第七章金属材料

第七章金属材料第7章金属材料铁元素为主要成分的金属及合金。生铁、钢、合金钢等

;其他金属元素为主要成分的金属及其合金。铝合金、铜合金等黑色金属有色金属金属材料特点：强度高，塑性、韧性好，易加工，易锈蚀，耐火性差7.1钢的生产

钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素：碳C含量≤2.11％，杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.11％～6.69％，并含较多杂质的。冶炼生铁钢生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量一、冶炼

根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种原料特点生产钢种氧气转炉铁水，废钢可有效除去磷、硫杂质少，碳素钢

效率高，质量好低合金钢电炉生铁、废钢产量低、耗电大，杂质少合金钢质量最好，成本高

优质碳素钢平炉生铁、废钢时间长，成分稳定碳素钢质量较好、成本较高低合金钢二、脱氧与铸锭

沸腾钢：碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差,但成本低，广泛应用。(F)半镇静钢：

脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(b)镇静钢：

脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好，但成本高，只适于承受冲击和在或其他重要结构中。(Z)特殊镇静钢：

脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ)

问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？

答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和时效敏感性增大等。脱氧程度排序：特殊镇静钢＞镇静钢＞半镇静钢＞沸腾钢钢材性能与质量排序：特殊镇静钢＞镇静钢＞半镇静钢＞沸腾钢7.2钢材的分类化学成分分类合金钢碳素钢低碳钢：含碳量＜0.25%中碳钢：含碳量0.25%~0.6%高碳钢：含碳量＞0.6%低合金钢：合金元素总量＜5%中合金钢：合金元素总量5%~10%高合金钢：合金元素10%按照用途分类（1）结构钢。主要用作工程结构构件及机械零件的钢。（2）工具钢。主要用作各种量具、刀具及模具的钢。（3）特殊钢。具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐酸钢和耐热钢等。建筑上常用的是结构钢。问题：土木工程中常用的钢材有哪些？

答：土木工程中，使用的主要钢种：碳素结构钢；优质碳素结构钢低合金结构钢；常用钢材：钢结构用型钢钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。7.3钢材的技术性能钢材的力学性质钢材的工艺性能一、钢材的力学性质钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。

拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式(1)抗拉性能1)弹性阶段2)屈服阶段3)强化阶段4)颈缩阶段钢材的拉伸试验σeσsσb0σ

p

e

屈服现象强度钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度。强度指标根据其变形特点分下列几个：

弹性极限（σe）表示钢材保持弹性变形,不产生塑性变形的最大应力,是弹性零件的设计依据。屈服强度（

σs）

表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。条件屈服强度0.2对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。

强度极限(抗拉强度σb)表示金属受拉时所能承受的最大应力。

钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性,用伸长率来表示。

伸长率δ5和δ10：分别表示l0=5d0和l0=10d0时的伸长率。塑性问题：屈服现象的特征是什么？

答：其特征是：钢材拉伸试验过程中，应力不增加而塑性变形不断增加。问题：

钢材拉伸应力～应变曲线中p和e的意义？它们与钢材中含碳量的关系？答：p和e分别表示钢材拉伸过程中的塑性变形和弹性变形，当p较小时，钢材呈脆性断裂；当p较大时，钢材呈韧性断裂。因此，钢材的含碳量越大，p越小，钢材脆性越大；反之亦然。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。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0.60~0.75，既安全又经济。问题：

钢材的伸长率与钢材中的含碳量有何关系？

答：伸长率反映钢材的塑性，伸长率越大，塑性越好。钢材的塑性随着含碳量增加而变差，因此，钢材的伸长率随着含碳量增加而减小。（二）冲击韧性

定义：钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性。测定：采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。表示方法：测得试样冲击吸收功,用符号Ak（J)表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,即得到材料的冲击韧度

ak。影响因素：

ak（J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。冲击试验：

测量摆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问题：

钢材的冲击韧性的影响因素？

答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下列因素影响：钢中的S、P等有害杂质含量；成分偏析程度；轧制与焊接质量；钢的加工硬化与时效；环境温度等。（三）硬度

钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。洛氏硬度测量原理图

布氏硬度测量原理图

（四）疲劳强度

在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但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。

材料承受的交变应力(σ)与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。钢材承受的交变应力越大,则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限次周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1

表示。

问题：

钢材的疲劳破坏过程怎样？其疲劳强度与哪些因素有关？答：疲劳破坏过程包括在交变应力作用下，疲劳裂缝的产生→扩展→突然断裂。其主要影响因素有：内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）；成分偏析；过大的内应力，截面沿纵向的突变；表面状态；受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。二、钢材的工艺性能

冷弯性能可焊性切削切工性能锻造性能热处理工艺性能

（一）冷弯性能定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力；评价指标：用不同弯曲角度和不同弯心半径d相对于钢材厚度a的比值（d/a）表示；试验方法：按一定的角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。

P钢材的冷弯试验ad外拱面（二）可焊性

定义：钢材在焊接后，焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能；测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。影响因素：化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）；冶炼质量（镇静钢）冷加工等。合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点7.4化学成分、热处理、加工硬化与时效对钢性质的影响

一、化学成分对钢材性质的影响化学元素强度韧性塑性其他性能C增加降低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向Si增加影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性Mn增加影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P稍有增加显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀性S降低降低增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O降低降低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性N提高降低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性Ti提高改善降低提高焊接性和抗蚀性V提高改善减少冷脆性、降低焊接性二、热处理对钢材性质的影响

热处理是将钢材在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。热处理形式：退火、正火、淬火、回火。

温度727C等温处理回火淬火正火退火时间钢材的热处理工艺热处理对钢材性质的影响

退火可降低钢的硬度，提高塑性和韧性，消除加工处理中形成的缺陷和内应力；正火提高塑性和韧性，强度降低较小，使三者之间良好配合；淬火提高钢材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韧性；回火消除淬火后钢材的内应力和脆性；淬火和高温回火的联合处理称为调质，可使钢材既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。

三、加工硬化与时效对钢材性质的影响

1、冷加工处理2、时效处理

1、冷加工处理将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工，如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。冷加工硬化原理：钢材加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，经格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。加工硬化的效果：屈服强度提高塑性和韧性降低可焊形变坏硬脆倾向增加等。

钢材的重复拉伸0σ

p

e

0’问题：

直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？

答：不能。因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。2、时效处理

将经过冷加工的钢筋，在常温下存放15~20天，或在100~120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称为时效处理。时效硬化原理：由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。

时效处理钢材产生实效的难易程度称为时效敏感性，用时效敏感系数表示：

C值越大，时效敏感性越大。为了尽快取得强化效果，可将冷拉过的钢筋加热到100~200C保持2小时，以加速时效的发展，这种方法称为人工实效。实际意义：承受动载或处于中温的钢结构，要求钢材具有较小的时效敏感性。但对于建筑上用的钢筋来说，可提高其屈服强度。

建筑钢材主要有三大类：

钢结构用钢；钢筋混凝土结构用钢；其它用途用钢。7.5建筑钢材的标准与选用一、钢结构用钢

钢结构用钢有：碳素结构钢优质结构钢低合金结构钢（一）碳素结构钢

1、钢的牌号：

根据国标GB700-2006，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、质量等级（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。

2、钢牌号与性能的关系钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。

碳素结构钢3、选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如：

Q195和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓、铁丝等。Q235A使用于承受静载作用的钢结构；Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构。Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等。思考题：1、碳素结构钢的牌号如何组成？2、钢牌号如何反映钢材的性能和质量？3、如何根据使用要求选用钢材牌号？（二）优质碳素结构钢

1、钢的牌号用两位数字表示，代表平均含碳量的万分数，如含锰量较高时，在牌号后加注（Mn），再加脱氧程度。分普通含锰量钢（0.35%~0.8%）和较高含锰量钢（0.7%~1.2%）。如：45号钢，表示含碳量为0.45%。2、选用：用于重要结构的钢铸件、高强度螺栓、预应力高强度结构等；（三）低合金结构钢

1、牌号：依据GB/T1591-2008，共8个牌号，Q345、Q390、Q420….Q690。用Q+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D、E）表示。2、组成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量≤0.2%。3、合金元素的作用：细化结晶，起到细晶强化作用，不仅可提高强度和硬度，还可一定程度上增加塑性和韧性。弥散强化作用，较硬微粒均匀分散在晶粒内部，阻碍晶粒滑移变形，大大提高钢的强度和硬度。4、特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可焊性。5、应用：广泛应用于钢结构中，适合于大跨度结构、高层建筑和桥梁。问题：

与碳素钢相比，低合金结构钢有何特点？

答：由于低合金结构钢中的合金元素的细晶强化和弥散强化作用，以及含碳量低，有害杂质少，质量较高且稳定，使得低合金结构钢有以下特点：不但具有较高的屈服强度和抗拉强度，而且具有较好的塑性、韧性和适当的焊接性，耐低温性较好，时效敏感性也较小。二、钢筋混凝土结构用钢

主要品种有：热轧钢筋；冷拉钢筋；热处理钢筋；冷轧带肋钢筋；冷拔地毯钢丝；预应力钢丝与钢绞线等。

（一）热轧钢筋

1、牌号：有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为带了钢筋，牌号为：HRB+屈服强度的最小值构成，Ⅰ级为光圆钢筋，牌号为HPB235、HPB300；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级为热轧带肋钢筋有HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。

2、性能与用途：Ⅰ级钢筋的强度不高，弹塑性和可焊性好，用作小型钢筋混凝土的受力筋或构造筋，以及作为冷加工的原材料；Ⅱ、Ⅲ级强度高，塑性和可焊性也好，表面有肋纹，用于大中型钢筋混凝土结构的受力筋。Ⅳ级钢筋强度高，弹塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。

（二）冷轧带肋钢筋

1、牌号：由普通低碳钢或低合金钢热轧的圆盘条经现场冷拉减径和人工时效处理得到。分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970。经冷拉后钢筋的力学性能应符合GB13788-2008的规定。2、应用：CRB550适用于普通混凝土结构中的受力筋；其他可用作预应力钢筋。（三）预应力钢筋混凝土用热处理钢筋

由热轧带肋钢筋经淬火和高温回火调质处理得到，代号RB150。牌号：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。不能冷拉和焊接。性能：抗拉强度不小于1350MPa，伸长率不小于6％。应符合GB4463的规定。用途：主要用于预应力混凝土梁、预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土结构。

（四）预应力混凝土用钢丝与钢绞线

1、预应力混凝土钢丝使用牌号为60~80的优质碳素钢盘条，经酸洗、冷拉或冷拉再回火等工艺制成，分冷拉钢丝（L）和矫直回火钢丝（J）两种。为了增加握裹力，进行表面压痕，形成刻痕钢丝（JK）。2、特性：强度高、柔性好、无接头，质量稳定，不需焊接。3、用途：大跨度桥梁、屋架、吊车梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。

7.6

钢的腐蚀与防锈

一、钢材的腐蚀

钢材受到周围介质的化学或电化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀。1、化学腐蚀由非电解质溶液或各种干燥气体（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的纯化学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材表面产生疏松的氧化物膜层。2、电化学腐蚀