金屬材料課件

鋼材的分類

1.按化學(xué)成分分類（１）碳素鋼。碳素鋼的化學(xué)成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵一碳合金。其含碳量為0.02％～2.06％。此外尚含有極少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素。碳素鋼按含碳量又可分為：低碳鋼（含碳量小于0.25％）、中碳鋼（含碳量為0.25％～0.60％）高碳鋼（含碳量大于0.60％）（２）合金鋼。是指在煉鋼過程中，有意識地加入一種或多種能改善鋼材性能的合金元素而制得的鋼種。常用合金元素有：硅、錳、鈦、釩、鈮、鉻等。按合金元素總含量的不同，合金鋼可分為低合金鋼（合金元素總含量小于５％）中合金鋼（合金元素總含量為５％～10％）高合金鋼（合金元素總含量大于10％）。2.按冶煉時(shí)脫氧程度分類（１）沸騰鋼。煉鋼時(shí)僅加入錳鐵進(jìn)行脫氧，則脫氧不完全。這種鋼水澆入錠模時(shí)，會有大量的ＣＯ氣體從鋼水中外逸，引起鋼水呈沸騰狀，故稱沸騰鋼，代號為“Ｆ“。沸騰鋼組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質(zhì)偏析較嚴(yán)重，故質(zhì)量較差。但因其成本低、產(chǎn)量高，故被廣泛用于一般建筑工程。（３）半鎮(zhèn)靜鋼。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，為質(zhì)量較好的鋼，其代號為“ｂ”。（４）特殊鎮(zhèn)靜鋼。比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，故其質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程，代號為“TZ”。鋼材的技術(shù)性質(zhì)1.抗拉性能抗拉性能是建筑鋼材最重要的技術(shù)性質(zhì)。其技術(shù)指標(biāo)為由拉力試驗(yàn)測定的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度和伸長率。低碳鋼（軟鋼）受拉的應(yīng)力一應(yīng)變圖能夠較好地解釋這些重要的技術(shù)指標(biāo)，見圖8－１.低碳鋼受拉時(shí)的應(yīng)力一應(yīng)變圖3.按有害雜質(zhì)含量分類

接鋼中有害雜質(zhì)磷（Ｐ）和硫（S）含量的多少，鋼材可分為以下四類：

（１）普通鋼。磷含量不大于0.045％；硫含量不大于0.050%。

（２）優(yōu)質(zhì)鋼。磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。

（３）高級優(yōu)質(zhì)鋼。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。

（４）特級優(yōu)質(zhì)鋼。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。（２）抗拉強(qiáng)度：從圖8－１中ＣＤ曲線逐步上升可以看出：試件在屈服階段以后，其抵抗塑性變形的能力又重新提高，稱為強(qiáng)化階段。對應(yīng)于最高點(diǎn)Ｄ的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，用σb表示。設(shè)計(jì)中抗拉強(qiáng)度雖然不能利用，但屈強(qiáng)比σs／σb有一定意義。屈強(qiáng)比愈小，反映鋼材受力超過屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性愈大，因而結(jié)構(gòu)的安全性愈高。但屈強(qiáng)比太小，則反映鋼材不能有效地被利用。(3)伸長率：圖8－１中當(dāng)曲線到達(dá)Ｄ點(diǎn)后，試件薄弱處急劇縮小，塑性變形迅速增加，產(chǎn)生“頸縮現(xiàn)象”而斷裂。量出拉斷后標(biāo)距部分的長度Ll，標(biāo)距的伸長值與原始標(biāo)距L0的百分率稱為伸長率。即伸長率表征了鋼材的塑性變形能力。由于在塑性變形時(shí)頸縮處的伸長較大，故當(dāng)原始標(biāo)距與試件的直徑之比愈大，則頸縮處伸長中的比重愈小，因而計(jì)算的伸長率會小些。通常以δ5和δ10分別表示L0=5d0和L0=10d0（ｄ0為試件直徑）時(shí)的伸長率。對同一種鋼材，δ5應(yīng)大于δ10。鋼材的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、內(nèi)在缺陷及環(huán)境溫度都會影響鋼材的沖擊韌性。試驗(yàn)表明，沖擊韌性隨溫度的降低而下降，其規(guī)律是開始下降緩和，當(dāng)達(dá)到一定溫度范圍時(shí)，突然下降很多而呈脆性，這種脆性稱為鋼材的冷脆性。發(fā)生冷脆時(shí)的溫度稱為臨界溫度，其數(shù)值愈低，說明鋼材的低溫沖擊性能愈好。所以在負(fù)溫下使用的結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)選用脆性臨界溫度較工作溫度為低的鋼材。隨時(shí)間的延長而表現(xiàn)出強(qiáng)度提高，塑性和沖擊韌性下降的現(xiàn)象稱為時(shí)效。完成時(shí)效變化的過程可達(dá)數(shù)十年，但是鋼材如經(jīng)受冷加工變形，或使用中經(jīng)受震動和反復(fù)荷載的影響，時(shí)效可迅速發(fā)展。因時(shí)效而導(dǎo)致性能改變的程度稱為時(shí)效敏感性，對于承受動荷載的結(jié)構(gòu)應(yīng)該選用時(shí)效敏感性小的鋼材。沖擊韌性

沖擊韌性是指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。沖擊韌性指標(biāo)是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的彎曲沖擊韌性試驗(yàn)確定的。以擺錘打擊試件，于刻槽處將其打斷，試件單位截面積上所消耗的功，即為鋼材的沖擊韌性指標(biāo)，用沖擊韌性ak（Ｊ/cm2）表示。ak值愈大，沖擊韌性愈好。

硬度鋼材的硬度是指其表面局部體積內(nèi)抵抗外物壓入產(chǎn)生塑性變形的能力。常用的測定硬度的方法有布氏法和洛氏法。布氏法的測定原理是利用直徑為Ｄ（ｍｍ）的淬火鋼球，以P（Ｎ）的荷載將其壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的持續(xù)時(shí)間后卸除荷載，即得到直徑為ｄ（ｍｍ）的壓痕，以壓痕表面積Ｆ（ｍｍ）除荷載Ｐ，所得的應(yīng)力值即為試件的布氏硬度值ＨＢ，以數(shù)字表示，不帶單位。洛氏法測定的原理與布氏法相似，但系根據(jù)壓頭壓入試件的深度來表示硬度值，洛氏法壓痕很小，常用于判定工件的熱處理效果。焊接性能

鋼材的可焊性是指焊接后在焊縫處的性質(zhì)與母材性質(zhì)的一致程度。影響鋼材可焊性的主要因素是化學(xué)成分及含量。如硫產(chǎn)生熱脆性，使焊縫處產(chǎn)生硬脆及熱裂紋。又如，含碳量超過0.3％，可焊性顯著下降等。鋼材的化學(xué)成分及對性能的影響鋼材的化學(xué)成分主要是指碳、硅、錳、硫、磷等，在不同情況下往往還需考慮氧、氮及各種合金元素。（1）碳：土木工程用鋼材含碳量不大于0.8％。在此范圍內(nèi)，隨著鋼中碳含量的提高，強(qiáng)度和硬度相應(yīng)提高，而塑性和韌性則相應(yīng)降低，碳還可顯著降低鋼材的可焊性，增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性，降低抗大氣銹蝕性。（2）硅：當(dāng)硅在鋼中的含量較低（小于1%）時(shí)，可提高鋼材的強(qiáng)度，而對塑性和韌性影響不明顯。（３）錳：錳是我國低合金鋼的主加合金元素，錳含量一般在1%～２％范圍內(nèi)，它的作用主要是使強(qiáng)度提高，錳還能消減硫和氧引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質(zhì)改善。（６）氧：為有害元素。主要存在于非金屬夾雜物內(nèi)，可降低鋼的機(jī)械性能，特別是韌性，氧有促進(jìn)時(shí)效傾向的作用，氧化物造成的低熔點(diǎn)亦使鋼的可焊形變差。（７）氮：氮對鋼材性質(zhì)的影響與碳、磷相似，使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性特別是韌性顯著下降。氮可加劇鋼材的時(shí)效敏感性和冷脆性，降低可焊性。在有鋁、妮、釩等的配合下，氮可作為低合金鋼的合金元素使用。（８）鈦：鈦是強(qiáng)脫氧劑。它能顯著提高強(qiáng)度，改善韌性和可焊性，減少時(shí)效傾向，是常用的合金元素。（９）釩：釩是強(qiáng)的碳化物和氮化物形成元素。能有效提高強(qiáng)度，并能減少時(shí)效傾向，但增加焊接時(shí)的淬硬傾向。鋼材的晶體組織鋼是鐵碳合金晶體。晶體結(jié)構(gòu)中各個(gè)原子是以金屬鍵相結(jié)合的，這是鋼材具有較高強(qiáng)度和良好塑性的基礎(chǔ)。原子在晶粒中排列的規(guī)律不同可以形成不同的晶格，如體心立方晶格是原子排列在一個(gè)正六面體的中心和各個(gè)頂點(diǎn)而構(gòu)成的空間格子；面心立方體晶格是原子排列在一個(gè)正六面體的各個(gè)頂點(diǎn)和六個(gè)面的中心而構(gòu)成的空間格子。鐵和碳兩種元素可以不同的形態(tài)存在，這種形態(tài)稱為晶體組織。鋼的基本組織主要有以下幾種：（１）鐵素體鋼材中的鐵素體為Ｃ在α一Fe中的固溶體，由于α一Fe體心立方晶格的原子間空隙小，溶碳能力較差，故鐵素體含Ｃ量很少（小于0.02％），由此決定其塑性、韌性很好，但強(qiáng)度、硬度很低。（２）奧氏體奧氏體為Ｃ在γ一Fe中的固溶體，溶碳能力較強(qiáng)，高溫時(shí)含碳量可達(dá)2.06％，低溫時(shí)下降至0.8％。其強(qiáng)度、硬度不高，但塑性好，在高溫下易于軋制成型。（３）滲碳體滲碳體為鐵和碳的化合物Fe3C，其含Ｃ量高（達(dá)6.67％），晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，塑性差，性硬脆，抗拉強(qiáng)度低。（４）珠光體珠光體為鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，含Ｃ量較低（0.8％），層狀結(jié)構(gòu)，塑性較好，強(qiáng)度和硬度較高。時(shí)效

鋼材隨時(shí)間的延長，強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性下降的現(xiàn)象稱為時(shí)效。鋼材在自然條件下的時(shí)效是非常緩慢的，若經(jīng)過冷加工或使用中經(jīng)常受到振動、沖擊荷載作用時(shí)，時(shí)效將迅速發(fā)展。鋼材經(jīng)冷加工后在常溫下擱置15~20天或加熱至100~200℃保持2h以內(nèi)，鋼材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及硬度都進(jìn)一步提高，而塑性、韌性繼續(xù)降低完成時(shí)效過程，前者稱為自然時(shí)效，后者稱為人工時(shí)效。如圖9-8所示，經(jīng)冷加工和時(shí)效后，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線為O`K1C1D1，此時(shí)屈服強(qiáng)度（K1）和抗拉強(qiáng)度（C1）比時(shí)效前進(jìn)一步提高。一般強(qiáng)度較低的鋼材采用自然時(shí)效，而強(qiáng)度較高的鋼材采用人工時(shí)效。冷拉以后再經(jīng)過時(shí)效處理的鋼筋，其屈服點(diǎn)進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度稍見增長，塑性繼續(xù)有所降低。由于時(shí)效過程中應(yīng)力的消減，故彈性模量可基本恢復(fù)。鋼材產(chǎn)生時(shí)效的主要原因是，溶于α一Fe中的碳、氮原子，向晶格缺陷處移動和集中的速度大為加快，這將使滑移面缺陷處碳、氮原子富集，使晶格畸變加劇，造成其滑移、變形更為困難，因而強(qiáng)度進(jìn)一步提高，塑性和韌性則進(jìn)一步降低，而彈性模量則基本恢復(fù)。鋼材的熱處理按照一定的制度，將鋼材加熱到一定的溫度，在此溫度下保持一定的時(shí)間，再以一定的速度和方式進(jìn)行冷卻，以使鋼材內(nèi)部晶體組織和顯微結(jié)構(gòu)按要求進(jìn)行改變，或者消除鋼中的內(nèi)應(yīng)力，從而獲得人們所需求的機(jī)械力學(xué)性能，這一過程就稱為鋼材的熱處理。鋼材的熱處理通常有以下幾種基本方法：

(１)淬火。將鋼材加熱至723℃（相變溫度）以上某一溫度，并保持一定時(shí)間后，迅速置于水中或機(jī)油中冷卻，這個(gè)過程稱鋼材的淬火處理。鋼材經(jīng)淬火后，強(qiáng)度和硬度提高，脆性增大，塑性和韌性明顯降低。(２)回火。將淬火后的鋼材重新加熱到723℃以下某一溫度范圍，保溫一定時(shí)間后再緩慢地或較快地冷卻至室溫，這一過程稱為回火處理?；鼗鹂上摬拇慊饡r(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使其硬度降低，恢復(fù)塑性和韌性。回火溫度愈高，鋼材硬度下降愈多，塑性和韌性等性能均得以改善。若鋼材淬火后隨即進(jìn)行高溫回火處理，則稱調(diào)質(zhì)處理，其目的是使鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性等性能均得以改善。（３）退火。退火是指將鋼材加熱至723℃以上某一溫度，保持相當(dāng)時(shí)間后，在退火爐中緩慢冷卻。退火能消除鋼材中的內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，均勻組織，使鋼材硬度降低，塑性和韌性提高。（４）正火。是將鋼材加熱到723℃以上某一溫度，并保持相當(dāng)長時(shí)間，然后在空氣中緩慢冷卻，則可得到均勻細(xì)小的顯微組織。鋼材正火后強(qiáng)度和硬度提高，塑性較退火為小建筑鋼材的主要鋼種（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼按國家標(biāo)準(zhǔn)GB700-88規(guī)定，我國碳素結(jié)構(gòu)鋼分五個(gè)牌號，即Ｑ195、Q215、Q235、Q255和Q275。各牌號鋼又按其硫、磷含量由多至少分為Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ四個(gè)質(zhì)量等級。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示按順序由代表屈服點(diǎn)的字母（Q）、屈服點(diǎn)數(shù)值（Ｎ/mm2）、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)、脫氧程度符號(F、B、Z、TZ)等四部分組成。例如Q235-A.F.，它表示：屈服點(diǎn)為235N／ｍｍ2的平爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉的Ａ級沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。當(dāng)為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，則牌號表示“Ｚ”與“ＴZ”符號可予以省略。二、混凝土結(jié)構(gòu)用鋼

目前混凝土結(jié)構(gòu)用鋼主要有：熱軋鋼筋、冷拉熱軋鋼筋、冷拔低碳鋼絲、冷軋帶肋鋼筋、熱處理鋼筋和預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲及鋼絞線。

1、熱軋鋼筋

混凝土結(jié)構(gòu)用熱軋鋼筋應(yīng)有較高的強(qiáng)度，具有一定的塑性、韌性、冷彎和可焊性。熱軋鋼筋主要有用Q235軋制的光圓鋼筋和用合金鋼軋制的帶肋鋼筋兩類。

熱軋鋼筋的標(biāo)準(zhǔn)

國標(biāo)《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》（GB13013—91）和《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB1499—91）規(guī)定，按強(qiáng)度（屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度）將鋼筋分為四級。熱軋直條圓鋼筋為Ⅰ級，強(qiáng)度等級代號為R235；熱軋帶肋鋼筋的級別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，其強(qiáng)度等級代號為RL335、RL400、RL540；

2、熱軋鋼筋的選用

普通混凝土廢預(yù)應(yīng)力鋼筋可根據(jù)使用條件選用Ⅰ級鋼筋或Ⅱ、Ⅲ級鋼筋；預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)優(yōu)先選用Ⅳ級鋼筋，也可選用Ⅲ級或Ⅱ級鋼筋。熱軋鋼筋除Ⅰ級是光圓鋼筋，其余為月牙肋或等高肋鋼筋，粗糙的表面可提高混凝土與鋼筋之間的握裹力。

3、冷拉熱軋鋼筋

將Ⅰ~Ⅳ級熱軋鋼筋，在常溫下拉伸至超過屈服點(diǎn)的某一應(yīng)力，然后卸荷，即制成了冷拉鋼筋。冷拉可使屈服點(diǎn)提高17%~27%，材料變脆、屈服階段變短，伸長率降低，冷拉時(shí)效后強(qiáng)度略有提高。生產(chǎn)中可將冷拉、除銹、調(diào)直、切斷合并為一道工序，這樣簡化了流程，提高了效率；冷拉既可以節(jié)約鋼材，有可以制成預(yù)應(yīng)力鋼筋，增加了品種規(guī)格，設(shè)備簡單，易于操作，是鋼筋冷加工的常用方法之一。4、冷軋帶肋鋼筋

冷軋帶肋鋼筋使用低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)冷軋或冷拔減徑后，在其表面冷軋成三面有肋的鋼筋。國標(biāo)《冷軋帶肋鋼筋》（GB13788—92）規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋代號用LL表示，并按抗拉強(qiáng)度等計(jì)劃分為三級：LL550、LL650、LL800，其直徑一般為5、6、7、8、10mm，

冷軋帶肋鋼筋克服了冷拉、冷拔鋼筋握裹力低的缺點(diǎn)，同時(shí)具有和冷拉、冷拔相近的強(qiáng)度，因此在中、小型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和普通混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中得到了越來越廣泛的應(yīng)用

5、冷拔低碳鋼絲

冷拔低碳鋼絲是將直徑為6.5~8mm的Q235（或Q215）圓盤條通過截面小于鋼筋截面的鎢合金拔絲模而制成。冷拔鋼絲不僅受拉、同時(shí)還將受到擠壓作用，如圖7-7所示。經(jīng)受一次或多次的拔制而得的鋼絲，其屈服強(qiáng)度可提高40%~60%，且已失去了低碳鋼的性質(zhì)，變得硬脆，屬硬鋼類鋼絲，國標(biāo)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204—92）規(guī)定，冷拔低碳鋼絲按力學(xué)強(qiáng)度分為兩極：甲級為預(yù)應(yīng)