1、1,第 六章,金屬材料,2,本 章 內(nèi) 容,1、鋼材的基本知識：鐵和鋼的概念。鋼的分類。鋼的冶煉和脫氧及其對鋼質(zhì)量的影響。 2、鋼材的主要技術(shù)性質(zhì)： 力學性質(zhì) 工藝性能。 3、鋼材的晶體組織與化學成分及其對鋼性能的影響：,3,本 章 內(nèi) 容,4、鋼材的冷加工和熱處理： 鋼材的加工強化和時效處理 鋼材的熱處理。 5、建筑鋼材的技術(shù)標準及選用： 碳素結(jié)構(gòu)鋼 低合金結(jié)構(gòu)鋼 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋和鋼絲。 6、建筑鋼材的防銹：鋼的銹蝕、鋼材防銹的要點,4,第 一 節(jié),鋼的生產(chǎn)、分類,5,一、鋼的生產(chǎn),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

2、。 生鐵：鐵碳合金，C含量高，約為2.116.69，并含較多雜質(zhì)的。,生鐵中的碳氧化，降低含C量，除去雜質(zhì)元素，降低其含量,6,（一）冶煉,根據(jù)煉鋼設(shè)備的不同，煉鋼方法有轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐三種方法：P135 表6-1,（二）脫氧與鑄錠,沸騰鋼： (F) 碳、磷、硫等成分偏析嚴重，鋼致密程度、焊接性能、低溫下的沖擊韌性較差。 半鎮(zhèn)靜鋼： (B) 脫氧程度與性能介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。 鎮(zhèn)靜鋼： (Z) 脫氧充分，成分均勻純凈、雜質(zhì)少、組織致密；冷脆性和時效敏感性較低，疲勞強度和可焊性較好。 特殊鎮(zhèn)靜鋼： (TZ) 脫氧很充分，晶粒細化，質(zhì)量與性能比鎮(zhèn)靜鋼更好。,7,問題：鋼材的脫氧程度對鋼材質(zhì)量的

3、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(yīng)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,8,（三） 壓力加工和熱加工,冷加工：在再結(jié)晶溫度以下完成的壓力加工。 熱加工：是在再結(jié)晶溫度以上進行的壓力加工，常用鍛造、熱壓、扎制等多種方式。 熱加工的作用：使內(nèi)部氣泡焊合，酥松結(jié)構(gòu)致密，晶粒細化。 熱加工效果：提高鋼材的強度、塑性和質(zhì)量。,二、鋼材的分類 P136,9,第二節(jié) 建筑

4、鋼材的技術(shù)性能,鋼材的力學性質(zhì) 鋼材的工藝性能,10,一、鋼材的力學性質(zhì),鋼材的力學性能，即是指鋼材在外力（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能，包括：抗拉、冷彎、沖擊韌性和疲勞強度等。,拉伸,壓縮,彎曲,剪切,扭轉(zhuǎn),荷載形式,11,P137 圖6-1 一、彈性階段（OA） 二、屈服階段（AB） 設(shè)計中以屈服強度作為強度取值的依據(jù)。 三、強化階段（BC） 應(yīng)用：抗拉強度與屈服強度之比（強屈比）bs是評價鋼材使用可靠性的一個參數(shù)。 四、頸縮階段（CD）,12,鋼材的冷彎試驗,（二） 冷彎性能,13,（三） 沖擊韌性,鋼材抵抗沖擊（動）荷載作用的能力，稱為沖擊韌性，采用夏比V形缺口試件，用一次擺錘沖擊彎曲試

5、驗來測定。 測得試樣沖擊吸收功,用符號 Ak（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?，使沖擊值降低的現(xiàn)象稱為冷脆性，與之對應(yīng)的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。,14,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,H0,H1,15,（四） 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,16,（五）疲

6、勞強度,在交變應(yīng)力（動荷載）作用下，雖然鋼構(gòu)件所承受的應(yīng)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。 鋼材承受的交變應(yīng)力越大, 則斷裂時應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當應(yīng)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(yīng)力值稱為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強度)，用-1 表示。,17,第 三 節(jié)晶體組織、化學成分對鋼性質(zhì)的影響,18,一、鋼的晶體組織,（一）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，形成體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種晶格； 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、

7、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。,19,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),20,晶粒的細化,晶粒愈細，晶界面愈大，強度和硬度愈高，塑性和韌性愈好細晶強化。,21,（二）鋼中的晶體組織與性能,同素異構(gòu)間的轉(zhuǎn)變： 液態(tài)鐵 Fe Fe Fe 體心立方 面心立方 體心立方 固溶體：一種元素溶于另一種金屬中形成固體溶液,22,（三）鋼的基本晶體組成,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。 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

8、 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，故鋼材在高溫下容易軋制成材。,23,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,24,二、化學成分對鋼材性質(zhì)的影響,25,第四節(jié)鋼材的加工與焊接,26,一、鋼材的冷加工強化和時效強化,1、冷加工處理 2、時效處理,27,1、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

9、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。 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。,28,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。,29,2、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(fù)，這個過程稱為時效處理。 時效硬化原理： 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)生相對滑移，使滑移面下的晶粒破

10、碎，晶格歪扭，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。,30,鋼材的重復(fù)拉伸,B,K,K1,C,D,D1,C1,31,二、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。 熱處理形式：退火、正火、淬火、回火等。,32,鋼材的熱處理工藝,33,熱處理對鋼材性質(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(yīng)力； 正火提高塑性和韌性，強度降低較小，使三者之間良好配

11、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(yīng)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。,34,三 鋼材的焊接 定義：焊接是將兩金屬的接縫處加熱熔化或加壓，或兩者并用，以造成金屬原子間和分子間的結(jié)合，從而使之牢固地連接起來。 方式：電弧焊和接觸對焊。焊接的質(zhì)量取決于鋼材的焊接性、焊接工藝和焊接材料。限制鋼材中的含碳量和碳當量來提高鋼材的焊接性。,35,過程：在焊接過程中，鋼材在很短時間內(nèi)達到很高的溫度，使局部金屬熔融，由于金屬的傳熱性好，所以，在被焊接區(qū)域，往往伴隨溫度的急速升高和下降及體積的急劇膨脹和收縮，易

12、產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形及內(nèi)部組織的變化，形成焊接缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜物等，影響鋼材的強度、塑性、韌性和耐疲勞性。因此，必須正確選擇焊接方法、控制焊接工藝參數(shù)。,36,焊縫的質(zhì)量等級及檢測 焊縫質(zhì)量等級分為一、二、三級，其中三級焊縫通過目測檢測，二級焊縫檢測方法為：超聲波檢測；一級焊縫檢測方法為：超聲波檢測和X光探傷檢測。,37,第五節(jié)建筑鋼材的品種與選用,38,建筑鋼材主要有三大類：,鋼結(jié)構(gòu)用鋼； 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼； 其它用途用鋼（鋼絲）。,39,一、建筑鋼材的主要品種,鋼結(jié)構(gòu)用鋼有： 碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼,40,（一） 碳素結(jié)構(gòu)鋼,1、鋼的牌號： 根據(jù)國標GB700

13、-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、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：Q235-AF，表示屈服強度為235MPa，A級沸騰（F）碳素結(jié)構(gòu)鋼。 2、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。,41,3、選用原則：應(yīng)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

14、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)； Q235B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,42,（二）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，表示平均含碳量為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、刻痕鋼絲和鋼絞線等。,43,（三）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼,1、組成：含

15、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，阻礙晶粒滑移變形，大大提高鋼的強度和硬度。 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(yīng)用：適合于大跨度結(jié)構(gòu)、高層建筑和橋梁。,44,（一）熱軋鋼筋,1、牌號：有、四個級別，其中級為光圓鋼筋，牌號為HPB235； 、級為熱軋帶肋鋼筋有HRB

16、335、 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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼筋。,二、常用的建筑鋼材,45,（二）冷軋帶肋鋼筋,1、以普通低碳鋼或低合金鋼熱軋盤條為母材，經(jīng)多道冷軋（拔）減徑后，其表面冷軋成三面帶肋的鋼筋。 2、牌號：用LL+鋼筋的抗拉強度等數(shù)值表示。有LL550、LL650、LL800三個級別。 3、特性：具有較高的強度和較大的伸長率，且錨固性好。 4、用途：可用于沒有振動荷載和重復(fù)荷載的工業(yè)與民用

17、建筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 LL550宜作受力主筋、架立筋、箍筋和構(gòu)造鋼筋； LL650和LL800宜作預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力主筋。這些鋼筋不宜在30C以下的環(huán)境使用。,46,（三）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲與鋼絞線,1、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絲使用牌號為6080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（咬合力），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(yù)應(yīng)力鋼筋。,47,二、型鋼和鋼板,（一）熱軋型鋼常用的熱軋型鋼有角鋼(等邊和不等邊)

18、、工字鋼、槽鋼、T型鋼、H型鋼、Z型鋼等。熱軋型鋼的標記方式為在一組符號中需標出型綱名稱、橫斷面主要尺寸、型鋼標準號及鋼號與鋼種標準。,48,（二）冷彎薄壁型鋼通常是用26mm薄鋼板冷彎或模壓而成，有角鋼、槽鋼等開口薄壁型鋼和方形、矩形等空心薄壁型鋼?？捎糜谳p型鋼結(jié)構(gòu)。冷彎薄壁型鋼的標示方法與熱軋型鋼相同。,49,（三）鋼板和壓型鋼板用光面軋輥軋制而成的扁平鋼材，以板狀態(tài)供貨的稱鋼板；以卷狀供貨稱鋼帶。軋制溫度不同，又可分為熱軋和冷軋兩種。建筑用鋼板及鋼帶的鋼種主要是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。主要用于重型結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁、高壓容器等。按厚度來分，熱軋鋼板分為厚板(厚度大于4mm)和薄板(厚度為

19、0.354mm)兩種；冷軋鋼板只有薄板(厚度為0.24mm)一種。,50,三、橋梁結(jié)構(gòu)鋼,1、性能要求： 較高的強度、良好的素性、韌性、可焊性和較高的疲勞強度；較小的冷脆性和時效敏感性；良好的耐大氣腐蝕性等。 2、組成要求： 氣體雜質(zhì)少，S、P的含量應(yīng)小于0.0450.040%，晶粒細化，脫氧完全。,51,武漢長江大橋 鋼材全部進口,52,南京長江大橋 鋼材部分進口,53,南京長江大橋,54,九江長江大橋,鋼梁用國產(chǎn)15MnVNq鋼,55,蕪湖長江大橋,大橋采用低塔斜拉橋橋型，主跨米，采用低碳中強鋼 14MnNbq鋼,56,沖擊韌性為-40C的V型缺口沖擊韌性值的平均值達234J。,57,全焊接鋼結(jié)構(gòu)橋焊縫總長度達萬多米,上海盧浦大橋,58,59,四、其他用途鋼及制品,（一）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。 （二）彩色涂層鋼板 用作建筑外墻板，屋面板，護壁板等。 （三）輕鋼龍骨 主要用作墻體和天花吊頂?shù)凝埞侵Ъ堋?60,輕鋼龍骨及其應(yīng)用,61,彩鋼板的表面涂層,62,軋制的彩鋼板,63,鋼結(jié)構(gòu)廠房,64,鋼結(jié)構(gòu)用鋼,65,第六節(jié) 鋼的腐蝕與防銹,66,一、鋼材的腐蝕,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