建筑钢材的长期性能建筑钢材的长期性能

建筑材料BuildingMaterials建筑材料

建筑钢材建筑钢材的主要技术性质建筑钢材的长期性能主讲人：江晨晖★建筑材料系列微课★建筑钢材的长期性能★建筑材料系列微课★1新课导入2耐疲劳性3耐腐蚀性4耐高温性1.新课导入泰坦尼克号沉入冰冷黑暗的海底之后都发生了什么……Oh,nooo!1.新课导入当然是被海水腐蚀了，不然还能怎样？一大波吃瓜群众来袭……泰坦尼克号沉船遗骸风霜和岁月让你容颜老去，青春不再。虽然你的内心依然狂热如火。1.新课导入丧钟为谁而鸣？都说这事跟我有关系，我何尝不是受害者！别跟我扯那没用的，你倒是跟我从科学上解释解释这个事。1.新课导入BREAKINGNEWSBREAKINGNEWSBREAKINGNEWSBREAKING赵教授您好！请您从专业的角度分析一下日前日本京都市一风力发电厂发生的风力发电机垮塌事故。主持人好！观众朋友们好！据我了解，这起事故跟设计、材料和使用都没有关系……1.新课导入要分析前面提出的几个问题，得先学习建筑钢材的长期性能。1.钢材的长期性能：也叫钢材的耐久性。2.包括耐疲劳性、耐腐蚀性和耐高温性等内容。建筑钢材的长期性能2.耐疲劳性冻死我了，冻成狗的节奏！钢材也怕冻，前面讲过的。累死我了，快要累成狗！钢材也怕累，现在学这个。“没错，虽然我是世界冠军，我能举起145kg的重量，但我只能坚持这个重量几秒钟，因为我会疲劳的。”“嗨，大家好！我是钢筋，我的抗拉强度很高，但是我也会因为疲劳而在拉应力较小时发生脆性断裂。”

疲劳破坏：钢材在交变应力作用下，当实际拉应力远小于其抗拉强度时发生的失效或破坏。2.耐疲劳性

疲劳试验拉伸试验弯曲试验压缩试验σσmaxσmin一次循环tΔσσmax=Δσσmin=0σt一次循环σmax：最大应力

σmin：最小应力

Δσ：应力幅值σmax/σmin：应力比002.耐疲劳性

三类材料的S-N曲线有什么不同之处？当N

=

0时，对应的最大应力σmax应是多少？通过疲劳试验，怎样得到S-N曲线？根据左图所示的最大应力—循环次数曲线（S-N曲线或疲劳曲线）回答以下问题：纤维增强塑料钢材铝材

疲劳强度（或条件疲劳极限）疲劳极限失效时应力循环次数（N）最大应力（σmax）水平段

疲劳曲线和疲劳极限2.耐疲劳性初始裂缝区（锈蚀凹坑）裂纹扩展区最终破断区

疲劳破坏特点疲劳破坏始于钢材表面存在的原始缺陷，如锈蚀、裂纹、孔洞、键槽等在交变荷载作用下，原始缺陷部位发生应力集中，致使缺陷处裂纹扩展随着裂纹的不断扩展，发生低应力脆断破坏2.耐疲劳性BREAKINGNEWSBREAKINGNEWSBREAKINGNEWSBREAKING没错！疲劳破坏正是这起风力发电机突然倒塌的根本原因。架设在高空的设施和摩天大楼，时刻都在经受着风这种交变荷载的作用。还有，历史上的很多空难都与材料的疲劳破坏密切相关。3.耐腐蚀性这上面的照片反映了什么主题呀？看半天没明白。应该是反映钢材容易锈蚀吧。3.耐腐蚀性

为什么钢材容易腐蚀？

常规解释：钢材的化学性质不稳定，易与氧气、水、酸、盐等反应生成更稳定的铁的氧化物、氢氧化物、铁盐而被腐蚀（或锈蚀）。这个我懂，高中化学里面就有，而且老师经常讲。还动手做过铁与稀盐酸反应的实验呢。3.耐腐蚀性

专业解释：钢材腐蚀本质上是电化学反应，须具备4个基本条件。电压表盐桥NaCl溶液阳极Zn阴极CuZn

-2e-

→Zn2+Cu2++2e-

→

CuZn阳极Cu阴极导体（线）电解液+根据这幅电化学反应示意图，你知道电化学反应的4个基本条件分别是什么吗？电化学反应Zn-Cu原电池及电极的变化3.耐腐蚀性阳极阴极铁锈电解液钢材O2+H2OOH-阳极反应：Fe

-2e-

→Fe2+阴极反应：0.5O2+H2O+2e-

→2OH-2H++2e-

→H2↑Cu2++2e-

→Cu↓O2、H2O、OH-FeO

·

x

H2O（中性水溶液）（酸溶液）（惰性金属盐溶液）e-钢材腐蚀示意分两步进行：首先，阳（负）极铁单质失去电子变成亚铁离子而被氧化；其次，阴（正）极附近的电解液物质得到电子发生还原反应。铁锈生成：Fe

+2OH-

→Fe(OH)2

↓4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

↓H+H2Cu2+Cu3.耐腐蚀性

如何预防钢材腐蚀？

表面涂覆层保护已涂覆未涂覆已涂覆未涂覆TC-5001防腐效果（一）是否涂覆TC-5001的镀锌螺栓暴露于空气中5个月后的对比TC-5001防腐效果（二）上部涂覆、下部未涂TC-5001的镀锌螺栓504h盐雾试验（SST）结果对比

以TC-5001防腐涂层为例3.耐腐蚀性

以涂料、油漆对钢材表面进行涂覆，形成致密防护层，避免与周围介质接触而导致腐蚀。防腐涂覆材料按材质分为金属材料和非金属材料。3.耐腐蚀性

钢筋混凝土结构中，混凝土（保护层）是内部配筋防腐的“天然屏障”。

混凝土内部配筋的锈蚀，往往始于混凝土开裂或不够致密。

锈蚀（膨胀）会加剧开裂，正所谓“不裂不锈，一裂即锈，越锈越裂，越裂越锈……”阴极阳极腐蚀前腐蚀产物形成并累积锈胀开裂混凝土保护层剥落，钢筋暴露3.耐腐蚀性

阴极保护①远程控制终端（内含阴极保护站，CPS）②管理端③钢制管道线路阴极保护法防腐用导线将钢材与比其更活泼的金属材料连接，使后者变成原电池的阳极，前者变成阴极而免遭腐蚀。镀锌钢板为什么比普通钢板防腐性更好？外加阳极受保护钢材（阴极）土壤或水3.耐腐蚀性

钢材改性：合金化不锈钢普通低碳钢VS镍碳镁硅磷硫碳镁硅磷硫铬镍钼铜铬为什么不锈钢不生锈？与普通钢材不同，不锈钢中含有较多铬和镍。铬能与空气中的氧气或水中溶解的少量氧气反应，生成的氧化铬附着于钢材表面形成致密惰性膜层，有效抑制了钢材的腐蚀。铁铁4.耐高温性5.1

铁的基本性质（3）铁的熔点为1535℃，沸点高达2750℃。既然铁的熔点和沸点都很高，为什么还要研究钢材的耐高温性呢？世贸大厦怎么就经受不了一场火灾呢？4.耐高温性

钢材的高温软化下图描述了随着温度的上升，多种金属材料（包括钢铁）的力学性能变化情况。从中你有哪些发现？

拉应变（m/m）拉应力（MPa）结构钢拉伸应力—应变曲线多种金属材料的强度—温度关系丧钟为谁而鸣？拉登你大爷的，你挑的事，还在这怼我。我虽然不能解释，我可以请教我的科学顾问。总统先生，不麻烦你的科学顾问了，其实我也能解释这个事……4.耐高温性4.耐高温性

钢材的防火基本原理：采用绝热或吸热材