金属材料建筑材料(第版)课件

第8章金属材料本章内容第一节建筑钢材第二节铝材及铝合金第一节建筑钢材建筑钢材——是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）和用于钢筋混凝土的钢筋、钢丝、钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等。建筑钢材的特点优点：抗拉强度高、塑性和韧性好能承受冲击和振动荷载易于加工成板材、型材和线材良好的焊接和铆接性能缺点：易锈蚀、维护费用高耐火性差生产能耗大4建筑钢材的应用大跨度结构多层及高层结构受动荷载作用的工业厂房5钢结构厂房6钢结构桥梁7

国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。“鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，以巨大的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场，采用了当今先进的建筑科技，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，结构相当复杂，为国内外特有建筑。一、钢材的冶炼和分类钢材的冶炼钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。(1)平炉炼钢它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。

(2)氧气转炉炼钢以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20~40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。(3)电炉炼钢以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。钢材的分类1.按化学成分分类（１）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.02％～2.06％。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为：低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量大于0.60％）

（２）合金钢。是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为：低合金钢（合金元素总含量小于５％）中合金钢（合金元素总含量为５％～10％）高合金钢（合金元素总含量大于10％）2、根据脱氧程度的不同分类

（１）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。

（２）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模冷却凝固，故称镇静钢。镇静钢成本较高，但组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。

3、按品质分类

根据硫、磷有害杂质的含量不同，钢材分为普通钢、优质钢和高级优质钢等4、按用途分类钢材分为结构钢、工具钢和特殊钢。二、钢材的性质抗拉性能由低碳钢在拉伸过程中形成的应力(σ)-应变(ε)关系图可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。弹性阶段(O—A)屈服阶段(A—B)强化阶段(B—C)颈缩阶段(C—D)低碳钢受拉的应力-应变图(1)弹性阶段(O—A)

在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量。(2)屈服阶段(A—B)当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限σs。(3)强化阶段(B—C)当应力超过屈服强度后，由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因，阻止了塑性变形的进一步发展，钢材抵抗外力的能力重新提高。在σ-ε关系图上形成BC段的上升曲线，这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度，用σb表示，它是钢材所能承受的最大应力。屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）σs／σb是评价钢材使用可靠性的一个参数。屈强比愈小，钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大，安全性越高，但是，屈强比太小，钢材强度的利用率偏低，浪费材料。(4)颈缩阶段(C—D)当应力达到抗拉强度σb后，在试件薄弱处的断面将显著缩小，塑性变形急剧增加，产生“颈缩”现象并很快断裂。将断裂后的试件拼合起来，量出标距两端点间的距离，按下式计算出伸长率δ：

冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背面，将其折断后试件单位截面积上所消耗的功，作为钢材的冲击韧性指标，以αk表示(J/cm2)。αk值越大，表明钢材的冲击韧性愈好。影响钢材冲击韧性的因素很多，钢的化学成分、组织状态，以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。冲击韧性冲击韧性试验图(a)试件尺寸；(b)试验装置；(c)试验机

硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球，在荷载P(N)的作用下压入试件表面，经规定的时间后卸去荷载，用读数放大镜测出压痕直径d，以压痕表面积(mm2)除荷载P，即为布氏硬度值HB。HB值越大，表示钢材越硬。硬度

钢材在交变应力的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时就发生破坏，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示，它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下，于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般认为，钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的，抗拉强度高，其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。疲劳强度

冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。冷弯性能钢材冷弯(a)试样安装；(b)弯曲90°；(c)弯曲180°；(d)弯曲至两面重合；(e)规定弯心

(1)碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时，由于钢材变脆，强度反而下降。

三、钢的化学成分对钢材性能的影响含碳量对热轧碳素钢性质的影响σb—抗拉强度；αk—冲击韧性；HB—硬度；δ—伸长率；φ—面积缩减率

(2)硅、锰加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出，起到脱氧、降硫的作用。

(3)硫、磷硫不溶于铁而以FeS的形式存在，FeS和Fe形成低熔点的共晶体。当钢材温度升至1000℃以上进行热加工时，共晶体熔化，晶粒分离，使钢材沿晶界破裂，这种现象叫做热脆性。磷能使钢的强度、硬度提高，但显著降低钢材的塑性和韧性，特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显，使钢材容易脆裂，这种现象叫做冷脆性。

(4)氧、氮

未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在，如FeO、Fe4N等。这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加，氮使冷脆性及时效敏感性增加。

(5)钛、钒、铌是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性，并显著提高强度。

钢材经冷加工产生一定塑性变形后，其屈服强度、硬度提高，而塑性、韧性及弹性模量降低，这种现象称为冷加工强化。钢材的冷加工方式有冷拉、冷拔和冷轧。

四、钢材的冷加工冷加工将经过冷拉的钢筋于常温下存放15~20d，或加热到100~200℃并保持一段时间，其强度和硬度进一步提高，塑性和韧性进一步降低，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。钢筋冷拉以后再经过时效处理，其屈服点进一步提高，塑性继续有所降低。

时效钢筋经冷拉时效后应力-应变图的变化五、建筑钢材的技术标准及选用建筑工程中需要消耗大量的钢材，按用于不同的工程结构类型可分为：钢结构用钢，如各种型钢、钢板、钢管等；钢筋混凝土工程用钢，如各种钢筋和钢丝。从材质上分主要有普通碳素结构钢和低合金结构钢，也用到优质碳素结构钢。

普通碳素结构钢简称碳素结构钢，化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁-碳合金。其含碳量为0.02%~2.06%，此外尚含有少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。现行国家标准《碳素结构钢》(GB/T700—2006)具体规定了它的牌号表示方法、技术要求、试验方法、检验规则等。

普通碳素结构钢

碳素结构钢的牌号由四部分表示，按顺序为：屈服点字母（Q）、屈服点数值、质量等级（有A、B、C、D四级，逐级提高）和脱氧程度（F为沸腾钢，Z为镇静钢，TZ为特殊镇钢。用牌号表示时Z、TZ可省略）。例如：Q235—A·F：表示屈服点为235MPa，A级沸腾钢。碳素结构钢的牌号表示方法技术要求国家标准《碳素结构钢》（GB/T700-2006）对碳素结构钢的化学成分、力学性质及工艺性质做出了具体的规定。其化学成分及含量应符合相应要求。碳素结构钢依据屈服点Q的数值大小划分为Q195、Q215、Q235、Q275四个牌号。其力学性能要求、冷弯试验规定见课本所示。

碳素结构钢随牌号的增大，含碳量增加，其强度和硬度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。

Q195、Q215号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用于轧制薄板和盘条，制造钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。

碳素结构钢的选用Q235号钢是建筑工程中应用最广泛的钢，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低，大量被用作轧制各种型钢、钢板及钢筋。Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。

一般是在普通碳素钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素而成。常用的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其目的是为了提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。低合金高强度结构钢综合性能较为理想，尤其在大跨度、承受动荷载和冲击荷载的结构中更适用，而且与使用碳素钢相比，可节约钢材20%~30%，但成本并不很高。低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音字母Q、屈服强度数值、质量等级符号三个部分组成，按硫、磷含量分A、B、C、D、E五个质量等级，其中E级质量最好。如Q345A的含义为：屈服点为345MPa，质量等级为A的低合金高强度结构钢。低合金高强度结构钢的牌号表示方法低合金高强度结构钢的技术要求国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）对低合金高强度结构钢的化学成分、力学性质及工艺性质做出了具体的规定，详见课本所示。

低合金高强度结构钢具有轻质高强，耐蚀性、耐低温性好，抗冲击性强，使用寿命长等良好的综合性能，具有良好的可焊性及冷加工性，易于加工与施工。因此，低合金高强度结构钢可以用作高层及大跨度建筑（如大跨度桥梁、大型厅馆、电视塔等）的主体结构材料。与普通碳素钢相比可节约钢材，具有显著的经济效益。低合金高强度结构钢的性能和应用

钢筋按外形分为光圆钢筋和带肋钢筋。光圆钢筋的横截面为圆形，且表面光滑。带肋钢筋表面上有两条对称的纵肋和沿长度方向均匀分布的横肋。横肋的纵横面呈月牙形且与纵肋不相交的钢筋称为月牙肋钢筋；横肋的纵横面高度相等且与纵肋相交的钢筋称为等高肋钢筋。钢筋混凝土用钢筋、钢丝钢筋混凝土用热轧钢筋(a)等高肋钢筋；(b)月牙肋钢筋热轧钢筋的牌号表示方法与技术要求

国标《钢筋混凝土用钢第1部分：热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）和《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2007）规定，热轧光圆钢筋分为HPB235、HPB300两个牌号；热轧带肋钢筋分普通热轧钢筋和细晶粒热轧钢筋两个类别，其中普通热轧钢筋分为HRB335、HRB400、HRB500三个牌号，细晶粒热轧钢筋分为HRBF335、HRBF400、HRBF500三个牌号；牌号中的数字表示热轧钢筋的屈服强度。热轧钢筋的应用

热轧光圆钢筋的强度较低，但塑性及焊接性能很好，便于各种冷加工，因而广泛用作普通钢筋混凝土构件的受力筋及各种钢筋混凝土结构的构造筋；HRB335和HRB400钢筋强度较高，塑性和焊接性能也较好，故广泛用作大、中型钢筋混凝土结构的受力钢筋；HRB500钢筋强度高，但塑性和焊接性能较差，可用作预应力钢筋。

冷轧带肋钢筋是低碳钢热轧圆盘条经冷轧后，在其表面带有沿长度方向均匀分布的三面或两面横肋的钢筋。冷轧带肋钢筋的牌号表示方法与技术要求

根据《冷轧带肋钢筋》(GB13788—2008)的规定，冷轧带肋钢筋的牌号由CRB和抗拉强度最小值表示，有CRB550、CRB650、CRB800、CRB970四个牌号，其力学性能和工艺性能应符合课本表8-10的规定。

冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋的应用

冷轧带肋钢筋既具有冷拉钢筋强度高的特点，同时又具有很强的握裹力，混凝土对冷轧带肋钢筋的握裹力是同直径冷拔低碳钢丝的3-6倍，大大提高了构件的整体强度和抗震能力。这种钢筋适用于中、小型预应力混凝土结构构件和普通钢筋混凝土结构构件。

分类及代号根据《预应力混凝土用钢丝》(GB/T5223—2002)的规定，预应力混凝土用钢丝按加工状态分为冷拉钢丝(代号为WCD)和消除应力钢丝两类。消除应力钢丝按松弛性能又分为低松弛级钢丝(代号为WLR)和普通松弛级钢丝(代号为WNR)。冷拉钢丝是用盘条通过拔丝模或轧辊经冷加工而成产品，以盘卷供货的钢丝。预应力混凝土用钢丝低松弛钢丝是指钢丝在塑性变形下(轴应变)进行短时热处理而得到的，普通松弛钢丝是指钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理而得到的。预应力混凝土用钢丝按外形分为光圆钢丝(代号为P)、螺旋肋钢丝(代号为H)和刻痕钢丝(代号为I)三种。螺旋肋钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的肋条。刻痕钢丝表面沿着长度方向上有规则间隔的压痕。

预应力混凝土用钢绞线，是以数根圆形断面钢丝经绞捻和消除内应力的热处理后制成。预应力钢绞线按捻制结构分为五类：用两根钢丝捻制的钢绞线（代号为1×2）、用三根钢丝