土木工程材料课件――建筑金属材料.ppt

第2章建筑金属材料 金属材料黑色金属：铁、钢材等有色金属：铝、铜及其合金等金属材料的基本分类 2.1钢材的分类2.2建筑钢材的主要技术性能2.3钢材的化学成分与晶体组织2.4钢材的强化与加工2.5钢材的锈蚀与防护2.6土木工程常用金属材料的性质及应用★★★★主要内容 钢材的主要化学成分：不可避免的元素：Si、Mn、P、S、N…专门加入的合金元素：Si、Mn、Ti、V、Ni、Nb及稀土元素铁：主要元素碳：0.02%～2.06%其他元素：2.1钢材的分类 2.1.1按化学成分分类低碳钢：<0.25%中碳钢：0.25%～0.6%高碳钢：>0.6%（1）碳素钢（碳钢）（2）合金钢——专门加入一定量的合金元素按合金元素总含量分：低合金钢：<5%中合金钢：5%～10%高合金钢：>10%按含碳量分：2.1钢材的分类 2.1.2按杂质含量分类普通钢：≤0.050%，≤0.045%优质钢：≤0.035%，≤0.035%高级优质钢：≤0.025%，≤0.025%，牌号后加“高”或“A”特级优质钢：≤0.015%，≤0.015%，牌号后加“E”含硫量含磷量高低2.1钢材的分类钢材品质 2.1.3按冶炼时脱氧程度分类沸腾钢：脱氧不充分，代号“F”半镇静钢：介于F与Z之间，代号“b”镇静钢：脱氧充分，代号“Z”特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ”2.1.4按用途分类结构钢：建筑结构、机械制造（低、中碳钢）工具钢：各种工具（高碳钢）特殊钢：具有特殊的物理、化学或机械性质（不锈钢、耐热钢、耐酸钢）密致度高低2.1钢材的分类 2.2建筑钢材的主要技术性能1、力学性质：强度、弹性、塑性、韧性、硬度、耐疲劳性2、工艺性质（可加工性）：冷弯性能、可焊性本章重点包括： 2.2建筑钢材的主要技术性能2.2.1力学性能1.抗拉性能——是建筑钢材最重要的力学性能。★ 2.2建筑钢材的主要技术性能标准试件按照一定的要求，对表面进行车削加工后的试件。l0A0d0l非标准试件不经过加工，直接在线材上切取的试件。头部头部工作段 2.2建筑钢材的主要技术性能σε0钢材拉伸过程的σ-ε图OB—弹性阶段BC—屈服阶段CD—强化阶段DE—颈缩阶段A0BCB0DCEDFEB上上屈服点B下下屈服点以下屈服点的应力作为钢材的屈服强度（1）拉伸试验过程B0 2.2建筑钢材的主要技术性能σε0钢材拉伸弹性阶段示意图AB0弹性阶段σp—比例极限，MPa。σpσBσB—弹性极限，MPa。注：由于A、B两点相距较近，一般认为σp=σB。 2.2建筑钢材的主要技术性能σε0钢材拉伸屈服阶段示意图AB0B下B上CBB下B上C屈服阶段放大后 2.2建筑钢材的主要技术性能σε0钢材拉伸强化阶段示意图AB0B下B上CD强化阶段σbσb——抗拉强度或强度极限。 2.2建筑钢材的主要技术性能σε0E钢材拉伸颈缩阶段示意图AB0C下C上CDDE——颈缩阶段 2.2建筑钢材的主要技术性能拉伸性能指标：屈服点、抗拉强度、伸长率、断面收缩率。Fs—屈服阶段最小的力(首次回针所对应的力),N；Ao—钢材的原始截面积，mm2。（1）屈服强度（屈服点）上屈服点(B上)：试样首次屈服前的最大应力；下屈服点(B下)：不计初始瞬时效应的最小应力，即屈服点。 硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度σ0.2来代替屈服强度。条件屈服点σ0.2：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。σε0A0.2%aboa——总变形。ba——弹性变形99.8%。ob——塑性变形0.2%。2.2建筑钢材的主要技术性能 2.2建筑钢材的主要技术性能（2）抗拉强度：钢材所能承受的最大拉应力。Fb——最大拉力（N）试验时，一般以钢材出现颈缩为准。强屈比一般不低于1.2，抗震结构一般不低于1.25。可靠性参数值得注意：强屈比的概念值越大,可靠性越高,安全性越高,但利用率降低，浪费增大。 2.2建筑钢材的主要技术性能（3）伸长率：塑性指标。意义：值越大，塑性增强，可避免结构过早破坏；加工性增强，安全性增强。值有两种：5——表示L0=5d0d0——钢材直径10——L0=10d0Lo——试件原始标距长度，mm；L1——试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm。 （4）断面收缩率：塑性指标。A1——试样拉断后颈缩处的截面积，mm2；A0——表示钢材的原始截面积，mm2。伸长率和断面收缩率均表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。2.2建筑钢材的主要技术性能 2.2建筑钢材的主要技术性能2.冲击韧性——指钢材抵抗冲击荷载的能力。试验方法：标准试件的弯曲冲击韧性试验。冲击韧性试验原理图指标：试件缺口处单位截面积上所消耗的功,计作αkJ/cm2。αk值愈大，钢材的冲击韧性愈好。韧性与试验温度有关 3.耐疲劳性疲劳破坏：交变荷载反复作用，钢材在应力低于屈服强度时,突然发出脆性断裂的现象。一般由拉应力引起，危害极大。2.2建筑钢材的主要技术性能 布氏硬度试验原理图2.2建筑钢材的主要技术性能4.硬度——比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的能力。试验方法：布氏硬度、洛氏硬度D——球体直径，mmP——规定荷载，Nd——压痕直径，mmF——被试金属表面压痕面积，mm2布氏硬度——压痕单位球体面积上所承受的荷载大小,MPa。 2.2建筑钢材的主要技术性能2.2.2工艺性能冷弯性能：常温下钢材承受弯曲变形的能力。焊接性能：钢结构中90%以上为焊接结构,焊接性能非常重要。★ 2.2建筑钢材的主要技术性能（1）冷弯性能冷弯性能试验：试件被弯曲的角度（90°、180°）判定标准：若试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，认为冷弯性能合格。装好的试件弯曲180°弯曲90° 2.2建筑钢材的主要技术性能冷弯试验意义：1.能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。2.也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。 2.2建筑钢材的主要技术性能（2）焊接性能焊接方式：搭接、对接焊接要求：①焊接处（焊缝及其附近过热区）不产生裂缝及硬脆倾向。②焊接处性能与母材一致，即力学性能、工艺性能应合格，特别是强度不低于原钢材强度。拉伸试验、冷弯试验)影响因素：碳、合金元素及杂质元素越多，可焊性越小。 2.3钢材的化学成分与晶体组织钢是以铁为主的Fe−C合金。2.2.1钢材的晶体组织晶体组织：Fe−C合金在一定条件下形成具有一定形态的聚合体，称为钢的晶体组织。在显微镜下可以观察到钢铁的微观形貌称为铁素体、珠光体、渗碳体、奥氏体四种。P33表2-1钢的基本晶体组织 2.3钢材的化学成分与晶体组织晶体结构晶粒聚集示意图体心立方晶体铁原子排列示意图体心立方晶格晶胞 2.3钢材的化学成分与晶体组织晶格缺陷示意图间隙原子刃型位错空位(a)点缺陷空位和间隙原子(b)线缺陷刃型位错(c)面缺陷晶界面 2.3钢材的化学成分与晶体组织碳：炼钢氧化过程中生成，主要以渗碳体Fe3C存在。2.2.2钢材的化学成分P32表2-2含碳量钢的抗拉强度、硬度塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性硅：脱氧剂，屈服强度和抗拉强度可焊性、冷加工性锰：脱氧、去硫，具有很强的脱氧、硫能力。可改善钢的热加工性，强度、硬度锰含量过高，可焊接性 2.3钢材的化学成分与晶体组织有害元素磷：来自炼铁原料，钢的强度和硬度硫：来自炼铁原料氧：常以FeO的形式存在。最大害处：热脆性热加工性、可焊接性冲击韧性、耐疲劳性、抗腐蚀性最大害处：冷脆性低温冲击韧性、可焊接性最大害处：热脆性强度、机械性能、韧性、可焊性 2.3钢材的化学成分与晶体组织氮：来自空气，影响与碳、磷相似。钛：强脱氧剂，常用合金元素。钒：弱脱氧剂，常用合金元素。优点：可减弱碳、氮的不利影响。钢的强度、硬度塑性、韧性、可焊性钢中加入少量合金元素Al、Ti、Nb等,改善性能优点：强度韧性、可焊性缺点：可焊性、时效强度、韧性热脆性缺点：钛含量过高，塑性缺点：可焊性、时效 2.4钢材的强化与加工2.4.1冷加工——指钢材在常温下进行的加工。常见的冷加工方式：冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等。特点：钢材经冷加工产生塑性变形，从而提高其屈服强度，这一过程称为冷加工强化处理。 （1）冷拉冷拉是将钢筋拉至应力-应变曲线的强化阶段内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，当再度加载时，其屈服点将有所提高，塑性变形能力将有所降低。钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高20%～25%。2.4钢材的强化与加工 2.4钢材的强化与加工（2）冷拔———将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。拉拔模孔冷拔比纯拉伸作用强烈，钢筋受拉、挤压作用。如：经过一次或多次的冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，屈服点可提高40%～60%，但失去软钢的塑性和韧性，而具有硬钢的特点。 2.4钢材的强化与加工（3）冷轧——将圆钢在冷轧机上轧成断面形状规则的钢筋。目的：提高强度、与混凝土的粘结力。钢筋在冷轧时，纵向与横向同时产生变形，因而能较好地保持其塑性和内部结构均匀性。 2.4钢材的强化与加工（4）冷轧扭对热轧圆盘条,经冷轧扁和冷扭转,制成冷轧扭钢筋。冷轧厚度：越薄，塑性变形越大，抗拉强度提高得越多，伸长率降低得也越多。螺距：螺距大小将直接影响钢筋与砼的握裹力。螺距小，握裹力大，冷轧扭难度加大。要求：特点：冷轧扭钢筋无明显的屈服台阶 2.4钢材的强化与加工冷加工的特点：提高屈服强度，但塑性变形降低。冷加工的目的：经过冷加工的钢材，可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。具有明显的经济效益。注意：冷拔钢丝屈强比较大，相应的安全储备较小。总结 2.4钢材的强化与加工——将经过冷拉的钢筋于常温下存放15～20d(自然时效)，或加热到100～200℃(人工时效)，并保持一段时间，这个过程称为时效处理。作用:钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，抗拉强度也有提高，塑性、韧性有所降低。∵时效过程中应力的消减，∴弹性模量可基本恢复。2.4.2时效处理 2.4钢材的强化与加工σεOO1BD1CDC1K1K未冷拉屈服点B冷拉屈服点:σs变大塑性和韧性降低时效σs,σν变大塑性和韧性降低冷加工和时效强化示意图 2.5钢材的锈蚀与防护2.5.1钢材的锈蚀——钢材表面与其周围介质发生化学反应而遭到的破坏。化学锈蚀电化学锈蚀钢材直接与周围介质发生化学反应产生锈蚀,多数是由氧化作用在钢材表面形成疏松氧化物。干燥环境缓慢，温湿度高，发展迅速。钢材本身组成和杂质的存在,在表面介质的作用下,各成分电极电位不同,形成微电池，铁元素失去了电子成为Fe2+进入介质溶液，与溶液中的OH-离子结合生成Fe(OH)2。 2.5钢材的锈蚀与防护锈蚀的结果：在钢材表面形成疏松的氧化物，使钢结构断面减小，降低钢材的性能，因而承载力降低。 2.5钢材的锈蚀与防护三个方面：改变钢材本身的易腐蚀性、隔离环境中的侵蚀性介质、改变钢材表面的电化学过程。（1）采用耐候钢（耐大气腐蚀钢）（2）金属覆盖——电镀或喷镀的方法覆盖在钢材表面。（3）非金属覆盖——在钢材表面用非金属材料做为保护膜,如喷涂涂料、搪瓷和塑料等。（4）混凝土用钢筋的防锈——提高砼密实度；钢筋砼保护层厚度；限制使用含Cl-的外加剂；钢筋涂覆环氧树脂或镀锌。2.5.2钢材的防护 2.6土木工程常用钢材2.6.1建筑常用钢种2.6.1.1碳素结构钢1.碳素结构钢的牌号（P37表2-4）表示顺序：屈服点字母(Q)、屈服点数值(单位MPa)、质量等级(有A、B、C、D4级，逐级提高)和脱氧方法(F：沸腾钢，b：半镇钢，Z：镇静钢，TZ：特殊镇钢。牌号表示时Z、TZ可省略)。例如：Q235—A·F表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。Q235—B表示屈服点为235MPa，B级镇静钢。 2.6土木工程常用钢材2.碳素结构钢的选用(1)碳素结构钢依牌号增大，含碳量增加，强度增大，但塑性和韧性降低。(2)建筑工程中主要应用Q235号钢。特点：具有较高的强度，良好的塑性、韧性，可焊性及可加工等综合性能好,且冶炼方便,成本较低，因此，广泛用于一般钢结构。其中，C、D级可用在重要的焊接结构。 2.6土木工程常用钢材(3)Q195、Q215号钢材特点：强度较低，但塑性、韧性较好，易于冷加工，可制作铆钉、钢筋等。(4)Q255、Q275号钢材特点：强度高，但塑性、韧性、可焊性差，可用于钢筋混凝土配筋及钢结构中的构件及螺栓等。(5)受动荷载作用结构、焊接结构及低温下工作的结构，不能选用A、B质量等级钢及沸腾钢。 2.6土木工程常用钢材2.6.1.2.优质碳素结构钢1.牌号三部分表示：含碳量、含锰量标著、脱氧程度代号。前两位数字表示平均含碳量的万分数；有“含锰量标著”指较高含锰量，无“含锰量标著”指普通含锰量；大部分为镇静钢。如：45Mn表示平均含碳量为0.45%，较高含锰量的镇静钢。30Mn表示平均含碳量为0.30%，普通含锰量的镇静钢。 2.6土木工程常用钢材2.优质碳素结构钢的选用30～45号钢：用于重要结构的钢铸件、高强度螺栓。45号钢：用作预应力混凝土锚具。65～80号钢：用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。 2.6.1.3低合金高强度结构钢1.低合金高强度钢的牌号（P41表2-7）低合金钢的牌号表示按顺序为：屈服点字母（Q）、屈服点数值（单位MPa）、质量等级屈服点等级：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460质量等级：E、D、C、B、A五个等级。如:Q390C表示屈服强度不小于390MPa，质量等级为C级的低合金高强度结构钢2.6土木工程常用钢材 2.6土木工程常用钢材2.低合金高强度钢的选用特点：轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能；具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工。可以用作高层及大跨度建筑(如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等)的主体结构材料。与普通碳素钢相比可节约钢材，经济效益显著。 2.6土木工程常用钢材典型品种不锈钢：当低合金钢中的铬含量达11.5%时，铬就在合金表面形成一层惰性的氧化铬膜，成为不锈钢。特点：具有低的导热性，良好的耐蚀性能等优点；缺点是温度变化时膨胀性较大。可用于承重构件和建筑装饰材料。 2.6土木工程常用钢材2.6.2钢结构用钢2.6.2.1型钢简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢等；复杂截面型钢：工字钢、角钢、槽钢、钢轨等。 2.6土木工程常用钢材2.6.2.2管材无缝钢管、焊接钢管等 2.6土木工程常用钢材2.6.2.3板材光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。 2.6土木工程常用钢材2.6.3混凝土结构用钢2.6.3.1热轧钢筋1.牌号（P44表2-8）分为HPB235、HRB335、HRB400、HRB500四个牌号。HRB——Hotrolled-Ribbed-Bars牌号意义：HPB代表热轧光圆钢筋、HRB代表热轧带肋钢筋。热轧光圆钢筋由碳素结构钢轧制而成，表面光圆；热轧带肋钢筋由低合金钢轧制而成，外表带肋。牌号中的数字：表示热轧钢筋的屈服强度。 2.6土木工程常用钢材 2.6土木工程常用钢材热轧直条光圆钢筋：HPB235低碳热轧圆盘条的公称直径为5.5～30mm，大多通过卷线机成盘卷供应，因此称为盘条、盘圆或线材。 2.6土木工程常用钢材2.热轧钢筋的选用光圆钢筋的强度较低,但塑性及焊接性好,便于冷加工,广泛用做普通钢筋混凝土。HRB325，HRB400带肋钢筋的强度较高，塑性及焊接性也较好,广泛用做大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋。HRB500带肋钢筋强度高，但塑性与焊接性较差，适宜作预应力钢筋。 2.6土木工程常用钢材2.6.3.2冷拉热轧钢筋为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对热轧钢筋进行冷拉。1.冷拉热轧钢筋分为：冷拉Ⅰ级、冷拉Ⅱ级、冷拉Ⅲ级、冷拉Ⅳ级 2.6土木工程常用钢材2.冷拉热轧钢筋的选用冷拉I级钢筋适用作非预应力受拉钢筋。冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋强度较高，可用作预应力混凝土结构的预应力筋。由于冷拉钢筋的塑性、韧性较差，易发生脆断，因此，冷拉钢筋不宜用于负温度、受冲击或重复荷载作用的结构。 2.6土木工程常用钢材2.6.3.3冷轧扭钢筋（P45表2-9）分类：按其截面形状不同分为I型(矩形截面)和Ⅱ型(菱形截面)两种类型。代号为CTB。应用：冷轧扭钢筋可适用于钢筋混凝土构件。注意：冷轧扭钢筋在拉伸时无明显屈服台阶，为安全起见，其抗拉设计强度采用0.8σb。 2.6土木工程常用钢材2.6.3.4冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋是用低碳钢热轧圆盘条经冷轧或冷拔减径，在其表面冷轧成三面有肋的钢筋。冷轧带肋钢筋代号为CRB，按抗拉强度分为三级五个牌号CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。冷轧带肋钢筋提高了钢筋的握裹力，可广泛用于中、小预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件，也可用于焊接钢筋网。 2.6土木工程常用钢材2.6.3.5预应力混凝土用钢丝和钢绞线1.预应力钢丝分类：按交货状态分为冷拉钢丝、消除应力钢丝；按外形分为光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋钢丝；按松驰能力分为低松驰钢丝和普通松驰钢丝。代号：WCD(冷拉钢丝)、S(消除应力钢丝)、SI(消除应力刻痕钢丝)、SH(消除应力螺旋肋钢丝)。作用：节约钢材、减小构件截面、节省混凝土。应用：桥梁、吊车梁、大跨度屋架、管桩等预应力钢筋混凝土构件中。 2.6土木工程常用钢材2.预应力钢绞线分类：1.按捻制结构分为三类：用两根钢丝捻制的钢绞线（表示为1×2）；用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为1×3）；用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为1×7）。2.按应力松驰能力分为：I级松驰和Ⅱ级松驰两种。应用：主要用于大跨度、大负荷的桥梁、电杆、枕轨、屋架、大跨度吊车梁等。特点：安全可靠，节约钢材，且不需冷拉，焊接接头等加工，在土木工程中得到广泛应用。 2.6土木工程常用钢材预应力钢绞线 2.6土木工程常用钢材 消除应力钢丝——弹簧钢材质异型钢丝 世界第一斜拉桥——苏通大桥苏通大桥位于江苏省东部的南通市和苏州（常熟）市之间，是交通部规划的黑龙江嘉荫至福建南平国家重点干线公路跨越长江的重要通道总长8206米，其中主桥采用100+100+300+1088+300+100+100=2088米的双塔双索面钢箱梁斜拉桥。斜拉桥主孔跨度1088米，斜拉索的长度580米,列世界第一。 鸟巢 本章结束谢谢建筑金属材料