《土木工程材料》第2章-金屬材料

第2章金屬材料本章目錄本章提要概述2.1鋼材的冶煉與分類2.2建筑鋼材的力學(xué)性能與工藝性能2.3鋼材的組織和化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響2.4常用建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)2.5鋼材的腐蝕與防護(hù)2.6鋼的防火2.7建筑裝飾用鋼材制品2.8建筑中用鋁及鋁合金制品2.9銅和銅合金案例分析

本章提要金屬材料的基本概念金屬材料具備的基本性質(zhì)如何根據(jù)土木工程應(yīng)用選擇金屬材料本章重點(diǎn)：建筑鋼材的基本性能及應(yīng)用。本章難點(diǎn)：鋼材冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理。概述金屬材料的通常分類金屬材料黑色金屬：鐵、鋼、合金鋼等有色金屬：鋁、銅、鋅、鉛及合金等2.1鋼材的冶煉與分類

2.1.1鋼的冶煉2.1.2鋼材的分類2.1.1鋼的冶煉

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。生鐵：鐵碳合金，C含量高，約為2.11％～6.69％，并含較多雜質(zhì)的。冶煉生鐵鋼生鐵中的碳氧化，降低含C量，除去雜質(zhì)元素，降低其含量（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：三種主要煉鋼方法的特點(diǎn)爐種原料特點(diǎn)生產(chǎn)鋼種氧氣轉(zhuǎn)爐鐵水，廢鋼可有效除去磷、硫雜質(zhì)少，碳素鋼效率高質(zhì)量好。

低合金鋼電爐生鐵、廢鋼產(chǎn)量低、耗電大，雜質(zhì)少合金鋼質(zhì)量最好，成本高

優(yōu)質(zhì)碳素鋼平爐生鐵、廢鋼時(shí)間長，成分穩(wěn)定碳素鋼質(zhì)量較好、成本較高低合金鋼2.1.2鋼材的分類1.按冶煉方法分鋼轉(zhuǎn)爐鋼沸騰鋼電爐鋼平爐鋼按冶煉方法分按脫氧程度分半鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼按爐襯材料分為酸性鋼和堿性鋼2.1.2鋼材的分類2.按化學(xué)成分分鋼中碳鋼低合金鋼高碳鋼低碳鋼碳素鋼合金鋼中合金鋼高合金鋼C＜0.25%C=0.25%～0.60％C＞0.60％合金總含量＜5%5%～10％＞10％2.1.2鋼材的分類3．按有害雜質(zhì)含量分類按硫（S）和磷（P）的含量多少，可分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼四種。4．按用途不同分類按鋼的用途不同，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊鋼三種。問題：鋼材的脫氧程度對(duì)鋼材質(zhì)量的影響？

答：脫氧程度不高的鋼材中還保留較多的FeO，在鋼材鑄錠時(shí)，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(qiáng)度和可焊性，低溫下的韌性變差，冷脆性和時(shí)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

2.2建筑鋼材的力學(xué)性能與工藝性能2.2.1力學(xué)性能2.2.2工藝性能2.2.1力學(xué)性能

鋼材的力學(xué)性能，即是指鋼材在外力（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來的性能，包括：強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度等。

拉伸壓縮彎曲剪切扭轉(zhuǎn)荷載形式2.2.1力學(xué)性能1．抗拉性能2．沖擊韌性3．耐疲勞性4．硬度1．抗拉性能拉伸試驗(yàn)機(jī)與樣品的安裝

l1

＞l0伸長l0l1F0F1F1

＜F0頸縮

n=[(l1-l0)/l0]×100%

=[(F0-F1)/F0]×100%（1）彈性階段（OA段）（2）屈服階段（AB段）（3）強(qiáng)化階段（BC段）（4）頸縮階段（CD）常用低碳鋼的彈性模量E約為2.0～2.1×105MPa，彈性極限為

p約為180～200MPa。這種應(yīng)力基本保持不變，而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象，稱為屈服。常用低碳鋼的屈服極限

s約為185～235MPa。故設(shè)計(jì)中一般以屈服點(diǎn)作為強(qiáng)度取值依據(jù)。過了屈服階段后，材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力，要使它繼續(xù)變形必須增加拉力。這種現(xiàn)象稱為材料的強(qiáng)化?？估瓘?qiáng)度在設(shè)計(jì)中雖不能利用，但屈強(qiáng)比（

s/

b）在設(shè)計(jì)中有著重要意義。屈強(qiáng)比小，結(jié)構(gòu)的安全性高。若屈強(qiáng)比過小，則鋼材利用率低。建筑結(jié)構(gòu)鋼屈強(qiáng)比一般在0.60～0.75范圍內(nèi)較合理。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的屈強(qiáng)比大約為0.58～0.63；低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈強(qiáng)比大約為0.65～0.75；對(duì)有抗震要求的框架結(jié)構(gòu)縱向受力鋼筋要求屈強(qiáng)比不應(yīng)超過0.80。問題：

什么是屈強(qiáng)比，對(duì)選用鋼材有何意義？塑性

鋼材在荷載作用下斷裂前產(chǎn)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(yàn)中,試樣拉斷后,標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)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。

=[（F0—F1）/F0]×100%伸長率和斷面收縮率的值越大，鋼材的塑性越大中碳鋼與高碳鋼（硬鋼）由于材質(zhì)較硬，抗拉強(qiáng)度高，塑性變形較小，受拉時(shí)無明顯的屈服階段。故常以其規(guī)定殘余變形為0.2%l0時(shí)的應(yīng)力值作為名義屈服點(diǎn)，也稱條件屈服點(diǎn)，用

0.2表示。強(qiáng)度概念小結(jié)

鋼材抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為其強(qiáng)度，鋼材的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測定。強(qiáng)度指標(biāo)根據(jù)其變形特點(diǎn)分下列幾個(gè)：彈性極限（σP）

表示鋼材保持彈性變形,不產(chǎn)生塑性變形的最大應(yīng)力,是彈性零件的設(shè)計(jì)依據(jù)。屈服強(qiáng)度（

σs）

表示鋼材開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。條件屈服強(qiáng)度

0.2對(duì)于屈服現(xiàn)象不明顯的硬鋼，則規(guī)定以產(chǎn)生殘余變形為0.2%時(shí)的應(yīng)力。

強(qiáng)度極限(抗拉強(qiáng)度σb)表示金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。

問題：屈服現(xiàn)象的特征是什么？

答：其特征是：鋼材拉伸試驗(yàn)過程中，應(yīng)力不增加而塑性變形不斷增加。2．沖擊韌性

鋼材抵抗沖擊（動(dòng)）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(yàn)來測定。測得試樣沖擊吸收功,用符號(hào)W（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(shí)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)榇嘈詳嗔眩箾_擊值降低的現(xiàn)象稱為冷脆性，與之對(duì)應(yīng)的溫度稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度。沖擊試驗(yàn)：

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H0H1問題：

鋼材的沖擊韌性的影響因素？

答：鋼材的沖擊韌性對(duì)鋼材內(nèi)部的各種缺陷和環(huán)境溫度非常敏感，因此，沖擊韌性主要受下列因素影響：鋼中的S、P等有害雜質(zhì)含量(成分偏析程度)；環(huán)境溫度鋼的時(shí)效隨時(shí)間的延長，鋼材表現(xiàn)強(qiáng)度和硬度提高，但其塑性和韌性降低，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效。時(shí)效作用導(dǎo)致鋼材性能改變程度的大小叫時(shí)效敏感性。3．耐疲勞性鋼構(gòu)件若在交變應(yīng)力（隨時(shí)間進(jìn)行周期性交替變更的應(yīng)力）的反復(fù)作用下，往往在工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度時(shí)發(fā)生驟然斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞破壞”。當(dāng)應(yīng)力作用方式、大小或方向等交替變更時(shí)，裂紋兩面的材料時(shí)而緊壓或張開，形成了斷口光滑的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)。隨著裂紋向縱深發(fā)展，在疲勞破壞的最后階段，裂紋尖端由于應(yīng)力集中而引起剩余截面的脆性斷裂，形成斷口粗糙的瞬時(shí)斷裂區(qū)。疲勞強(qiáng)度

在交變應(yīng)力（動(dòng)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(diǎn)，但經(jīng)過較長時(shí)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。材料承受的交變應(yīng)力(σ)與材料斷裂前承受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)(N)之間的關(guān)系可用疲勞曲線來表示。鋼材承受的交變應(yīng)力越大,則斷裂時(shí)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N越少。當(dāng)應(yīng)力低于一定值時(shí),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(qiáng)度)。

4．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(shí)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

問題：

鋼材的疲勞破壞過程怎樣？其疲勞強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)？答：疲勞破壞過程包括再交變應(yīng)力作用下，疲勞裂縫的產(chǎn)生→擴(kuò)展→突然斷裂。其主要影響因素有：內(nèi)部缺陷（晶界、微孔、夾雜物等）；成分偏析；過大的內(nèi)應(yīng)力，截面沿縱向的突變；表面狀態(tài)；受力的種類、應(yīng)力循環(huán)特征值、循環(huán)次數(shù)等。2.2.2工藝性能1．冷彎性能2．冷加工性能及時(shí)效處理3．焊接性能4．鋼材的熱處理1．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(píng)價(jià)指標(biāo)：用不同彎曲角度

和不同彎心半徑d相對(duì)于鋼材厚度a的比值（d/a）表示；3、試驗(yàn)方法：按一定的

角與d/a值進(jìn)行冷彎，試件彎曲處的外拱面及兩個(gè)側(cè)面不出現(xiàn)裂縫和起層現(xiàn)象為合格。

P鋼材的冷彎試驗(yàn)ad外拱面2．冷加工性能及時(shí)效處理（1）冷加工強(qiáng)化（2）鋼材的時(shí)效處理（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(jìn)行冷拉、冷拔、冷軋等冷加工處理。由于冷塑性變形引起強(qiáng)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。冷加工硬化原理：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(duì)滑移，使滑移面下的晶粒破碎，經(jīng)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(duì)外力作用下重新滑移產(chǎn)生的抵抗力。加工硬化的效果：屈服強(qiáng)度提高塑性和韌性降低可焊性變壞硬脆傾向增加等。

鋼材的重復(fù)拉伸0σ

p

e

0’（2）時(shí)效處理

將經(jīng)過冷加工的鋼筋，在常溫下存放15~20天，或在100~120

C保持一定時(shí)間，其強(qiáng)度進(jìn)一步提高，彈性模量基本恢復(fù)，這個(gè)過程稱為時(shí)效處理。時(shí)效硬化原理：由于溶于鐵素體中的過飽和的氮和氧原子，隨著時(shí)間的增長慢慢地以Fe4N和FeO從鐵素體中析出，形成滲碳體分布于晶體的滑移面或晶界面上，阻礙晶粒的滑移，增加抵抗塑性變形的能力，從而使鋼材的強(qiáng)度和硬度增加、塑性和沖擊韌性降低。

時(shí)效處理鋼材產(chǎn)生實(shí)效的難易程度稱為時(shí)效敏感性，用時(shí)效敏感系數(shù)表示：

C值越大，時(shí)效敏感性越大。為了盡快取得強(qiáng)化效果，可將冷拉過的鋼筋加熱到100~200

C保持2小時(shí)，以加速時(shí)效的發(fā)展，這種方法稱為人工實(shí)效。實(shí)際意義：承受動(dòng)載或處于中溫的鋼結(jié)構(gòu)，要求鋼材具有較小的時(shí)效敏感性。但對(duì)于建筑上用的鋼筋來說，可提高其屈服強(qiáng)度。

３可焊性

1、定義：鋼材在焊接后，焊頭聯(lián)結(jié)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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，要求斷裂處不在焊接點(diǎn)上。3、影響因素：化學(xué)成分（含碳量、S、P和氣體雜質(zhì)）；冶煉質(zhì)量（鎮(zhèn)靜鋼）冷加工等。合格不合格鋼材的可焊性試驗(yàn)焊接點(diǎn)斷裂點(diǎn)斷裂點(diǎn)問題：

直接承受動(dòng)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?yàn)槔浼庸ず箐摬牡乃苄院晚g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。熱處理對(duì)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(jī)械零件必須經(jīng)過熱處理。熱處理對(duì)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(qiáng)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(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(qiáng)度，又有良好的塑性和韌性。

問題退火、正火、淬火和回火有何差別？溫度727

C等溫處理回火淬火正火退火時(shí)間鋼材的熱處理工藝2.3鋼材的組織和化學(xué)成分對(duì)鋼材性能的影響

１.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、面心立方和密排六方等三種晶格；(2)晶格節(jié)點(diǎn)上的金屬原子互相以金屬鍵相結(jié)合，所有的價(jià)電子為自由電子；(3)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。

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)2.3.1鋼的基本組織同素異晶間的轉(zhuǎn)變：液態(tài)鐵－Fe－Fe－Fe

體心立方面心立方體心立方合金的基本概念固溶體：一種金屬溶于另一種金屬中形成固體溶液化合物：二種以上元素形成新的化合物2.3.1鋼的基本組織鐵素體

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(qiáng)度與硬度較低。滲碳體

鐵和碳的化合物Fe3C，含碳量高達(dá)6.69％，故性質(zhì)硬脆，塑性和韌性幾乎為零，硬度高。珠光體

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0.77％～2.11％，其強(qiáng)度與硬度不高，塑性好，故鋼材在高溫下熱加工。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(dòng)畫2.3.2鋼的化學(xué)成分對(duì)鋼性能的影響鋼材中除了主要化學(xué)成分鐵（Fe）以外，還含有少量的碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）等元素，這些元素雖然含量少，但對(duì)鋼材性能有很大影響.一、化學(xué)成分對(duì)鋼材性質(zhì)的影響化學(xué)元素強(qiáng)度韌性塑性其他性能C增加降低降低焊接性能，增加冷脆性和時(shí)效傾向Si增加影響不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蝕性Mn增加影響不大消減硫引起的熱脆性、提高耐磨性、降低焊接性P稍有增加顯著降低增大冷脆性，顯著降低焊接性，提高耐磨和耐蝕性S降低降低增大熱脆性，降低焊接性、耐腐蝕性和機(jī)械性能O降低降低降低機(jī)械性能，使焊接和冷彎性能變壞，增加熱脆性N提高降低降低焊接性、使冷彎性能變壞、加劇冷脆性與時(shí)效敏感性Ti提高改善降低提高焊接性和抗蝕性V提高改善減少冷脆性、降低焊接性鐵晶體中的碳原子碳是“雜質(zhì)”碳原子創(chuàng)造了一個(gè)應(yīng)力場，阻止了位錯(cuò)的廣泛滑移。它需消耗較大的能量來克服障礙。加入其它元素到金屬中，削弱晶界或原子的滑移，使金屬變得又硬又強(qiáng)。例如，碳原子加入到鐵中成為鋼。障礙的例子:

鐵晶體中的碳原子2.4常用建筑鋼材的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.4.1鋼結(jié)構(gòu)用鋼材

2.4.2混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材2.4.1鋼結(jié)構(gòu)用鋼材1．碳素結(jié)構(gòu)鋼2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3．低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼4．鋼結(jié)構(gòu)用型鋼、鋼管和鋼板1．碳素結(jié)構(gòu)鋼

（1）鋼的牌號(hào)：

根據(jù)國標(biāo)GB700-1988，碳素結(jié)構(gòu)鋼按照屈服強(qiáng)度分為Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五個(gè)牌號(hào)，每個(gè)牌號(hào)又根據(jù)硫、磷等雜質(zhì)含量分為A、B、C、D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。牌號(hào)的順序：屈服強(qiáng)度字母Q、屈服強(qiáng)度數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D）、脫氧程度符號(hào)（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服強(qiáng)度為235MPa，A級(jí)沸騰（F）碳素結(jié)構(gòu)鋼。（２）技術(shù)要求見表２－３。鋼牌號(hào)與性能的關(guān)系鋼牌號(hào)越大，鋼的含碳量增加，強(qiáng)度與硬度增高，塑性和韌性降低，可焊性變差。

碳素結(jié)構(gòu)鋼（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(hào)鋼強(qiáng)度較低，塑性和韌性較大，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(dòng)載焊接的普通鋼結(jié)構(gòu)；Q235C可用于承受動(dòng)載焊接的重要鋼結(jié)構(gòu)；Q235D可用于低溫承受動(dòng)荷載焊接的鋼結(jié)構(gòu)。Q255和Q275強(qiáng)度較高，塑性和韌性較差，主要用于機(jī)械零件等思考題：1、碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)如何組成？2、鋼牌號(hào)如何反映鋼材的性能和質(zhì)量？3、如何根據(jù)使用要求選用鋼材牌號(hào)？2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

(1)鋼的牌號(hào)用兩位數(shù)字表示，代表平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，如含錳量較高時(shí)，在牌號(hào)后加注（Mn）。如：45號(hào)鋼，表示氣焊碳量為0.45%。(2)選用：30~45號(hào)鋼，用于重要結(jié)構(gòu)的鋼鑄件和高強(qiáng)度螺栓；65~80號(hào)鋼，常用于制作碳素鋼絲、刻痕鋼絲和鋼絞線等。3．低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼(1)組成：含有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(xì)化結(jié)晶，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，不僅可提高強(qiáng)度和硬度，還可一定程度上增加塑性和韌性。彌散強(qiáng)化作用，較硬微粒均勻分散在晶粒內(nèi)部，阻礙晶?；谱冃危蟠筇岣咪摰膹?qiáng)度和硬度。(3)牌號(hào)：與碳素結(jié)構(gòu)鋼一樣，用Q+屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D、E）表示。(4)特性：強(qiáng)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(dāng)?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。低合金結(jié)構(gòu)鋼的性能要求(1)高強(qiáng)度：一般其屈服強(qiáng)度在300MPa以上。(2)高韌性：要求延伸率為15%～20%，室溫沖擊韌性大于600kJ/m2～800kJ/m2。對(duì)于大型焊接構(gòu)件，還要求有較高的斷裂韌性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。(5)良好的耐蝕性。低合金結(jié)構(gòu)鋼的組成特點(diǎn)低碳：由于韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超過0.20%。加入以錳為主的合金元素。加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細(xì)碳化物或碳氮化物，有利于獲得細(xì)小的鐵素體晶粒和提高鋼的強(qiáng)度和韌性。加入少量銅（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蝕性能。加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能。

問題：

與碳素鋼相比，低合金結(jié)構(gòu)鋼有何特點(diǎn)？

答：由于低合金結(jié)構(gòu)鋼中的合金元素的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，以及含碳量低，有害雜質(zhì)少，質(zhì)量較高且穩(wěn)定，使得低合金結(jié)構(gòu)鋼有以下特點(diǎn)：不但具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，而且具有較好的塑性、韌性和適當(dāng)?shù)暮附有?，耐低溫性較好，時(shí)效敏感性也較小。4．鋼結(jié)構(gòu)用型鋼、鋼管和鋼板型鋼鋼管鋼板鋼結(jié)構(gòu)用鋼2.4.2混凝土結(jié)構(gòu)用鋼材主要品種有：

1．熱軋鋼筋

2．冷加工鋼筋

3．熱處理鋼筋

4．預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線

1.熱軋鋼筋

(1)牌號(hào)：有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為帶了鋼筋，牌號(hào)為：HRB+屈服強(qiáng)度的最小值構(gòu)成，Ⅰ級(jí)為光圓鋼筋，牌號(hào)為R235；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)為熱軋帶肋鋼筋有HRB335、HRB400、HRB500三個(gè)牌號(hào)。

2、性能與用途：Ⅰ級(jí)鋼筋的強(qiáng)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；Ⅱ、Ⅲ級(jí)強(qiáng)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。Ⅳ級(jí)鋼筋強(qiáng)度高，彈塑性和可焊性較差，可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。

2．冷加工鋼筋（1）冷拉熱軋鋼筋（2）冷軋帶肋鋼筋（3）冷軋扭鋼筋有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個(gè)級(jí)別，他們由熱軋鋼筋經(jīng)現(xiàn)場冷拉和人工時(shí)效處理得到。Ⅰ級(jí)適用于普通混凝土結(jié)構(gòu)中的受力筋；Ⅱ~Ⅳ可用作預(yù)應(yīng)力鋼筋。冷軋帶肋鋼筋代號(hào)為CRB，按抗拉強(qiáng)度分為五級(jí)：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中數(shù)值表示鋼筋應(yīng)達(dá)到的最小抗拉強(qiáng)度值。冷軋帶肋鋼筋的力學(xué)、工藝性質(zhì)見表2－12。高性能建材冷軋扭鋼筋由低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)專用鋼筋冷軋扭機(jī)調(diào)直、冷軋并冷扭一次成型，具有規(guī)定截面形狀和節(jié)距的連續(xù)螺旋狀鋼筋。按其截面形狀不同分為I型（矩形截面）和Ⅱ型（菱形截面）兩種類型。代號(hào)為LZN。標(biāo)記符號(hào)為原材料（母料）軋制前的公稱直徑（d）。標(biāo)記示例：LZN10(I)冷軋扭鋼筋，標(biāo)志直徑為10mm，矩形截面。3．熱處理鋼筋

有熱軋帶肋鋼筋經(jīng)淬火和高溫回火調(diào)質(zhì)處理得到，代號(hào)RB150。牌號(hào)：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三種。不能冷拉和焊接。性能：屈服強(qiáng)度不小于1325MPa，極限強(qiáng)度不小于1470MPa，伸長率不小于6％。應(yīng)符合GB4463-84的規(guī)定。用途：主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕和其他預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。熱處理鋼筋的設(shè)計(jì)強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的0.8，先張法和后張法預(yù)應(yīng)力的張拉控制應(yīng)力分別為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的0.7和0.65。

4．預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線（1）預(yù)應(yīng)力鋼絲:冷拉鋼絲為WCD、低松弛級(jí)鋼絲為WLR、普通松弛級(jí)鋼絲為WNR。

1)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絲使用牌號(hào)為60~80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，進(jìn)行表面壓痕，形成刻痕鋼絲（JK）。2)特性：強(qiáng)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。

4．預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線（2）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線是以數(shù)根優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼絲經(jīng)絞捻和消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理而制成。用兩根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為1×2）、用三根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為1×3）、用七根鋼絲捻制的鋼絞線（表示為1×7）。按應(yīng)力松馳能力分為I級(jí)松馳和Ⅱ級(jí)松馳兩種。2.5鋼材的腐蝕與防護(hù)

2.5.1腐蝕的類型鋼材受到周圍介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用而逐漸破壞的現(xiàn)象稱為腐蝕。1、化學(xué)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(xué)腐蝕，多數(shù)是氧化作用，在鋼材表面產(chǎn)生疏松的氧化物膜層。2、電化學(xué)腐蝕鋼材與電解質(zhì)溶液接觸后，由于發(fā)生電化學(xué)作用而引起的腐蝕。3、腐蝕的影響因素：鋼材的成分、環(huán)境條件、周圍介質(zhì)的性質(zhì)等。電化學(xué)腐蝕過程陽極反應(yīng):Fe→Fe2＋

+2e(1)陰極反應(yīng):O2+2H2O+4e-→4OH－(吸氧)(2)

2H＋

+2e→H2(放氫)(3)在介質(zhì)水中：Fe2＋

+2OH-→Fe(OH)2(4)進(jìn)一步氧化：4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3(5)氫氧化鐵部分脫水成為鐵銹:2Fe(OH)3－H2O→Fe2O3·H2O(6)

或Fe(OH)3－H2O→FeOOH(7)銹蝕產(chǎn)生的原因如果兩種金屬以化學(xué)方式接觸,那么,電化學(xué)就會(huì)因各個(gè)金屬的電位上差值而建立、組成一個(gè)化學(xué)原電池。陽極金屬就出現(xiàn)銹蝕。錨桿表面存在不均勻性的地方,例如局部損傷,就產(chǎn)生不同的電位差,于是形成微型原電池。在錨桿防護(hù)層間斷處,一般可能產(chǎn)生原電池。如預(yù)應(yīng)力損失可能與灌漿—錨索界面粘結(jié)和相互嵌鎖的惡化(開裂、擠碎)有關(guān)。錨桿處與土壤中離子濃度有變化的環(huán)境中,那時(shí)就形成差動(dòng)電池,其銹蝕也就產(chǎn)生了。原電池銹蝕原理圖不同形式銹蝕的形態(tài)雙金屬電池示意圖

氯離子引起的鋼筋銹蝕機(jī)理鋼材銹蝕的危害減小鋼材的受力面積，降低承載力；產(chǎn)生體積膨脹，毀壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；鐵的氧化物或氫氧化物的體積2.5.2鋼材防護(hù)措施

（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）金屬覆蓋在鋼材表面電鍍或噴鍍一層金屬覆蓋物，如：鍍鋅、鍍錫、鍍鉻、鍍銀等。

（3）非金屬覆蓋。在鋼材表面用非金屬材料作為保護(hù)膜，與環(huán)境介質(zhì)隔離，以避免或減緩腐蝕，如噴涂涂；料、搪瓷和塑料等。補(bǔ)充：設(shè)置陽極或陰極

1）陽極保護(hù)：在鋼結(jié)構(gòu)附近埋設(shè)廢鋼鐵作為陽極，保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)作為陰極，通上直流電源，則鋼結(jié)構(gòu)陰極受保護(hù)；

2）陰極保護(hù)：在被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)作為陰極受保護(hù)。

3）混凝土中鋼筋的防銹，主要靠水泥石的高堿度介質(zhì)，使鋼筋表面形成鈍化膜保護(hù)。

陽極與陰極保護(hù)原理陰極保護(hù)方式陽極保護(hù)方式氯鹽腐蝕的對(duì)策(1)在近海岸區(qū)域，不使用露面混凝土；用砂漿面磚等進(jìn)行表面裝修。(2)海水面能浸及的部位，混凝土保護(hù)層要在100mm以上,鋼筋混凝土用環(huán)氧樹脂涂刷。此外，也有電化學(xué)陰極保護(hù)方法。(3)電化學(xué)防腐原理鐵（Fe）與空氣中水分接觸時(shí)，有Fe2+和e生成，如圖中所示，F(xiàn)e(OH)3(紅鐵銹)生成。為了停止這一過程，施加外部電流，可抑制這一過程。防腐蝕電流施加方式，如圖所示的電流陽極方式：有以Zu系，Al系等為陽極的方式，或外部電源的方式。2.6鋼的防火

耐火試驗(yàn)與火災(zāi)案例調(diào)查表明：以失去支持能力為標(biāo)準(zhǔn)，無保護(hù)層時(shí)鋼柱和屋架的耐火極限只有0.25h，而裸露鋼梁的耐火極限僅為0.15h。溫度在200°C以內(nèi)，可以認(rèn)為鋼材的性能基本不變；當(dāng)溫度超過300°C以后，鋼材的彈性模量、屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度均開始顯著降低；到達(dá)600°C時(shí)，彈性模量、屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度均接近于零，已失去承載力。所以，沒有防火保護(hù)層的鋼結(jié)構(gòu)是不耐火的。2.6鋼的防火1．防火涂料包裹法2．不燃性板材包裹法3．實(shí)心包裹法2.7建筑裝飾用鋼材制品2.7.1不銹鋼及其制品2.7.2彩色不銹鋼板

2.7.3彩色涂層鋼板2.7.4彩色涂層壓型鋼板2.7.5輕鋼龍骨不銹鋼是加鉻元素為主并加其他元素的合金鋼，鉻含量越高，鋼的抗腐蝕性越好。除鉻外，不銹鋼中還含有鎳、錳、鈦、硅等元素，這些元素都能影響不銹鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和耐蝕性。不銹鋼按其化學(xué)成分可分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和高錳低鉻不銹鋼等幾類。按不同耐腐蝕特點(diǎn)，又可分為普通不銹鋼（簡稱不銹鋼）和耐酸鋼兩類。

2.7建筑裝飾用鋼材制品1.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。2.彩色涂層鋼板用作建筑外墻板，屋面板，護(hù)壁板等。3.輕鋼龍骨主要用作墻體和天花吊頂?shù)凝埞侵Ъ堋?/p>

輕鋼龍骨及其應(yīng)用彩鋼板的表面涂層軋制的彩鋼板鋼結(jié)構(gòu)廠房2.8建筑中用鋁及鋁合金制品

2.8.1鋁的特性

密度為2.70，質(zhì)輕，熔點(diǎn)低，比強(qiáng)度高；導(dǎo)電和導(dǎo)熱性很好；有一定的耐蝕性，但耐堿和耐酸性差，較易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。強(qiáng)度和硬度不高（

0.2=35~150MPa，

b=90~170Pa，HB=23~4