(qiáng)度的比值(即屈強(qiáng)比即屈強(qiáng)比 )，能反映鋼材的安全可靠程度和利用率。屈強(qiáng)比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，結(jié)構(gòu)越安全。但屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為，能反映鋼材的安全可靠程度和利用率。屈強(qiáng)比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，結(jié)構(gòu)越安全。但屈強(qiáng)比過小，則鋼材有效利用率太低，造成浪費。常用碳素鋼的屈強(qiáng)比為0.580.63，合金鋼為，合金鋼為0.650.75。 4) 頸縮階段頸縮階段 CD為頸縮階段。過為頸縮階段。過C點后，材料變形迅速增大，而應(yīng)力反而下降。試件在拉斷前，于薄弱處截面顯著縮小，產(chǎn)生點后，材料變形迅速增大，而應(yīng)力反而下降。試件在拉斷前，于薄弱處

20、截面顯著縮小，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象頸縮現(xiàn)象”，直至斷裂。，直至斷裂。 通過拉伸試驗，除能檢測鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)外，還能檢測出鋼材的塑性。塑性表示鋼材在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力，它是鋼材的一個重要性指標(biāo)。鋼材塑性用伸長率或斷面收縮率表示。通過拉伸試驗，除能檢測鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)外，還能檢測出鋼材的塑性。塑性表示鋼材在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力，它是鋼材的一個重要性指標(biāo)。鋼材塑性用伸長率或斷面收縮率表示。將拉斷后的試件于斷裂處對接在一起將拉斷后的試件于斷裂處對接在一起(如圖如圖7.2所示所示)，測得其斷后標(biāo)距，測得其斷后標(biāo)距l(xiāng)1。試件拉斷后標(biāo)距的伸長量與

21、原始標(biāo)距。試件拉斷后標(biāo)距的伸長量與原始標(biāo)距(l0)的百分比稱為伸長率的百分比稱為伸長率( )。伸長率的計算公式如下：。伸長率的計算公式如下： (7.1)鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能100100%lll第8頁/共52頁 鋼材拉伸時塑性變形在試件標(biāo)距內(nèi)的分布是不均勻的，頸縮處的伸長較大。所以原始標(biāo)距鋼材拉伸時塑性變形在試件標(biāo)距內(nèi)的分布是不均勻的，頸縮處的伸長較大。所以原始標(biāo)距(l0)與直徑與直徑(d0)之比越大，頸縮處的伸長值在總伸長值中所占的比例就越小，計算出的伸長率之比越大，頸縮處的伸長值在總伸長值中所占的比例就越小，計算出的伸長率( )也越小。通常鋼材拉伸試件取也越小。通

22、常鋼材拉伸試件取l0=5d0或或l0=10d0，對應(yīng)的伸長率分別記為，對應(yīng)的伸長率分別記為 和和 ，對于同一鋼材，對于同一鋼材， 。 測定試件拉斷處的截面積測定試件拉斷處的截面積( A1)。試件拉斷前后截面積的改變量與原始截面積。試件拉斷前后截面積的改變量與原始截面積(A0 )的百分比稱為斷面收縮率的百分比稱為斷面收縮率( )。斷面收縮率的計算公式如下：。斷面收縮率的計算公式如下： (7.2)鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能510510010100%AAA第9頁/共52頁 伸長率和斷面收縮率都表示鋼材斷裂前經(jīng)受塑性變形的能力。伸長率越大或者斷面收縮率越高，表示鋼材塑性越好。盡管

23、結(jié)構(gòu)是在鋼的彈性范圍內(nèi)使用，但在應(yīng)力集中處，其應(yīng)力可能超過屈服點，此時產(chǎn)生一定的塑性變形，可使結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力產(chǎn)生重分布，從而使結(jié)構(gòu)免遭破壞。另外，鋼材塑性大，則在塑性破壞前，有很明顯的塑性變形和較長的變形持續(xù)時間，便于人們發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救問題，從而保證鋼材在建筑上的安全使用；也有利于鋼材加工成各種形式。伸長率和斷面收縮率都表示鋼材斷裂前經(jīng)受塑性變形的能力。伸長率越大或者斷面收縮率越高，表示鋼材塑性越好。盡管結(jié)構(gòu)是在鋼的彈性范圍內(nèi)使用，但在應(yīng)力集中處，其應(yīng)力可能超過屈服點，此時產(chǎn)生一定的塑性變形，可使結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力產(chǎn)生重分布，從而使結(jié)構(gòu)免遭破壞。另外，鋼材塑性大，則在塑性破壞前，有很明顯的塑性變形和較長的

24、變形持續(xù)時間，便于人們發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)救問題，從而保證鋼材在建筑上的安全使用；也有利于鋼材加工成各種形式。 中碳鋼與高碳鋼中碳鋼與高碳鋼(硬鋼硬鋼)拉伸時的應(yīng)力拉伸時的應(yīng)力應(yīng)變曲線與低碳鋼不同，無明顯屈服現(xiàn)象，伸長率小，斷裂時呈脆性破壞，其應(yīng)力應(yīng)變曲線與低碳鋼不同，無明顯屈服現(xiàn)象，伸長率小，斷裂時呈脆性破壞，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖應(yīng)變曲線如圖7.3所示。這類鋼材由于不能測定屈服點，規(guī)范規(guī)定以產(chǎn)生所示。這類鋼材由于不能測定屈服點，規(guī)范規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形時的應(yīng)力值作為名義屈服點，也稱條件屈服點用殘余變形時的應(yīng)力值作為名義屈服點，也稱條件屈服點用 表示。表示。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝

25、性能0.2圖圖7.3 中碳鋼、高碳鋼的應(yīng)力中碳鋼、高碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線第10頁/共52頁2. 沖擊韌性沖擊韌性 沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力，用沖斷試件所需能量的多少來表示。鋼材的沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載作用的能力，用沖斷試件所需能量的多少來表示。鋼材的沖擊韌性試驗是采用中部加工有沖擊韌性試驗是采用中部加工有V型或型或U型缺口的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試件，置于沖擊機(jī)的支架上，試型缺口的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試件，置于沖擊機(jī)的支架上，試件非切槽的一側(cè)對準(zhǔn)沖擊擺，如圖件非切槽的一側(cè)對準(zhǔn)沖擊擺，如圖7.4所示。當(dāng)沖擊擺從一定高度自由落下將試件沖斷時，所示。當(dāng)沖擊擺從一定高度自由落下將試件沖斷時，試件吸收的

26、能量等于沖擊擺所作的功，以缺口底部處單位面積上所消耗的功，即為沖擊韌性試件吸收的能量等于沖擊擺所作的功，以缺口底部處單位面積上所消耗的功，即為沖擊韌性指標(biāo)，沖擊韌性計算公式如下：指標(biāo)，沖擊韌性計算公式如下： (7.3)式中式中 k沖擊韌性沖擊韌性(J/cm2)。 m擺錘質(zhì)量擺錘質(zhì)量(9.81m/s2)。 A試件槽口處斷面積試件槽口處斷面積(cm2)。 k 值越大，沖擊韌性越好，即其抵抗沖擊作用的能力越強(qiáng)，脆性破壞的危險性越小。值越大，沖擊韌性越好，即其抵抗沖擊作用的能力越強(qiáng)，脆性破壞的危險性越小。影響鋼材沖擊韌性的因素很多，當(dāng)鋼材內(nèi)硫、磷的含量高，脫氧不完全，存在化學(xué)偏析，含影響鋼材沖擊韌性的

27、因素很多，當(dāng)鋼材內(nèi)硫、磷的含量高，脫氧不完全，存在化學(xué)偏析，含有非金屬夾雜物及焊接形成的微裂紋，都會使鋼材的沖擊韌性顯著下降。同時環(huán)境溫度對鋼有非金屬夾雜物及焊接形成的微裂紋，都會使鋼材的沖擊韌性顯著下降。同時環(huán)境溫度對鋼材的沖擊韌性影響也很大。材的沖擊韌性影響也很大。 試驗表明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，開始時下降緩慢，當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍時，突試驗表明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，開始時下降緩慢，當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍時，突然下降很快而呈脆性。這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性，這時的溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度，如圖然下降很快而呈脆性。這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性，這時的溫度稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度，如圖7.5所示。脆性

28、轉(zhuǎn)變溫度越低，鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，在負(fù)溫下使用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)所示。脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，鋼材的低溫沖擊韌性越好。因此，在負(fù)溫下使用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的鋼材。脆性臨界溫度的測定較復(fù)雜，規(guī)范中通常是根據(jù)當(dāng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的鋼材。脆性臨界溫度的測定較復(fù)雜，規(guī)范中通常是根據(jù)氣溫條件規(guī)定氣溫條件規(guī)定-20或或-40的負(fù)溫沖擊值指標(biāo)。的負(fù)溫沖擊值指標(biāo)。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能k()m g HhA第11頁/共52頁 冷加工時效處理也會使鋼材的沖擊韌性下降。鋼材的時效是指鋼材隨時間的延長，鋼材強(qiáng)度逐漸提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。完成時效的過程可達(dá)數(shù)十

29、年，但鋼材如經(jīng)過冷加工或使用中受振動和反復(fù)荷載作用，時效可迅速發(fā)展。因時效導(dǎo)致鋼材性能改變的程度稱為時效敏感性。時效敏感性大的鋼材，經(jīng)過時效后，沖擊韌性的降低越顯著。為了保證結(jié)構(gòu)安全，對于承受動荷載的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用時效敏感性小的鋼材。冷加工時效處理也會使鋼材的沖擊韌性下降。鋼材的時效是指鋼材隨時間的延長，鋼材強(qiáng)度逐漸提高而塑性、韌性下降的現(xiàn)象。完成時效的過程可達(dá)數(shù)十年，但鋼材如經(jīng)過冷加工或使用中受振動和反復(fù)荷載作用，時效可迅速發(fā)展。因時效導(dǎo)致鋼材性能改變的程度稱為時效敏感性。時效敏感性大的鋼材，經(jīng)過時效后，沖擊韌性的降低越顯著。為了保證結(jié)構(gòu)安全，對于承受動荷載的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用時效敏感性

30、小的鋼材。3. 疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 鋼材在交變荷載反復(fù)作用下，可在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞指標(biāo)用疲勞強(qiáng)度鋼材在交變荷載反復(fù)作用下，可在遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度的情況下突然破壞，這種破壞稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞指標(biāo)用疲勞強(qiáng)度(或稱疲勞極限或稱疲勞極限)來表示，它是指試件在交變應(yīng)力下，作用來表示，它是指試件在交變應(yīng)力下，作用107周次，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。周次，不發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力值。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第12頁/共52頁 鋼材的疲勞破壞是拉應(yīng)力引起。首先在局部開始形成微細(xì)裂紋，其后由于裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中而使裂紋迅速擴(kuò)

31、展直至鋼材斷裂。因此，鋼材的內(nèi)部成分的偏析和夾雜物的多少以及最大應(yīng)力處的表面光潔程度、加工損傷等，都是影響鋼材疲勞強(qiáng)度的因素。鋼材的疲勞破壞是拉應(yīng)力引起。首先在局部開始形成微細(xì)裂紋，其后由于裂紋尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中而使裂紋迅速擴(kuò)展直至鋼材斷裂。因此，鋼材的內(nèi)部成分的偏析和夾雜物的多少以及最大應(yīng)力處的表面光潔程度、加工損傷等，都是影響鋼材疲勞強(qiáng)度的因素。 疲勞破壞經(jīng)常突然發(fā)生，因而有很大的危險性，往往造成嚴(yán)重事故。在設(shè)計承受反復(fù)荷載且須進(jìn)行疲勞驗算的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)了解所用鋼材的疲勞強(qiáng)度。疲勞破壞經(jīng)常突然發(fā)生，因而有很大的危險性，往往造成嚴(yán)重事故。在設(shè)計承受反復(fù)荷載且須進(jìn)行疲勞驗算的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)了解所

32、用鋼材的疲勞強(qiáng)度。4. 硬度硬度 鋼材的硬度是指其表面抵抗硬物壓入產(chǎn)生局部變形的能力。測定鋼材硬度的方法有布氏法、洛氏法和維氏法等，建筑鋼材常用布氏硬度表示，其代號為鋼材的硬度是指其表面抵抗硬物壓入產(chǎn)生局部變形的能力。測定鋼材硬度的方法有布氏法、洛氏法和維氏法等，建筑鋼材常用布氏硬度表示，其代號為HB。布氏法的測定原理是利用直徑為布氏法的測定原理是利用直徑為D(mm)的淬火鋼球，以荷載的淬火鋼球，以荷載P(N)將其壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的持續(xù)時間后卸去荷載，得直徑為將其壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的持續(xù)時間后卸去荷載，得直徑為d(mm)的壓痕，以壓痕表面積的壓痕，以壓痕表面積A(mm2)除荷載除荷載P，

33、即得布氏硬度，即得布氏硬度(HB)值，此值無量綱。圖值，此值無量綱。圖7.6是布氏硬度測定示意圖。是布氏硬度測定示意圖。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第13頁/共52頁 在測定前應(yīng)根據(jù)試件厚度和估計的硬度范圍，按試驗方法的規(guī)定選定鋼球直徑、所加荷載及荷載持續(xù)時間。布氏法適用于在測定前應(yīng)根據(jù)試件厚度和估計的硬度范圍，按試驗方法的規(guī)定選定鋼球直徑、所加荷載及荷載持續(xù)時間。布氏法適用于HB450的鋼材，測定時所得壓痕直徑應(yīng)在的鋼材，測定時所得壓痕直徑應(yīng)在0.25Dd450時，鋼球本身將發(fā)生較大變形，甚至破壞，應(yīng)采用洛氏法測定其硬度。布氏法比較準(zhǔn)確，但壓痕較大，不適宜用于成品檢驗，而

34、洛氏法壓痕小，它是以壓頭壓入試件的深度來表示硬度值的，常用于判斷工件的熱處理效果。時，鋼球本身將發(fā)生較大變形，甚至破壞，應(yīng)采用洛氏法測定其硬度。布氏法比較準(zhǔn)確，但壓痕較大，不適宜用于成品檢驗，而洛氏法壓痕小，它是以壓頭壓入試件的深度來表示硬度值的，常用于判斷工件的熱處理效果。 材料的硬度是材料彈性、塑性、強(qiáng)度等性能的綜合反映。實驗證明，碳素鋼的材料的硬度是材料彈性、塑性、強(qiáng)度等性能的綜合反映。實驗證明，碳素鋼的HB值與其抗拉強(qiáng)度值與其抗拉強(qiáng)度 之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)HB175時，時， 3.5HB。根據(jù)這些關(guān)系，可以在鋼結(jié)構(gòu)原位上測出鋼材的。根據(jù)這些關(guān)系，可以在鋼結(jié)

35、構(gòu)原位上測出鋼材的HB值，來估算鋼材的抗拉強(qiáng)度。值，來估算鋼材的抗拉強(qiáng)度。二、工藝性能二、工藝性能 鋼材應(yīng)具有良好的工藝性能，以滿足施工工藝的要求。冷彎、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑鋼材的重要工藝性能。鋼材應(yīng)具有良好的工藝性能，以滿足施工工藝的要求。冷彎、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑鋼材的重要工藝性能。 1. 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。鋼材的冷彎性能是以試驗時的彎曲角度冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。鋼材的冷彎性能是以試驗時的彎曲角度()和彎心直徑和彎心直徑(d)為指標(biāo)表示，如圖為指標(biāo)表示，如圖7.7所示。所示。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能

36、與工藝性能第14頁/共52頁 鋼材冷彎試驗時，用直徑鋼材冷彎試驗時，用直徑(或厚度或厚度)為為a的試件，選用彎心直徑的試件，選用彎心直徑d=na的彎頭的彎頭(n為自然數(shù)，其為自然數(shù)，其大小由試驗標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定大小由試驗標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定)，彎曲到規(guī)定的角度，彎曲到規(guī)定的角度(90或或180)后，彎曲處若無裂紋、斷裂及起層后，彎曲處若無裂紋、斷裂及起層等現(xiàn)象，即認(rèn)為冷彎試驗合格。等現(xiàn)象，即認(rèn)為冷彎試驗合格。 鋼材的冷彎性能與伸長率一樣，也是反映鋼材在靜荷作用下的塑性，但冷彎試驗條件更苛鋼材的冷彎性能與伸長率一樣，也是反映鋼材在靜荷作用下的塑性，但冷彎試驗條件更苛刻，更有助于暴露鋼材的內(nèi)部組織是否均勻，是否存

37、在內(nèi)應(yīng)力、微裂紋、表面未熔合及夾雜刻，更有助于暴露鋼材的內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力、微裂紋、表面未熔合及夾雜物等缺陷。物等缺陷。2. 焊接性能焊接性能 建筑工程中，鋼材間的連接建筑工程中，鋼材間的連接90%以上采用焊接方式。因此，要求鋼材應(yīng)有良好的焊接性能。以上采用焊接方式。因此，要求鋼材應(yīng)有良好的焊接性能。在焊接中，由于高溫作用和焊接后急劇冷卻作用，焊縫及其附近的過熱區(qū)將發(fā)生晶體組織及在焊接中，由于高溫作用和焊接后急劇冷卻作用，焊縫及其附近的過熱區(qū)將發(fā)生晶體組織及結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應(yīng)力，使焊縫周圍的鋼材產(chǎn)生硬脆傾向，降低了焊接的質(zhì)量。結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生局部變形及內(nèi)應(yīng)力，使焊縫周圍的

38、鋼材產(chǎn)生硬脆傾向，降低了焊接的質(zhì)量。可焊性良好的鋼材，焊縫處性質(zhì)應(yīng)盡可能與母材相同，焊接才牢固可靠。可焊性良好的鋼材，焊縫處性質(zhì)應(yīng)盡可能與母材相同，焊接才牢固可靠。 鋼材的化學(xué)成分、冶煉質(zhì)量、冷加工、焊接工藝及焊條材料等都會影響焊接性能。含碳量鋼材的化學(xué)成分、冶煉質(zhì)量、冷加工、焊接工藝及焊條材料等都會影響焊接性能。含碳量小于小于0.25%的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量大于的碳素鋼具有良好的可焊性，含碳量大于0.3%時可焊性變差；硫、磷及氣體雜質(zhì)時可焊性變差；硫、磷及氣體雜質(zhì)會使可焊性降低；加入過多的合金元素，也會降低可焊性。對于高碳鋼和合金鋼，為改善焊會使可焊性降低；加入過多的合金元素，也會

39、降低可焊性。對于高碳鋼和合金鋼，為改善焊 接質(zhì)量，一般須要采用預(yù)熱和焊后處理，以保證質(zhì)量。接質(zhì)量，一般須要采用預(yù)熱和焊后處理，以保證質(zhì)量。 鋼材焊接后必須取樣進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗，一般包括拉伸試驗，有些焊接種類還包括了彎曲鋼材焊接后必須取樣進(jìn)行焊接質(zhì)量檢驗，一般包括拉伸試驗，有些焊接種類還包括了彎曲試驗，要求試驗時試件的斷裂不能發(fā)生在焊接處。同時還要檢查焊縫處有無裂紋、砂眼、咬試驗，要求試驗時試件的斷裂不能發(fā)生在焊接處。同時還要檢查焊縫處有無裂紋、砂眼、咬肉和焊件變形等缺陷。肉和焊件變形等缺陷。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第15頁/共52頁3. 冷加工性能及時效處理冷加工性能及

40、時效處理 1) 冷加工強(qiáng)化與時效處理的概念冷加工強(qiáng)化與時效處理的概念 將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生塑性變形，從而提高強(qiáng)度，但鋼材的塑將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋，使之產(chǎn)生塑性變形，從而提高強(qiáng)度，但鋼材的塑性和韌性會降低，這個過程稱為冷加工強(qiáng)化處理。性和韌性會降低，這個過程稱為冷加工強(qiáng)化處理。 將經(jīng)過冷拉的鋼筋，于常溫下存放將經(jīng)過冷拉的鋼筋，于常溫下存放15d20d，或加熱到，或加熱到100200并保持并保持2h3h后，后，則鋼筋強(qiáng)度將進(jìn)一步提高，這個過程稱為時效處理。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。則鋼筋強(qiáng)度將進(jìn)一步提高，這個過程稱為時效處理。前者稱為自然時效，后者稱

41、為人工時效。通常對強(qiáng)度較低的鋼筋可采用自然時效，強(qiáng)度較高的鋼筋則須采用人工時效。通常對強(qiáng)度較低的鋼筋可采用自然時效，強(qiáng)度較高的鋼筋則須采用人工時效。 對鋼材進(jìn)行冷加工強(qiáng)化與時效處理的目的是提高鋼材的屈服強(qiáng)度，以便節(jié)約鋼材。對鋼材進(jìn)行冷加工強(qiáng)化與時效處理的目的是提高鋼材的屈服強(qiáng)度，以便節(jié)約鋼材。 2) 常見冷加工方法常見冷加工方法 建筑工地或預(yù)制構(gòu)件廠常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。建筑工地或預(yù)制構(gòu)件廠常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。 (1) 冷拉，將熱軋鋼筋用冷拉設(shè)備進(jìn)行張拉，拉伸至產(chǎn)生一定的塑性變形后，卸去荷載。冷拉，將熱軋鋼筋用冷拉設(shè)備進(jìn)行張拉，拉伸至產(chǎn)生一定的塑性變形后，卸去荷載。鋼材的力學(xué)

42、性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第16頁/共52頁 冷拉參數(shù)的控制直接關(guān)系到冷拉效果和鋼材質(zhì)量。一般鋼筋冷拉僅控制冷拉率，稱為單控，對用作預(yù)應(yīng)力的鋼筋，須采用雙控，即既控制冷拉應(yīng)力，又控制冷拉率。冷拉時當(dāng)拉至控制應(yīng)力時可以未達(dá)控制冷拉率，反之鋼筋則應(yīng)降級使用。冷拉參數(shù)的控制直接關(guān)系到冷拉效果和鋼材質(zhì)量。一般鋼筋冷拉僅控制冷拉率，稱為單控，對用作預(yù)應(yīng)力的鋼筋，須采用雙控，即既控制冷拉應(yīng)力，又控制冷拉率。冷拉時當(dāng)拉至控制應(yīng)力時可以未達(dá)控制冷拉率，反之鋼筋則應(yīng)降級使用。 鋼筋冷拉后，屈服強(qiáng)度可提高鋼筋冷拉后，屈服強(qiáng)度可提高20%30%，可節(jié)約鋼材，可節(jié)約鋼材10%20%，鋼材經(jīng)冷拉后屈服階段縮

43、短，伸長率降低，材質(zhì)變硬。，鋼材經(jīng)冷拉后屈服階段縮短，伸長率降低，材質(zhì)變硬。 (2) 冷拔，將光圓鋼筋通過硬質(zhì)合金拔絲?？讖?qiáng)行拉拔。每次拉拔斷面縮小應(yīng)在冷拔，將光圓鋼筋通過硬質(zhì)合金拔絲模孔強(qiáng)行拉拔。每次拉拔斷面縮小應(yīng)在10%以內(nèi)。鋼筋在冷拔過程中，不僅受拉，同時還受到擠壓作用，因而冷拔的作用比純冷拉作用強(qiáng)烈。經(jīng)過一次或多次冷拔后的鋼筋，表面光滑，屈服強(qiáng)度可提高以內(nèi)。鋼筋在冷拔過程中，不僅受拉，同時還受到擠壓作用，因而冷拔的作用比純冷拉作用強(qiáng)烈。經(jīng)過一次或多次冷拔后的鋼筋，表面光滑，屈服強(qiáng)度可提高40%60%，但塑性大大降低，具有硬鋼的性質(zhì)。，但塑性大大降低，具有硬鋼的性質(zhì)。 3) 鋼材冷加工強(qiáng)

44、化與時效處理的機(jī)理鋼材冷加工強(qiáng)化與時效處理的機(jī)理鋼筋經(jīng)冷拉、時效后的力學(xué)性能變化規(guī)律，可從其拉伸試驗的應(yīng)力鋼筋經(jīng)冷拉、時效后的力學(xué)性能變化規(guī)律，可從其拉伸試驗的應(yīng)力應(yīng)變圖得到反映應(yīng)變圖得到反映(如圖如圖7.8所示所示)。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第17頁/共52頁 (1) 圖中圖中OBCD曲線為未冷拉，其含義是將鋼筋原材一次性拉斷，而不是指不拉伸。曲線為未冷拉，其含義是將鋼筋原材一次性拉斷，而不是指不拉伸。此時，鋼筋的屈服點為此時，鋼筋的屈服點為B點。點。 (2) 圖中圖中OKCD曲線為冷拉無時效，其含義是將鋼筋原材拉伸至超過屈服點但不超曲線為冷拉無時效，其含義是將鋼筋原

45、材拉伸至超過屈服點但不超過抗拉強(qiáng)度過抗拉強(qiáng)度(使之產(chǎn)生塑性變形使之產(chǎn)生塑性變形)的某一點的某一點K，卸去荷載，然后立即再將鋼筋拉斷。卸去，卸去荷載，然后立即再將鋼筋拉斷。卸去荷載后，鋼筋的應(yīng)力荷載后，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沿應(yīng)變曲線沿K O恢復(fù)部分變形恢復(fù)部分變形(彈性變形部分彈性變形部分)，保留，保留O O殘余變殘余變形。通過冷拉無時效處理，鋼筋的屈服點升高至形。通過冷拉無時效處理，鋼筋的屈服點升高至K點，以后的應(yīng)力點，以后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與原來應(yīng)變關(guān)系與原來曲線曲線KCD相似。這表明鋼筋經(jīng)冷拉后，屈服強(qiáng)度得到提高，抗拉強(qiáng)度和塑性與鋼筋原相似。這表明鋼筋經(jīng)冷拉后，屈服強(qiáng)度得到提高，抗拉強(qiáng)度和塑性

46、與鋼筋原材基本相同。材基本相同。 (3) 圖中圖中OK1C1D1曲線為冷拉時效，其含義是將鋼筋原材拉伸至超過屈服點但不超曲線為冷拉時效，其含義是將鋼筋原材拉伸至超過屈服點但不超過抗拉強(qiáng)度過抗拉強(qiáng)度(使之產(chǎn)生塑性變形使之產(chǎn)生塑性變形)的某一點的某一點K，卸去荷載，然后進(jìn)行自然時效或人工時效，卸去荷載，然后進(jìn)行自然時效或人工時效，再將鋼筋拉斷。通過冷拉時效處理，鋼筋的屈服點升高至再將鋼筋拉斷。通過冷拉時效處理，鋼筋的屈服點升高至K1點，以后的應(yīng)力點，以后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)應(yīng)變關(guān)系系K1C1D1比原來曲線比原來曲線KCD短。這表明鋼筋經(jīng)冷拉時效后，屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，與短。這表明鋼筋經(jīng)冷拉時效后，屈服強(qiáng)度

47、進(jìn)一步提高，與鋼筋原材相比，抗拉強(qiáng)度亦有所提高，塑性和韌性則相應(yīng)降低。鋼筋原材相比，抗拉強(qiáng)度亦有所提高，塑性和韌性則相應(yīng)降低。 鋼材冷加工強(qiáng)化的原因是鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)鋼材冷加工強(qiáng)化的原因是鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，塑性變形區(qū)域內(nèi)的晶粒產(chǎn)生相對滑移，導(dǎo)致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸變，滑移面變得凹凸不平，對晶生相對滑移，導(dǎo)致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸變，滑移面變得凹凸不平，對晶粒進(jìn)一步滑移起阻礙作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服強(qiáng)度得以提高。同時，粒進(jìn)一步滑移起阻礙作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服強(qiáng)度得以提高。同時，冷加工強(qiáng)化后的鋼材，由于塑性

48、變形后滑移面減少，從而使其塑性降低，脆性增大，冷加工強(qiáng)化后的鋼材，由于塑性變形后滑移面減少，從而使其塑性降低，脆性增大，且變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼的彈性模量降低。且變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼的彈性模量降低。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第18頁/共52頁 鋼材產(chǎn)生時效的主要原因是溶于鋼材產(chǎn)生時效的主要原因是溶于 -Fe中的碳、氮原子，本來就有向晶格缺陷處移動、中的碳、氮原子，本來就有向晶格缺陷處移動、集中甚至呈碳化物或氮化物析出的傾向，當(dāng)鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，碳、氮原集中甚至呈碳化物或氮化物析出的傾向，當(dāng)鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生塑性變形后，碳、氮原子的移動和集中大為加快，這將使滑

49、移面缺陷處碳、氮原子富集，使晶格畸變加劇，子的移動和集中大為加快，這將使滑移面缺陷處碳、氮原子富集，使晶格畸變加劇，造成其滑移、變形更為困難，因而強(qiáng)度進(jìn)一步提高，塑性和韌性則降低，而彈性模量造成其滑移、變形更為困難，因而強(qiáng)度進(jìn)一步提高，塑性和韌性則降低，而彈性模量則基本相同。則基本相同。4. 鋼材的熱處理鋼材的熱處理 熱處理是將鋼材在固態(tài)范圍內(nèi)按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，以改變其金相組織和熱處理是將鋼材在固態(tài)范圍內(nèi)按一定規(guī)則加熱、保溫和冷卻，以改變其金相組織和顯微結(jié)構(gòu)組織，從而獲得所需性能的一種工藝過程。土木工程所用鋼材一般在生產(chǎn)廠顯微結(jié)構(gòu)組織，從而獲得所需性能的一種工藝過程。土木工程所用鋼材

50、一般在生產(chǎn)廠家進(jìn)行熱處理并以熱處理狀態(tài)供應(yīng)。在施工現(xiàn)場，有時需對焊接件進(jìn)行熱處理。家進(jìn)行熱處理并以熱處理狀態(tài)供應(yīng)。在施工現(xiàn)場，有時需對焊接件進(jìn)行熱處理。鋼材熱處理的方法有以下幾種。鋼材熱處理的方法有以下幾種。 1) 退火退火 是將鋼材加熱到一定溫度，保溫后緩慢冷卻是將鋼材加熱到一定溫度，保溫后緩慢冷卻(隨爐冷卻隨爐冷卻)的一種熱處理工藝，有低溫的一種熱處理工藝，有低溫退火和完全退火之分。低溫退火的加熱溫度在基本組織轉(zhuǎn)變溫度以下；完全退火的加退火和完全退火之分。低溫退火的加熱溫度在基本組織轉(zhuǎn)變溫度以下；完全退火的加熱溫度在熱溫度在800850。其目的是細(xì)化晶粒，改善組織，減少加工中產(chǎn)生的缺陷、減

51、。其目的是細(xì)化晶粒，改善組織，減少加工中產(chǎn)生的缺陷、減輕晶格畸變，降低硬度，提高塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形、開裂。輕晶格畸變，降低硬度，提高塑性，消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形、開裂。 2) 正火正火 是退火的一種特例。正火在空氣中冷卻，兩者僅冷卻速度不同。與退火相比，正火是退火的一種特例。正火在空氣中冷卻，兩者僅冷卻速度不同。與退火相比，正火后鋼材的硬度、強(qiáng)度較高，而塑性減小。其目的是消除組織缺陷等。后鋼材的硬度、強(qiáng)度較高，而塑性減小。其目的是消除組織缺陷等。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第19頁/共52頁3) 淬火淬火 是將鋼材加熱到基本組織轉(zhuǎn)變溫度以上是將鋼材加熱到基本組織轉(zhuǎn)變溫

52、度以上(一般為一般為900以上以上)，保溫使組織完全轉(zhuǎn)變，即放入水或油等冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使之轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定組織的一種熱處理操作。其目的是得到高強(qiáng)度、高硬度的組織。淬火會使鋼材的塑性和韌性顯著降低。，保溫使組織完全轉(zhuǎn)變，即放入水或油等冷卻介質(zhì)中快速冷卻，使之轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定組織的一種熱處理操作。其目的是得到高強(qiáng)度、高硬度的組織。淬火會使鋼材的塑性和韌性顯著降低。4) 回火回火 是將鋼材加熱到基本組織轉(zhuǎn)變溫度以下是將鋼材加熱到基本組織轉(zhuǎn)變溫度以下(150650內(nèi)選定內(nèi)選定)，保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝，通常和淬火是兩道相連的熱處理過程。其目的是促進(jìn)不穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰慕M織，消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)

53、應(yīng)力，改善機(jī)械性能等。，保溫后在空氣中冷卻的一種熱處理工藝，通常和淬火是兩道相連的熱處理過程。其目的是促進(jìn)不穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變?yōu)樾枰慕M織，消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，改善機(jī)械性能等。鋼材的力學(xué)性能與工藝性能鋼材的力學(xué)性能與工藝性能第20頁/共52頁一、一、 鋼的組織及其對鋼材性能的影響鋼的組織及其對鋼材性能的影響 純鐵在不同的溫度下有不同的晶體結(jié)構(gòu)。純鐵在不同的溫度下有不同的晶體結(jié)構(gòu)。鋼的組織和化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼的組織和化學(xué)成分對鋼材性能的影響 1 535 1 394 912 液態(tài)鐵 -Fe -Fe -Fe 體心立方晶體 面心立方晶體 體心立方晶體 但是要得到了含但是要得到了含F(xiàn)e100%純度的

54、鋼是不可能的，實際上，鋼是以鐵為主的純度的鋼是不可能的，實際上，鋼是以鐵為主的Fe-C合金，其基本元素是合金，其基本元素是Fe和和C，雖然，雖然C含量很少，但對鋼材性能的影響非常大。碳素鋼冶煉時在鋼水冷卻過程中，其含量很少，但對鋼材性能的影響非常大。碳素鋼冶煉時在鋼水冷卻過程中，其Fe和和C有以下三種結(jié)合形式。有以下三種結(jié)合形式。 (1) 固溶體固溶體鐵鐵(Fe)中固溶著微量的碳中固溶著微量的碳(C)。 (2) 化合物化合物鐵和碳結(jié)合成化合物鐵和碳結(jié)合成化合物Fe3C。 (3) 機(jī)械混合物機(jī)械混合物固溶體和化合物的混合物。固溶體和化合物的混合物。 以上三種形式的以上三種形式的Fe-C合金，于一

55、定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織。鋼的基本組織及其性能如表合金，于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織。鋼的基本組織及其性能如表7-2所示。所示。 建筑工程中所用的鋼材含碳量均在建筑工程中所用的鋼材含碳量均在0.8%以下，所以建筑鋼材的基本組織是由鐵素體和珠光體組成，由此決定了建筑鋼材既有較高的強(qiáng)度，同時塑性、韌性也較好，從而能很好地滿足工程所需的技術(shù)性能。以下，所以建筑鋼材的基本組織是由鐵素體和珠光體組成，由此決定了建筑鋼材既有較高的強(qiáng)度，同時塑性、韌性也較好，從而能很好地滿足工程所需的技術(shù)性能。第21頁/共52頁表表7-2 鋼的基本組織及其性能鋼的基本組織及其

56、性能鋼的組織和化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼的組織和化學(xué)成分對鋼材性能的影響C溶于C溶于組織名稱含碳量(%)結(jié)構(gòu)特征性 能鐵素體0.02-Fe中的固溶體強(qiáng)度、硬度很低，塑性好，沖擊韌性很好奧氏體0.8-Fe中的固溶體強(qiáng)度、硬度不高，塑性大滲碳體6.67化合物Fe3C抗拉強(qiáng)度很低，硬脆，很耐磨，塑性幾乎為零珠光體0.8鐵素體與的機(jī)械混合物強(qiáng)度較高，塑性和韌性介于鐵素體和滲碳體之間二、二、 鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響 鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響如表鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響如表7-3所示。所示。第22頁/共52頁表表7-3 鋼的化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼的化學(xué)成分對鋼

57、材性能的影響鋼的組織和化學(xué)成分對鋼材性能的影響鋼的組織和化學(xué)成分對鋼材性能的影響化學(xué)成分化學(xué)成分對鋼材性能的影響備 注碳(C)含碳量在0.8%以下時，隨含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低；但當(dāng)含碳量大于1.0%時，隨含碳量增加，鋼的強(qiáng)度反而下降。含碳量增加，鋼的焊接性能變差，尤其當(dāng)含碳量大于0.3%時，鋼的可焊性顯著降低建筑鋼材的含碳量不可過高，但是在用途上允許時，可用含碳量較高的鋼，最高可達(dá)0.6%硅(Si)硅含量在1.0%以下時，可提高鋼的強(qiáng)度、疲勞極限、耐腐蝕性及抗氧化性，對塑性和韌性影響不大，但可焊性和冷加工性能有所影響。硅可作為合金元素，用以提高合金鋼的強(qiáng)度硅是有益元素

58、，通常碳素鋼中硅含量小于0.3%，低合金鋼含硅量小于1.8%錳(Mn)錳可提高鋼材的強(qiáng)度、硬度及耐磨性。能消減硫和氧引起的熱脆性，改善鋼材的熱工性能。錳可作為合金元素，提高鋼材的強(qiáng)度錳是有益元素，通常錳含量在1%2%硫(S)硫引起鋼材的“熱脆性”，會降低鋼材的各種機(jī)械性能，使鋼材的可焊性、沖擊韌性、耐疲勞性和抗腐蝕性等均降低硫是有害元素，建筑鋼材的含硫量應(yīng)盡可能減少，一般要求含硫量小于0.045%磷(P)磷引起鋼材的“冷脆性”，磷含量提高，鋼材的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐蝕性提高，塑性、韌性和可焊性顯著下降磷是有害元素，建筑用鋼要求含磷量小于0.045%氧(O)含氧量增加，使鋼材的機(jī)械強(qiáng)度降低、塑

59、性和韌性降低，促進(jìn)時效，還能使熱脆性增加，焊接性能變差氧是有害元素，建筑鋼材的含氧量應(yīng)盡可能減少，一般要求含氧量小于0.03%氮(N)氮使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮會加劇鋼的時效敏感性和冷脆性，使可焊性變差。但在鋁、鈮、釩等元素的配合下，可細(xì)化晶粒，改善鋼的性能，故可作為合金元素。建筑鋼材的含氮量應(yīng)盡可能減少，一般要求含氮量小于0.008%第23頁/共52頁一、鋼材銹蝕機(jī)理一、鋼材銹蝕機(jī)理 鋼材的銹蝕是指鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)作鋼材的銹蝕是指鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)作用的機(jī)理，腐蝕可分為化學(xué)銹蝕和電化

60、學(xué)銹蝕。用的機(jī)理，腐蝕可分為化學(xué)銹蝕和電化學(xué)銹蝕。 1. 化學(xué)銹蝕化學(xué)銹蝕 化學(xué)銹蝕是指鋼材與周圍介質(zhì)化學(xué)銹蝕是指鋼材與周圍介質(zhì)(如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等如氧氣、二氧化碳、二氧化硫和水等)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成疏松的氧化物而產(chǎn)生的銹蝕。一般情況下，是鋼材表面疏松的氧化物而產(chǎn)生的銹蝕。一般情況下，是鋼材表面FeO保護(hù)膜被氧化成黑色的保護(hù)膜被氧化成黑色的Fe3O4。在常溫下，鋼材表面能形成在常溫下，鋼材表面能形成FeO保護(hù)膜，可以防止鋼材進(jìn)一步銹蝕。所以，在干燥環(huán)境中化保護(hù)膜，可以防止鋼材進(jìn)一步銹蝕。所以，在干燥環(huán)境中化學(xué)銹蝕速度緩慢，但在溫度和濕度較大的情況下，這種銹蝕進(jìn)展