第七章-金属材料

第七章金属材料,主要内容：,建筑钢材铝、铝合金及铝合金板材铜及铜合金其他金属材料,钢是含碳量小于2%的铁碳合金（含碳量大于2%时为生铁）。钢经轧制或加工成各种型材，如钢板、角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢筋、钢丝等，通称为钢材。优点：强度高；塑性好；品质均匀、性能可靠；韧性高；可焊接或铆接，易安装；能进行切削、热轧和锻造。缺点：易锈蚀，使用时需加保护。,建筑钢材概述,7.金属材料,强度在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映出钢材的主要力学特征。从低碳钢的应力-应变关系中可看出，低碳钢从受拉到拉断，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。（参看短片）,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,伸长率伸长率（）为试件在拉断后标点距离的伸长（l-l0）与原标点距离（l0）之比的百分率，即伸长率是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,冷弯性能为钢材在常温下承受弯曲而不开裂的性能。冷弯性能指标是通过试件被弯曲的角度（90、180）及弯心直径对试件厚度（或直径）a的比值（/a）区分的，试件按规定的弯曲角和弯心直径进行试验，试件弯曲处的外表面无裂断、裂缝或起层，即认为冷弯性能合格。（参看短片）,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,冲击韧性钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时冲击吸收功。钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧。钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。（参看短片）,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,硬度是在表面局部体积内，抵抗其他较硬物体压入产生塑性变形的能力，通常与抗拉强度有一定的关系。目前测定钢材硬度的方法很多，最常用的有布氏硬度，用HB表示。,7.1建筑钢材的机械性能,7.金属材料,碳素结构钢的分类按炼钢的炉种和冶炼方法，分为平炉钢、碱性空气转炉钢和氧气转炉钢；按冶炼结束时，钢液中脱氧的完全程度，分沸腾钢、半镇静钢和镇静钢。Q235AF的含义,7.2碳素结构钢,7.金属材料,碳素结构钢的化学成分,7.2碳素结构钢,7.金属材料,钢材的冷加工将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。（短片）建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。冷拔钢丝的屈服点可提高4060，由此可适当减小钢筋混凝土结构设计截面，或减小混凝土中配筋数量，从而达到节约钢材的目的。冷拔作用比纯拉伸的作用强烈，钢筋不仅受拉，而且同时受到挤压作用。,7.2碳素结构钢,7.金属材料,将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520d，或加热至100200后保持一定时间（23h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复，这个过程称为时效处理。,7.2碳素结构钢,7.金属材料,建筑钢材的品种钢筋按钢种，分为碳素结构钢和低合金结构钢；按直径，640mm者，称为钢筋2.55mm者，称为钢丝2.5mm以下者不能作配筋材料使用；按外形，分为光面圆钢筋和变形带肋钢筋；按加工过程，分为热轧钢筋、冷拉钢筋、冷拔低碳钢丝、碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线。,7.3建筑钢材的应用,7.金属材料,钢绞线,型钢工业建筑的主要承重结构及某些辅助结构，常用各种规格的型钢，如角钢、槽钢、工字钢等。近年来，薄壁型钢发展迅速，该钢重量轻，用钢量少，适于作轻型钢结构的承重构件和构造结构。,7.3建筑钢材的应用,7.金属材料,角钢,槽钢,钢板钢板材包括钢板、花纹钢板、建筑用压型钢板和彩色涂层钢板等。钢板是矩形平板状的钢材，按轧制方式分为热轧钢板和冷轧钢板。钢板分厚板（厚度4mm）和薄板(厚度4mm)两种。厚板主要用于结构，薄板主要用于屋面板、楼板和墙板等。,7.3建筑钢材的应用,7.金属材料,花纹钢板,彩色波形钢板,在钢结构中，单块钢板不能独立工作，必须用几块板组合成工字型、箱形等结构来承受荷载。在建筑的墙面和屋顶部分，也常用钢板作为饰面材料，来取得不同的外观效果。普通的钢板在自然气候中容易锈蚀，一般不能直接用于建筑室外条件。现代建筑中，通常采用工厂化方式在钢板表面涂覆其他金属或非金属覆盖层的方法，产生了镀锌钢板、镀铝锌合金板和彩色涂层钢板等。,常见的镀锌钢板和铝铆钉固定,瑞士卢塞恩里基浩夫酒店的室外休息厅，采用原色镀层钢板作为墙面材料,德国柏林DSW楼中的彩色波形断面板,不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入一组铬的质量比例大于12%的合金元素的钢材，一定量的铬合金元素能使钢材表面形成一层不溶解于某些介质的坚固的氧化薄膜，这层薄膜使金属与外界介质隔离而不发生化学作用，保持金属光泽，也就是具有不生锈的特性。不锈钢的表面处理形式大致有五种，分为轧制表面加工、机械表面加工、化学表面加工、网纹表面加工和彩色表面加工。,上海同济大学新建筑馆室内镜面不锈钢折板墙面形成的丰富的光影效果,上海同济大学新建筑馆北侧室外镜面不锈钢折板墙面以及故意错落的窗户形成的迥异于传统建筑的效果,英国盖茨黑德音乐中心建筑师：福斯特事务所以贝壳形的一体化墙屋面将独立的观众厅及附属设施覆盖起来形成单一的体块，墙屋面外层材料采用拉丝不锈钢板及玻璃,此外，还有一种未处理的高强度耐候钢板。钢板在大气环境中，表面逐渐氧化变色，雨水的流淌在钢板表面甚至在与钢板相接的墙体上留下了锈蚀的印迹，形成了一种特殊的效果。自然气候引起的钢板表面的变化体现了时间的印记，建筑如同生命体随着时间而生长变化。这种特殊材料在建筑外表皮的运用可能和西方“工厂废墟艺术”、“垃圾艺术”的出现也有一定的关系，它对于传统的设计思想可能是颠覆的。,眀钉式固定耐候钢板效果,暗藏式固定耐候钢板效果,德国卡尔卡瑞斯考古博物馆,展馆,听之亭,北京长城脚下的公社会所建筑师：承孝相自然未处理耐候钢板的色彩及质感与周围环境及其他建筑材料的对比与协调；自然、时间的痕迹在建筑中得以显现；钢板采用明钉固定。,北京长城脚下的公社会所建筑师：承孝相,钢管钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。钢管在相同截面积下，刚度较大，因而是中心受压杆的理想截面；流线型的表面使其承受风压小，用于高耸结构十分有利。钢管混凝土是指在钢管中浇筑混凝土而形成的构件，可使构件承载力大大提高，且具有良好的塑性和韧性，经济效果显著，施工简单、工期短。钢管混凝土可用于厂房柱、构架柱、地铁站台柱、塔柱和高层建筑等。,7.3建筑钢材的应用,7.金属材料,无缝钢管,广东电信广场,在设计中，运用了钢管柱与钢筋混凝土组合结构施工、新型模板和脚手架、建筑节能、新型建筑防水等多项创新技术，并规模使用了安全、环保的烟烙烬气体灭火系统和ups三相应急供电系统，多项新技术属国内首创，达到国际领先水平。,钱江四桥又名复兴大桥，位于钱江一桥下游4.3km处。桥型方案为双层双主拱的钢管混凝土组合系杆拱桥。,7.4铝、铝合金和铝合金板材,7.金属材料,纯铝为银白色金属，其密度较小，它具有良好的延展性、导热性、耐腐蚀性、反射性，非常适合于轧制加工和焊接。在所有金属品种中，铝是仅次于钢铁的第二大类金属。纯铝的强度相对较低，在加入锰、镁等合金元素后其机械强度和硬度得到明显提高，铝合金作为结构及装饰材料在我国建筑领域应用的最为广泛。,铝合金板材可加工成纯铝单板、铝塑复合板、铝蜂窝复合平板形式以及各种断面的波纹板等形式，因其表面光滑、耐候性好、便于清洁，可作为墙面及屋面材料广泛应用于建筑室内外环境中。铝合金平板饰面常给人时尚、新潮、前卫的感觉，与石材等其他天然材料相比很难形成时间感、历史感、厚重感，如处理不当易显出轻浮、浅薄、商业化之感，因此在某些文化性建筑使用时应较为慎重。,各种色彩及质感的铝板,德国德雷斯顿中央购物中心（1973-1978）,铜是人类最早发现的古老金属之一，人类使用铜的历史长达几千年。在中国，铜文化源远流长，冶铜技术和青铜制品最早就出现于原始社会末期。在所有建筑常用金属中，铜具有最好的延展性能，可以被加工成各种复杂的造型。如纯铜可拉成铜丝，制成很薄的铜箔，用作门把手、铜锁、灯饰、墙饰等，不但经久耐用，而且可以能够显示出厚重的历史感和高贵典雅的气息，深受世界各地的人们喜爱。,7.4铜及铜合金,7.金属材料,铜优异的耐腐蚀性能同样使其非常适合于用作建筑外墙及屋面板材。在欧洲，铜在教堂等上层建筑屋顶上的应用已有悠久历史，许多古建筑的穹顶至今仍然熠熠生辉。现代建筑中，由于铜加工技术的日益成熟，铜板的运用逐渐由高贵走向大众，许多公共建筑都大量采用铜板作为墙屋面材料，北欧五国驻柏林大使馆是铜板应用于外墙的杰出典范。在国内，将铜板大面积应用于外墙及屋面还较罕见。,7.4铜及铜合金,7.金属材料,北欧五国驻柏林大使馆区铜绿色铜板,德国柏林奥地利大使馆,北京当代集团开发的高档公寓MOMA黑白两色彩釉钢化玻璃与紫铜窗套组成的棋盘格立面,7.5其他金属材料,7.金属材料,锌板建筑中常用的锌板是一种以锌为主要成分添加了极少量的钛、铝、铜合金元素后形成的具有优良特性的现代金属材料。,芬兰赫尔辛基现代艺术博物馆,德国柏林犹太人博物馆锌板墙面的整体运用，设计中采用了非常规的构造方式，板面斜向划分，圆形的通气孔，锌板直接与地面相交等。,7.5其他金属材料,7.金属材料,钛板及钛合金板钛与普通金属相比具有很多优良的性能：（1）密度小强度高（2）耐腐蚀性强（3）膨胀系数小，约是不锈钢和铜的一半（4）属于不燃材料（5）韧性、焊接性、低温性能好（6）在金属里属于隔热性能最佳的一类。,西班牙毕尔巴鄂市的古根海姆博物馆弗兰克盖里自由的体块配合闪亮的钛板，建筑如同天外来物。,金属墙面及屋面建筑,北京中关村首创拓展大厦1mm厚薄铝平板采用平咬接板跳色,施工中的北京数字信息出版中心金属板