建筑金屬材料

第2章建筑金屬材料

材料綜合選用本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)常見問題及解答歷史回顧2.1鋼的分類

2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對性能的影響

2.4鋼材的強化與加工

2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

2.6鋼材的腐蝕與防護

創(chuàng)新能力培養(yǎng)練習(xí)題本章學(xué)習(xí)指導(dǎo)

本章共6個知識點。本章的教學(xué)目標(biāo)是：⑴了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系；⑵熟練掌握建筑鋼材的力學(xué)性能（包括強度、彈性及塑性變形，耐疲勞性）的意義，測定方法及影響因素；⑶熟悉建筑鋼材的強化機理及強化方法；⑷掌握土木工程中常用的建筑鋼材的分類及其選用原則。本章的難點是鋼材的塑性、韌性、耐疲勞性，以及微量組分對鋼材性能的影響。建議在學(xué)習(xí)中需聯(lián)系鋼材的組成結(jié)構(gòu)分析其性能，來理解其應(yīng)用。還需說明的是，除鋼材外，鋁合金近年迅速發(fā)展，對其在土木工程中的應(yīng)用亦應(yīng)有所了解。建議課內(nèi)學(xué)時數(shù)為5學(xué)時,課外學(xué)時2學(xué)時。

歷史回顧廣州海珠橋的鋼材廣州海珠橋已經(jīng)“年逾七旬”，但其使用的鋼材預(yù)計已有百年歷史。

2004年，提供建造海珠橋鋼材的英國企業(yè)向廣州市政部門發(fā)來傳真，提醒有關(guān)部門注意，這些鋼材是從當(dāng)時英國的一座舊鋼橋上拆卸下來的，所以就其壽命計算，海珠橋使用的鋼材預(yù)計已有百年歷史，已經(jīng)進入疲勞期，繼續(xù)使用則需進行疲勞強度的測試，并根據(jù)測試結(jié)果進行加固等。

基礎(chǔ)知識2.1鋼的分類

鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06％的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.06％的鐵碳合金稱為生鐵。2.1.1按化學(xué)成分分類2.1.2按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類2.1.3按冶煉時脫氧程度分類

2.1.1按化學(xué)成分分類1.碳素鋼

低碳鋼：含碳量<0.25％

中碳鋼：含碳量為0.25％～0.60％

高碳鋼：含碳量>0.60％

2.合金鋼

低合金鋼：合金元素總含量<5.0％

中合金鋼：合金元素總含量為5.0％～10％

高合金鋼：合金元素總含量>10％

建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。

2.1.2按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類1.普通鋼：含硫量≤0.050％；含磷量≤0.045％。

2.優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。

3.高級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.025％；含磷量≤0.025％。

4.特級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量≤0.015％；含磷量≤0.025％。2.1.3按冶煉時脫氧程度分類

1.沸騰鋼煉鋼時脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成大量一氧化碳氣體外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱為沸騰鋼，其代號為“F”。其沖擊韌性和可焊性較差。

2.鎮(zhèn)靜鋼煉鋼時脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時鋼液會平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，其代號為“Z”。3.半鎮(zhèn)靜鋼指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，其代號為“b”。

4.特殊鎮(zhèn)靜鋼比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，故稱為特殊鎮(zhèn)靜鋼，代號為“TZ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。

觀察與討論討論AB2.1鋼的分類

鋼材的冶煉脫氧程度與性能

下圖為沸騰鋼（圖A）與鎮(zhèn)靜鋼（圖B）兩鋼錠的縱剖面，請觀察其結(jié)構(gòu)差別，討論其性能差異。討論

從圖中可見，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時有大量一氧化碳氣體外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不夠均勻、強度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產(chǎn)成本低，可用于一般建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄時，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無一氧化碳氣體產(chǎn)生,是脫氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實，品質(zhì)好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載的重要結(jié)構(gòu)。

此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質(zhì)量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫氧程度與質(zhì)量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其質(zhì)量較好。2.1鋼的分類

工程實例分析2.1鋼的分類

現(xiàn)象原因分析

某廠的鋼結(jié)構(gòu)屋架用中碳鋼焊接而成，使用一段時間后，屋架坍塌。原因分析

首先是因為鋼材的選用不當(dāng)，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；其次是焊接性能較差，焊接時鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。2.1鋼的分類

基礎(chǔ)知識2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

2.2.1抗拉性能

2.2.2沖擊韌性2.2.3耐疲勞性

2.2.4工藝性能2.2.1抗拉性能

在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。測定鋼材強度的主要方法是拉伸試驗，鋼材受拉時，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映鋼材的主要力學(xué)特征。從右圖低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中可看出，低碳鋼從受拉到被拉斷，經(jīng)歷了四個階段：彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段。每個階段的特點詳見動畫演示。2.2.1抗拉性能

2.2.2沖擊韌性

鋼材的沖擊韌性是處在簡支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負荷作用下折斷時的沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌性試驗是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間開V形缺口。2.2.3耐疲勞性

受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象,稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開始形成細小裂紋，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴大，直至突然發(fā)生瞬時疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。2.2.4工藝性能1.

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，以試驗時的彎曲角度α和彎心直徑d為指標(biāo)表示，如下圖所示。2.

焊接性能

鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，特別是強度應(yīng)不低于原有鋼材的強度。觀察與討論2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

(1)兩種鋼材的選用(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較(3)疲勞斷裂的特征與原因(4)鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系討論2.2.1抗拉性能

(1)兩種鋼材的選用

請觀察下圖中Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的差異。討論下述問題：

①若對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼選用何種更合適？

②使用Ⅰ、Ⅱ兩種鋼材，哪一個安全性較高？討論觀察與討論(1)兩種鋼材的選用

討論

從Ⅰ、Ⅱ兩條曲線比較可知，低碳鋼Ⅱ的彈性模量E小于低碳鋼Ⅰ，也就是說，低碳鋼Ⅱ的抗變形能力不如低碳鋼Ⅰ。對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼Ⅰ更為合適。(1)兩種鋼材的選用

討論

Ⅰ、Ⅱ兩種低碳鋼的屈服強度бs相近，但低碳鋼Ⅰ的抗拉強度бb高于Ⅱ。屈服強度與抗拉強度之比稱為屈強比，即бs/бb。屈強比越小，反映鋼材超過屈服點工作時可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然，屈強比過小時，表示鋼材強度的利用率偏低，也不合理。有時也使用強屈比（бb/бs）來評價鋼材的可靠性。鋼材Ⅰ的屈強比較低，故其安全性高于鋼材Ⅱ。Q235鋼材的屈強比為0.58～0.63，普通的合金鋼的屈強比在0.67～0.75之間。(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較

2.2.2沖擊韌性

請觀察下圖中Ⅰ、Ⅱ兩低合金鋼曲線，若在東北地區(qū)，應(yīng)選用何種鋼更有利？討論(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較討論

溫度對沖擊韌性有重大影響，當(dāng)溫度降至一定程度時，沖擊韌性大幅度下降而使鋼材呈脆性，此現(xiàn)象稱為冷脆性。曲線中棕色段代表脆性斷裂，藍色段代表脆性轉(zhuǎn)變范圍，黑色段代表韌性斷裂。從上圖中可知，低合金鋼Ⅰ的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于Ⅱ，即說明鋼材的低溫沖擊韌性較好。東北地區(qū)冬季氣溫低，主要考慮低溫沖擊韌性問題，選用Ⅰ更有利。影響鋼材的沖擊韌性還有許多因素，例如，鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。討論

請觀察下圖中疲勞斷裂的宏觀斷口特征，并分析討論疲勞斷裂的特征和原因。疲勞斷裂的特征與原因

2.2.3耐疲勞性

A：疲勞源區(qū)；B：擴展區(qū)；C：終斷區(qū)

疲勞斷裂的宏觀斷口討論

疲勞裂紋起源于鍵槽左邊底部的拐角處，無裂紋構(gòu)件疲勞的宏觀斷口可分為三個區(qū)：

①疲勞源區(qū)(A區(qū))；②擴展區(qū)(B區(qū))；③終斷區(qū)(C區(qū))。

引起鋼材疲勞破壞的原因很多，主要是由于拉應(yīng)力引起較大的拉應(yīng)變，先在某局部形成細小裂紋，然后因受剪切應(yīng)力而擴展。故鋼材的抗拉強度高，疲勞極限也高。鋼材表面的加工印痕、焊接接頭的卷邊和表面微小腐蝕缺陷，都可使疲勞極限顯著降低。零件或構(gòu)件的幾何形狀和大小，對疲勞極限有不小的影響，有缺口、尖角的零件與無缺口、銳角的零件相比，疲勞行為有很大差別；構(gòu)件尺寸越大，則疲勞強度越低。由于疲勞設(shè)計中存在著大量不確定因素，因而選用材料的安全系數(shù)K較高（鋼材的K≥2），而且在零件實際使用前必須進行模擬試驗校核。疲勞斷裂的特征與原因

討論鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系

A、B兩種鋼材,A鋼材δ5及δ10均略大于B鋼材。但從下圖可知，A鋼材的冷彎性能卻不如B鋼材。請分析原因及A與B兩種鋼材內(nèi)部組織的差異。2.2.4工藝性能討論鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系

伸長率反映的是鋼材在均勻變形下的塑性。而冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。而這些缺陷在拉伸試驗中常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。工程實例分析2.2建筑鋼材的力學(xué)與工藝性能

(1)廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌

(2)鋼貯罐脆性斷裂

(3)北海油田平臺傾覆(4)某運輸廊倒塌分析

現(xiàn)象原因分析(1)廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌

抗拉性能

廣東某國際展覽中心包括展廳、會議中心和一棟16層的酒店，總建筑面積42000m2。1989年建成投入使用。1992年曾降大暴雨，其中4號展廳網(wǎng)架倒塌。在倒塌現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)大量高強度螺栓被拉斷或折斷，部分桿件有明顯壓屈，但未發(fā)現(xiàn)桿件拉斷及明顯頸縮現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)桿件與錐頭焊縫拉開。另外，網(wǎng)架建成后多次發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，事故現(xiàn)場兩排水口表面均有堵塞。原因分析

①由于4號展廳除承擔(dān)本身雨水外，還要承擔(dān)會議中心屋面溢流而來的雨水。由于溢流口、雨水斗設(shè)置不合理，未能有效排水導(dǎo)致網(wǎng)架積水超載。

②所受拉力超過高強度螺栓的極限承載力而被拉斷，高強度螺栓安全度低于桿件安全度，其安全度不足。

抗拉性能

現(xiàn)象原因分析鋼貯罐脆性斷裂

沖擊韌性

1989年1月22日，內(nèi)蒙古某糖廠一個直徑為20m，高為15.76m的剛交工驗收不久的廢糖蜜鋼貯罐發(fā)生斷裂。破壞過程呈突發(fā)性，沒有任何先兆，非常迅速。破壞時罐內(nèi)糖蜜貯量為4027t，不僅未達到設(shè)計貯量，還低于試用期間曾達到的4559t水平，罐體內(nèi)應(yīng)力并不太高，距鋼材屈服強度相差較遠，地震和人為破壞及廢糖蜜自燃爆炸的因素可排除，請分析鋼貯罐發(fā)生斷裂的原因。原因分析

韌性斷裂在發(fā)生前有明顯預(yù)兆，而脆性斷裂是突發(fā)性的。經(jīng)調(diào)查表明，其裂口特征：罐體下部第1、2層母材撕裂，斷口呈顆粒狀，人字形紋尖端朝上，呈脆性斷裂。對鋼材材質(zhì)進行復(fù)驗，發(fā)現(xiàn)部分鋼板含碳量和含硫量較高，降低了鋼材的塑性和可焊性，其常溫沖擊韌性比規(guī)定值偏低，故該鋼材易出現(xiàn)脆性斷裂。且焊接質(zhì)量差，綜合分析可知，罐體破壞的根源是焊接質(zhì)量低而導(dǎo)致的低溫脆性斷裂。對接焊縫中大量未焊透部位如同張開型的焊接裂紋，在罐壁環(huán)向拉力的作用下，能引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為罐體斷裂的引發(fā)點。在荷載變化、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和溫差應(yīng)力的作用下，裂紋會緩慢擴展。而鋼材的韌性較差，不能阻止裂紋的擴展，最后達到臨界值而突然斷裂。

沖擊韌性現(xiàn)象原因分析北海油田平臺傾覆耐疲勞性

1980年3月27日，北海愛科菲斯科油田的A.L.基爾蘭德號平臺突然從水下深部傳來一次振動，緊接著一聲巨響，平臺立即傾斜，短時間內(nèi)翻于海中，致使23人喪生，造成巨大的經(jīng)濟損失。原因分析

現(xiàn)代海洋鋼結(jié)構(gòu)如移動式鉆井平臺，特別是固定式樁基平臺，在惡劣的海洋環(huán)境中受風(fēng)浪和海流的長期反復(fù)作用和沖擊振動；在嚴(yán)寒海域長期受流冰等隨海潮對平臺的沖擊碰撞；另外,低溫作用以及海水腐蝕介質(zhì)的作用等都給鋼結(jié)構(gòu)平臺帶來極為不利的影響。突出問題就是海洋鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞破壞。

上述事故的調(diào)查分析顯示，事故原因是撐竿中水聲器支座疲勞裂紋萌生、擴展，導(dǎo)致?lián)胃脱杆贁嗔?。由于撐竿斷裂，使相?個支桿過載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，使平臺20min內(nèi)全部傾覆。

耐疲勞性現(xiàn)象原因分析某運輸廊倒塌分析

工藝性能

某燒結(jié)礦倉庫運輸廊道于1965年1月發(fā)生倒塌。事故發(fā)生時室外氣溫為36℃左右。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及取樣試驗可知所用的沸騰鋼含碳0.23％～0.25％，含硫0.06％，焊接質(zhì)量差。請分析事故原因。原因分析工藝性能

原因之一是所使用的鋼材不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)生脆性斷裂。所用鋼材含碳量及含硫量均超過用于焊接結(jié)構(gòu)鋼材的要求，即含碳不超過0.22％，含硫量不超過0.055％。硫的析出集中點正是弦桿鋼發(fā)生脆性破壞的部位。

原因之二是斷裂處焊縫低劣，以及焊接接縫處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，助長了此桁架的斷裂破壞。經(jīng)檢查，多處焊縫明顯未焊透，有焊瘤、夾雜缺陷，焊接質(zhì)量差。基礎(chǔ)知識2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對性能的影響

2.3.1鋼材的晶體結(jié)構(gòu)

2.3.2鋼材的基本晶體組織2.3.3鋼材的成分對性能的影響

2.3.1鋼材的晶體結(jié)構(gòu)

鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵-碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格(見下圖)。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強度和良好的塑性。鋼材的晶格并不都是完好無缺地規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實際強度遠比理論強度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點缺陷、線缺陷和面缺陷。

2.3.2鋼材的基本晶體組織

鋼是以鐵（Fe）為主的Fe-C合金。Fe-C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，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖像(見下圖)，故也稱顯微組織。主要有鐵素體、滲碳體、珠光體和奧氏體。片狀珠光體（1000倍）

針狀和塊狀鐵素體（100倍）2.3.3鋼材的成分對性能的影響

除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃料中引入一些的其他元素。鋼材的成分對性能有重要影響。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一類能劣化鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。觀察與討論2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對性能的影響

(1)碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響

(2)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能討論(1)碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響

下圖是碳素鋼基本組織相對含量與含碳量的關(guān)系。請分析低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量的增加，其基本組織及性能如何變化。

鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)系討論(1)碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響

建筑鋼材的含碳量不大于0.8％，即基本組織為鐵素體和珠光體。從圖可見，隨含碳量增加，珠光體含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強度較高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。討論(2)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能

請觀察以下晶格缺陷示意動畫，討論鋼材的實際強度與理論強度的關(guān)系。討論(2)鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能

①鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合力較強。而面與面之間，則由于原子間距離較大，結(jié)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)生相對滑移，故建筑鋼材塑性變形較大。

②從上面的動畫可見，鋼材的晶格存在許多缺陷，如點缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些缺陷的存在，使晶格受力滑移時，不是理論上的整個滑移面上全部原子一起移動，只是缺陷處局部移動，故實際強度低于理論強度。工程實例分析2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對性能的影響

鋼結(jié)構(gòu)倒塌

現(xiàn)象原因分析

蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉庫運輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷裂的位置在應(yīng)力集中處節(jié)點附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭均未破壞；全部斷口和拉斷處都很新鮮,未發(fā)黑、無銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)CT·3號沸騰鋼。原因分析2.3鋼材的組成結(jié)構(gòu)及對性能的影響

切取母材作化學(xué)成分分析可知：其碳、硫含量均超過蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用CT·3號沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中55％的沸騰鋼中碳平均含量超過0.22％的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破壞發(fā)生部位附近含量達0.38％；32％的試樣硫含量超過0.055％的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在折斷部位達0.1％。

碳對鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強度、硬度增高，而塑性和韌性降低，且增大鋼的冷脆性，降低可焊性。而硫多數(shù)以FeS形成存在，是強度較低、較脆的夾雜物，受力易引起應(yīng)力集中，降低鋼的強度及疲勞強度，且對熱加工和焊接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材不宜焊接，且使用的環(huán)境溫度較低，這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因?；A(chǔ)知識2.4鋼材的強化與加工

2.4.1冷加工強化2.4.2時效處理2.4.3熱處理2.4.1冷加工強化

將鋼材于常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強度，降低塑性韌性，這個過程稱為冷加工強化處理。2.4.2時效處理

將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放15～20d，或加熱至100～200℃后保持一定時間（2～3h），其屈服強度進一步提高，且抗拉強度也提高，同時塑性和韌性也進一步降低，彈性模量則基本恢復(fù)。這個過程稱為時效處理。

時效處理方法有兩種：在常溫下存放15～20d，稱為自然時效，適合用于低強度鋼筋；加熱至100～200℃后保持一定時間（2～3h），稱人工時效，適合于高強鋼筋。2.4.3熱處理

熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度，進行加熱、保溫和冷卻處理，以改變其晶格組織，得到所需要的性能的一種工藝。

熱處理包括淬火、回火、退火和正火，見下圖。

鋼的熱處理工藝觀察與討論討論2.4鋼材的強化與加工

冷加工強化與時效處理的機理

請觀察下圖鋼筋的應(yīng)力--應(yīng)變曲線，并討論冷加工強化與時效處理的機理。

鋼筋冷拉時效后應(yīng)力--應(yīng)變圖的變化

討論2.4鋼材的強化與加工

從上圖可見，將鋼筋冷拉至強化階段的K點，然后卸荷，則產(chǎn)生塑性變形，若立即受拉，鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線將沿O’KCD發(fā)展至破壞。這時，鋼筋在原來屈服階段不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服點由B點提高到K點，但抗拉強度基本不變，塑性和韌性降低，彈性模量降低。冷加工強化的原因是冷拉至K點時，塑性變形造成滑移面內(nèi)晶格歪扭，畸變加劇，阻礙了進一步滑移，提高了抵抗變形的能力。同時，由于塑性變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼材彈性模量降低。

工程實例分析2.4鋼材的強化與加工

鋼結(jié)構(gòu)吊車梁發(fā)現(xiàn)裂紋

現(xiàn)象原因分析

某廠氣輪車間吊車梁為鋼結(jié)構(gòu)，建成后質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多，腹板處較少；加勁筋上無裂紋，加勁板與梁翼或腹板之間的焊縫及附近亦未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋深度經(jīng)鏟后，用深度計復(fù)測，大多數(shù)的深度為1～2mm，少量紋深達3mm。此批構(gòu)件鋼材雜質(zhì)含量遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；環(huán)境溫度正常；工程尚未使用；構(gòu)件運輸安裝過程未被撞擊；裂紋部位遠離焊接影響區(qū)。原因分析2.4鋼材的強化與加工

經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時，由于片面追求速度，鑄鋼時剛澆好的鋼錠僅冷卻至400℃～500℃就拆模，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時鋼板溫度還在300℃以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制作，鋼板冷卻至50℃左右時，已有裂紋。即鋼錠溫差過大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂紋，經(jīng)加熱軋壓，裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形，故所軋制的鋼板上下兩面有裂紋。而加勁板為另外采購的鋼板，故未發(fā)現(xiàn)裂紋。基礎(chǔ)知識2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

2.5.1建筑常用鋼種2.5.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼

2.5.3混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

2.5.4鋁合金

2.5.1建筑常用鋼種1.

碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的字母、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成2.

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含量的不同可分為普通錳含量鋼和較高錳含量鋼兩組。3.

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼是一種在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于5％的合金元素的鋼材，具有強度高，塑性和低溫沖擊韌性好、耐銹蝕等特點。2.5.2鋼結(jié)構(gòu)用鋼

鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成形的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼有熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、棒材、鋼管和板材。2.5.3混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

混凝土具有較高的抗壓強度，但抗拉強度很低。用鋼筋增強混凝土，可大大擴展混凝土的應(yīng)用范圍，而混凝土又對鋼筋起保護作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，包括熱軋鋼筋、冷軋扭鋼筋和冷軋帶肋鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。2.5.4鋁合金

純鋁在建筑上的應(yīng)用較少，可加工成鋁粉，用于加氣混凝土的發(fā)氣。為提高鋁的強度，在鋁中可加入錳、鎂、銅、硅、鋅等制成各種鋁合金，鋁合金可被加工成各種鋁合金門窗、龍骨、壓型板、花紋板、管材、型材、棒材等。觀察與討論2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

鋼支架的鋼材選用華北某廠需焊接一座露天且需承受動荷載的鋼支架，該廠已有三種碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚度均為80mm，Q235抗拉強度已可滿足設(shè)計要求。三種鋼材的價格是Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ。請選用。Ⅰ

Q235A·FⅡ

Q235A·bⅢ

Q235C2.5.1建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用

選Ⅰ不當(dāng)。Q235A·F為沸騰鋼，其內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物較多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻，抗沖擊韌性特別是低溫抗沖擊韌性差，可焊性差，不宜用于承受動荷載的焊接鋼結(jié)構(gòu)。請再選。2.5.1建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用

Q235A·b為半沸騰鋼，性能雖優(yōu)于Q235A·F，但焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)保證碳的極限含量，而Q235A鋼的含碳量是不作為交貨條件的，一般不用于焊接結(jié)構(gòu)。另外厚度較大的鋼材，塑性、沖擊韌性及焊接性能一般較差，選用厚度較大的焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選用材質(zhì)較好的鋼。2.5.1建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用選擇正確。結(jié)構(gòu)鋼材的選用至少應(yīng)具有屈服點、抗拉強度、伸長率三項機械性能和硫磷含量兩項化學(xué)成分的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有含碳量的合格保證。對于較大型構(gòu)件、直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證。對于大、重型結(jié)構(gòu)和直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，還需根據(jù)冬季工作濕度情況，選用的鋼材需具有常溫，低溫沖擊韌性的合格保證。

還需說明的是，低含量高強度結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素的強化作用，不但有較多的強度，而且具有較好的塑性、韌性和可焊性。Q345鋼及Q390鋼的綜合性能較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼。其價格雖稍高，但有更好的承受動荷載和耐疲勞性能，可節(jié)省鋼材、減輕結(jié)構(gòu)自重。大跨度、大型結(jié)構(gòu)及承受動力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)廣泛采用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼。

工程實例分析2.5土木工程常用金屬材料的性質(zhì)及應(yīng)用

韓國漢城大橋倒塌

現(xiàn)象原因分析

1994年10月21日，韓國漢城漢江圣水大橋中段50m長的橋體像刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國最大的建筑公司之一的東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于1979建成。原因分析韓國漢城大橋倒塌

事故原因調(diào)查團經(jīng)五個多月的各種試驗和研究，于次年4月2日提交了事故報告。事故原因主要有以下兩方面：

a.東亞建筑公司沒有按圖紙施工，在施工中偷工減料，利用疲勞性能很差的劣質(zhì)鋼材，這是事故的直接原因。

b.當(dāng)時韓國縮短工期及漢城市政當(dāng)局在交通管理上的疏漏也是大橋倒塌的主要原因。設(shè)計負載限制為32t，建成后交通流量逐年增加，超常負荷，倒塌時負載為43.2t。基礎(chǔ)知識2.6鋼材的腐蝕與防護

2.6.1鋼材的腐蝕

2.6.2鋼材的防護

2.6.1鋼材的腐蝕

鋼材表面與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而引起破壞的現(xiàn)象稱作腐蝕（銹蝕）。鋼材腐蝕的現(xiàn)象普遍存在，如在大氣中生銹，特別是當(dāng)環(huán)境中有各種侵蝕性介質(zhì)或濕度較大時，情況就更為嚴(yán)重。腐蝕不僅使鋼材有效截面積均勻減小，還會產(chǎn)生局部銹坑，引起應(yīng)力集中；腐蝕會顯著降低鋼的強度、塑性韌性等力學(xué)性能。根據(jù)鋼材與環(huán)境介質(zhì)的作用原理，腐蝕可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。2.6.2鋼材的防護1.鋼材的防腐

具體措施有采用耐候鋼、金屬覆蓋、非金屬覆蓋和混凝土用鋼筋的防銹。2.鋼材的防火

鋼結(jié)構(gòu)防火保護的基本原理是采用絕熱或吸熱材料，阻隔火焰和熱量，推遲鋼結(jié)構(gòu)的升溫速率。防火方法以包覆法為主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土、砂漿將鋼構(gòu)件包裹起來。觀察與討論討論2.6鋼材的腐蝕與防護

板梁底出現(xiàn)裂縫

華南地區(qū)某海港油氣碼頭引橋使用僅8年，π形板梁底出現(xiàn)明顯裂縫及鋼筋銹蝕。而π型板卻基本完好，請討論其原因。π型板梁底出現(xiàn)明顯裂縫圖基本完好的π型板討論2.6鋼材的腐蝕與防護

從上表中可見，

隨混凝土深度增加，Cl-含量依次遞減。目前，國外一般把混凝土內(nèi)Cl-含量達到其致銹臨界含量值時的時間，確定為混凝土的安全使用壽命。具體臨界含量值各國各地區(qū)有差別。我國華南地區(qū)海港碼頭調(diào)查該值為0.105％～0.145％。該混凝土保護層設(shè)計厚度為5.5cm，且由于施工偏差，部分構(gòu)件實際保護層厚度低于設(shè)計值。當(dāng)海水中Cl-滲透進混凝土，使鋼筋表面Cl-含量達致銹值時，銹蝕開始；腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土產(chǎn)生與鋼筋平行的順筋裂縫，乃至混凝土開裂，鋼筋的電化學(xué)腐蝕迅速進行。工程實例分析2.6鋼材的腐蝕與防護

廣東某斜拉橋拉索腐蝕失效分析現(xiàn)象原因分析

廣東某斜拉橋(見右圖)竣工于1989年。1995年5月其中一條拉索突然墜落，經(jīng)檢驗確認(rèn)其他拉索的鋼絲已受不同程度的腐蝕，該橋最后全部更換新拉索。作者與其他教師一道對此拉索失效的原因作檢測分析，研究其腐蝕失效的原因。

原因分析2.6鋼材的腐蝕與防護

對墜落的拉索進行研究，鋼絲的腐蝕程度由下而上逐漸增加，且與所灌注的水泥漿體的情況有明顯的對應(yīng)關(guān)系。由下到上劃分為五個區(qū)段。

①基本正常段②略有銹蝕段③較少銹蝕段④銹蝕一般段

⑤銹蝕嚴(yán)重

拉索鋼絲所受的腐蝕原因是所灌注的水泥漿體不凝結(jié)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；而水泥漿體所含的一定量的氯離子及鋼絲在拉應(yīng)力的作用下更加速了此銹蝕過程。創(chuàng)新能力培養(yǎng)

鋼結(jié)構(gòu)建筑