第八章-金属材料

第八章金属材料

土木工程中常用钢材，包括钢结构用的各种型钢（圆钢、角钢、槽钢、工字钢等）、钢板和钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝等。第八章金属材料

金属材料是指一种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的合金材料的总称。金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属指的是以铁、铬、锰元素等为主要成分的金属及其合金，在土木工程中应用最多的是钢材。有色金属指的是除铁、铬、锰以外的其他金属，如铝、铜、铅、锌、锡等金属及其合金。

钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、熔剂（石灰石）、焦炭在高炉中经过还原反应和造渣反应而得到的一种碳铁合金，其中碳的含量为2.06％～6.67％，磷、硫等杂质的含量也较高。生铁性能脆硬，无塑性和韧性，不能进行焊接、锻造、轧制等加工，在工程上难以使用。炼钢的原理就是把生铁在炼钢炉内进行氧化，除去其中大部分碳和杂质，使碳的含量降低到2.06％以下的铁碳合金。目前，大规模炼钢的方法主要有平炉炼钢法、氧气转炉炼钢法和电炉炼钢法三种。一、钢材的冶炼第一节钢的基本知识第八章金属材料1、按化学成分分类

碳素钢、合金钢。2、按冶炼时脱氧程度不同分类

特殊镇静钢、镇静钢、沸腾钢、半镇静钢。3、按品质（硫、磷杂质含量）不同分

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、工具钢、特殊钢。二、钢材的分类第八章金属材料

一、力学性能

（一）拉伸性能软钢的应力—应变曲线共分为四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。自开始加载到A点之前，钢筋处于弹性阶段，应力应变呈线性关系；应力达到A点后钢筋进入屈服阶段，应力不再增加而应变急剧增长形成屈服台阶AB；超过B点后应力应变关系重新表现为上升的曲线，BC段称为强化阶段；到达应力最高点C点后钢筋产生颈缩现象，应力开始下降，到D点钢筋被拉断，CD段称为破坏阶段。第二节钢材的主要技术性能第八章金属材料1、伸长率第八章金属材料2、断面收缩率

伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率越大或断面收缩率越高，说明钢材塑性越大。

（二）冲击韧性

指钢材抵抗冲击荷载作用的能力。影响因素：化学成分、温度、时间。

对于重要的结构以及承受动荷载作用的结构，特别是处于负温条件下的结构，应保证钢材具有一定的冲击韧性。

（三）耐疲劳性钢材在交变（数值和方向都有变化的）荷载的反复作用下，往往在应力远小于其抗拉强度时发生破坏，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示。钢材的疲劳破坏，一般认为是由拉应力引起的。钢材的疲劳极限与抗拉强度有关，钢材的抗拉强度高，其疲劳极限也高。第八章金属材料

二、工艺性能

（一）冷弯性能

指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。衡量指标：弯曲角度，弯心直径与钢材的直径（厚度）的比值（D/a）。钢材的弯曲角度越大，弯心直径与钢材的直径或厚度的比值越小，表示钢材的冷弯性能越好。

（二）焊接性能指钢材在通常的焊接方法和工艺条件下获得良好焊接接头的性能。可焊性好的钢材焊接后不易形成裂纹、气孔等缺陷，焊头牢固可靠，焊缝及其附近受热影响区的性能不降低。影响因素：化学成分。一般含碳量越高，可焊性越低。

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三、钢材的化学成分对钢材性能的影响

（一）碳

碳是钢材中的主要元素，是决定钢材性能的重要因素。在含碳量小于0.8％的范围内，随着含碳量的增加，钢材的抗拉强度和硬度增加，塑性和冲击韧性降低。当含碳量超过1％时，随着含碳量的增加，除硬度继续增加外，钢材的强度、塑性、韧性都降低，耐腐蚀性和可焊性变差，冷脆性和时效敏感性增大。第八章金属材料

（二）有益元素

1.硅

硅是炼钢时为了脱氧而加入的元素。当钢材中含硅量在1％以内时，它能增加钢材的强度、硬度、耐腐蚀性，且对钢材的塑性、韧性、可焊性无明显影响。当钢材中含硅量大于1％时，将会显著降低钢材的塑性、韧性、可焊性，并增大冷脆性和时效敏感性。

2.锰锰是炼钢时为了脱氧而加入的元素，是我国低合金结构钢的主要合金元素。锰的作用主要是能显著提高钢材的强度和硬度，改善钢材的热加工性能和可焊性，几乎不降低钢材的塑性、韧性。

3.铝、钒、钛、铌

它们都是炼钢时的强脱氧剂，也是最常用的合金元素。适量加入钢内能改善钢材的组织，细化晶粒，显著提高强度，改善韧性和可焊性。

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（三）有害元素

1.硫硫是钢材中极有害的元素。硫的存在，还会导致钢材的冲击韧性、可焊性及耐腐蚀性降低，故钢材中硫的含量应严格控制。为了消除硫的危害，可在钢中加入适量的锰。

2.磷磷是钢中的有害元素，它能使钢的强度和硬度增加，但会使钢材的塑性、韧性显著降低，可焊性变差，尤其在低温下，冲击韧性下降更突出，是钢材冷脆性增大的主要原因。

3.氧、氮、氢这三种有害气体都会显著降低钢材的塑性和韧性，应加以限制。氧使钢的强度、塑性和可焊性降低。氮随着含量增加，能使钢的强度、硬度增加，但使钢的塑性、韧性、可焊性大大降低，还会加剧钢的时效敏感性、冷脆性和热脆性。第八章金属材料第三节钢材的冷加工及热处理一、钢材的冷加工和时效处理

（一）钢材的冷加工

1．冷拉

2．冷拔

3．冷轧第八章金属材料

（二）时效处理

钢材冷加工后，在常温下存放15—20d或加热至100～200℃，保持一定时间，其屈服强度、抗拉强度及硬度明显提高，而塑性及韧性明显降低，这种现象称为时效。前者称为自然时效，后者称为人工时效。工程中常对钢材进行冷加工和时效处理来提高屈服强度，节约钢材。冷拉和时效处理后的钢筋，在冷拉的同时还被调直和清除了锈皮，简化了施工工序。但对于受动荷载或经常处于负温条件下工作的钢结构，应采用时效敏感性小的钢材。第八章金属材料

二、钢材的热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。通过热处理，可以改善钢件在冷热加工过程中的工艺性能，即消除前工序产生的缺陷而为后工序的顺利进行创造条件；以及充分发挥材料的潜力，赋予工件所需的最终使用性能。土木工程中钢材应用最多的普通热处理是退火、正火、淬火和回火。第八章金属材料第四节钢材的标准和选用一、钢材的主要钢种

（一）普通碳素结构钢（简称碳素结构钢）

1、牌号碳素结构钢的牌号表示方法由屈服点的字母Q，屈服点数值，质量等级和脱氧程度四个部分组成。碳素结构钢按屈服点的数值（MPa）划分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号；质量等级分为A、B、C、D四个等级；脱氧程度分为沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ），牌号表示时，Z、TZ可省略。第八章金属材料

2、技术性能

碳素结构钢的化学成分应符合表8-2的规定，力学性能应符合表8-3的规定，冷弯试验指标应符合表8-4的规定。碳素结构钢随着钢号的增大，强度和硬度增大，塑性、韧性和可加工性能逐步降低；同一钢号内质量等级越高，钢的质量越好。

第八章金属材料3、应用

Q195、Q215号钢，强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。

Q235号钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性和可焊性，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。因此，Q235号钢在土木工程中应用最广泛。

Q275号钢强度较高，但塑性、韧性较差，不宜焊接和冷弯加工，主要用于轧制带肋钢筋、机械零件和工具等。第八章金属材料

（二）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢根据含锰量不同分为普通含锰量（0.35％～0.70％）和较高含锰量（0.70％～1.20％）两大组。优质碳素结构钢多为镇静钢，综合性能好，但成本较高。优质碳素结构钢共有31个钢号，钢号的表示方法由平均含碳量（以0.01％为单位）、含锰量注标、脱氧程度代号组合而成。含锰量较高时，在钢号后加注“Mn”；在优质碳素钢中，只有三个钢号属于沸腾钢，应在钢号后加注“F”，其余均为镇静钢。例如：“45Mn”表示平均含碳量为0.45％的较高含锰量的镇静钢；“30”则表示平均含碳量为0.30％的普通含锰量的镇静钢。第八章金属材料

（三）低合金高强度结构钢

1、牌号

低合金高强度结构钢的牌号表示方法为：屈服点的字母Q，屈服点数值（MPa），质量等级。低合金高强度结构钢按屈服点的数值（MPa）划分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号；质量等级分为A、B、C、D、E五个等级，质量按顺序逐级提高。例如：Q295A表示屈服点不低于295MPa的A级低合金高强度结构钢。第八章金属材料

2、技术标准低合金高强度结构钢的化学成分、力学性能应符合表8-5、表8-6的规定。

3、性能及应用

低合金高强度结构钢强度高，综合性能好，使用寿命长，塑性、韧性和可焊性好，有利于加工和施工。低合金高强度结构钢主要用于轧制型钢、钢板、钢筋及钢管，在建筑工程中广泛应用于钢筋混凝土结构和钢结构，特别是重型、大跨度、高层结构和桥梁等。

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二、钢筋混凝土用钢材

（一）热轧钢筋

热轧钢筋外形可分为光圆钢筋和带肋钢筋两种。热轧光圆钢筋的牌号用HPB235及HPB300表示。普通热轧带肋钢筋有HRB335、HRB400、HRB500三个牌号。HRB335和HRB400强度较高，塑性和可焊性均较好，广泛应用于大、中型钢筋混凝土结构的主筋，经冷拉处理后也可作为预应力筋。HRB500用中碳低合金镇静钢轧而成，在提高强度的同时保证塑性和韧性，主要用于工程中的预应力钢筋。第八章金属材料

（二）冷加工钢筋

1、冷拉钢筋

2、冷拔低碳钢丝

冷拔低碳钢丝是将直径为6.5mm或8mm的碳素结构钢热轧盘条，在常温下通过拔丝机进行多次强力拉拔而成。

3、冷轧带肋钢筋将热轧圆盘条经冷轧和冷拔减径后在其表面冷轧形成有月牙肋的钢筋即为冷轧带肋钢筋。冷轧带肋钢筋分为CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170五个牌号。CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他牌号为预应力混凝土钢筋。第八章金属材料

（三）预应力混凝土用热处理钢筋

热处理钢筋是由热轧带肋钢筋经淬火和回火进行调质处理后而成的钢筋。热处理钢筋规格，有公称直径6、8.2、10mm三种。热处理钢筋具有较高的综合力学性能，除具有很高的强度外，还具有高韧性和高黏结力及塑性降低小等优点，特别适用于预应力混凝土构件的配筋。但其对应力腐蚀及缺陷敏感性强，使用时应防止锈蚀及刻痕等现象。第八章金属材料

（四）预应力混凝土用钢丝和钢绞线

预应力混凝土用钢丝是用优质碳素结构钢制成，抗拉强度高达1470～1770MPa，分为消除应力光圆钢丝、消除应力刻痕钢丝、消除应力螺旋肋钢丝和冷拉钢丝四种。钢绞线是以数根优质碳素钢钢丝经绞捻后消除内应力制成的。预应力钢丝和钢绞线具有强度高、柔韧性好、无接头、质量稳定、施工简便等优点，使用时按要求的长度切割，主要用于大跨度、大荷载、曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构。第八章金属材料

三、钢结构用钢材

（一）型钢

1、热轧型钢钢结构常用的热轧型钢有：工字钢、槽钢、等边角钢、不等边角钢、H型钢、T型钢等。

第八章金属材料2、冷弯薄壁型钢

冷弯薄壁型钢用2～6mm的钢板经冷弯或模压而制成，有角钢、槽钢等开口薄壁型钢和方形、矩形等空心薄壁型钢。第八章金属材料

（二）钢板和压型钢板

钢板是用碳素结构钢和低合金钢轧制而成的扁平钢材，可热轧或冷轧生产。。以平板状态供货的称钢板，以卷状供货称钢带。厚度大于4mm以上为厚板，厚度小于或等于4mm的为薄板。热轧碳素结构钢厚板是钢结构的主要用材，低合金钢厚板用于重型结构、大跨度桥梁和高压容器等。薄板主要用于屋面、墙面或压型板的原料等。压型钢板用薄板经冷压或冷轧成波形、双曲形、V形等，制成彩色、镀锌、防腐等薄板。其质量轻、强度高、抗震性能好、施工快、外形美观等特点。主要用于围护结构、楼板、屋面等。

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（三）钢管

钢管多用于制作桁架、桅杆等构件，也可用于制作钢管混凝土。钢管混凝土可用于高层建筑、塔柱、构架柱、厂房柱等。钢管按生产工艺不同有无缝钢管和焊接钢管两大类。焊接钢管由优质或普通碳素钢钢板卷焊而成；无缝钢管是以优质碳素钢和低合金高强度结构钢为原材料，采用热轧—冷拔联合工艺生产而成的。无缝钢管主要用于压力管道，焊缝形式有直纹焊缝和螺纹焊缝；焊接钢管成本低，易加工，但抗压性能较差，适用于各种结构、输送管道等。第八章金属材料第五节钢材的防腐与防火一、钢材的锈蚀（腐蚀）

1、化学锈蚀

是指钢材表面直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。

2、电化学锈蚀

电化学锈蚀是由于金属表面形成了原电池而产生的锈蚀。钢材在大气中的锈蚀，是化学锈蚀和电化学锈蚀共同作用所致，但以电化学锈蚀为主。第八章金属材料

二、钢材的防腐

1、在钢材表面施加保护层

在钢材表面施加保护层，使钢材与周围介质隔离，从而防止钢材锈蚀。保护层可分为金属保护层和非金属保护层。

2、制成耐侯钢耐侯钢是在碳素钢和低合金钢中加入铬、铜、钛、镍等合金元素而制成的，如在低合金钢中加入铬可制成不锈钢。第八章金属材料

三、钢材的防火

1、在钢材表面涂覆防火涂料

防火涂料按受热时的变化分为膨胀型（薄型）和非膨胀型（厚型）两种。膨胀型防火涂料的涂层厚度一般为2～7mm，覆着力较强，可同时起装饰作用。