土木工程材料配套教学课件王春阳PPT 第9章 金属材料.ppt

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1、第9章金属材料本章内容9.1建筑钢材9.2铝材及铝合金9.1建筑钢材建筑钢材是指建筑工程中使用的各种钢材，主要有用于钢结构的各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）、钢板和用于钢筋混凝土中的各种钢筋、钢丝、钢绞线等。（a）钢筋（b）型钢（c）钢板（d）钢丝常用钢材钢材具有良好的技术性质：材质均匀，性能可靠，强度高，塑性和韧性好，能承受冲击和振动荷载，可以焊接和铆接，易于加工和装配，因此，在土木工程中被广泛应用，尤其是在高层建筑和大跨度结构中，钢材是重要的建筑材料之一。49.1.1钢材的生产和分类1.钢材的生产钢材是将生铁在炼钢炉中进行冶炼，然后浇注成钢锭，再经过扎制、锻

2、压、拉拔等压力加工工艺制成的材料。生铁性能脆硬，在建筑上难以使用。炼钢的原理就是把熔融的生铁进行加工，使其中碳的含量降到2%以下，其他杂质的含量也控制在规定范围之内。5目前，大规模炼钢方法主要有平炉炼钢法、氧气转炉炼钢法和电弧炉炼钢法三种。（1）平炉炼钢法以固态或液态生铁、废钢铁或铁矿石作原料，用煤气或重油为燃料在平炉中进行冶炼。平炉钢熔炼时间长，化学成分便于控制，杂质含量少，成品质量高。其缺点是能耗高，生产效率低，成本高，已基本被淘汰。（2）氧气转炉炼钢法氧气转炉炼钢法已成为现代炼钢法的主流。它是以纯氧代替空气吹入炼钢炉的铁水中，能有效地除去硫、磷等杂质，使钢的质量显

3、著提高，冶炼速度快而成本较低，常用来炼制较优质碳素钢和合金钢。（3）电弧炉炼钢法以电为能源迅速加热生铁或废钢原料，熔炼温度高且温度可自由调节，清除杂质容易。因此钢的质量最好，但成本高，主要用于优质碳素钢及特殊合金钢。2．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

4、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）按冶炼时脱氧程度不同分类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

5、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。建筑上常用的钢种是普通碳素钢中的低碳钢和普通合金钢中的低合金钢。9.1.2建筑钢材的主要技术性能钢材的性质主要包括力学性质、工艺性质和化学性质等，其中力学性质是最主要的性能之一。1．抗拉性能抗拉性能是表示钢材性能的重要指标。由于拉伸是建筑钢材的主要受力形式，因此抗拉性能采用拉伸试验测定，以屈服点、抗拉

6、强度和伸长率等指标表征，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，

7、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