金屬材料建筑材料(第版)課件

第8章金屬材料本章內(nèi)容第一節(jié)建筑鋼材第二節(jié)鋁材及鋁合金第一節(jié)建筑鋼材建筑鋼材——是指用于鋼結構的各種型鋼（如圓鋼、角鋼、工字鋼、管鋼等）和用于鋼筋混凝土的鋼筋、鋼絲、鋼絞線以及用于圍護結構和裝修用的各種鋼板和復合板等。建筑鋼材的特點優(yōu)點：抗拉強度高、塑性和韌性好能承受沖擊和振動荷載易于加工成板材、型材和線材良好的焊接和鉚接性能缺點：易銹蝕、維護費用高耐火性差生產(chǎn)能耗大4建筑鋼材的應用大跨度結構多層及高層結構受動荷載作用的工業(yè)廠房5鋼結構廠房6鋼結構橋梁7

國家體育場“鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場?！傍B巢”是一個大跨度的曲線結構，以巨大的鋼網(wǎng)圍合、覆蓋著9.1萬人的體育場，采用了當今先進的建筑科技，其中，鋼結構是世界上獨一無二的?！傍B巢”鋼結構總重4.2萬噸，最大跨度343米，結構相當復雜，為國內(nèi)外特有建筑。一、鋼材的冶煉和分類鋼材的冶煉鋼是由生鐵冶煉而成的。鋼和鐵都是鐵碳合金，鋼的含碳量在2%以下，而生鐵的含碳量大于2%。另外鋼中的雜質(zhì)含量也少于生鐵。鋼的冶煉就是將熔融的生鐵進行氧化，使碳的含量降低到規(guī)定范圍，其他雜質(zhì)含量也降低到允許范圍之內(nèi)。根據(jù)煉鋼設備所用爐種不同，煉鋼方法主要可分為平爐煉鋼、氧氣轉爐煉鋼、電爐煉鋼三種。(1)平爐煉鋼它以熔融狀或固體狀生鐵、鐵礦石或廢鋼鐵為原料，以煤氣或重油為燃料。利用鐵礦石中的氧或鼓入空氣中的氧使雜質(zhì)氧化?？捎糜跓捴苾?yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼等。

(2)氧氣轉爐煉鋼以熔融的鐵水為原料，由轉爐頂部吹入高純度氧氣，能有效地去除有害雜質(zhì)，并且冶煉時間短(20~40min)，生產(chǎn)效率高，所以氧氣轉爐鋼質(zhì)量好，成本低，應用廣泛。(3)電爐煉鋼以電為能源迅速將廢鋼、生鐵等原料熔化，并精煉成鋼。電爐又分為電弧爐、感應爐和電渣爐等。鋼材的分類1.按化學成分分類（１）碳素鋼。碳素鋼的化學成分主要是鐵，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、根據(jù)脫氧程度的不同分類

（１）沸騰鋼。煉鋼時僅加入錳鐵進行脫氧，則脫氧不完全。這種鋼水澆入錠模時，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。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。

（２）鎮(zhèn)靜鋼。煉鋼時采用錳鐵、硅鐵和鋁錠等作脫氧劑，脫氧完全，同時能起去硫作用。這種鋼水鑄錠時能平靜地充滿錠模冷卻凝固，故稱鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼成本較高，但組織致密，成分均勻，性能穩(wěn)定，故質(zhì)量好。適用于預應力混凝土等重要的結構工程。

3、按品質(zhì)分類

根據(jù)硫、磷有害雜質(zhì)的含量不同，鋼材分為普通鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼等4、按用途分類鋼材分為結構鋼、工具鋼和特殊鋼。二、鋼材的性質(zhì)抗拉性能由低碳鋼在拉伸過程中形成的應力(σ)-應變(ε)關系圖可知，低碳鋼受拉過程可劃分為以下4個階段。彈性階段(O—A)屈服階段(A—B)強化階段(B—C)頸縮階段(C—D)低碳鋼受拉的應力-應變圖(1)彈性階段(O—A)

在OA范圍內(nèi)應力與應變成正比例關系，如果卸去外力，試件則恢復原來的形狀，這個階段稱為彈性階段。彈性階段的最高點A所對應的應力值稱為彈性極限σp。當應力稍低于A點時，應力與應變呈線性正比例關系，其斜率稱為彈性模量。(2)屈服階段(A—B)當應力超過彈性極限σp后，應力和應變不再成正比關系，應力在B上至B下小范圍內(nèi)波動，而應變迅速增長。在σ-ε關系圖上出現(xiàn)了一個接近水平的線段。如果卸去外力已出現(xiàn)塑性變形，AB稱為屈服階段。B下所對應的應力值稱為屈服極限σs。(3)強化階段(B—C)當應力超過屈服強度后，由于鋼材內(nèi)部組織產(chǎn)生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性變形的進一步發(fā)展，鋼材抵抗外力的能力重新提高。在σ-ε關系圖上形成BC段的上升曲線，這一過程稱為強化階段。對應于最高點C的應力稱為抗拉強度，用σb表示，它是鋼材所能承受的最大應力。屈服強度與抗拉強度之比（屈強比）σs／σb是評價鋼材使用可靠性的一個參數(shù)。屈強比愈小，鋼材受力超過屈服點工作時的可靠性越大，安全性越高，但是，屈強比太小，鋼材強度的利用率偏低，浪費材料。(4)頸縮階段(C—D)當應力達到抗拉強度σb后，在試件薄弱處的斷面將顯著縮小，塑性變形急劇增加，產(chǎn)生“頸縮”現(xiàn)象并很快斷裂。將斷裂后的試件拼合起來，量出標距兩端點間的距離，按下式計算出伸長率δ：

沖擊韌性指鋼材抵抗沖擊荷載的能力。它是用試驗機擺錘沖擊帶有V形缺口的標準試件的背面，將其折斷后試件單位截面積上所消耗的功，作為鋼材的沖擊韌性指標，以αk表示(J/cm2)。αk值越大，表明鋼材的沖擊韌性愈好。影響鋼材沖擊韌性的因素很多，鋼的化學成分、組織狀態(tài)，以及冶煉、軋制質(zhì)量都會影響沖擊韌性。沖擊韌性沖擊韌性試驗圖(a)試件尺寸；(b)試驗裝置；(c)試驗機

硬度是指鋼材抵抗較硬物體壓入產(chǎn)生局部變形的能力。測定鋼材硬度常用布氏法。布氏法是用一直徑為D的硬質(zhì)鋼球，在荷載P(N)的作用下壓入試件表面，經(jīng)規(guī)定的時間后卸去荷載，用讀數(shù)放大鏡測出壓痕直徑d，以壓痕表面積(mm2)除荷載P，即為布氏硬度值HB。HB值越大，表示鋼材越硬。硬度

鋼材在交變應力的反復作用下，往往在應力遠小于其抗拉強度時就發(fā)生破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞破壞。疲勞破壞的危險應力用疲勞極限來表示，它是指疲勞試驗時試件在交變應力作用下，于規(guī)定周期基數(shù)內(nèi)不發(fā)生斷裂所能承受的最大應力。一般認為，鋼材的疲勞破壞是由拉應力引起的，抗拉強度高，其疲勞極限也較高。鋼材的疲勞極限與其內(nèi)部組織和表面質(zhì)量有關。疲勞強度

冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，是建筑鋼材的重要工藝性能。鋼材的冷彎性能指標是用彎曲角度和彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值來衡量的。試驗時采用的彎曲角度愈大，彎心直徑對試件厚度(直徑)的比值愈小，表示對冷彎性能的要求愈高。鋼材的冷彎性能和伸長率都是塑性變形能力的反映。冷彎性能鋼材冷彎(a)試樣安裝；(b)彎曲90°；(c)彎曲180°；(d)彎曲至兩面重合；(e)規(guī)定彎心

(1)碳是決定鋼材性能的主要元素。隨著含碳量的增加，鋼的強度和硬度提高，塑性和韌性下降。但當含碳量大于1.0%時，由于鋼材變脆，強度反而下降。

三、鋼的化學成分對鋼材性能的影響含碳量對熱軋?zhí)妓劁撔再|(zhì)的影響σb—抗拉強度；αk—沖擊韌性；HB—硬度；δ—伸長率；φ—面積縮減率

(2)硅、錳加入硅和錳可以與鋼中有害成分FeO和FeS分別形成SiO2、MnO和MnS而進入鋼渣排出，起到脫氧、降硫的作用。

(3)硫、磷硫不溶于鐵而以FeS的形式存在，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點的共晶體。當鋼材溫度升至1000℃以上進行熱加工時，共晶體熔化，晶粒分離，使鋼材沿晶界破裂，這種現(xiàn)象叫做熱脆性。磷能使鋼的強度、硬度提高，但顯著降低鋼材的塑性和韌性，特別是低溫狀態(tài)的沖擊韌性下降更為明顯，使鋼材容易脆裂，這種現(xiàn)象叫做冷脆性。

(4)氧、氮

未除盡的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。這些非金屬化合物、夾雜物降低了鋼材的強度、冷彎性能和焊接性能。氧還使鋼的熱脆性增加，氮使冷脆性及時效敏感性增加。

(5)鈦、釩、鈮是鋼的強脫氧劑和合金元素。能改善鋼的組織、細化晶粒、改善韌性，并顯著提高強度。

鋼材經(jīng)冷加工產(chǎn)生一定塑性變形后，其屈服強度、硬度提高，而塑性、韌性及彈性模量降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工強化。鋼材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷軋。

四、鋼材的冷加工冷加工將經(jīng)過冷拉的鋼筋于常溫下存放15~20d，或加熱到100~200℃并保持一段時間，其強度和硬度進一步提高，塑性和韌性進一步降低，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。鋼筋冷拉以后再經(jīng)過時效處理，其屈服點進一步提高，塑性繼續(xù)有所降低。

時效鋼筋經(jīng)冷拉時效后應力-應變圖的變化五、建筑鋼材的技術標準及選用建筑工程中需要消耗大量的鋼材，按用于不同的工程結構類型可分為：鋼結構用鋼，如各種型鋼、鋼板、鋼管等；鋼筋混凝土工程用鋼，如各種鋼筋和鋼絲。從材質(zhì)上分主要有普通碳素結構鋼和低合金結構鋼，也用到優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼。

普通碳素結構鋼簡稱碳素結構鋼，化學成分主要是鐵，其次是碳，故也稱鐵-碳合金。其含碳量為0.02%~2.06%，此外尚含有少量的硅、錳和微量的硫、磷等元素?，F(xiàn)行國家標準《碳素結構鋼》(GB/T700—2006)具體規(guī)定了它的牌號表示方法、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則等。

普通碳素結構鋼

碳素結構鋼的牌號由四部分表示，按順序為：屈服點字母（Q）、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級（有A、B、C、D四級，逐級提高）和脫氧程度（F為沸騰鋼，Z為鎮(zhèn)靜鋼，TZ為特殊鎮(zhèn)鋼。用牌號表示時Z、TZ可省略）。例如：Q235—A·F：表示屈服點為235MPa，A級沸騰鋼。碳素結構鋼的牌號表示方法技術要求國家標準《碳素結構鋼》（GB/T700-2006）對碳素結構鋼的化學成分、力學性質(zhì)及工藝性質(zhì)做出了具體的規(guī)定。其化學成分及含量應符合相應要求。碳素結構鋼依據(jù)屈服點Q的數(shù)值大小劃分為Q195、Q215、Q235、Q275四個牌號。其力學性能要求、冷彎試驗規(guī)定見課本所示。

碳素結構鋼隨牌號的增大，含碳量增加，其強度和硬度提高，塑性和韌性降低，冷彎性能逐漸變差。

Q195、Q215號鋼強度低，塑性和韌性較好，易于冷加工，常用于軋制薄板和盤條，制造鋼釘、鉚釘、螺栓及鐵絲等。

碳素結構鋼的選用Q235號鋼是建筑工程中應用最廣泛的鋼，屬低碳鋼，具有較高的強度，良好的塑性、韌性及可焊性，綜合性能好，能滿足一般鋼結構和鋼筋混凝土用鋼要求，且成本較低，大量被用作軋制各種型鋼、鋼板及鋼筋。Q275號鋼強度較高，但塑性、韌性較差，可焊性也差，不易焊接和冷彎加工，可用于軋制鋼筋、作螺栓配件等，但更多用于機械零件和工具等。

一般是在普通碳素鋼的基礎上，添加少量的一種或幾種合金元素而成。常用的合金元素有硅、錳、釩、鈦、鈮、鉻、鎳及稀土元素。其目的是為了提高鋼的屈服強度、抗拉強度、耐磨性、耐蝕性及耐低溫性能等。低合金高強度結構鋼綜合性能較為理想，尤其在大跨度、承受動荷載和沖擊荷載的結構中更適用，而且與使用碳素鋼相比，可節(jié)約鋼材20%~30%，但成本并不很高。低合金高強度結構鋼

低合金高強度結構鋼的牌號由代表屈服強度的漢語拼音字母Q、屈服強度數(shù)值、質(zhì)量等級符號三個部分組成，按硫、磷含量分A、B、C、D、E五個質(zhì)量等級，其中E級質(zhì)量最好。如Q345A的含義為：屈服點為345MPa，質(zhì)量等級為A的低合金高強度結構鋼。低合金高強度結構鋼的牌號表示方法低合金高強度結構鋼的技術要求國家標準《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-2008）對低合金高強度結構鋼的化學成分、力學性質(zhì)及工藝性質(zhì)做出了具體的規(guī)定，詳見課本所示。

低合金高強度結構鋼具有輕質(zhì)高強，耐蝕性、耐低溫性好，抗沖擊性強，使用壽命長等良好的綜合性能，具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工與施工。因此，低合金高強度結構鋼可以用作高層及大跨度建筑（如大跨度橋梁、大型廳館、電視塔等）的主體結構材料。與普通碳素鋼相比可節(jié)約鋼材，具有顯著的經(jīng)濟效益。低合金高強度結構鋼的性能和應用

鋼筋按外形分為光圓鋼筋和帶肋鋼筋。光圓鋼筋的橫截面為圓形，且表面光滑。帶肋鋼筋表面上有兩條對稱的縱肋和沿長度方向均勻分布的橫肋。橫肋的縱橫面呈月牙形且與縱肋不相交的鋼筋稱為月牙肋鋼筋；橫肋的縱橫面高度相等且與縱肋相交的鋼筋稱為等高肋鋼筋。鋼筋混凝土用鋼筋、鋼絲鋼筋混凝土用熱軋鋼筋(a)等高肋鋼筋；(b)月牙肋鋼筋熱軋鋼筋的牌號表示方法與技術要求

國標《鋼筋混凝土用鋼第1部分：熱軋光圓鋼筋》（GB1499.1-2008）和《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2007）規(guī)定，熱軋光圓鋼筋分為HPB235、HPB300兩個牌號；熱軋帶肋鋼筋分普通熱軋鋼筋和細晶粒熱軋鋼筋兩個類別，其中普通熱軋鋼筋分為HRB335、HRB400、HRB500三個牌號，細晶粒熱軋鋼筋分為HRBF335、HRBF400、HRBF500三個牌號；牌號中的數(shù)字表示熱軋鋼筋的屈服強度。熱軋鋼筋的應用

熱軋光圓鋼筋的強度較低，但塑性及焊接性能很好，便于各種冷加工，因而廣泛用作普通鋼筋混凝土構件的受力筋及各種鋼筋混凝土結構的構造筋；HRB335和HRB400鋼筋強度較高，塑性和焊接性能也較好，故廣泛用作大、中型鋼筋混凝土結構的受力鋼筋；HRB500鋼筋強度高，但塑性和焊接性能較差，可用作預應力鋼筋。

冷軋帶肋鋼筋是低碳鋼熱軋圓盤條經(jīng)冷軋后，在其表面帶有沿長度方向均勻分布的三面或兩面橫肋的鋼筋。冷軋帶肋鋼筋的牌號表示方法與技術要求

根據(jù)《冷軋帶肋鋼筋》(GB13788—2008)的規(guī)定，冷軋帶肋鋼筋的牌號由CRB和抗拉強度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四個牌號，其力學性能和工藝性能應符合課本表8-10的規(guī)定。

冷軋帶肋鋼筋冷軋帶肋鋼筋的應用

冷軋帶肋鋼筋既具有冷拉鋼筋強度高的特點，同時又具有很強的握裹力，混凝土對冷軋帶肋鋼筋的握裹力是同直徑冷拔低碳鋼絲的3-6倍，大大提高了構件的整體強度和抗震能力。這種鋼筋適用于中、小型預應力混凝土結構構件和普通鋼筋混凝土結構構件。

分類及代號根據(jù)《預應力混凝土用鋼絲》(GB/T5223—2002)的規(guī)定，預應力混凝土用鋼絲按加工狀態(tài)分為冷拉鋼絲(代號為WCD)和消除應力鋼絲兩類。消除應力鋼絲按松弛性能又分為低松弛級鋼絲(代號為WLR)和普通松弛級鋼絲(代號為WNR)。冷拉鋼絲是用盤條通過拔絲模或軋輥經(jīng)冷加工而成產(chǎn)品，以盤卷供貨的鋼絲。預應力混凝土用鋼絲低松弛鋼絲是指鋼絲在塑性變形下(軸應變)進行短時熱處理而得到的，普通松弛鋼絲是指鋼絲通過矯直工序后在適當溫度下進行短時熱處理而得到的。預應力混凝土用鋼絲按外形分為光圓鋼絲(代號為P)、螺旋肋鋼絲(代號為H)和刻痕鋼絲(代號為I)三種。螺旋肋鋼絲表面沿著長度方向上有規(guī)則間隔的肋條。刻痕鋼絲表面沿著長度方向上有規(guī)則間隔的壓痕。

預應力混凝土用鋼絞線，是以數(shù)根圓形斷面鋼絲經(jīng)絞捻和消除內(nèi)應力的熱處理后制成。預應力鋼絞線按捻制結構分為五類：用兩根鋼絲捻制的鋼絞線（代號為1×2）、用三根鋼絲