第8章 土木工程用金属材料

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1、第八章第八章 土木工程用金属材料土木工程用金属材料8.1 建筑钢材建筑钢材8.2 其他金属材料其他金属材料 主要内容主要内容 重点掌握建筑结构用钢材的主要重点掌握建筑结构用钢材的主要力学性力学性能能，建筑钢材的分类、选择使用。，建筑钢材的分类、选择使用。 理解施工中能钢材的理解施工中能钢材的加工加工及及防腐处理防腐处理。概概 述述 相对于无机非金属材料，金属材料通常具有相对于无机非金属材料，金属材料通常具有较高较高的强度和硬度的强度和硬度，并且具有，并且具有良好的塑性和韧性良好的塑性和韧性。在土木。在土木工程建设中，金属是重要的工程建设中，金属是重要的结构材料的功能材料结构材料的功能材料。根。

2、根据组成不同，金属可划分成据组成不同，金属可划分成黑色金属和有色金属黑色金属和有色金属。 黑色金属是指黑色金属是指铁和以铁为基体的合金铁和以铁为基体的合金（钢、铸铁、（钢、铸铁、 铁合金等）；铁合金等）； 有色金属是指黑色金属意外的金属及其合金（铝、有色金属是指黑色金属意外的金属及其合金（铝、 铜等）铜等）8.1 建筑钢材建筑钢材钢：理论上，凡是把含碳量钢：理论上，凡是把含碳量小于小于2%，含杂质比较少的，含杂质比较少的铁碳合金铁碳合金称为钢。含碳量称为钢。含碳量超过超过2%，称为生铁，称为生铁；含碳量；含碳量小于小于0.08%，称为工业纯铁。，称为工业纯铁。钢的特点：具有钢的特点：具有较高的

3、拉伸强度较高的拉伸强度，塑性好塑性好，具有良好具有良好的韧性的韧性，抗冲击抗震性能优秀抗冲击抗震性能优秀；工艺性能良好工艺性能良好，易于，易于加工；但是，钢材加工；但是，钢材易锈蚀、耐火性差易锈蚀、耐火性差。1 建筑钢材的主要品种建筑钢材的主要品种型钢型钢：简单截面型钢：圆：简单截面型钢：圆钢、方钢、六角钢、八角钢、方钢、六角钢、八角钢等。复杂截面型钢：工钢等。复杂截面型钢：工字钢、角钢、钢轨等。字钢、角钢、钢轨等。线材线材：如钢筋、钢丝等。：如钢筋、钢丝等。管材管材：无缝钢管、焊接钢：无缝钢管、焊接钢管等。管等。板材板材：光面钢板、花纹钢板、：光面钢板、花纹钢板、彩色涂层钢板等。彩色涂层钢板

4、等。按化学成分分类：按化学成分分类：高合金钢合金钢中碳钢中碳钢低合金钢低合金钢高碳钢高碳钢低碳钢低碳钢中合金钢钢碳素钢C0.25%C=0.25%0.60C0.60合金总含量5%5%10102 钢材的分类钢材的分类按有害杂质含量分类：按有害杂质含量分类： 按钢中有害杂质按钢中有害杂质磷（磷（P）和硫（）和硫（S）含量的多少，钢含量的多少，钢材可分为以下四类：材可分为以下四类：（）普通钢：磷（）普通钢：磷0.045；硫；硫 0.050%（）优质钢：磷（）优质钢：磷 0.035%；硫；硫 0.035%（）高级优质钢：磷（）高级优质钢：磷 0.025%；硫；硫 0.025 %（）特级优质钢：磷（）特级

5、优质钢：磷 0.025%；硫；硫 0.015%按冶炼方法分类：按冶炼方法分类：转炉钢电炉钢平炉钢钢按冶炼方法分按脱氧程度分沸腾钢半镇静钢镇静钢特殊镇静钢按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢按用途分类按用途分类：分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢：分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。（如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。炼钢过程炼钢过程炼钢全过程炼钢全过程3 钢材的主要性能钢材的主要性能标准试件：按照一定要求对表面进行车削加工后的试件。标准试件：按照一定要求对表面进行车削加工后的试件。非标准试件：不经过加工直接在线材上切取的试件非标准试件：不经过加工直接在线材上切

6、取的试件l0 A0d0l头部头部工作段（1 1）钢材的拉伸性能）钢材的拉伸性能 s b e p fOfhabce四个阶段：四个阶段：弹性阶段弹性阶段屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段局部变形阶段局部变形阶段四个极限：四个极限：比例极限比例极限弹性极限弹性极限屈服极限屈服极限强度极限强度极限试样拉断后，弹性变形消失，塑性变形保留，试样标距试样拉断后，弹性变形消失，塑性变形保留，试样标距段的长度由段的长度由l0 变为变为l1。 断面收缩率断面收缩率 伸长率伸长率 5%的材料，称作塑性材料。的材料，称作塑性材料。 5%的材料，称作脆性材料。的材料，称作脆性材料。%1001lll%1001AAA横截面积

7、原为横截面积原为A0，断口处的最小横截面积为，断口处的最小横截面积为 A1 .问题：什么是屈强比，对选用钢材有何意义？ 答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s /b。 在工程应用中，s /b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈高,不易发生脆性断裂和局部超载引起的破坏。 但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济；若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。（2 2）钢材的冲击韧性）钢材的冲击韧性冲击韧性冲击韧性：是指钢材：是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力抵抗冲击荷载

8、而不被破坏的能力。其大小用冲击韧性值其大小用冲击韧性值k表示。表示。k是以是以试件冲击破坏时缺试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。）。k 越大，则冲击越大，则冲击韧性越好。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，韧性越好。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧性。必须考虑冲击韧性。影响因素影响因素：硫、磷等有害杂质含量，内部晶体组织结构，：硫、磷等有害杂质含量，内部晶体组织结构，裂纹等各种缺陷，应力状态的改变，环境温度变化等，裂纹等各种缺陷，应力状态的改变，环境温度变化等，均会影响钢材的冲击韧性。均会影响钢材的冲击韧性。冲击试验： 测量摆

9、锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。 再测量试件断裂面积。摆锤试件H0H1（4 4）钢材的疲劳强度）钢材的疲劳强度在在交变应力作用下交变应力作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳破坏生完全断裂的过程，称为疲劳破坏。钢材承受的。钢材承受的交变应交变应力越大力越大, 则断裂时应力循环次数则断裂时应力循环次数N越少越少。当应力低于一定。当应力低于一定值时值时, 试样可以经受规定的周期循环而不破坏试样可以经受规定的周期循环而不破坏, 此应力值此

10、应力值称为材料的称为材料的疲劳极限疲劳极限(亦叫疲劳强度亦叫疲劳强度)，用，用t 表示。表示。 （3 3）钢材的硬度）钢材的硬度钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。抵抗局部塑性变形的能力。冷弯性能冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。（5 5）钢材的机械（工艺）性能）钢材的机械（工艺）性能冷弯试验的指标：弯心直径冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）与试件厚度（直径）a的的比值比值d/a；弯曲角度（；弯曲角度（90或或180）；）；试样弯曲外表试样弯曲外表面无肉眼

11、可见裂纹则冷弯合格面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。通过冷弯试验，更有。通过冷弯试验，更有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。可焊性可焊性：是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近：是指在一定焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否过热区是否产生裂缝及脆硬影响，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。与母体相近的性能。可焊性受化学成分及含量的影响。可焊性受化学成分及含量的影响。含碳量高、含硫量高、含碳量高、含硫量高、合金元素含量高等