土木工程材料第八章建筑钢材

1、土木工程材料第八章建筑钢材 本章学习目标本章学习目标 v了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系 v熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹 性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法 及影响因素 v熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法 v掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选 用原则。 第第7 7章章 建筑钢材建筑钢材 土木工程材料第八章建筑钢材 本章考试大纲本章考试大纲 土木工程材料第八章建筑钢材 建筑钢材建筑钢材 钢结构用钢钢结构用钢 钢筋混凝土用钢钢筋混凝土用钢 土木工程材料第八章建筑钢材 17世纪70年代人类开始大量应用生铁作建筑材料， 到19世纪初发展到用熟铁、软钢建造桥梁和房屋。 19

2、世纪中叶起，钢材的品种、规格、生产规模大幅 度增长，钢材的强度不断提高，相应地其连接工艺 技术也大为发展，为建筑结构向大跨重载方向发展 奠定了重要基础。与此同时，钢筋混凝土的问世和 20世纪30年代预应力混凝土的诞生，使近代建筑结 构的型式和规模发生了飞跃性进展,随着钢的冶炼和 加工技术的进步以及新型建筑结构对材料提出更高 性能的要求，促使高强耐蚀的合金钢产量从60年代 初开始大幅度增长。钢材及其与混凝土复合的钢筋 混凝土和预应力混凝土，已成为现代建筑结构的主 体材料。 土木工程材料第八章建筑钢材 v土木工程钢材的基本知识 v土木工程常用钢材 v其他金属材料 铝及铝合金 铜及铜合金 铸铁 土木

3、工程材料第八章建筑钢材 v钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于 2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁 碳合金称为生铁。 v土木工程钢材是指用于钢结构的各种型钢、钢板、 钢管和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。 v钢材是在严格的技术控制条件下生产的材料，与非 金属材料相比，具有品质均匀稳定、强度高、塑性 韧性好、可焊接和铆接等优异性能。钢材主要的缺 点是易锈蚀、维护费用大、耐火性差、生产能耗大. 土木工程材料第八章建筑钢材 薄 板可用作屋面或场面等围护结构或作为涂层钢板 的原料如制作压型钢板等：钢板可用来弯曲型钢. 薄钢板经冷压或冷轧成波形、双曲形、v形等形 状，称为压型钢板

4、。制作压型钢板的板材采用有机 土木工程材料第八章建筑钢材 涂层薄钢板(或称彩色钢板)般锌薄钢板、防腐薄钢板 或其他薄钢板。 压型钢板具有单位质量轻、强度高、抗震性能 好、施工快、外形美观等特点，主要用于围护结构、 楼板、屋面等。 v 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 v结构用冷弯空心型钢 空心型钢是用连续辊式冷弯机组生产的，按形 状可分为方形空心型钢（代号为F）和矩形空心型 钢（代号为J）。 土木工程材料第八章建筑钢材 v通用冷弯开口型钢 冷弯开口型钢是用可冷加工变形的冷轧 或热轧钢带在连续辊式冷弯机组上生产的， 按形状分为8种：冷弯等边角钢、冷弯不等边 角钢、冷弯等边槽钢、冷弯不等边槽钢、冷 弯内卷

5、边槽钢、冷弯外卷边槽钢、冷弯Z型钢、 冷弯卷边Z型钢。 土木工程材料第八章建筑钢材 & 钢材的锈蚀和防止 v钢材的腐蚀钢材的腐蚀 钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现 象称作腐蚀（锈蚀）。钢材腐蚀的现象普遍存在， 如在大气中生锈，特别是当环境中有各种侵蚀性介 质或湿度较大时，情况就更为严重。腐蚀不仅使钢 材有效截面积均匀减小，还会产生局部锈坑，引起 应力集中；腐蚀会显著降低钢的强度、塑性韧性等 力学性能。根据钢材与环境介质的作用原理，腐蚀 可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 土木工程材料第八章建筑钢材 化学腐蚀指钢材与周围的介质（如氧气、二氧化 碳、二氧化硫和水等）直接发生化学作用，生成疏 松的

6、氧化物而引起的腐蚀。在干燥环境中化学腐蚀 的速度缓慢，但在温度高和湿度较大时腐蚀速度大 大加快。 v电化学腐蚀 v化学腐蚀 钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由 于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液(如水) 存在时，就会在钢材表面形成许多微小的局部原电 池。整个电化学腐蚀过程如下： 土木工程材料第八章建筑钢材 阳极区：Fe = Fe2+ + 2e 阴极区：2H2O + 2e + 1/2O2 = 2OH- + H2O 溶液区：Fe2+ 2OH-= Fe(OH)2 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O= 4 Fe(OH)3 水是弱电解质溶液，而溶有CO2的水则成为有 效的电解质溶液，从而

7、加速电化学腐蚀的过程。钢 材在大气中的腐蚀，实际上是化学腐蚀和电化学腐 蚀共同作用所致，但以电化学腐蚀为主。 土木工程材料第八章建筑钢材 v 钢材的防护钢材的防护 钢材的腐蚀既有内因（材质），又有外因（环 境介质的作用），因此要防止或减少钢材的腐蚀可以 从改变钢材本身的易腐蚀性，隔离环境中的侵蚀性介 质或改变钢材表面的电化学过程三方面入手。 v采用耐候钢 耐候钢即耐大气腐蚀钢。耐候钢是在碳素钢和低 合金钢中加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素而制成。 这种钢在大气作用下，能在表面形成一种致密的防腐 保护层，起到耐腐蚀作用，同时保持钢材良好的焊接 性能。耐候钢的强度级别与常用碳素钢和低合金 土木工程

8、材料第八章建筑钢材 钢一致，技术指标也相近，但其耐腐蚀能力却高出 数倍。耐候钢的牌号、化学成分、力学性能和工艺 性能可参见国家标准GB 417284焊接结构用耐候 钢和GB 417184高耐候性结构钢。 v金属覆盖 用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖 在钢材表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法 有：镀锌（如白铁皮）、镀锡（如马口铁）、镀铜 和镀铬等。根据防腐的作用原理可分为阴极覆盖和 阳极覆盖。 A. 阴极覆盖采用电位比钢材高的金属覆盖，如 镀锡。所盖金属膜仅为机械地保护钢材，当保护膜 土木工程材料第八章建筑钢材 破裂后，反而会加速钢材在电解质中的腐蚀。 B. 阳极覆盖采用电位比钢材

9、低的金属覆盖，如 镀锌，所覆金属膜因电化学作用而保护钢材。 v非金属覆盖 在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境 介质隔离，以避免或减缓腐蚀。如喷涂涂料、搪瓷 和塑料等。 涂料通常分为底漆、中间漆和面漆。底漆要求 有比较好的附着力和防锈能力，中间漆为防锈漆， 面漆要求有较好的牢度和耐候性以保护底漆不受损 伤或风化。一般应用为两道底漆（或一道底漆和 土木工程材料第八章建筑钢材 一道中间漆）与两道面漆，要求高时可增加一道中 间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面 的除锈以及低漆、中间漆和面漆的匹配。 v 常用底漆有：红丹底漆、环氧富锌漆、云母氧化 底漆、铁红环氧低漆等。 v 中间漆有：红丹

10、防锈漆、铁红防锈漆等。 v 面漆有：灰铅漆、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。 v混凝土用钢筋的防锈 在正常的混凝土中pH值约为12，这时在钢材表面 能形成碱性氧化膜（钝化膜），对钢筋起保护作用。 土木工程材料第八章建筑钢材 若混凝土碳化后，由于碱度降低（中性化）会失去 对钢筋的保护作用。此外，混凝土中氯离子达到一 定浓度，也会严重破坏表面的钝化膜。 为防止钢筋锈蚀，应保证混凝土的密实度以及 钢筋外侧混凝土保护层的厚度，在二氧化碳浓度高 的工业区采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，限制 含氯盐外加剂掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂。预 应力混凝土应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂。钢 筋涂覆下氧树脂或镀锌也是一种有效

11、的防锈措施。 土木工程材料第八章建筑钢材 & 铝及铝合金 v 基本知识基本知识 铝是一种银白色的轻金属，属于有色金属，纯 铝的比重削，仅2.7 g/cm3，为铁的三分之一，熔 点较低（660 ），具有良好的导热性、导电性、 反辐射性能及耐腐蚀性能，并有易于加工和焊接等 特点。 v防锈铝 防锈铝是铝镁或铝锰的合金。其特点是耐蚀性 较高，抛光性好，能长期保持其光亮的表面，其强 度比纯铝高，塑性及焊接性能良好，但切削加工性 土木工程材料第八章建筑钢材 不良，可用于承受中等或低负载及要求耐腐蚀及光 洁表面的构件、管道等。 v硬铝 硬铝是铝和铜或再加入镁、锰等组合的合金， 建筑工程上主要为含铜（3.84

12、.8）、镁（0.4 0.8）、锰（0.40.8）、硅（不大于 0.8）的铝合金，称为硬铝。经热处理强化后，可 获得较高的强度和硬度，耐腐蚀性好。建筑上可用 于作承重结构或其他装饰制件，其强度极限可达 330490 MPa，伸长率可达1220，布氏硬度 值HB可达1 000 MPa，是发展轻型结构的好材料。 土木工程材料第八章建筑钢材 v超硬铝 超硬铝是铝和锌、镁、铜等的合金。经热处理 强化后，其强度和硬度比普通硬铝更高，塑性及耐 蚀性中等，切削加工性和点焊性能良好，但在负荷 状态下易受腐蚀，常用包铝方法保护，可用于承重 构件和高荷载零件。 v锻铝 锻铝是铝和镁、硅及铜的合金。除具有较高的强度

13、外，还有良好的高温塑性及焊接性，但易腐蚀，适 宜作承重中等荷载的构件。 土木工程材料第八章建筑钢材 铝在建筑上，早在80多年千就已被作为装饰材料， 逐渐发展应用到窗框、幕墙，以及结构构件。1970 年美国建筑上用铝量约为100多万吨，20年中，增 长了4倍，占其全国铝消耗量的1/4以上。1973年日 本在建筑上使用铝占其全国总耗铝量的1/3，在房 屋建筑中使用600 kt以上。 v 铝合金制品 v铝合金门窗 铝合金门窗用已表面处理过的型材和配件组合装 配而成。主要有推拉窗，平开窗，悬挂窗等。具有 土木工程材料第八章建筑钢材 质量轻、气密性，水密性和隔声性能好，色泽美观， 不锈蚀，不褪色，经久耐

14、用，有利于工业化生产。 v铝合金装饰板 铝合金花纹板采用铝合金坏料花纹轧辊制成。 有针状、扁豆状、方格等花纹。其特点是花纹美观、 防滑、防锈蚀，不易磨损，便于安装等。可用于现 在建筑的墙面装饰、楼梯踏步等。 铝合金波纹板边面轧制成波浪形或梯形。其特 点是防火、防潮、防腐蚀。可用于商场、宾馆、饭 店等建筑物的墙面和屋面装饰。 土木工程材料第八章建筑钢材 & 铜及铜合金铜及铜合金 v 纯铜纯铜 铜由黄铜矿、辉铜矿等精练而成的铜锭、铜锭 线和电解铜三种，经加工变形后活动各种形状的纯 铜材，纯铜经脱氧为无氧铜。 铜是有色金属中的紫色重金属，其特点为具有 很高的导电、导热、耐蚀性和易加工性，延展性好 v 铜合金铜合金 在铜中掺入锌、锡、铝等可制成铜合金，其强 度、硬度等性能得到提高，使用性能更好。 土木工程材料第八章建筑钢材 v黄铜 在铜中掺入锌的合金为普通黄铜，在铜中掺 入锌和其他元素组成锡、铅等。 土木工程中常用的为普通黄铜或普通黄铜粉， 呈黄色或金黄色，装饰性好。普通黄铜主要用于 建筑五金、水暖电器、土木工程装饰，门窗、栏 杆等。普通黄铜粉用于调制装饰涂料、代替金粉 使用。 v青铜 v在铜中掺入锡的合金为锡青铜。在铜中掺入铝、铁 等的合金为铝青铜。呈青灰色或灰黄色，强度较高 土木工程材料第八章建筑钢材