土木建材钢材铝合金

第六章钢材与铝合金

第一节钢的生产、分类与晶体组织

第二节钢材的技术性质第三节化学成分、热处理、加工硬化与时效对钢性质的影响第四节建筑钢材的标准与选用第五节建筑钢材的锈蚀与防止第六节铝及铝合金建筑钢材与非金属材料相比有以下优点：强度高，比强度高,品质均匀致密、结构可靠性高,具有良好的塑性和韧性，能经受冲击和振动荷载,具有良好的加工性能，可以锻压、焊接、铆接和切割，便于装配钢结构的主要缺点是：耐腐蚀性差，在使用环境中，应注意对结构的防锈等防护；耐火性差，温度达到300℃以上，钢材的强度明显下降，在火灾中，钢结构的耐火时间只有20~30分钟，第一节钢的生产、分类与晶体组织生产方法对钢材性能的影响（一）冶炼氧气转炉法(氧化过程)平炉炼钢法Fe3O4电炉钢（二）钢的脱氧和铸锭1．沸腾钢(还原过程)2．镇静钢Fe3O4Fe+O23．半镇静钢半镇静钢4．特殊镇静钢（三）钢的热加工钢的脱氧和铸锭二、钢的分类（一）按照化学成分钢分为碳素钢和合金钢两种1．碳素钢（1）低碳钢C<0.25%（2）中碳钢C=0.25%~0.60%；（3）高碳钢C>0.60%.根据硫（S）、磷（P）杂质含量的多少，又可分为（1）普通碳素钢S≤0.050%,P≤0.045%（2）优质碳素钢S≤0.035%,P≤0.035%（3）高级优质碳素钢S≤0.025%,P≤0.025%（4）特优质碳素钢S≤0.015%,P≤0.025%2．合金钢

常用合金钢元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量不同，合金钢可分为：（1）低合金钢合金元素总量小于5%；（2）中合金钢合金元素总含量为5%~10%；（3）高合金钢合金元素含量大于10%。（二）按用途分类1．结构钢主要用于建筑结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。2．工具钢主要用各种刀具、量具及模具等工具的钢，一般为高碳钢。3．特殊钢具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢等。4．专用钢为满足特殊的使用环境条件下或使用荷载下专用钢材。如桥梁专用钢，钢轨专用钢等。三、钢材的晶体组织（二）钢中的晶体组织与性能1．同素异晶转变概念2．合金的基本概念（1）固溶体

以一种金属为溶剂，另一种金属或非金属为溶质，共溶后所形成的固体溶液

（2）化合物

两种元素发生化学作用而组成的一种新的金属化合物（3）机械混合物是两种既不溶解也不化合，而是机械混合形成的一种组成物钢中的晶体图6-1晶格构造图6-2多晶体构造图6-3Fe-Fe3C合金状态图L—液态合金；γ—奥氏体；α—铁素体；P—珠光体；Fe3C—渗碳体；Ld—莱氏体。3．钢中的晶体组织与性能（1）奥氏体是碳在γ-Fe的固溶体（2）铁素体是碳在α-Fe中的固溶体,含碳量0.02%，由于溶碳量少且晶格滑移面较多，其性质极其柔软，塑性和韧性很好，但强度和硬度较低。（3）渗碳体是碳和铁形成的化合物Fe3C，其含碳量高达6.69%,外力作用下不易变形，故性质非常硬脆，抗拉强度很低，塑性及韧性几乎等于零。（4）珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，两成分相间成片状存在于同一晶粒内，含碳量为0.77%，其性质介于铁素体和渗碳体之间，既有一定的强度和硬度，也有一定的塑性和韧性。珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物铁素体珠光体表6-1室温下钢中晶体组织的机械性能名称符号组合类型Rm/MPaHB/PaA/%ak/J·cm－2铁素体碳在-Fe中的固溶体（体心立方晶格）23078550200渗碳体Fe3C铁和碳的化合物（复杂晶格）30785000珠光体P铁素体与渗碳体的层片状机械混合物750176520～2530～40注：Rm—强度极限；A—拉伸断裂时的伸长率；HB—布氏硬度；ak—冲击韧性值。图6-4铁碳合金的含碳量、晶体组织与性能之间的关系第二节钢材的技术性质一、钢材的力学性能(钢材的力学性能包括弹性、塑性、强度、冲击韧性、硬度与疲劳强度等。)（一）钢材的弹性、塑性和强度1．弹性阶段（OA段)弹性极限Rp2.屈服阶段（AB段）屈服强ReL,Rp0.2;极限Rm3.强化阶段（BC段）屈强比ReL/Rm(0.58～0.63)4.颈缩阶段（CD段）伸长率

为反映钢材在达到最大破坏荷载前的变形状况，防止突然的脆断，定义钢筋在最大力下的总伸长率用Agt表示（二）、冲击韧性冲击韧性是钢材低抗冲击荷载的能力。（三）硬度硬度是指钢材低抗硬物压入表面的能力。1．布氏硬度HB=P/A2．洛氏硬度布氏硬度试验洛氏硬度试验根据布氏硬度可以估算碳素钢的抗拉强度RmHB<175时，Rm＝0.36HB175<HB<450时，Rm＝0.35HB（四）疲劳强度疲劳强度除了与材质有关外，还与所受应力的种类（拉、压或弯曲）、应力循环特征值（）、应力循环次数（N）及应力集中程度有关。一般来说，钢材强度极限愈高，其疲劳强度也高。二、钢材的工艺性能（一）冷弯性能（二）可焊性(可焊性是指钢材是否适用通常的焊接方法与工艺的性能。可焊性好的钢材焊接时，硬脆倾向小，不易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接后仍能保持与母材基本相同的性质。)第三节化学成分、热处理、加工硬化与时效对钢性质的影响一、化学成分对钢性质的影响1．碳(C)碳是决定钢材性能的主要元素。2．硅(Si)硅是作为脱氧剂而加入于钢中的，大部分熔于铁素体中形成固溶体，能提高钢材的硬度、强度。硅含量较低（小于1.0%）时，对塑性和韧性影响不大。3．锰(Mn)锰是炼钢时用来脱氧去硫而加入钢中的。4．硫(S)硫是钢中有害的元素。硫多数以FeS的形式存在于钢中。FeS与Fe形成共晶溶点很低（985℃）5．磷(P)钢中有害元素。6．氧(O)氧是钢中的有害元素。7．氮(N)多数熔于铁素体中形成固溶体，氮虽能提高钢的强度和硬度提高，但却显著降低钢的塑性和韧性，增加钢的时效敏感性和冷脆性。8．钛(Ti)、钒(V)钛是强脱氧剂，钒是弱脱氧剂。二者能显著提高强度，细化晶粒，改善韧性。二、热处理对钢性质的影响1．退火2．正火3．淬火4.回火调质=淬火+回火(高温)分低温（150～250℃）中温（350～500℃）高温（500～650℃）三、冷加工与时效对钢性质的影响冷加工包括冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕、冲压等。经过冷加工后的钢材，由于产生塑性变形，改变了钢的晶体结构，强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低，我们把这个过程称为钢材的冷加工强化。冷拉后钢材的屈服强度提高，屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变硬，但抗拉强度基本不变。冷拉后的新的屈服点和抗拉强度并非一直保持不变，而是随时间延续有所提高，塑性进一步降低，即产生时效。一般钢材冷拉后要通过时效后才有稳定的屈服强度。时效敏感性，用时效敏感性系数C表示:冷加工包括冷拉、冷拔、冷轧冷加工与时效对钢性质的影响冷加工时效第四节建筑钢材的标准与选用一、钢结构用钢(碳素结构钢、优质碳素钢和低合金钢结构)（一）碳素结构钢1．碳素结构钢的牌号GB700-88规定，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4部分组成。其中“Q”代表屈服点；碳素结构钢按照其屈服点分5个牌号，即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275；按照质量等级（硫、磷杂质含量由多到少）分为A、B、C、D共4个质量等级。按照脱氧程度分为4种，即沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特种镇静钢（TZ）。镇静钢和特殊镇静钢在钢牌号中Z和TZ予以省略。例如Q235—A.F，表示屈服点为235Mpa质量等级为A级的沸腾钢；Q235—C，表示屈服点为235Mpa质量等级为C级的镇静钢。2．碳素结构钢的技术要求（1）化学成分（2）力学性能(屈服点ReL,抗拉强度Rm,伸长率A5,冲击韧性ak),3．碳素结构钢的应用Q195和Q215钢Q235是建筑工程中应用最广泛的碳素结构钢Q255、Q275钢，强度高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易冷弯加工下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢：（1）焊接结构:①直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。②工作温度低于-20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。③工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。（2）非焊接结构:工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构。优质碳素结构钢对有害杂质含量控制更严格（S<0.035%，P<0.035%）、质量更稳定，性能优于普通碳素结构钢。表6-2碳素结构钢的化学成分牌号等级化学成分（%）脱氧方法CMnSiSP不大于Q195—0.06~0.120.25~0.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09~0.150.25~0.550.300.0500.0450.045F、b、ZBQ235A0.14~0.220.30~0.65①0.0350.0500.045F、b、ZB0.12~0.200.30~0.70①0.045C≤0.180.35~0.800.0400.040ZD≤0.170.035TZQ255A0.18~0.280.40~0.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q275—0.20~0.380.50~0.800.350.0500.045b、Z表6-3碳素结构钢的力学性能牌号质量等级拉伸试验冲击试验屈服点ReH/MPa抗拉强度b/MPa伸长率A/%温度/CV形冲击功（纵向）/J钢材厚度（直径）/mm钢材厚度（直径）/mm≤1616～4040～6060～100100～150>150≤4040～6060～100100～150150～200不小于不小于不小于Q195—（195）（185）————315～43033——————Q215A215205195185175165335～4503129282725——B2027Q235A235225215205195185375～5002624232221——B2027C0D－20Q275A275265255245225215410～5402221201817——B2027C0D－20（三）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入总量小于5%合金元素而形成的钢种。常用的合金元素有硅、锰、钛、钒、铬、镍、铜等。1．牌号

根据国标《低合金高强度结构钢》GB/T1591-94规定，分成5个牌号，即Q295、Q345、Q390、Q420和Q460。牌号的表示方法是由屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）2．技术要求及特性(屈服点ReL,抗拉强度Rm,伸长率A5,冲击韧性ak)低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比具有以下特点(成分上，性能上，应用上，)

表6-6低合金高强度结构钢的力学性能牌号质量等级屈服点ReL(MPa)抗拉强度Rm(MPa)伸长率δ5(%)冲击功，AKV，(纵向)，J1800弯曲试验d.弯心直径；a.试件厚度(直径)厚度(直径、边长)(mm)+20℃0℃-20℃-40℃≤16>16~35>35~50>50~100不小于钢材厚度(直径)mm不小于≤16>16~100Q295A295275255235390~57023d=2ad=3aB295275255235390~5702334d=2ad=3aQ345A345325295275470~6302134d=2ad=3aB345325295275470~6302134d=2ad=3aC345325295275470~63022d=2ad=3aD345325295275470~6302234d=2ad=3aE345325295275470~6302227d=2ad=3aQ390A390370350330490~65019d=2ad=3aB390370350330490~6501934d=2ad=3aC390370350330490~6502034d=2ad=3aD390370350330490~6502034d=2ad=3aE390370350330490~6502027d=2ad=3a二.混凝土结构用钢（一）热轧钢筋:牌号热轧光圆钢筋HPB235,热轧带肋钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号，公称直径范围6~50mm。热轧钢筋标准值根据屈服强度确定，具有不小于95%的保证率。《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002规定，为了保证在地震作用下，结构的某些部位出现塑性铰以后，钢筋具有足够的变形能力。对有抗震设防要求的框架结构（一、二级抗震等级），检验所得的强度实测值应符合下列规定：（1）钢筋实测抗拉强度实测值与屈服强度实测值之比不小于1.25；（2）钢筋屈服强度实测值与强度标准值之比不应大于1.30。《混凝土结构设计规范》GB50010-2002给出了热轧钢筋的标准值（fyk）、抗拉强度的设计值（fy）、抗压强度的设计值（f’y）和钢筋的弹性模量（Es），见表6-9。种类符号公称直径d(mm)强度标准值fyk抗拉强度fy抗压强度f’y弹性模量Es(×105)热轧钢筋HPB235(Q235)8~202352102102.1HRB335(20MnSi)6~503353003002.0HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)6~504003603602.0应用光圆钢筋是用Q235碳素结构钢轧制而成的钢筋。其强度较低，塑性及焊接性能好，伸长率高，便于弯曲成型。可作为中小型钢筋混凝土结构的主要受力钢筋和各种钢筋混凝土结构箍筋等带肋钢筋中，HRB335、HRB400用低合金镇静钢和半镇静钢轧制而成，。广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋，现行规范积极提倡用HRB400级钢筋作为钢筋混凝土结构的主力钢筋。在有抗震设防要求的框架梁、框架柱、剪力墙等结构构件的纵向受力钢筋宜选用HRB400、HRB335热轧钢筋，箍筋宜选用HRB335、HRB400或HPB235热轧钢筋。HRB335、HRB400经过冷拉后可用作为预应力钢筋。HRB500用中碳低合金钢镇静钢轧制而成。钢筋表面轧有纵肋和横肋，是房屋建筑的主要预应力筋。二.混凝土结构用钢（二）冷轧带肋钢筋(冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号。CRB550钢筋的公称直径范围4~12mm，其他牌号钢筋的公称直径为4、5、6mm。)牌号Rp0.2/MPa不小于Rm/MPa不小于伸长率/%不小于冷弯试验180反复弯曲次数应力松弛

初始应力Rcom＝0.7RmA11.3A1001000h不大于/%CRB5505005508—D＝3d——CRB650585650—4.0—38CRB800720800—4.0—38CRB970875970—4.0—38（三）预应力混凝土用热处理钢筋

表面形状类型公称直径Dn/mm公称横截面积Sn/mm2横截面积S/mm2抗拉强度Rm不小于/MPa规定非比例延伸强度Rp0.2不小于/MPa弯曲性能最小最大性能要求弯曲半径/mm光圆628.326.829.0对所有规格对所有规格15738.536.339.5钢棒钢棒20850.347.551.11080930201078.574.180.412301080251195.093.197.414201280弯曲160～180后弯曲处无裂纹弯心直径为钢棒公称直径的10倍12113106.8115.81570142013133130.3136.314154145.6157.816201190.2206.0螺旋槽7.14039.041.796462.466.510.79087.593.612.6125121.5129.9+螺旋肋628.326.829.0反复弯曲不小于4次/18015738.536.639.520850.347.551.5201078.574.180.42512113106.8115.8弯曲160～180后弯曲处无裂纹弯心直径为钢棒公称直径的10倍图6-10带肋钢筋a.月牙肋钢筋b.等高肋钢筋图6-10带肋钢筋a.月牙肋钢筋b.等高肋钢筋（六）预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝（代号为WCD）和消除应力钢丝两种，消除应力钢丝又分为低松弛钢丝(代号为WLR)和普通松弛钢丝（代号为WNR）；按外形分为光圆钢丝（P）、螺旋肋钢丝（H）和刻痕钢丝（I）三种。（七）预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线一般是由2根、3根或7根直径为2.5~6.0mm的高强度光面或刻痕钢丝绞捻后，再经稳定化处理而制成。稳定化处理是指为了减少应用时的应力松弛，钢绞线在一定的张力下进行的短时热处理。三、桥梁结构钢桥梁结构钢除了必须具有较高的强度外，还要求有良好的塑性、韧性、可焊性及较高的疲劳强度。考虑到严寒地区的低温影响和长期的使用安全，还要求具有较小的冷脆性和时效敏感性，以免发生脆断事故。《桥梁用结构钢》GB/T714-2000规定，牌号由代表屈服点的汉语拼音字母、屈服点数值、桥梁钢的汉语拼音字母、质量等级符号4部分组成。如：Q345qC代表屈服点345Mpa质量等级为C级的桥梁钢。桥梁结构钢按照钢材的屈服点分4个牌号，即Q235q、Q345q、Q370q、Q420q；按照质量等级（硫、磷杂质含量由多到少）分为C、D、E共3个质量等级，其中C级硫、磷杂质含量与低合金高强结构钢C级要求相当，D、E级比低合金高强结构钢相应等级要求更高。四、钢轨钢铁路钢轨经常处在车轮压力、冲击和磨损的作用下，要求钢轨不仅应具有较高的强度以承受较高的压力和抗剥离的能力，而且还应具有较高的硬度、耐磨性、冲击韧性和疲劳强度.一般应选用含碳量较高（高碳钢）的平炉或氧气转炉镇静钢进行轧制。含碳量过高，将使钢轨钢的塑性、韧性显著下降，因此一般含碳量不超过0.82%。锰能有效的提高钢材的强度（固溶强化）及耐磨性，硅易与氧化合去除钢中的气泡，使钢质密实细致，硬度、耐磨性也提高，因此钢轨钢常常含有这两种元素。钢轨的类型以每米大致的质量表示，我国铁路钢轨主要有75Kg/m、60Kg/m、50Kg/m和43Kg/m四种。标准长度为12.5m和25m两种，对于75Kg/m钢轨只有25m一种。随着重载高速线路的迅速发展，钢轨需要重型化。我国已经大量使用60kg/m钢轨，在重载线路上逐步铺设75kg/m钢轨※※，目前世界上最重的钢轨已达到77.5Kg/m。而且对钢轨的性能和质量要求愈来愈高。近年来采取了钢轨合金化、热处理和控制轧制等综合措施，研制发展新一代的合金钢钢轨，取得了较好的效果。如攀钢生产的PD3高碳微钒轨，抗拉强度在1000Mpa以上。PD3全长淬火轨抗拉强度达到1300Mpa，且综合性能好，可以延长寿命50%以上，钢材选用要点:结构受动载还是受静载结构所处环境温度是否是焊结结构钢材生产工艺:脱氧方法(沸腾钢,镇静钢,镇静钢)化学成分、热处理、加工硬化与时效对钢性质的影响第五节建筑钢材的锈蚀与防止有资料报道，当锈蚀率大于3%时，混凝土与钢筋之间的握裹力迅速下降，锈蚀率5%时，握裹力在未锈蚀钢筋50%以下；锈蚀率达8%时，混凝土裂缝宽度1.5~3mm，握裹力在未锈蚀钢筋10%以下。一、钢材的锈蚀（一）化学锈蚀

化学锈蚀是指钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀

（二）电化学锈蚀(主要)阳极反应Fe→Fe(2+)+2e阴极反应O2+2H2O+4e→4OH-两者结合Fe(2+)+2OH-Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3二、防止钢材锈蚀的措施1．制成合金钢2．表面覆盖3．设置阳极或阴极保护设置阳极或阴极保护第六节铝及铝合金一、铝的性质

通常是用铝矾土作炼铝的原料，从中提取Al2O3，再从Al2O3中分解出金属铝。从化学元素来讲，铝在地壳中的含量占8.13％，仅次于氧和硅，占第三位，所以铝在自然界的资源是丰富的。纯铝的密度为2.70g/cm³，是钢的1/3，熔点低，只有660℃，导电性和导热性均很好。铝的化学性质很活泼，极易与空气中的氧化合，形成一层氧化铝薄膜起保护作用，使铝具有一定的耐腐蚀性。但由于自然生存的氧化铝膜很薄（一般小于0.1μm），因而耐蚀性有限。另外纯铝不耐碱，不耐强酸，也不能与卤素元素接触，否则就会被迅速腐蚀。铝的塑性很好，伸长率可达35％～50％，铝材的缺点是强度和硬度不高（Rp0.2

＝35～150MPa，Rm

＝90～170MPa，HBW=23～44），刚度低，故工程中不用纯铝制品，而是在其中加入合金元素制成铝合金使用。

二、铝合金(合金元素，如铜、镁、锰、硅、锌)按加工方式的不同，铝合金可分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。

（一）铸造铝合金(常用的有铝硅（Al－Si）、铝铜（Al～Cu）、铝镁（Al－Mg）及铝锌（Al－Zn）四种，其牌号用符号ZL和三位数字组成，如ZL101、ZL201等。三位数中的第一位数表示合金种类，其中1代表铝硅合金，2代表铝铜合金，3代表铝镁合金，4代表铝锌合金，后面两位数表示该合金的顺序号。铸造铝合金常用于制作建筑五金配件)（二）变形铝合金(按强化的方式不同，变形铝合金可分为热处理非强化型和热处理强化型两种。前者不能用淬火热处理提高强度，如Al—Mn、Al—Mg合金；后者可以通过热处理提高强度，如Al—Cu－Mg（硬铝，强度392Mpa以上）、Al－Zn－Mg（超硬铝，强度539Mp