《建筑金属材》PPT课件.ppt

第05章 建筑金属材料,金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属与某些非金属元素组成的合金的总称。金属材料一般分为两大类：黑色金属：是以铁元素为主要成分的铁金属及其合金，钢和铁是铁碳合金。含碳量小于2.11的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.11的铁碳合金称为生铁。有色金属：是除黑色金属以外的其它金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金，其中铝合金是一种重要的轻质结构材料。,5.1 钢的生产与分类,钢材的生产可分为三个过程：冶炼铸锭压力加工其生产流程的概况如图所示。,钢的冶炼,主要的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、菱铁矿(FeCO3)、褐铁矿（Fe2O32Fe(OH)3）和黄铁矿(FeS2)。,把铁矿石、焦炭、石灰石(助熔剂)按一定比例装入高炉中，在炉内高温条件下，焦炭中的碳与矿石中的氧化铁发生化学反应，将矿石中的铁还原出来，生成的一氧化碳和二氧化碳由炉顶排出，使矿石中的铁和氧分离，此过程称为炼铁。其化学反应式如下：C+FeOFe+CO,高炉结构图,将铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其它杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可得到含碳量合乎要求的产品，即为钢，此过程称为炼钢。炼钢的过程基本上是一个氧化过程。碳被氧化形成CO气体而逸出，硅、锰等形成氧化硅和氧化锰进入渣中除去；磷和硫在石灰的作用下，形成（CaO）4P2O5和CaS，亦进入渣中被排除。在冶炼后期应加入脱氧剂以除去钢液中的氧，这个步骤称为“脱氧”。常用的脱氧剂有硅铁、锰铁和铝锭等。,炼钢的主要反应过程:,产生氧化剂：2Fe+O2=2FeO（氧气）除硅，锰，碳等杂质：Si+2FeO=SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe C+FeO=CO+Fe造渣：CaO+SiO2=CaSiO3（生石灰）硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。脱氧：Si+2FeO=SiO2+2Fe（脱氧剂：硅铁，锰铁）调节合金元素,1.转炉炼钢法,转炉炼钢根据风口位置分：底吹、顶吹、侧吹三种；根据所鼓风的不同分：空气转炉和氧气转炉；根据炉衬材料的不同分：酸性转炉和碱性转炉。转炉炼钢的主要原料是熔化的高温铁水及部分废钢。转炉炼钢不需要另外使用燃料。空气转炉法只能用来炼制普通碳素钢。但其成本较低。氧气转炉法可炼优质碳素钢和合金钢。,转炉的结构图,2.平炉炼钢法（也叫马丁法）,根据所用耐火材料不同分为碱性平炉和酸性平炉。平炉炼钢法是以固体或液体生铁、铁矿石或废钢作原料。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。平炉可炼制优质碳素钢和合金钢。但由于设备投资较大，燃料热效率不高，冶炼时间较长，故其成本较高。视频：鞍钢平改转工程,3.电炉炼钢法,电炉的种类很多，分电弧炉、感应炉、电渣炉三种。电炉钢的质量最好，但成本高，主要用于冶炼优质碳素钢和特殊性能钢。表51 三种炼钢法列表比较,5.1.2 钢的铸锭,冶炼后的钢水注入锭模，浇铸成柱状的钢锭（钢坯），这种工艺称为铸锭。在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷最为严重。偏析现象对钢的质量有很大影响。根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为：沸腾钢：是脱氧不完全的钢。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析严重，再加上钢的致密程度较差，使它的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更为显著。但成本较低。镇静钢：是脱氧完全的钢。是质量较好的钢种，但成本较高。半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，质量最好。,两钢锭的纵剖面,(A)沸腾钢纵剖面图(B)镇静钢纵剖面图,5.1.3 钢的压力加工,压力加工可分为冷加工和热加工。热加工是将钢锭加热到塑性状态，依靠外力来改变形状的加工。常用的热加工方式有碾轧和锻造。1.碾轧：将钢坯加热（9001250）至塑性状态，轧成所需形状的钢材。工程上常用的钢筋、工字钢、角钢及钢板等都是碾轧制成的。2.锻造：将钢材加热至塑性状态，用锤击或静压的方法，使之加工成一定形状的制品。如建筑及机械用的钢零件。钢材经热加工后，其内部气泡由于外力的挤压而焊合，疏松组织密实，从而提高了钢的强度和质量，一般碾轧的次数越多，钢的强度提高也越大。,5.1.4 钢的分类,1.按化学成分分类 当钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为碳时，则称为碳素钢；当钢材组分元素中含量仅次于铁元素的成分为其他合金元素时，则称为合金钢。(1)碳素钢根据含碳量多少，碳素钢可分为：低碳钢：含碳量0.25以下。中碳钢：含碳量0.250.6。高碳钢：含碳量大于0.6。(2)合金钢根据合金元素的含量，合金钢可分为：低合金钢：合金元素总含量小于5；中合金钢：合金元素总含量在510之间；高合金钢：合金元素总含量大于10。,2.按用途分类,钢材按照用途可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。（1）结构钢：工程结构构件用钢、机械制造用钢。（2）工具钢：根据化学成分不同分碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢，广泛用于各种刃具、模具、量具等。（3）特殊性能钢：具有特殊物理、化学或机械性能的钢，多为高合金钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等。,3.按质量（杂质含量）分类,根据钢材中所含有害杂质的多少工业用钢可分为：(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。在土木工程中常用的钢种是普通碳素结构钢和普通低合金结构钢。,5.2 建筑钢材的主要技术性能,钢材的技术性质主要包括力学性能和工艺性能两个方面。力学性能 主要技术指标有：抗拉屈服强度、抗拉极限强度、伸长率、韧性和硬度等。1.拉伸性能,拉伸试验视频,低碳钢拉伸的应力应变曲线,图59 低碳钢拉伸的应力应变曲线,硬钢的屈服强度,规定产生残余变形为原标距长度的0.2时所对应的应力值，作为硬钢的屈服强度，也称条件屈服点，用0.2表示。,屈强比,屈服强度和抗拉强度之比。屈强比能反映钢材的利用率和结构安全可靠程度。屈强比越小，其结构的安全可靠程度越高，不易因局部超载而造成脆性断裂而破坏；屈强比过小，又说明钢材强度的利用率偏低，造成钢材浪费。建筑结构钢合理的屈强比一般为0.600.75。Q225钢材的屈服比为0.580.63普通的合金钢的屈强比在0.670.75之间。,两种钢材的选用,观察图中、两种低碳钢的应力-应变曲线的差异。讨论：(1)若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用谁者更合适。(2)使用、两种钢材，哪一个安全性较高。,两种低碳钢的应力-应变曲线,2.塑性,钢材的塑性通常用伸长率和断面收缩率表示。（1）伸长率 通常以5和10分另表示L05d0和L010 d0时的伸长率。对于同一种钢材，其5 10。,（2）断面收缩率()式中：0试件原始截面积；1试件拉断后颈缩处的截面积。伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越高，说明钢材塑性越大。,3.冲击韧性,冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性是通过夏比（V型缺口）冲击试验来测定的。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。用摆锤打断试件，测得试件单位截面积上所消耗的功，作为冲击韧性指标，用冲击值ak表示，单位为J/cm2。F试件断口处的截面积；Ak冲断试件所消耗的功。,冲击韧性试验,影响钢材冲击韧性的因素,钢材的冲击韧性对钢的化学成分、内部组织状态，以及冶炼、轧制质量都较敏感。钢中磷、硫含量较高，存在偏析或非金属夹杂物，以及焊接中形成的微裂纹等，都会使冲击值显著降低。冲击值与试验温度有关。当达到某一温度范围时，冲击值突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性临界温度。通常根据气温条件规定20或40的负温冲击值指标。,时效,随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降，这种现象称为时效。完成时效变化的过程可达数十年。钢材如经受冷加工变形，或使用中经受振动和反复荷载的影响，时效可迅速发展。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性愈大的钢材，经过时效以后，其冲击韧性和塑性的降低愈显著，对于承受动荷载的结构物，如桥梁等，应选用时效敏感性较小的钢材。,普通低合金钢冲击韧性指标,时效冲击功，是按标准方法将样坯拉伸后制成试件经热处理，然后进行常温冲击韧性试验所得的结果。,两种钢材低温冲击韧性的比较,请观察图中、两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？,两种低合金钢冲击值-温度曲线,4.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。钢材在无穷次交变荷载作用下而不至引起断裂的最大循环应力值，称为疲劳强度极限，实际测量时常以2106次应力循环为基准。,钢材疲劳曲线示意图,5.硬度,测定钢材硬度的方法很多，如布氏法、洛氏法和维氏法。建筑钢材常用的是布氏法，所测硬度称布氏硬度。布氏硬度是用一定直径D(毫米)的硬质钢球，在规定荷裁P(牛顿)作用下压入试件表面，并持续一定时间后卸载，量出压痕直径d(毫米)，然后计算每单位压痕球面积所承受的荷载值，即布氏硬度值(HB)。计算公式为：HB是以10MPa计的数字表示，如HB150，即表示HB值为1500兆帕。,布氏硬度采用的钢球直径D分为10、5、2.5毫米三种。试验时，D和P应按规定选取。一般硬度较大的钢材应选用较大的P/D2。HB140的钢材，P/D2应采用30，HB140的钢材，P/D2则应采用10。由于压痕附近的金属将产生塑性变形，其影响深度可达压痕深度的810倍以上，所以试件厚度一般应大于压痕深度的10倍。荷载保持时间以1015s为宜。,钢材的HB值与抗拉强度之间有较好的相关关系。对于碳素钢：当HB175时，b0.36HB；当HB175时，b 0.35HB。根据这些关系，我们可以在钢结构的原位上测出钢材的HB值，并估算出该钢材的b，而不破坏钢结构本身。布氏硬度测定法比较准确，用途较广，其缺点是不能测量硬度较高(当HB450时)和厚度太薄的钢材。,5.2.2 工艺性能,1.冷弯性能 钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。,钢材的冷弯,冷弯性能视频,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，特别是强度不低于原有钢材的强度。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。,某运输廊倒塌,某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.230.25，含硫0.06。事故原因：所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材要求，即含碳不超过0.22，含硫量不超过0.055。硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏部位。：断裂处焊缝低劣，以及焊接结构处有应力集中现象，助长了此衍架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤，夹杂缺陷，焊接质量差。,5.3 钢材的组成结构及对性能的影响,5.3.1 纯铁的同素异晶转变,1.金属的结晶概念,金属的晶格（即原子的有序排列）以下三种类型：体心立方体、面心立方体和紧密六方体。,面心立方点阵,体心立方点阵,密排六方点阵,金属晶体存在许多间隙，间隙对金属的性能、合金相变等都有重要影响。位于4个原子所组成的四面体中间的间隙称为四面体间隙位于6个原子所组成的八面体中间的间隙称为八面体间隙,体心立方点阵四面体间隙,面心立方点阵四面体间隙,密排六方点阵四面体间隙,体心立方点阵八面体间隙,面心立方点阵八面体间隙,密排六方点阵八面体间隙,多晶体,金属的结晶过程，由于各个晶体在长大过程中互相接触和制约，使各个晶体形成不规则形状。单个的这种不规则的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒间的分界面称为晶界。由很多的晶粒再组成多晶体。金属材料都是多晶体构造。就单个晶体而言是各向异性的，但就多晶体来讲则是各向同性的，所以金属材料都是各向同性的。,2.纯铁的同素异构晶体转变,某些金属结晶之后，当温度改变时，它的晶格类型还会随之变化，此变化称为同素异晶转变。晶格发生转变的温度称为临界温度。转变的产物称为同素异构体。纯铁的三种同素异构晶体。铁：温度下降到1535直接由液态铁凝固而成，为体心立方晶格；铁：温度下降到1390时，由体心立方晶格转变为面心立方晶格；铁：温度下降到910时，由面心立方晶格转变为体心立方晶格。910769的铁亦称铁。,5.3.2 合金的概念,合金是指熔合两种或两种以上元素（其中至少一种是金属元素）所组成的具有金属特性的物质。有以下三种基本类型：1.固溶体固溶体是以一种金属为溶剂，另一种金属或非金属为溶质，共溶后所形成的固态溶液。固溶体中的溶剂元素仍保持原来晶格，溶质原子溶解其中。可分为置换固溶和间隙固溶两种。当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。固溶强化作用：增加固溶体的强度和硬度。,2.金属化合物是两种元素的原子按一定比例结合的一种新的化合物。如Fe3C（渗碳体），其晶格与原来两种元素的晶格不同，性质也各异，表现出非常的硬脆。3.机械混合物是两种组成既不溶解也不化合，而是机械地组合成的一种混合物。这两种组成物各保持其各自的晶格和性质，其混合物的性质取决于各组成物的相对比例。,5.3.2 铁碳合金的晶体组织与性能,1.铁素体碳在-Fe中的固溶体，以符号“F”表示。铁素体内原子间的空隙较小，常温下仅能溶碳0.0008，600时0.0057%，在727时溶碳量最大，但也只有0.0218，由于溶碳量少，其性质极其柔软，强度较低。抗拉强度约为180280MPa，伸长率为3050，HB约为5080，冲击韧性约为160200J/cm2。2.渗碳体碳和铁形成的化合物Fe3C。渗碳体含碳量达6.67，晶格结构复杂，性质非常硬脆，HB约800，抗拉强度很低，熔点为1600(有资料介绍其计算值为1227,有资料说其熔点为12271600)。工业上不单独使用它。它是铁碳合金中的一种基本组织。,针状和块状铁素体（100倍）,3.珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物。两种成分相间成片状存在于同一晶粒内，含碳量为0.77，在珠光体中铁素体占88%，渗碳体占12%，由于铁素体的数量大大多于渗碳体，所以铁素体层片要比渗碳体厚得多。珠光体性质介于铁素体和渗碳体之间。在腐蚀后用肉眼直接观看有珍珠光泽，故名珠光体。用符号“P”表示。4.奥氏体碳在-Fe中的固溶体，以符号“A”表示。只存在于高温。碳的溶解度随着温度而变，当温度达1148时，碳的溶解度达2.11。随着温度的降低，碳在-Fe中的溶解度降低而析出二次渗碳体，当冷却到727时，其含碳量降为0.77，奥氏体便分解为珠光体。奥氏体的塑性和韧性很好。,片状珠光体（1000倍）,铁碳合金在常温下的基本组织是铁素体、渗碳体和珠光体三种，它们的机械性能见下表。铁碳合金的性质则取决于这些晶体组织在合金中所占的比例。铁碳合金（室温时）基本组织机械性能,5.3.3 铁碳合金相图的概念,铁碳合金相图是在平衡状态下表示不同成分的铁碳合金，在不同温度下晶体组织变化的一种图形。它是研究各种晶体组织随温度和成分变化规律的图形。铁和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，有实用意义并被深入研究的只是Fe-Fe3C部分，通常称其为 Fe-Fe3C相图，又称为铁碳平衡图，此时相图的组元为Fe和Fe3C。它表示铁碳合金在极其缓慢冷却下各阶段的组织结构状况。,ABCD线是合金的液相线。AHJECFD线称为固相线。GSE是奥氏体开始分解温度线，又称上临界温度线。PSK线是下临界温度线，即奥氏体存在的下限温度。,Fe-Fe3C相图中各点的温度、碳含量及含义,随着含碳量的增加钢晶体组织的变化,含碳量在0.020.77之间的钢，晶体组织为铁素体和珠光体，并将具有这两种组织的钢通称为亚共析钢。建筑钢材的含碳量低于0.77，故是由铁素体和珠光体所组成的。含碳量为0.77的钢，其晶体组织全部是珠光体，这种钢称为共析钢。含碳量在0.772.11之间的钢，晶体组织为珠光体和渗碳体，而具有这两种组织的钢通常称为过共析钢。综上所述，在常温下随着含碳量的增加，钢中铁素体含量逐渐减少，渗碳体的含量逐渐增多。,5.3.4 钢的化学成分对钢材性能的影响,1.碳 钢材的硬度和强度随含碳的增加而提高。钢材的塑性、韧性和冷弯性能随含碳量的增加而下降。当含碳量增至1时，强度最大，但当含碳量超过1以后，强度反而下降。碳还是降低钢材可焊性的元素之一，含碳量超过0.3时，钢的可焊性显著降低。碳还会降低钢的塑性，增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气锈蚀性。,2.硅,硅是在炼钢时作为脱氧剂加入的，它都能从钢水的FeO中夺取氧，生成氧化物以降低钢中的含氧量。硅的氧化物与钢水中碱性氧化物能进一步形成硅酸盐，反应式如下：Si2FeOSiO2Fe SiO2CaOCaSiO3 或 SiO2Fe2O3CCOFe2SiO4硅在一般碳素钢中含量为0.10.4，硅的脱氧能力较锰还强。硅溶入铁素体可提高钢的强度和硬度。但由于硅在碳钢中的含量很低，因此这一效果并不明显。若作为合金元素加入钢中，使含量提高到1.01.2时，钢材的抗拉强度可提高1520，但塑性和韧性明显下降，焊接性能变差，并增加钢材的冷脆性。,3.锰,锰也是炼钢时为脱氧及脱硫加入钢水中的，形成MnO及MnS。MnOFeSMnSFeO MnFeOMnOFe 锰能消减硫和氧所引起的热脆性。溶于铁素体的锰可提高钢材的强度。钢中含锰量在0.8以下时，锰对钢的性能影响不显著。若将锰作为合金元素加入钢中，使钢中锰的含量提高到0.81.2或者更高，就成为力学性能优于一般碳钢的锰钢。但当锰含量大于1.0时，在提高强度的同时，塑性及韧性有所降低，可焊性变差，耐腐蚀性降低。普通碳素钢中，锰含量为0.250.8，在低合金钢中的含量一般为12。锰在低合金钢中的作用主要是：溶于铁素体中使其强化，降低奥氏体的分解温度，起到细化珠光体的作用，使强度提高。有的合金钢含锰量高达1114，称高锰钢。,4.磷,磷是炼钢原料中带入的有害元素。磷溶入铁素体时，可使钢的强度、硬度增加，并显著降低其塑性和韧性。当钢中含磷量达0.3时，钢完全变脆，冲击韧性接近于零，这种现象称为冷脆性。虽然钢中的磷很难达到这个数量，但钢中的磷在结晶时极易偏析，使其局部地区达到较高的磷含量而变脆，冷脆性使钢材不宜在低温条件下工作。因此在各种质量钢中，都严格规定了磷的允许含量范围，普通碳素钢中的含磷量不得超过0.045。磷能有效地改善钢的切削加工性能，因此在易削钢中还要提高磷的含量。,5.硫,硫是钢中极有害元素。硫不溶于铁素体，而与铁化合成FeS。FeS与Fe在985时形成共晶体。这些低熔点共晶体在结晶时，总是分布在晶界处，在1000以上热加工时，由于共晶体熔化，使钢材产生裂纹。这种现象称为热脆性。它能降低钢的机械性能，并可使可焊性和耐蚀性变坏。硫也有强烈的偏析作用，增加了危害性。因此在各种质量的钢中也都规定了硫的允许含量范围，要求在0.055以下。钢水中加入锰可削弱硫的有害作用，因为锰可以从FeS中夺取硫。反应式如下：MnFeSMnSFeMnS在1620熔化，而在钢的热加工温度范围(8001200)内，MnS有较好的塑性，因此不会影响钢材的热加工性能。,6.氧,氧是冶炼氧化过程中进入钢水，经脱氧处理后残留下来的，是钢中的有害杂质。它主要存在于非金属夹杂物，少量溶于铁素体中。非金属夹杂物主要是：A12O3、FeO、MnO、SiO2以及硅酸盐等。这些氧化物在钢经锻压后，一般以链状或条状分布于钢中，尤其容易分布在晶界处，这时会降低钢的塑性及韧性，使用时，可能造成工件突然断裂。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点也使钢的可焊性变坏。,7.氮,氮主要以原子状态嵌溶于铁素体中，也可呈化合物形式（Fe4N）存在。氮对钢材的性质的影响与硫、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。溶于铁素体中的氮，有向晶格的缺陷处移动、集中的倾向，故可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，也增加热脆性，降低可焊性。若在钢中加入适当金属铝或钛，则氮和它们可生成氮化铝(AlN)或氮化钛（TiN）而脱氮。氮化铝和氮化钛如果以分散的微粒分布在钢中，则能控制钢的晶粒大小，能增强钢的韧性、塑性、耐磨性等；如果以聚集状态出现，则会使钢的机械性能产生方向性，使耐磨性显著降低。,8.氢 在热轧、锻后冷却到200左右时，原子氢就聚集成分子状态而出现在钢的内部，由氢气所产生的压力可把钢从内部胀裂，形成几乎是圆圈状的平坦的断裂面，即所谓的“白纹”。这就要求在冶炼方面采取措施，如控制氢的含量在百万分之1.5以下或对钢水进行真空处理；或控制锻轧后的冷却方式来防止白纹的发生，以避免工件的碎裂。9.钛 是强脱氧剂，能细化晶粒。钛能显著提高强度，但稍降低塑性；由于晶粒细化，故可改善韧性。钛并能减少时效倾向，改善可焊性，是常用的合金元素。10.钒 是强的碳化物和氮化物形成元素。钒能细化晶粒，有效地提高强度，并能减少时效倾向。但增加焊接的淬硬倾向。,5.4 钢材的冷加工强化、时效与热处理,5.4.1 冷加工强化,钢材的冷加工是在常温下通过冷拉、冷拔或冷轧，使钢材产生塑性变形，得到所需形状的工艺过程。通过冷加工的钢材，可使强度提高，称为冷加工强化（冷作硬化）。对钢材进行冷加工，是充分发挥材料效用，节约钢材的一种有效方法。钢材经过冷加工后，其屈服强度提高，塑性、韧性和弹性模量则降低。,1.冷拉,冷拉是将钢筋拉至其-曲线的强化阶段内任一点K处，然后缓慢卸去荷载，则当再度加载时，其屈服极限将有所提高，而其塑性变形能力都有所降低的冷加工强化。冷拉一般可控制冷拉率，预应力混凝土的预应力筋则宜采用控制应力法。钢筋经冷拉后，一般屈服点可提高2025。,2.冷拨,冷拔是将直径为 6.58 mm的碳素结构钢的Q235（或Q215）盘条，通过拔丝机中钨合金做成的比钢筋直径小 0.51.0 mm的冷拔模孔，冷拔成比原直径小的钢丝，称为冷拔低碳钢丝。经过一次或多次冷拔后得到的冷拔低碳钢丝，其屈服点可提高4060，但失去软钢的塑性和韧性，而具有硬质钢材的特点。,3.冷轧,冷轧是将圆钢在轧钢机上轧成断面形状规则的钢筋，可以提高其强度（屈服强度可提高3060）及与混凝土的粘接力。图为一冷轧机的示意图。冷轧机是由若干对轧辊组成，带钢从一端输入经过各对轧辊逐步减薄后输出。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的均匀性。,5.4.2 时效处理,将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520 d（自然时效）或加热至100200 后保持23 h（人工时效），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。,5.4.3 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，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理的方法有：退火正火淬火回火,钢的热处理工艺,5.5 建筑钢材的标准与选用,5.5.1 建筑钢材的主要钢种,1.碳素结构钢,国家标准GB 700-88碳素结构钢规定，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。其中：以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 MPa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。例如：Q235AF，表示屈服点为235 MPa的A级沸腾钢。,碳素结构钢的化学成分(GB 70088),碳素结构钢的力学性能指标,碳素结构钢的冷弯性能指标,注：B为试样宽度，a为钢材厚度（直径）。A级钢的冷弯试验在需方要求时才进行。,各牌号碳素结构钢的用途,随着牌号的增大，含碳量由小到大，抗拉强度逐渐提高，而伸长率及冷弯性能则降低。碳素结构钢的质量等级，取决于钢中有害元素S和P的含量，S、P含量越低，钢的质量越好，其焊接性能和低温抗冲击性能都得到提高。Q195：强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好，主要用于轧制薄板和盘条等。Q215：与Q195钢基本相同，其强度稍高，大量用做管坯、螺栓等。,Q235：强度适中，有良好的承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也较好，是钢结构最常用的牌号，大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q235能满足一般钢结构用钢的要求。Q235-A一般用于只承受静荷载作用的钢结构Q235-B适合用于承受动荷载焊接的普通钢结构Q235-C适合用于承受动荷载焊接的重要钢结构Q235-D适合用于低温环境使用的承受动荷载焊接的重要钢结构Q255：强度高、塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。Q275：强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差，不宜在建筑结构中使用，主要用于制造轴类、农具、耐磨零件和垫板等。,2.优质碳素结构钢,按GB/T 6991999优质碳素结构钢，根据锰含量的不同分为两组：普通锰含量钢：（0.25锰含量0.8）较高锰含量钢：（锰含量0.71.2）共有31个牌号，牌号由数字和字母两部分组成。两位数字表示平均碳含量的万分数；字母分别表示锰含量、冶金质量等级、脱氧程度：普通锰含量钢，不注“Mn”；较高锰含量钢，两位数字后加注“Mn”如果是高级优质碳素结构钢，应加注“A”如果是特级优质碳素结构钢，应加注“E”。对于沸腾钢，牌号后面为“F”对于半镇静钢，牌号后面为“b”。例如：15F表示平均碳含量为0.15，锰含量为0.250.80，冶金质量等级为优质，脱氧程度为沸腾状态的优质碳素结构钢。35Mn表示平均含碳量0.35，含锰量为0.71.2的优质碳素结构钢。,优质碳素结构钢的特点是生产过程中对有害杂质控制较严：优质钢：P0.035，S0.035；高级优质钢：P0.030，S0.030；特级优质钢：P0.025，S0.020）。合金元素主要有：锰：含Mn在0.251.2硅：08F钢含Si0.03、10F钢和15F钢含Si0.07、其他28个牌号的钢含Si在0.170.37铬：08F钢和08号钢含Cr0.1、10F钢和10号钢含Cr0.15、其他27个牌号的钢含Cr0.25镍：含Ni0.30铜：含Cu0.25。3045号钢主要用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓等，45号钢用做预应力混凝土锚具，6580号钢用于生产预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,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合金元素的钢材。曾称为普通低合金钢、低合金结构钢。为了使钢种系列和技术标准与国际接轨，在修订和制定标准时参照采用了ISO4950和ISO4951高屈服强度钢标准，改名为低合金高强度结构钢。根据国家标准低合金高强度结构钢（GB1591-94）规定，共有5个牌号，即295、Q345、Q390、Q420、Q460。所加入元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其牌号的表示是：由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）3个部分组成。例如：Q390A，其中:Q钢材屈服点的“屈”字汉语拼音的首位字母；390屈服点数值，单位MPa；A为质量等级符号。,低合金高强度结构钢牌号、化学成分,低合金高强度结构钢的力学性能,低合金高强度结构钢钢材的质量要求还有：尺寸、外形和表面质量。各类钢材表面无裂纹、折叠、结疤、气泡和夹杂等缺陷，各类钢材无分层，条钢无缩孔残余。低合金高强度结构钢屈服点比普通碳素钢高25%以上，在相同使用条件下，可比碳素结构钢节省用钢20%30%，对减轻结构自重有利。同时，加之大多低碳，而具有良好的塑性韧性和焊接性能，有的还具有耐腐蚀、耐低温等特性。低合金高强度结构钢主要用于：轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。,新旧低合金结构钢标准牌号对照,鸟巢用钢：Q460E-Z35，造价为每吨13000元左右。鸟巢总用钢量达到11万吨，总投资31.3亿元。,4.合金结构钢,根据国家标准合金结构钢（GB/T 30771999）规定，合金结构钢共有77个牌号，通常以热轧或热锻状态供应，也可以热处理（退火、正火或高温回火）状态供应，产品型式多为圆钢、方钢、扁钢、六角钢等。合金结构钢的牌号表示按顺序：由两位数字、合金元素符号、合金元素平均含量、冶金质量等级等四部分组成。两位数字表示平均含碳量的万分数；当含硅量的上限0.45或含锰量的上限0.9时，不加注Si或Mn，其他合金元素无论含量多少均加注合金元素符号；合金元素平均含量1.5者不加注，合金元素平均含量为1.502.49、2.503.49、3.504.49时，在合金元素符号后面分别加注2、3、4；优质钢不加注，高级优质钢加注“A”，特级优质钢加注“E”。例如：20Mn2，它表示平均含碳量为0.20、含硅量上限0.45、平均含锰量为1.52.49的优质合金结构钢。,合金结构钢的特点是:所有合金结构钢均为镇静钢，均含有Si和Mn，生产过程中对硫、磷等有害杂质控制严格：优质钢：P0.035、S0.035；高级优质钢：P0.025、S0.025；特级优质钢：P0.025、S0.015。合金结构钢与碳素结构钢相比，具有较高的强度和较好的综合性能，有利于节省用钢和增长结构使用寿命。合金结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管、铆钉、螺栓、螺帽及钢筋，特别是用于各种重型结构、大跨度结构、高层结构等，其技术经济效果更为显著。,5.5.2 混凝土结构用钢,钢筋混凝土结构用钢，主要由碳素结构钢和低合金结构钢轧制而成，主要有热轧钢筋、冷加工钢筋、热处理钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线等。按直条或盘条（也称盘圆）供货。1.钢筋混凝土用钢筋 钢筋主要用于钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土的配筋，是土木工程中用量最大的钢材之一。钢筋混凝土用钢筋，根据其表面形状分为光圆钢筋和带肋钢筋两类。钢筋主要有以下几种：,（1）低碳钢热轧盘条光圆钢筋,盘条,建筑用的低碳钢热轧圆盘条由Q215和Q235碳素结构钢经热轧而成。根据低碳钢热轧圆盘条（GB/T 701-1997）的规定，土木工程用低碳钢热轧盘条光圆钢筋的力学性能和工艺性能应符合下表的规定。,（2）钢筋混凝土用热轧直条光圆钢筋,光圆钢筋是用Q235碳素结构钢轧制而成的钢筋。其强度较低，塑性及焊接性能好，伸长率高，便于弯折成型和进行各种冷加工，广泛用于普通钢筋混凝土构件中，作为中小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋和各种钢筋混凝土结构的箍筋等。钢筋混凝土用热轧光圆钢筋力学性能和工艺性能,（3）钢筋混凝土用热轧带肋钢筋,钢筋混凝土用热轧带肋钢筋采用低合金钢热轧而成，横截面通常为圆形，且表面带有两条纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。热轧带肋钢筋的牌号有HRB 335，HRB400、HRB500三种。牌号是由HRB和屈服点最小值组成。其中H、R、B分别为热轧（Hot rolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bars）3个词的英文首位字母。,带肋钢筋(a)月牙肋钢筋(b)等高肋钢筋,热轧带肋钢筋的力学性能和弯曲性能,（4）冷轧带肋钢筋,冷轧带肋钢筋是由热轧圆盘条为母材，经冷轧减径后在其表面冷轧成二面或三面横肋（月牙肋）的钢筋。,冷轧带肋钢筋横截面上月牙肋分布情况,牌号,根据国家标准GB 137882000冷轧带肋钢筋的规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和钢筋的抗拉强度最小值构成。C、R、B分别为冷轧（Cold Rolled）、带肋（Ribbed）、钢筋（Bar）三个词的英文首位字母。冷轧带肋钢筋分为：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号。CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，钢筋的公称直径范围为412mm。CRB650及以上牌号钢筋为预应力混凝土钢筋，钢筋的公称直径为4、5、6mm。,技术性能,D弯心直径；d为钢筋公称直径。,（5）预应力混凝土用热处理钢筋,预应力混凝土用热处理钢筋是由热轧螺纹钢筋（即普通热轧中碳低合金钢筋）经淬火和回火等调质处理制成。按其螺纹外形分为纵肋和无纵肋两种。主要用于预应力混凝土桥梁轨枕，还用于预应力梁、板结构及吊车梁等。表5-61 预应力混凝土用热处理钢筋的力学性能,2.预应力混凝土用钢丝,预应力混凝土用钢丝是用优质碳素钢盘条制作，经冷拉或冷拉后消除应力处理制成。预应力混凝土用钢丝的特点：强度高、柔性好、松弛率低、抗腐蚀性强、质量稳定、安全可靠等。主要用于大跨度屋架及薄腹梁、大跨度吊车梁、桥梁等的预应力结构。预应力混凝土用钢丝（GB/T5223-2002）规定：按加工状态分为冷拉钢丝（代号为WCD）和消除应力钢丝两种；按外形分为光面钢丝（代号为P）、螺旋肋钢丝（代号为H）和刻痕钢丝（代号为I）三种；按松弛性能分为低松弛钢丝（代号为WLR）和普通松弛钢丝（代号为WNR）两种。,冷拉钢丝的力学性能,消除应力光圆及螺旋肋钢丝的力学性能,消除应力的刻痕钢丝的力学性能,/,3.预应力混凝土用钢绞线,预应力钢绞线是由七根（或更多根）直径为2.55.0mm的圆形截面钢丝捻成的相互绞缠而成的绳状钢材，其绞捻方式通常为向左(S)捻，特殊情况下也有右(Z)捻。为消除捻制时产生的应力，捻制后预应力钢绞线通常进行适当的热处理。每盘钢绞线由一整根组成，其长度不小于200m。预应力钢绞线多用于各种高强度或大跨度预应力混凝土结构中使用，也适合于配筋形状复杂的预应力混凝土结构。预应力钢绞线根据其应力松弛性能又可分为级松弛（代号）和级松弛（代号）两种。,预应力钢绞线的技术性能,5.5.3 钢结构用钢,1.热轧型钢 常用的热轧型钢有角钢（等边和不等边）、工字钢、槽钢、T形钢、H形钢、Z形钢等。热轧型钢主要采用碳素结构钢和低合金钢。碳素结构钢主要采用Q235-A（含碳量约为0.140.22），其强度较适中，塑性和可焊性较好，成本低廉，适合土木工程使用。在低合金钢中主要采用Q345(16Mn)及Q390(15MnV)，可用于大跨度、承受动荷载的钢结构中。,2.冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢通常用26mm薄钢板冷弯或模压而成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢及方形、矩形等空心薄壁型钢。可用于轻型钢结构。3.钢板和压型钢板 用光面轧辊轧制而成的扁平钢材称为钢板。按轧制温度的不同，钢板又可分热轧和冷轧两类。土木工程用钢板的钢种主要是碳素结构钢，某些重型结构。大跨度桥梁等也采用低合金钢。按厚度来分，热轧钢板可分为厚板（厚度大于4mm）和薄板（厚度为0.354mm）两种；冷轧钢板只有薄板（厚度0.24mm）。厚板可用于型钢的连接与焊接，组成钢结构承力构件，薄板可用作屋面或墙面等围护结构，或作为薄壁型钢的原料。,思考题,理解钢材的分类、钢材脱氧程度对性能的影响。熟练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；着重理解低碳钢在受拉过程中各阶段的应力-应变特征；p、s及b的位置；s、b及0.2的实用意义；理解伸长率与塑性的关系；冲击韧性的定义、表示方法及低温冷脆性；理解钢材的耐疲劳性。熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法；理解冷加工强化及时效处理的概念；一般性了解热处理工艺。初步懂得钢材的几种基本组织；掌握钢材含碳量对钢