第八章 金属材料 本章内容 第一节 第二节 建筑钢材 铝材及铝合金
第一节 建筑钢材 建筑钢材 是指用于钢结构的各种型钢 ( 如圆钢 角钢 工字钢 管钢等 ) 和用于钢筋混凝土的钢筋 钢丝 钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等 C 型钢 H 型钢 钢管 钢板
钢筋 钢丝 钢绞线 建筑钢材的特点 优点 : 抗拉强度高 塑性和韧性好能承受冲击和振动荷载易于加工成板材 型材和线材良好的焊接和铆接性能 缺点 : 易锈蚀 维护费用高耐火性差生产能耗大 6
建筑钢材的应用 大跨度结构 多层及高层结构 受动荷载作用的工业厂房 7 钢结构厂房 8
钢结构桥梁 9 国家体育场 鸟巢 是 2008 年北京奥运会主体育场 鸟巢 是一个大跨度的曲线结构, 以巨大的钢网围合 覆盖着 9.1 万人的体育场, 采用了当今先进的建筑科技, 其中, 钢结构是世界上独一无二的 鸟巢 钢结构总重 4.2 万吨, 最大跨度 343 米, 结构相当复杂, 为国内外特有建筑
一 钢材的冶炼和分类 钢材的冶炼 钢是由生铁冶炼而成的 钢和铁都是铁碳合金, 钢的含碳量在 2% 以下, 而生铁的含碳量大于 2% 另外钢中的杂质含量也少于生铁 钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化, 使碳的含量降低到规定范围, 其他杂质含量也降低到允许范围之内
根据炼钢设备所用炉种不同, 炼钢方法主要可分为平炉炼钢 氧气转炉炼钢 电炉炼钢三种 (1) 平炉炼钢 它以熔融状或固体状生铁 铁矿石或废钢铁为原料, 以煤气或重油为燃料 利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化 可用于炼制优质碳素钢和合金钢等 (2) 氧气转炉炼钢 以熔融的铁水为原料, 由转炉顶部吹入高纯度氧气, 能有效地去除有害杂质, 并且冶炼 时间短 (20~40min), 生产效率高, 所以氧气转炉钢质量好, 成本低, 应用广泛 (3) 电炉炼钢 以电为能源迅速将废钢 生铁等原料熔化, 并精炼成钢 电炉又分为电弧炉 感应炉和电渣炉等
钢材的分类 1. 按化学成分分类 (1) 碳素钢 碳素钢的化学成分主要是铁, 其次是碳, 故也称铁一碳合金 其含碳量为 0.02%~ 2.06% 此外尚含有极少量的硅 锰和微量的硫 磷等元素 碳素钢按含碳量又可分为 : 低碳钢 ( 含碳量小于 0.25%) 中碳钢 ( 含碳量为 0.25%~0.60%) 高碳钢 ( 含碳量大于 0.60%) (2) 合金钢 是指在炼钢过程中, 有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种 常用合金元素有 : 硅 锰 钛 钒 铌 铬等 按合金元素总含量的不同, 合金钢可分为 : 低合金钢 ( 合金元素总含量小于 5%) 中合金钢 ( 合金元素总含量为 5%~10%) 高合金钢 ( 合金元素总含量大于 10%)
2 根据脱氧程度的不同分类 (1) 沸腾钢 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧, 则脱氧不完全 这种钢水浇入锭模时, 会有大量的 CO 气体从钢水中外逸, 引起钢水呈沸腾状, 故称沸腾钢 沸腾钢组织不够致密, 成分不太均匀, 硫 磷等杂质偏析较严重, 故质量较差 但因其成本低 产量高, 故被广泛用于一般建筑工程 (2) 镇静钢 炼钢时采用锰铁 硅铁和铝锭等作脱氧剂, 脱氧完全, 同时能起去硫作用 这种钢水铸锭时能平静地充满锭模冷却凝固, 故称镇静钢 镇静钢成本较高, 但组织致密, 成分均匀, 性能稳定, 故质量好 适用于预应力混凝土等重要的结构工程 (3) 半镇静钢 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间, 为质量较好的钢
3 按品质分类 根据硫 磷有害杂质的含量不同, 钢材分为普通钢 优质钢和高级优质钢等 4 按用途分类 钢材分为结构钢 工具钢和特殊钢 二 钢材的性质 抗拉性能由低碳钢在拉伸过程中形成的应力 (σ)- 应变 (ε) 关系图可知, 低碳钢受拉过程可划分为以下 4 个阶段 弹性阶段 (O A) 屈服阶段 (A B) 强化阶段 (B C) 颈缩阶段 (C D)
低碳钢受拉的应力 - 应变图 (1) 弹性阶段 (O A) 在 OA 范围内应力与应变成正比例关系, 如果卸去外力, 试件则恢复原来的形状, 这个阶段称为弹性阶段 弹性阶段的最高点 A 所对应的应力值称为弹性极限 σ p 当应力稍低于 A 点时, 应力与应变呈线性正比例关系, 其斜率称为弹性模量
(2) 屈服阶段 (A B) 当应力超过弹性极限 σp 后, 应力和应变不再成正比关系, 应力在 B 上至 B 下小范围内波动, 而应变迅速增长 在 σ-ε 关系图上出现了一个接近水平的线段 如果卸去外力已出现塑性变形,AB 称为屈服阶段 B 下所对应的应力值称为屈服极限 σs (3) 强化阶段 (B C) 当应力超过屈服强度后, 由于钢材内部组织产生晶格扭曲 晶粒破碎等原因, 阻止了塑性变形的进一步发展, 钢材抵抗外力的能力重新提高 在 σ-ε 关系图上形成 BC 段的上升曲线, 这一过程称为强化阶段 对应于最高点 C 的应力称为抗拉强度, 用 σb 表示, 它是钢材所能承受的最大应力
屈服强度与抗拉强度之比 ( 屈强比 )σs /σb 是评价钢材使用可靠性的一个参数 屈强比愈小, 钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大, 安全性越高, 但是, 屈强比太小, 钢材强度的利用率偏低, 浪费材料 (4) 颈缩阶段 (C D) 当应力达到抗拉强度 σ b 后, 在试件薄弱处的断面将显著缩小, 塑性变形急剧增加, 产生 颈缩 现象并很快断裂 将断裂后的试件拼合起来, 量出标距两端点间的距离, 按下式计算出伸长率 δ: L L 100% L 1 0 0
冲击韧性 冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力 它是用试验机摆锤冲击带有 V 形缺口的标准试件的背面, 将其折断后试件单位截面积上所消耗的功, 作为钢材的冲击韧性指标, 以 αk 表示 (J/cm 2 ) α k 值越大, 表明钢材的冲击韧性愈好 影响钢材冲击韧性的因素很多, 钢的化学成分 组织状态, 以及冶炼 轧制质量都会影响冲击韧性 冲击韧性试验图 (a) 试件尺寸 ;(b) 试验装置 ;(c) 试验机
硬度 硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力 测定钢材硬度常用布氏法 布氏法是用一直径为 D 的硬质钢球, 在荷载 P(N) 的作用下压入试件表面, 经规定的时间后卸去荷载, 用读数放大镜测出压痕直径 d, 以压痕表面积 (mm 2 ) 除荷载 P, 即为布氏硬度值 HB HB 值越大, 表示钢材越硬 布氏硬度测定示意图
疲劳强度 钢材在交变应力的反复作用下, 往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏, 这种现象称为疲劳破坏 疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示, 它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下, 于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力 一般认为, 钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的, 抗拉强度高, 其疲劳极限也较高 钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关 冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力, 是建筑钢材的重要工艺性能 钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度 ( 直径 ) 的比值来衡量的 试验时采用的弯曲角度愈大, 弯心直径对试件厚度 ( 直径 ) 的比值愈小, 表示对冷弯性能的要求愈高 钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映
钢材冷弯 (a) 试样安装 ;(b) 弯曲 90 ;(c) 弯曲 180 ;(d) 弯曲至两面重合 ;(e) 规定弯心 三 钢的化学成分对钢材性能的影响 (1) 碳是决定钢材性能的主要元素 随着含碳量的增加, 钢的强度和硬度提高, 塑性和韧性下降 但当含碳量大于 1.0% 时, 由于钢材变脆, 强度反而下降
含碳量对热轧碳素钢性质的影响 σ b 抗拉强度 ;α k 冲击韧性 ;HB 硬度 ; δ 伸长率 ;φ 面积缩减率 (2) 硅 锰加入硅和锰可以与钢中有害成分 FeO 和 FeS 分别形成 SiO 2 MnO 和 MnS 而进入钢渣排出, 起到脱氧 降硫的作用 (3) 硫 磷硫不溶于铁而以 FeS 的形式存在,FeS 和 Fe 形成低熔点的共晶体 当钢材温度升至 1000 以上进行热加工时, 共晶体熔化, 晶粒分离, 使钢材沿晶界破裂, 这种现象叫做热脆性 磷能使钢的强度 硬度提高, 但显著降低钢材的塑性和韧性, 特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显, 使钢材容易脆裂, 这种现象叫做冷脆性
(4) 氧 氮 未除尽的氧 氮大部分以化合物的形式存在, 如 FeO Fe4N 等 这些非金属化合物 夹杂物降低了钢材的强度 冷弯性能和焊接性能 氧还使钢的热脆性增加, 氮使冷脆性及时效敏 感性增加 (5) 钛 钒 铌 是钢的强脱氧剂和合金元素 能改善钢的组织 细化晶粒 改善韧性, 并显著提高强度 四 钢材的冷加工 冷加工钢材经冷加工产生一定塑性变形后, 其屈服强度 硬度提高, 而塑性 韧性及弹性模量降低, 这种现象称为冷加工强化 钢材的冷加工方式有冷拉 冷拔和冷轧
时效 将经过冷拉的钢筋于常温下存放 15~20d, 或加热到 100~200 并保持一段时间, 其强度和硬度进一步提高, 塑性和韧性进一步降低, 这个过程称为时效处理 前者称为自然时效, 后者称为人工时效 钢筋冷拉以后再经过时效处理, 其屈服点进一步提高, 塑性继续有所降低 钢筋经冷拉时效后应力 - 应变图的变化
五 建筑钢材的技术标准及选用 建筑工程中需要消耗大量的钢材, 按用于不同的工程结构类型可分为 : 钢结构用钢, 如各种型钢 钢板 钢管等 ; 钢筋混凝土工程用钢, 如各种钢筋和钢丝 从材质上分主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢, 也用到优质碳素结构钢 普通碳素结构钢 普通碳素结构钢简称碳素结构钢, 化学成分主要是铁, 其次是碳, 故也称铁 - 碳合金 其含碳量为 0.02%~2.06%, 此外尚含有少量的硅 锰和微量的硫 磷等元素 现行国家标准 碳素结构钢 (GB 700 1988) 具体规定了它的牌号表示方法 技术要求 试验方法 检验规则等
碳素结构钢的牌号表示方法 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母 屈服点数值 质量等级符号 脱氧程度符号四部分按顺序组成 碳素结构钢可分为 Q195 Q215 Q235 Q255 和 Q275 五个牌号 其他各符号含义 如 Q235 A F, 表示屈服强度为 235MPa, 质量等级为 A 级的沸腾钢 Q255 B, 表示屈服强度为 255MPa, 质量等级为 B 级的镇静钢 技术要求 碳素结构钢的化学成分 (GB 700 88)
碳素结构钢的拉伸 冲击性能 (GB 700 88) 碳素结构钢的冷弯试验 (GB 700 88) 牌号 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 试样方向 纵横纵横纵横 冷弯试验 B=2a,180 钢材厚度 ( 直径 )(mm) 60 >60~100 >100~120 0 0.5a 0.5a a a 1.5a 2a 3a 弯心直径 d 1.5a 2a 2a 2.5a 3a 4a 2a 2.5a 2.5a 3a 3.5a 4.5a
碳素结构钢的选用 碳素结构钢随牌号的增大, 含碳量增加, 其强度和硬度提高, 塑性和韧性降低, 冷弯性能逐渐变差 Q195 Q215 号钢强度低, 塑性和韧性较好, 易于冷加工, 常用于轧制薄板和盘条, 制造钢钉 铆钉 螺栓及铁丝等 Q215 号钢经冷加工后可代替 Q235 号钢使用 Q235 号钢是建筑工程中应用最广泛的钢, 属低碳钢, 具有较高的强度, 良好的塑性 韧性及可焊性, 综合性能好, 能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求, 且成本较低, 大量被用作轧制各种型钢 钢板及钢筋 Q255 Q275 号钢强度较高, 但塑性 韧性较差, 可焊性也差, 不易焊接和冷弯加工, 可用于轧制钢筋 作螺栓配件等, 但更多用于机械零件和工具等
低合金高强度结构钢 一般是在普通碳素钢的基础上, 添加少量的一种或几种合金元素而成 常用的合金元素有硅 锰 钒 钛 铌 铬 镍及稀土元素 其目的是为了提高钢的屈服强度 抗拉强度 耐磨性 耐蚀性及耐低温性能等 低合金高强度结构钢综合性能较为理想, 尤其在大跨度 承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用, 而且与使用碳素钢相比, 可节约钢材 20%~30%, 但成本并不很高 低合金高强度结构钢的牌号表示方法 低合金高强度结构钢共有 5 个牌号 其牌号的表示方法由屈服点字母 Q 屈服点数值 质量等级三个部分组成, 屈服点数值共分 295MPa 345MPa 390MPa 420MPa 460MPa 五种, 质量等级按照硫 磷等杂质含量由多到少分为 A B C D E 五级 如 Q345A 表示屈服点为 345MPa 的 A 级钢
低合金高强度结构钢的技术要求 低合金高强度结构钢的化学成分 低合金高强度结构钢的力学性能和冷弯性能
低合金高强度结构钢的性能和应用 Q295 号钢中含有少量的合金元素, 强度不高, 但有良好的塑性 冷弯性能 焊接性能及耐蚀性能 主要用于建筑工程中对强度要求不高的一般工程结构 Q345 Q390 号钢综合力学性能好, 焊接性能 冷热加工性能和耐蚀性能均好,C D E 级钢具有良好的低温韧性 主要用于工程中承受较高荷载的焊接结构 Q420 Q460 号钢强度高, 特别是在热处理后有较高的综合力学性能 主要用于大型工程结构及荷载大的轻型结构 钢筋混凝土用钢筋 钢丝 钢筋混凝土用热轧钢筋钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋 光圆钢筋的横截面为圆形, 且表面光滑 带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋 横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋 ; 横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋
(a) 等高肋钢筋 ;(b) 月牙肋钢筋 热轧钢筋的牌号表示方法与技术要求 根据 钢筋混凝土用热轧光圆钢筋 (GB 13013 1991) 及 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋 (GB 1499 1998) 的规定, 热轧直条光圆钢筋的级别为 Ⅰ 级, 强度等级代号为 R235; 热轧带肋钢筋的牌号由 HRB 和屈服点最小值表示, 热轧带肋钢筋有 HRB335 HRB400 HRB500 三个牌号 其力学性能和工艺性能应符合下表的要求
热轧钢筋的力学性能和工艺性能 热轧钢筋的应用 热轧光圆钢筋的强度较低, 但塑性及焊接性能很好, 便于各种冷加工, 因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋 ;HRB335 和 HRB400 钢筋强度较高, 塑性和焊接性能也较好, 故广泛用作大 中型钢筋混凝土结构的受力钢筋 ;HRB500 钢筋强度高, 但塑性和焊接性能较差, 可用作预应力钢筋
冷轧带肋钢筋 冷轧带肋钢筋是低碳钢热轧圆盘条经冷轧后, 在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋 冷轧带肋钢筋的牌号表示方法与技术要求根据 冷轧带肋钢筋 (GB 13788 2000) 的规定, 冷轧带肋钢筋的牌号由 CRB 和抗拉强度最小值表示, 有 CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 CRB1170 五个牌号, 其力学性能和工艺性能应符合下表的规定 冷轧带肋钢筋的力学性能和工艺性能 (GB 13788 2000) 牌号 抗拉强度 σb (MPa) 弯曲反复松弛率 ( 初始应力伸长率 (%) 试验弯曲 σcon=0.7σb) δ10 δ100 180 次数 1000h(%) 10h(%) CRB550 550 8.0 CRB650 650 4.0 3 8 5 CRB800 800 4.0 3 8 5 CRB970 970 4.0 3 8 5 CRB1170 1170 4.0 3 8 5
冷轧带肋钢筋的应用冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点, 同时又具有很强的握裹力, 混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的 3-6 倍, 大大提高了构件的整体强度和抗震能力 这种钢筋适用于中 小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件 预应力混凝土用热处理钢筋 热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火和回火的调质热处理而成的 按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种 其代号为 RB150 根据 预应力混凝土用热处理钢筋 (GB 4463 1984) 的规定, 热处理钢筋有 40Si 2 Mn 48Si 2 Mn 和 45Si 2 Cr 三个牌号 热处理钢筋经过调质热处理而成, 具有强度高 韧性高 粘结力高和塑性降低小等优点, 特别适用于预应力混凝土构件
预应力混凝土用钢丝 分类及代号 根据 预应力混凝土用钢丝 (GB/T 5223 2002) 的规定, 预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝 ( 代号为 WCD) 和消除应力钢丝两类 消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝 ( 代号为 WLR) 和普通松弛级钢丝 ( 代号为 WNR) 冷拉钢丝是用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而成产品, 以盘卷供货的钢丝 低松弛钢丝是指钢丝在塑性变形下 ( 轴应变 ) 进行短时热处理而得到的, 普通松弛钢丝是指钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理而得到的 预应力混凝土用钢丝按外形分为光圆钢丝 ( 代号为 P) 螺旋肋钢丝( 代号为 H) 和刻痕钢丝 ( 代号为 I) 三种 螺旋肋钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的肋条 刻痕钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的压痕
预应力混凝土用钢绞线 预应力混凝土用钢绞线, 是以数根圆形断面钢丝经绞捻和消除内应力的热处理后制成 根据 预应力混凝土用钢绞线 (GB/T 5224 1995) 的规定, 钢绞线按捻制结构分为三种结构类型 :1 2 1 3 和 1 7, 分别用 2 根 3 根和 7 根钢丝捻制而成 钢绞线按其应力松弛性能分为两级 :Ⅰ 级松弛和 Ⅱ 级松弛,Ⅰ 级松弛即普通松弛级,Ⅱ 级松弛即低松弛级 钢绞线具有强度高, 与混凝土粘结好, 断面面积大, 使用根数少, 在结构中排列布置方便, 易于锚固等优点, 主要用于大跨度 大荷载的预应力屋架 薄腹梁等构件
六 钢材的腐蚀与防止 钢材腐蚀 化学腐蚀钢材的化学腐蚀是由于大气中的氧和工业废气中的硫酸气体 碳酸气体等与钢材表面作用引起的 电化学腐蚀电化学腐蚀是由于金属表面形成原电池而产生的腐蚀 钢材腐蚀的防止 涂敷保护膜使金属与周围介质隔离, 既不能产生氧化锈蚀反应, 也不能形成腐蚀原电池 电化学防腐电化学防腐包括阳极保护和阴极保护, 适用于不容易或不能涂敷保护膜层的钢结构 制成合金钢在钢中加入合金元素铬 镍 钛 铜, 制成不锈钢, 提高其耐蚀能力
第二节 铝材及铝合金 铝为银白色轻金属, 强度低, 塑性好, 导热 电热性能强 铝的化学性质很活泼, 在空气中易和空气反应, 于金属表面生成一层氧化铝薄膜, 阻止其继续腐蚀 纯铝产品有铝锭和铝材两种 纯铝可加工成铝粉, 用于加气混凝土的发气, 也可作为防腐涂料 ( 又称银粉 ) 用于铸铁 钢材等的防腐 在纯铝中加入铜 镁 锰 锌 硅 铬等合金元素可制成为铝合金 铝合金有防锈铝合金 (LF) 硬铝合金(LY) 超硬铝合金(LC) 锻铝合金(LD) 铸铝合金 (LZ) 铝合金由于延伸性好, 硬度低, 易加工, 目前较广泛地用于各类房屋建筑中