土木工程材料 教学课件 作者 蔡丽朋 赵磊 主编第八章 金属材料.ppt

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1、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

2、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）

3、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

4、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

5、，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。第八章金属材料三、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

6、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

7、强度，改善韧性和可焊性。第八章金属材料（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