第八章 金屬材料

第八章金屬材料

Chapter8MetallicMaterials1三問？金屬材料的基本概念(What)?金屬材料具備哪些基本性質(Which)?如何根據土木工程應用選擇金屬材料(How)?2本章內容

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量的影響。2、鋼材的主要技術性質：力學性質工藝性能。3、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。4、建筑鋼材的防銹：鋼的銹蝕的要點

5、建筑鋼材的技術標準及選用：3第一節(jié)鋼的生產、分類4一、鋼的生產

鋼：鐵碳合金，鐵Fe為主要元素：碳C含量≤2.06％，雜質元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生鐵：鐵碳合金，C含量高，約為2.06～6.69％，并含較多雜質的。冶煉生鐵鋼生鐵中的碳氧化，降低含C量，除去雜質元素，降低其含量5（一）冶煉

根據煉鋼設備的不同，煉鋼方法有轉爐、平爐和電爐三種方法：三種主要煉鋼方法的特點爐種原料特點生產鋼種氧氣轉爐鐵水，廢鋼可有效除去磷、硫雜質少，碳素鋼效率高質量好。

低合金鋼電爐生鐵、廢鋼產量低、耗電大，雜質少合金鋼質量最好，成本高

優(yōu)質碳素鋼平爐生鐵、廢鋼時間長，成分穩(wěn)定碳素鋼質量較好、成本較高低合金鋼6（二）脫氧與鑄錠

沸騰鋼：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。(F)半鎮(zhèn)靜鋼：脫氧程度與性能介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。(B)鎮(zhèn)靜鋼：脫氧充分，成分均勻純凈、雜質少、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。(Z)特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧很充分，晶粒細化，質量與性能比鎮(zhèn)靜鋼更好。(TZ)

7（三）熱加工熱加工：是在結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：使內部氣泡焊合，酥松結構致密，晶粒細化。熱加工效果：提高鋼材的強度、塑性和質量。8二、鋼材的分類1.按冶煉設備分類

2．按冶煉時脫氧程度分類3.按化學成分分類4.按有害雜質含量分類5.按用途不同分類

平爐鋼轉爐鋼電爐鋼沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼碳素鋼合金鋼低碳鋼：含碳量＜0.2％(工程用鋼）中碳鋼：含碳量為0.2～0.60％高碳鋼：含碳量＞0.60％低合金鋼：合金元素＜3.５％中合金鋼：合金元素為3.５～10％高合金鋼:合金元素＞10％普通鋼:s≤0.050%；P≤0.045％

優(yōu)質鋼:s≤0.035%；P≤0.035％高級優(yōu)質鋼:s≤0.025%；P≤0.025％特級優(yōu)質鋼:s≤0.015%；P≤0.025％結構鋼工具鋼特殊鋼9

第二節(jié)建筑鋼材的技術性能

鋼材的力學性質鋼材的工藝性能10一、鋼材的力學性質

鋼材的力學性能，即是指鋼材在外力（載荷）作用時表現出來的性能，包括：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。

拉伸壓縮彎曲剪切扭轉荷載形式11（一）強度

強度指標根據其變形特點分下列幾個：

彈性極限（σp）表示鋼材保持彈性變形,不產生塑性變形的最大應力,是彈性零件的設計依據。

σpσsσb0σ屈服現象鋼材抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為其強度，鋼材的強度用拉伸試驗測定。12（一）強度屈服強度（

σs）

表示鋼材開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力，是鋼結構設計的依據。強度極限(抗拉強度σb)表示金屬受拉時所能承受的最大應力。

σpσsσb0σ屈服現象13（一）強度

名義屈服強度0.2對于屈服現象不明顯的硬鋼，則規(guī)定以產生殘余變形為0.2%時的應力作為名義屈服強度（也稱條件屈服強度），用0.2表示。fy=f0.20.2%fuεp14問題：屈服現象的特征是什么？

答：其特征是鋼材拉伸試驗過程中，應力不增加而塑性變形不斷增加。15問題：

什么是屈強比，對選用鋼材有何意義？

答：屈服強度與極限強度是衡量鋼材強度的兩個重要指標，二者之比稱為屈強比s/b。

在應用中，s/b愈小，則反映鋼材的可靠性愈大，結構的安全性愈高。但這個比值過小，則鋼材的利用率低，不夠經濟；若屈強比較大，雖然鋼材的利用率較大，但強度的儲備過小，脆斷傾向較大，不夠安全。因此，屈強比最好在0.60~0.75，既安全又經濟。16（二）塑性鋼材在荷載作用下斷裂前產生永久變形的能力稱為鋼材的塑性,用伸長率和斷面收縮率來表示。

伸長率（δ）在拉伸試驗中,試樣拉斷后,標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。=[（L1—L0）/L0]×100%

斷面收縮率（ψ）

試樣拉斷后,縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。=[（A0—A1）/A0]×100%伸長率和斷面收縮率的值越大，鋼材的塑性越大17L1＞L0伸長L1L0A0A1A1＜A0頸縮n=[(L1-L0)/L0]×100%=[(A0-A1)/A0]×100%18（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V形缺口試件，用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。試件擺錘H0H119（三）沖擊韌性

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F,即得到材料的沖擊韌度ak。ak=Ak/F

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。20冷脆性與時效隨溫度降低，鋼材由韌性斷裂轉變?yōu)榇嘈詳嗔?，使沖擊值降低的現象稱為冷脆性，與之對應的溫度稱為冷脆轉變溫度。隨時間的延長，鋼材的強度逐漸提高，塑性和沖擊韌性下降的現象稱為時效。因時效而導致的性能改變的程度稱為時效敏感性。意義：在低溫下使用的鋼材應選用脆性轉變溫度低于使用溫度的鋼材；對于承受動荷載的重要結構應選用時效敏感性小的鋼材。21（四）硬度

鋼材抵抗另一硬物體壓入其內的能力叫硬度，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

22二、鋼材的工藝性能

冷彎性能可焊性23（一）冷彎性能1、定義：常溫下鋼材能承受較大的彎曲變形而不破壞的能力，衡量鋼材的冷塑性變形能力。2、評價指標：用不同彎曲角度和不同彎心半徑d相對于鋼材厚度a的比值（d/a）表示；3、試驗方法：按一定的彎曲角度角與d/a值進行冷彎，試件彎曲處的外拱面及兩個側面不出現裂縫和起層現象為合格。

24P鋼材的冷彎試驗ad外拱面25（二）可焊性

1、定義：鋼材在焊接后，焊頭聯結的牢固程度和硬脆傾向大小的性能；2、測量：將焊接的鋼材試件進行拉伸試驗，要求斷裂處不在焊接點上。3、影響因素：化學成分（含碳量、S、P和氣體雜質）；冶煉質量（鎮(zhèn)靜鋼）冷加工等。26合格不合格鋼材的可焊性試驗焊接點斷裂點斷裂點27第四節(jié)鋼材的加工與焊接

Section4TreatmentandWeldingofSteel

1、冷加工強化2、熱處理3、焊接28一、冷加工強化與時效1、冷加工處理2、時效處理

291、冷加工強化將鋼材在常溫下進行冷拉、冷拔或冷軋，產生塑性變形，從而提高屈服強度，塑性、韌性降低的現象稱為冷加工強化。冷加工強化原理：鋼材加工至塑性變形后，由于塑性變形區(qū)域內的晶粒產生相對滑移，使滑移面下的晶粒破碎，晶格歪扭，構成滑移面的凹凸不平，從而給變形造成附加阻力，提高了鋼材對外力作用下重新滑移產生的抵抗力。加工強化的效果：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。

0σ

0’BKCD未冷拉冷拉后30問題：

直接承受動荷載作用的焊接鋼結構是否能使用經冷加工的鋼材嗎？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，為了防止鋼結構發(fā)生突然的脆性斷裂，所以不能采用。312、時效處理

將經過冷加工的鋼筋，在常溫下存放15~20天，或在100~120C保持一定時間，其強度進一步提高，彈性模量基本恢復，這個過程稱為時效處理。前者稱為自然時效，后者稱為人工時效。

實際意義：工程上常對鋼筋進行冷拉或冷拔可以達到提高強度和節(jié)約鋼材的目的。0σ

0’BKCD未冷拉冷拉后K1D1C1經冷拉時效后32二、熱處理對鋼材性質的影響

熱處理是將鋼材在一定介質中加熱、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，絕大多數機械零件必須經過熱處理。熱處理形式：退火、正火、淬火、回火等。

33溫度727C等溫處理回火淬火正火退火時間鋼材的熱處理工藝34熱處理對鋼材性質的影響

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應力；正火提高塑性和韌性，強度降低較小，使三者之間良好配合；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應力和脆性。35第五節(jié)鋼的腐蝕與防止

Setion5FireResistanceandCorrosionProtectionofSteel36一、鋼材的腐蝕

鋼材受到周圍介質的化學或電化學作用而逐漸破壞的現象稱為腐蝕。1、化學腐蝕鋼材在常溫下和高溫時發(fā)生的氧化或硫化作用。2、電化學腐蝕鋼材與電解質溶液接觸后，由于發(fā)生電化學作用而引起的腐蝕。腐蝕的影響因素：鋼材的成分、環(huán)境條件、周圍介質的性質等。

373839鋼材銹蝕的危害減小鋼材的受力面積，降低承載力；產生體積膨脹，毀壞鋼筋混凝土結構；40二、鋼材的防銹

1、制成合金鋼加入合金元素鉻、鎳制成不銹鋼、或加入銅制成合金鋼，可顯著提高抗銹蝕能力。2、表面覆蓋在鋼材表面電鍍或噴鍍一層覆蓋物，如：鍍鋅、鍍錫、鍍鉻、鍍銀等；或在鋼材表面涂防銹涂料或油漆，使之與腐蝕性介質隔離，可起到防銹作用。

41

3、設置陽極或陰極

1）陽極保護：在鋼結構附近埋設廢鋼鐵作為陽極，鋼結構作為陰極，通上直流電源，則鋼結構陰極受保護；2）陰極保護：在被保護鋼結構上，連接一塊比鐵更活潑的金屬，如鋅、鎂等，使活潑金屬作為陽極被腐蝕，鋼結構作為陰極受保護。3）混凝土中鋼筋的防銹，主要靠水泥石的高堿度介質，使鋼筋表面形成鈍化膜保護。

42第六節(jié)建筑鋼材的標準與選用

Section6SpecificationandChoiceofBuildingSteels

43一、鋼材的品種

碳素結構鋼低合金高強度結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼合金結構鋼44（一）碳素結構鋼

1、鋼的牌號：碳素結構鋼按照屈服強度分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五個牌號，每個牌號又根據硫、磷等雜質含量分為A、B、C、D四個質量等級。牌號的順序：屈服強度字母Q、屈服強度數值、質量等級（A、B、C、D）、脫氧程度符號（F、b、Z、TZ）。例如：Q235－A·F，表示屈服強度為235MPa，A級沸騰（F）碳素結構鋼。Q235C表示屈服強度為235MPa，C級鎮(zhèn)靜碳素結構鋼。

2、鋼牌號與性能的關系鋼牌號越大，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。

45（一）碳素結構鋼3、選用原則：應根據鋼結構的工作條件、荷載類型、連接方式、環(huán)境溫度與介質的腐蝕情況等綜合因素選用。例如：

Q195和Q215號鋼強度較低，塑性和韌性較大，易彎加工，可用于鋼釘、螺栓等。

Q235號鋼強度較高，塑性和韌性較大，能滿足一般鋼結構和鋼筋混凝土結構用鋼的要求，應用廣泛。Q235A