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第七章土木工程用鋼材和鋁合金第1頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月金屬材料分為黑色金屬(鐵、鋼、合金鋼)、有色金屬(銅、鋁、鉛等非鐵金屬及其合金)。人類(lèi)使用金屬材料始于青銅時(shí)代,隨后進(jìn)入鐵器時(shí)代。1860年前后,發(fā)明了鋼的冶煉技術(shù)。1889年建造的法國(guó)埃菲爾塔,標(biāo)志著鋼結(jié)構(gòu)的興起。1940年以后,鋁合金、不銹鋼等現(xiàn)代金屬建筑材料迅速發(fā)展。目前用量較大的金屬材料有500多種。建筑鋼材指建筑工程中所用的各種鋼材(型鋼、鋼板、鋼筋、建筑五金)。建筑鋼材是最重要的建筑材料之一。建筑鋼材強(qiáng)度高,材性好,比強(qiáng)度高,施工便利,缺點(diǎn)是易銹蝕。第2頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)鋼的生產(chǎn)和分類(lèi)一、鋼的冶煉1.生鐵的冶煉鐵礦石、石灰石、焦碳和少量錳礦石在高爐內(nèi)進(jìn)行還原反應(yīng),由氧化鐵形成金屬鐵,再吸收碳而成生鐵。鐵渣排出時(shí)用水急冷,形成水淬礦渣。2.鋼的冶煉生鐵在轉(zhuǎn)爐(最常用)、平爐或電爐中進(jìn)行氧化反應(yīng),除去雜質(zhì)而成鋼。第3頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、鋼的分類(lèi)1、按冶煉時(shí)脫氧程度分類(lèi):沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。2、按化學(xué)成分分類(lèi):碳素鋼(低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼)、合金鋼(低合金鋼、中合金鋼、高合金鋼)。3、按有害雜質(zhì)分類(lèi):普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼、特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。4、按用途分類(lèi):結(jié)構(gòu)鋼(結(jié)構(gòu)構(gòu)件、機(jī)械零件等,一般為低碳鋼或中碳鋼)、工具鋼(工具、量具、模具等,一般為高碳鋼)、特殊鋼(不銹鋼、耐熱鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、磁性鋼等,一般為合金鋼)。建筑工程中常用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼(軟鋼)、普通合金結(jié)構(gòu)鋼中的低合金鋼。第4頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)鋼材的技術(shù)性質(zhì)一、力學(xué)性質(zhì)1.抗拉性能第5頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月低碳鋼(軟鋼)是建筑工程中廣泛使用的一種鋼材,其拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如上左圖所示。中碳鋼、高碳鋼(硬鋼)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與低碳鋼不同,如上右圖所示。硬鋼的抗拉強(qiáng)度高,塑性變形小,屈服現(xiàn)象不明顯。規(guī)范規(guī)定以產(chǎn)生相對(duì)于初始長(zhǎng)度0.2%殘余變形時(shí)的應(yīng)力值作為名義屈服點(diǎn),以σ0.2表示。第6頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月低碳鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了材料的許多重要技術(shù)性能:(1)彈性階段:OA段,呈直線,應(yīng)力與應(yīng)變成正比,其比值即彈性模量(E=σ/ε),產(chǎn)生彈性變形,A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限(σP)。(2)屈服階段:AB段,呈鋸齒狀,應(yīng)力在不大的范圍內(nèi)波動(dòng),應(yīng)變急劇增大,開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形,出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。B下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為屈服點(diǎn)或屈服強(qiáng)度(σS)。鋼材受力達(dá)到屈服點(diǎn)后,由于變形迅速發(fā)展,盡管尚未破壞,但已不能滿足使用要求,故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值的依據(jù)。(3)強(qiáng)化階段:BC段,呈平緩上升曲線,應(yīng)力持續(xù)上升,應(yīng)變快速發(fā)展,C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為極限強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度(σb)。工程上,不能直接利用抗拉強(qiáng)度,而是用屈強(qiáng)比(σS/σb)反映材料的安全可靠程度和利用率(常用碳素鋼的屈強(qiáng)比0.58~0.63,低合金鋼0.65~0.75)。(4)頸縮階段:CD段,呈快速下降曲線,應(yīng)力持續(xù)下降,應(yīng)變快速增加,變形不再是均勻分布,在試件的薄弱處產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象,直至在D點(diǎn)斷裂。第7頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.塑性鋼材在外力作用下發(fā)生塑性變形而不破壞的能力。鋼材的塑性指標(biāo):伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。(1)伸長(zhǎng)率:試件拉斷后對(duì)接在一起,測(cè)得標(biāo)距伸長(zhǎng)值與原始標(biāo)距的百分比。δ=(l1-l0)/l0*100%(2)斷面收縮率:試件拉斷后,頸縮處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比。

ψ=(A0-A1)/A0*100%伸長(zhǎng)率反映鋼材塑性大小。伸長(zhǎng)率越大,塑性越好。鋼材拉伸時(shí)的塑性變形在試件標(biāo)距內(nèi)的分布是不均勻的,頸縮處的伸長(zhǎng)較大,故l0/d0越大,頸縮處的伸長(zhǎng)值在總伸長(zhǎng)值中所占比例越小,則計(jì)算所得伸長(zhǎng)率越小。l0/d0通常取5或10,相應(yīng)的伸長(zhǎng)率分別為δ5、δ10。對(duì)于同一鋼材,δ5>δ10。第8頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.沖擊韌性鋼材抵抗沖擊荷載的能力。以缺口試件的沖擊彎曲試驗(yàn)測(cè)定。鋼材的沖擊韌性與鋼材的化學(xué)成分、冶煉質(zhì)量、溫度、時(shí)效等因素有關(guān)。當(dāng)溫度下降到一定范圍時(shí),鋼材的沖擊韌性值突然下降很多,這種性質(zhì)稱為鋼材的冷脆性。如右圖所示。北方寒冷地區(qū)需檢驗(yàn)鋼材的冷脆性,應(yīng)選用脆性轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的鋼材。第9頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4.疲勞強(qiáng)度鋼材在交變荷載(大小、方向變化的荷載)的反復(fù)作用下,在應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞,稱疲勞破壞。鋼材在無(wú)數(shù)次(通常取10000000次)重復(fù)的交變荷載作用下不發(fā)生斷裂所能承受的最大應(yīng)力,稱疲勞強(qiáng)度。疲勞破壞是由于疲勞裂紋累積擴(kuò)展所致,在斷口可明顯分辨出疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)。5.硬度布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度。第10頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、工藝性能1.冷彎性能鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力。以冷彎試驗(yàn)判定是否合格。冷彎性能反映鋼材在苛刻變形條件下承受靜荷載作用時(shí)的塑性。2.焊接性能焊接件的拉伸、彎曲試驗(yàn),以破壞不發(fā)生在焊接處為合格。第11頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)鋼材的冷加工和熱處理一、冷加工冷加工:在常溫下進(jìn)行機(jī)械加工,包括冷拉、冷拔、冷扭、冷沖、冷壓等。冷加工強(qiáng)化:鋼材通過(guò)冷加工產(chǎn)生塑性變形,提高屈服強(qiáng)度,相應(yīng)地降低塑性和韌性。常對(duì)鋼筋進(jìn)行冷拉、冷拔。冷加工強(qiáng)化的原因:鋼材在冷加工變形時(shí),產(chǎn)生晶格變形。經(jīng)過(guò)冷加工強(qiáng)化,鋼材的屈服強(qiáng)度提高,沖擊韌性降低。在工程上,可節(jié)約鋼材,但受沖擊荷載的部位不得使用冷拉、冷拔鋼筋。時(shí)效:鋼材經(jīng)冷加工后,隨時(shí)間的延長(zhǎng),屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度逐漸提高,而塑性和韌性逐漸降低的現(xiàn)象。時(shí)效處理:經(jīng)過(guò)冷拉的鋼筋,在常溫下存放15~20天(自然時(shí)效),或加熱到100~200℃并保持2~3小時(shí)(人工時(shí)效),使強(qiáng)度進(jìn)一步提高的過(guò)程。在工程中,經(jīng)過(guò)時(shí)效處理,可使鋼筋的屈服強(qiáng)度提高20~25%,節(jié)約鋼材20~30%。產(chǎn)生時(shí)效的原因:溶于α-Fe晶格中的氮、氧等原子,向滑移面等缺陷處移動(dòng)、聚集,使晶格變形加劇。第12頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、熱處理熱處理是對(duì)鋼材在固態(tài)范圍內(nèi)施加一定的加熱、保溫、冷卻處理,以改善其性能。溫度和時(shí)間是熱處理的兩個(gè)基本工藝因素。根據(jù)加熱和冷卻條件以及目的不同,鋼的熱處理工藝可分類(lèi)為:普通熱處理(退火、正火、淬火、回火)、表面熱處理(表面淬火、化學(xué)熱處理)。退火:加熱保溫后,在爐內(nèi)慢冷至500℃以下在空氣中冷卻。目的是降低硬度以便進(jìn)行切削加工。正火:加熱保溫后,在空氣中冷卻。正火是退火的特例,正火后鋼的強(qiáng)度和硬度均比退火后的高。目前常用的低、中碳鋼的鋼材在供貨時(shí)常以正火狀態(tài)交貨。淬火:加熱保溫后,在淬火劑中冷卻。目的是提高硬度和耐磨性、獲得良好的綜合性能(強(qiáng)度高、韌性好)。常用淬火劑有:水、油、鹽、堿。第13頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月回火:將淬火鋼件重新加熱保溫后,冷卻到室溫。目的是消除內(nèi)應(yīng)力、降低脆性、改善機(jī)械性能。淬火后的鋼件,一般都必須及時(shí)進(jìn)行回火?;鼗鸱譃榈蜏鼗鼗穑訜釡囟?50~250℃)、中溫回火(加熱溫度350~500℃)、高溫回火(加熱溫度500~650℃)。工廠里習(xí)慣把淬火與高溫回火合稱為調(diào)質(zhì)處理,廣泛應(yīng)用于連桿、螺栓、齒輪、軸等結(jié)構(gòu)零件。鋼的表面熱處理包括表面淬火、化學(xué)熱處理(滲碳、滲氮、氰化、滲鋁、滲鉻等)。通過(guò)表面熱處理可使鋼件的表面層具有高硬度和耐磨性,芯部具有足夠的塑性和韌性。第14頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月熱處理不改變零部件的形狀和尺寸,而是改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而改變其性能。鋼在固態(tài)下能發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的變化,因此可以利用溫度變化來(lái)控制奧氏體的轉(zhuǎn)變,以改變鋼的內(nèi)部組織和晶體結(jié)構(gòu)。例如,含碳量0.8%的同樣兩塊鋼,加熱到800℃保溫后,一塊在爐中緩慢冷卻,測(cè)得硬度為HRC15,另一塊迅速投入水中急冷,測(cè)得硬度為HRC62;觀察其顯微組織發(fā)現(xiàn),前者為珠光體,后者為馬氏體。應(yīng)該指出,鋼經(jīng)過(guò)熱處理,組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化,與緩慢加熱或冷卻條件下所得的理論的平衡組織有所不同。第15頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)土木工程用鋼材的選用土木工程用鋼主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB700-2006)、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(GB1591-1994)、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB699-1999)、合金結(jié)構(gòu)鋼(GB/T3077-1999)。碳素結(jié)構(gòu)鋼可加工成各種型鋼、鋼筋、鋼絲,適用于一般結(jié)構(gòu)和工程。碳素結(jié)構(gòu)鋼塑性好、力學(xué)性能穩(wěn)定、成本低,因此在土木工程中用量較大。碳素結(jié)構(gòu)鋼有5種牌號(hào),選用時(shí),鋼的品質(zhì):平爐鋼、氧氣轉(zhuǎn)爐鋼優(yōu)于空氣轉(zhuǎn)爐鋼,鎮(zhèn)靜鋼優(yōu)于沸騰鋼;鋼的牌號(hào):牌號(hào)增大,強(qiáng)度和硬度增大,塑性、韌性、可加工性能降低。

Q235號(hào)鋼,綜合性能好,廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu),用作鋼結(jié)構(gòu)的屋架、閘門(mén)、管道、橋梁及鋼筋。Q195、Q215號(hào)鋼,強(qiáng)度較低,塑性、韌性、可焊性好,用于受荷較小及焊接結(jié)構(gòu)、鉚釘、地腳螺絲等。Q255、Q275號(hào)鋼,強(qiáng)度較高,塑性、韌性、可焊性差,用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中配筋、螺栓等。第16頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素而制成的,具有強(qiáng)度高、硬度高、塑性及韌性良好、耐腐蝕性好等特點(diǎn),可比碳素結(jié)構(gòu)鋼減輕自重20~30%,特別適合于重型結(jié)構(gòu)、高層建筑、大跨度結(jié)構(gòu)、橋梁。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼有5個(gè)牌號(hào)。低合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于型鋼、鋼板、鋼管、鋼筋。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼性能優(yōu)于碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼有31個(gè)牌號(hào),性能主要取決于含碳量。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼成本較高,主要用于鋼鑄件、高強(qiáng)螺栓、預(yù)應(yīng)力混凝土的錨具、鋼絲。第17頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月一、土木工程用鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB700-2006)規(guī)定,分五個(gè)牌號(hào):Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。技術(shù)要求:化學(xué)成分、力學(xué)性能(拉伸、沖擊、冷彎)。2.低合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《低合金結(jié)構(gòu)鋼》(GB1591-1994)規(guī)定,分17個(gè)牌號(hào)。3.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB699-1999)規(guī)定,分31個(gè)牌號(hào)。4.合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)《合金結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T3077-1999)規(guī)定,分77個(gè)牌號(hào)。第18頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、鋼結(jié)構(gòu)用鋼材1.熱軋型鋼角鋼、L型鋼、工字鋼、槽鋼、H型鋼、扁鋼。2.冷彎型鋼3.鋼板4.鋼管三、鋼筋混凝土用鋼材1.熱軋鋼筋2.冷軋帶肋鋼筋3.預(yù)應(yīng)力筋4.鋼纖維四、專(zhuān)門(mén)結(jié)構(gòu)用鋼材1.橋梁結(jié)構(gòu)鋼2.鋼軌鋼第19頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)鋁及鋁合金鋁是一種輕金屬(密度2700kg/m3),其在地殼中的含量為8.13%,僅次于氧、硅。鋁被稱為第二金屬,其產(chǎn)量及消費(fèi)僅次于鋼鐵。鋁具有良好的力學(xué)性能、加工性能,但純鋁的強(qiáng)度、硬度不高,常與銅、鎂、錳、硅、鋅等制成鋁合金。按加工方式的不同,鋁合金分為鑄造鋁合金、變形鋁合金。在建筑中,常用鋁合金型材制作門(mén)窗、隔墻和吊頂?shù)目蚣?,將鋁合金裝飾板用于屋面、墻面等,將鋁箔用于絕熱、防潮。第20頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月思考題1、含碳量對(duì)碳素鋼的性能有何影響?2、拉伸試驗(yàn)可測(cè)定鋼材哪些力學(xué)性能?它對(duì)選用鋼材有何用途?3、某鋼材試樣,直徑10mm,長(zhǎng)度100mm,當(dāng)荷載達(dá)26.69kN時(shí)開(kāi)始塑性變形,當(dāng)荷載最高達(dá)47.10kN時(shí)被拉斷,拉斷后試樣長(zhǎng)度116mm,斷口直徑6.7mm,求該鋼材的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率?4、鋼材冷加工的目的?5、鋼材熱處理的目的?第21頁(yè),課件共23頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月思考題參考答案1、含碳量對(duì)碳素鋼的性能有何影響?2、拉伸試驗(yàn)可測(cè)定鋼材哪些力學(xué)性能?它對(duì)選用鋼材有何用途?隨含碳量增加,碳素鋼的硬度提高、塑性降低、韌性降低、冷脆性及時(shí)效敏感性增大

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