第七章土木工程用钢材和铝合金

第七章土木工程用钢材和铝合金第一页，共二十三页，编辑于2023年，星期四金属材料分为黑色金属（铁、钢、合金钢）、有色金属（铜、铝、铅等非铁金属及其合金）。人类使用金属材料始于青铜时代，随后进入铁器时代。1860年前后，发明了钢的冶炼技术。1889年建造的法国埃菲尔塔，标志着钢结构的兴起。1940年以后，铝合金、不锈钢等现代金属建筑材料迅速发展。目前用量较大的金属材料有500多种。建筑钢材指建筑工程中所用的各种钢材（型钢、钢板、钢筋、建筑五金）。建筑钢材是最重要的建筑材料之一。建筑钢材强度高，材性好，比强度高，施工便利，缺点是易锈蚀。第二页，共二十三页，编辑于2023年，星期四第一节钢的生产和分类一、钢的冶炼1.生铁的冶炼铁矿石、石灰石、焦碳和少量锰矿石在高炉内进行还原反应，由氧化铁形成金属铁，再吸收碳而成生铁。铁渣排出时用水急冷，形成水淬矿渣。2.钢的冶炼生铁在转炉（最常用）、平炉或电炉中进行氧化反应，除去杂质而成钢。第三页，共二十三页，编辑于2023年，星期四二、钢的分类1、按冶炼时脱氧程度分类：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。2、按化学成分分类：碳素钢（低碳钢、中碳钢、高碳钢）、合金钢（低合金钢、中合金钢、高合金钢）。3、按有害杂质分类：普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢。4、按用途分类：结构钢（结构构件、机械零件等，一般为低碳钢或中碳钢）、工具钢（工具、量具、模具等，一般为高碳钢）、特殊钢（不锈钢、耐热钢、耐酸钢、耐磨钢、磁性钢等，一般为合金钢）。建筑工程中常用普通碳素结构钢中的低碳钢（软钢）、普通合金结构钢中的低合金钢。第四页，共二十三页，编辑于2023年，星期四第二节钢材的技术性质一、力学性质1.抗拉性能第五页，共二十三页，编辑于2023年，星期四低碳钢（软钢）是建筑工程中广泛使用的一种钢材，其拉伸应力-应变曲线如上左图所示。中碳钢、高碳钢（硬钢）的拉伸应力-应变曲线与低碳钢不同，如上右图所示。硬钢的抗拉强度高，塑性变形小，屈服现象不明显。规范规定以产生相对于初始长度0.2%残余变形时的应力值作为名义屈服点，以σ0.2表示。第六页，共二十三页，编辑于2023年，星期四低碳钢的拉伸应力-应变曲线反映了材料的许多重要技术性能：（1）弹性阶段：OA段，呈直线，应力与应变成正比，其比值即弹性模量（E=σ/ε），产生弹性变形，A点对应的应力为弹性极限（σP）。（2）屈服阶段：AB段，呈锯齿状，应力在不大的范围内波动，应变急剧增大，开始产生塑性变形，出现屈服现象。B下点对应的应力为屈服点或屈服强度（σS）。钢材受力达到屈服点后，由于变形迅速发展，尽管尚未破坏，但已不能满足使用要求，故设计中一般以屈服点作为强度取值的依据。（3）强化阶段：BC段，呈平缓上升曲线，应力持续上升，应变快速发展，C点对应的应力为极限强度或抗拉强度（σb）。工程上，不能直接利用抗拉强度，而是用屈强比（σS/σb）反映材料的安全可靠程度和利用率（常用碳素钢的屈强比0.58~0.63，低合金钢0.65~0.75）。（4）颈缩阶段：CD段，呈快速下降曲线，应力持续下降，应变快速增加，变形不再是均匀分布，在试件的薄弱处产生颈缩现象，直至在D点断裂。第七页，共二十三页，编辑于2023年，星期四2.塑性钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。钢材的塑性指标：伸长率、断面收缩率。（1）伸长率：试件拉断后对接在一起，测得标距伸长值与原始标距的百分比。δ=（l1-l0）/l0*100%（2）断面收缩率：试件拉断后，颈缩处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。

ψ=（A0-A1）/A0*100%伸长率反映钢材塑性大小。伸长率越大，塑性越好。钢材拉伸时的塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大，故l0/d0越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占比例越小，则计算所得伸长率越小。l0/d0通常取5或10，相应的伸长率分别为δ5、δ10。对于同一钢材，δ5＞δ10。第八页，共二十三页，编辑于2023年，星期四3.冲击韧性钢材抵抗冲击荷载的能力。以缺口试件的冲击弯曲试验测定。钢材的冲击韧性与钢材的化学成分、冶炼质量、温度、时效等因素有关。当温度下降到一定范围时，钢材的冲击韧性值突然下降很多，这种性质称为钢材的冷脆性。如右图所示。北方寒冷地区需检验钢材的冷脆性，应选用脆性转变温度低于使用温度的钢材。第九页，共二十三页，编辑于2023年，星期四4.疲劳强度钢材在交变荷载（大小、方向变化的荷载）的反复作用下，在应力远小于抗拉强度时发生破坏，称疲劳破坏。钢材在无数次（通常取10000000次）重复的交变荷载作用下不发生断裂所能承受的最大应力，称疲劳强度。疲劳破坏是由于疲劳裂纹累积扩展所致，在断口可明显分辨出疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区。5.硬度布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度。第十页，共二十三页，编辑于2023年，星期四二、工艺性能1.冷弯性能钢材在常温下承受弯曲变形的能力。以冷弯试验判定是否合格。冷弯性能反映钢材在苛刻变形条件下承受静荷载作用时的塑性。2.焊接性能焊接件的拉伸、弯曲试验，以破坏不发生在焊接处为合格。第十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期四第三节钢材的冷加工和热处理一、冷加工冷加工：在常温下进行机械加工，包括冷拉、冷拔、冷扭、冷冲、冷压等。冷加工强化：钢材通过冷加工产生塑性变形，提高屈服强度，相应地降低塑性和韧性。常对钢筋进行冷拉、冷拔。冷加工强化的原因：钢材在冷加工变形时，产生晶格变形。经过冷加工强化，钢材的屈服强度提高，冲击韧性降低。在工程上，可节约钢材，但受冲击荷载的部位不得使用冷拉、冷拔钢筋。时效：钢材经冷加工后，随时间的延长，屈服强度和极限强度逐渐提高，而塑性和韧性逐渐降低的现象。时效处理：经过冷拉的钢筋，在常温下存放15~20天（自然时效），或加热到100~200℃并保持2~3小时（人工时效），使强度进一步提高的过程。在工程中，经过时效处理，可使钢筋的屈服强度提高20~25%，节约钢材20~30%。产生时效的原因：溶于α-Fe晶格中的氮、氧等原子，向滑移面等缺陷处移动、聚集，使晶格变形加剧。第十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期四二、热处理热处理是对钢材在固态范围内施加一定的加热、保温、冷却处理，以改善其性能。温度和时间是热处理的两个基本工艺因素。根据加热和冷却条件以及目的不同，钢的热处理工艺可分类为：普通热处理（退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（表面淬火、化学热处理）。退火：加热保温后，在炉内慢冷至500℃以下在空气中冷却。目的是降低硬度以便进行切削加工。正火：加热保温后，在空气中冷却。正火是退火的特例，正火后钢的强度和硬度均比退火后的高。目前常用的低、中碳钢的钢材在供货时常以正火状态交货。淬火：加热保温后，在淬火剂中冷却。目的是提高硬度和耐磨性、获得良好的综合性能（强度高、韧性好）。常用淬火剂有：水、油、盐、碱。第十三页，共二十三页，编辑于2023年，星期四回火：将淬火钢件重新加热保温后，冷却到室温。目的是消除内应力、降低脆性、改善机械性能。淬火后的钢件，一般都必须及时进行回火。回火分为低温回火（加热温度150~250℃）、中温回火（加热温度350~500℃）、高温回火（加热温度500~650℃）。工厂里习惯把淬火与高温回火合称为调质处理，广泛应用于连杆、螺栓、齿轮、轴等结构零件。钢的表面热处理包括表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮、氰化、渗铝、渗铬等）。通过表面热处理可使钢件的表面层具有高硬度和耐磨性，芯部具有足够的塑性和韧性。第十四页，共二十三页，编辑于2023年，星期四热处理不改变零部件的形状和尺寸，而是改变其内部结构，从而改变其性能。钢在固态下能发生组织结构的变化，因此可以利用温度变化来控制奥氏体的转变，以改变钢的内部组织和晶体结构。例如，含碳量0.8%的同样两块钢，加热到800℃保温后，一块在炉中缓慢冷却，测得硬度为HRC15，另一块迅速投入水中急冷，测得硬度为HRC62；观察其显微组织发现，前者为珠光体，后者为马氏体。应该指出，钢经过热处理，组织结构发生了很大变化，与缓慢加热或冷却条件下所得的理论的平衡组织有所不同。第十五页，共二十三页，编辑于2023年，星期四第四节土木工程用钢材的选用土木工程用钢主要是碳素结构钢（GB700-2006）、低合金高强度结构钢（GB1591-1994）、优质碳素结构钢（GB699-1999）、合金结构钢（GB/T3077-1999）。碳素结构钢可加工成各种型钢、钢筋、钢丝，适用于一般结构和工程。碳素结构钢塑性好、力学性能稳定、成本低，因此在土木工程中用量较大。碳素结构钢有5种牌号，选用时，钢的品质：平炉钢、氧气转炉钢优于空气转炉钢，镇静钢优于沸腾钢；钢的牌号：牌号增大，强度和硬度增大，塑性、韧性、可加工性能降低。

Q235号钢，综合性能好，广泛应用于建筑结构，用作钢结构的屋架、闸门、管道、桥梁及钢筋。Q195、Q215号钢，强度较低，塑性、韧性、可焊性好，用于受荷较小及焊接结构、铆钉、地脚螺丝等。Q255、Q275号钢，强度较高，塑性、韧性、可焊性差，用于钢筋混凝土结构中配筋、螺栓等。第十六页，共二十三页，编辑于2023年，星期四

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入合金元素而制成的，具有强度高、硬度高、塑性及韧性良好、耐腐蚀性好等特点，可比碳素结构钢减轻自重20~30%，特别适合于重型结构、高层建筑、大跨度结构、桥梁。低合金高强度结构钢有5个牌号。低合金结构钢主要用于型钢、钢板、钢管、钢筋。

优质碳素结构钢性能优于碳素结构钢。优质碳素结构钢有31个牌号，性能主要取决于含碳量。优质碳素结构钢成本较高，主要用于钢铸件、高强螺栓、预应力混凝土的锚具、钢丝。第十七页，共二十三页，编辑于2023年，星期四一、土木工程用钢1.碳素结构钢根据《碳素结构钢》（GB700-2006）规定，分五个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。技术要求：化学成分、力学性能（拉伸、冲击、冷弯）。2.低合金结构钢根据《低合金结构钢》（GB1591-1994）规定，分17个牌号。3.优质碳素结构钢根据《优质碳素结构钢》（GB699-1999）规定，分31个牌号。4.合金结构钢根据《合金结构钢》（GB/T3077-1999）规定，分77个牌号。第十八页，共二十三页，编辑于2023年，星期四二、钢结构用钢材1.热轧型钢角钢、L型钢、工字钢、槽钢、H型钢、扁钢。2.冷弯型钢3.钢板4.钢管三、钢筋混凝土用钢材1.热轧钢筋2.冷轧带肋钢筋3.预应力筋4.钢纤维四、专门结构用钢材1.桥梁结构钢2.钢轨钢第十九页，共二十三页，编辑于2023年，星期四第五节铝及铝合金铝是一种轻金属（密度2700kg/m3），其在地壳中的含量为8.13%，仅次于氧、硅。铝被称为第二金属，其产量及消费仅次于钢铁。铝具有良好的力学性能、加工性能，但纯铝的强度、硬度不高，常与铜、镁、锰、硅、锌等制成铝合金。按加工方式的不同，铝合金分为铸造铝合金、变形铝合金。在建筑中，常用铝合金型材制作门窗、隔墙和吊顶的框架，将铝合金装饰板用于屋面、墙面等，将铝箔用于绝热、防潮。第二十页，共二十三页，编辑于2023年，星期四思考题1、含碳量对碳素钢的性能有何影响？2、拉伸试验可测定钢材哪些力学性能？它对选用钢材有何用途？3、某钢材试样，直径10mm，长度100mm，当荷载达26.69kN时开始塑性变形，当荷载最高达47.10kN时被拉断，拉断后试样长度116mm，断口直径6.7mm，求该钢材的屈服强度、极限强度、伸长率、断面收缩率？4、钢材冷加工的目的？5、钢材热处理的目的？第二十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期四思考题参考答案1、含碳量对碳素钢的性能有何影响？2、拉伸试验可测定钢材哪些力学性能？它对选用钢材有何用途？随含碳量增加，碳素钢的硬度提高、塑性降低、韧性降低、冷脆性及时效敏感性增大，