大学课程《建筑材料》PPT教学课件:第8章金属材料(提交).pptx
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157591712第第8章章金属材料金属材料u钢n理论上,凡是把含碳量小于2%,含杂质比较少的铁碳合金称为钢。
n含碳量超过2%,称为生铁;含碳量小于0.08%,称为工业纯铁。
u钢的特点n钢材的强度较高,抗压和抗拉能力都很强,具有良好的塑性和韧性,具有经受冲击和振动荷载的能力,可以进行焊接或铆接,便于装配;但是,钢材易锈蚀、耐火性差。
8.1钢材的基本概念钢材的基本概念1、钢的冶炼n钢由生铁冶炼而成。
n钢的冶炼将生铁在熔融状态下进行氧化,将含碳量降低到2.06%以下,使磷、硫等其他杂质也减少到某一规定数值,再加入脱氧剂(锰铁、硅铁、铝等)进行脱氧冶炼而成的。
n生铁是将将铁矿石、焦碳及熔剂(石灰石)在炼铁炉中,经高温冶炼,铁矿石内氧化铁还原成碳铁合金,其中碳的含量为2.06%6.67%,磷、硫等杂质的含量也较高。
3u常用的炼钢方法u
(1)转炉炼钢法n转炉炼钢法又分空气转炉炼钢法和氧气转炉炼钢法两种。
n空气转炉法:
由转炉底部或侧面吹入高压热空气至熔融状态的铁水中,铁水中的杂质与空气中的氧起氧化作用而被除去。
n空气转炉法已淘汰,逐渐被氧气转炉法所取代。
4n氧气转炉法:
以纯氧代替空气吹入炼钢炉内铁水中,克服了空气转炉法的一些缺点,能有效地除去磷、硫等杂质,使钢的质量显著提高,可以炼制优质的碳素钢和合金钢。
n氧气转炉法是现代炼钢的主流方法。
5u
(2)平炉炼钢法n平炉钢的冶炼:
以固体或液体生铁、废钢铁或铁矿石作原料,用煤气或重油为燃料在平炉中加热冶炼,杂质靠铁矿石或废钢中的氧起氧化作用而除去。
n平炉熔炼时间长,有利于化学成分的精确控制,杂质含量少,成品质量高,可用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。
缺点是能耗大、冶炼时间长、成本高。
6u(3)电炉炼钢法n以生铁和废钢为原料,用电力作能源的冶炼方法。
其熔炼温度高,温度可以控制,清除杂质容易彻底。
n电炉钢的质量最好,但成本高。
它适合产冶炼优质特殊质量的特种钢。
7根据脱氧程度不同,浇铸的钢锭可分为:
u沸腾钢(F):
脱氧不完全的钢,浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体逸出,引起钢液剧烈沸腾,称为沸腾钢。
n此种钢的碳和有害杂质磷、硫等的偏析较严重,钢的致密程度较差,故冲击韧性和焊接性能较差,特别是低温冲击韧性的降低更显著。
n沸腾钢成本低,被广泛应用于建筑结构。
n其代号为“F”。
8u镇静钢(Z):
浇铸时,钢液平静地冷却凝固,是脱氧较完全的钢。
n镇静钢钢锭的组织致密度大,气泡少,偏析程度小,各种力学性能比沸腾钢优越,用于承受冲击荷载或其他重要结构。
n代号为“Z”。
u半镇静钢(b):
指脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。
n其质量较好。
n代号为“b”。
92、钢的化学成分u碳(C):
n当含碳量小于0.8%的碳素钢,随着含碳量的增加,钢的抗拉强度(b)和硬度(HB)增加,而塑性和韧性则相应降低。
n当含碳量大于0.8%时(如高碳钢),随着含碳量的增加,钢的抗拉强度(b)反而下降。
10u碳素钢的主要化学成分是以铁为基体,除含碳外,还含有少量的硅、锰、硫、磷等。
硅和锰是炼钢时作为脱氧剂加入后残存的;硫和磷是炼铁时从矿石或燃料进入铁水,而后未能完全除掉所残留的;它们都属于钢中的伴随元素。
u锰(Mn):
n锰加入钢中起脱氧和去硫作用,加入锰能显著提高钢材的强度和硬度,消除钢的热脆性,改善热加工性,几乎不降低塑性和韧性。
n但含锰量大于1.0时,将降低钢的塑性、韧性和可焊性。
11u硅(Si):
n炼钢时为了脱氧去硫而加入硅,少量的硅对钢是有益的。
n当含硅量小于1%时,能显著提高钢的强度,对塑性和韧性影响不大,还可提高抗腐蚀能力,改善钢的质量。
n当硅含量大于1%时,可焊性变差,冷脆性增加。
12u硫(S):
n硫也是钢中的有害元素。
硫使钢材在热加工过程中引起断裂,形成热脆现象,称为热脆性,硫将大大降低钢的热加工性、可焊性、冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性。
n硫是极有害的杂质,含量应严格控制,一般不得超过0.065%。
u磷(P):
n磷是钢中的有害元素。
对钢材起强化作用,可使钢的屈服点和抗拉强度提高,但塑性和韧性显著降低,特别在低温下的增大钢的冷脆性,并降低可焊性。
n磷的含量应严格控制,一般不超过0.085%。
13u氧(O):
n氧常以FeO的形式存在于钢中,它将降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能以及强度,并显著降低疲劳强度,增加热脆性。
n氧是钢中有害杂质,在钢中其一般不得超过0.05%。
但氧有促进时效性的作用。
u氮(N):
n氮虽可以提高钢的屈服点、抗拉强度和硬度,但使塑性,特别是韧性显著下降,并增大钢的时效敏感性和冷脆性,降低焊接性能,冷弯性能。
n故钢的含氮量不应超过0.008。
14u钛(Ti)、钒(V):
n都是较强的脱氧剂。
是加入钢中的合金元素,可改善组织结构,使晶体细化,显著提高钢的强度,改善钢的韧性。
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(1)拉伸性能u拉伸是钢材的主要受力形式。
拉伸性能用拉伸强度表示,它是钢材性能和选用钢材的重要指标。
u拉伸强度由拉伸试验测出。
163、钢材的主要机械性能u软钢拉伸发展的全过程可分为四个阶段:
()弹性阶段()屈服阶段()强化阶段()颈缩阶段。
每个阶段都各有其特点。
图8-2低碳钢受拉时应力应变曲线图17n图8-2中的B上点是这一阶段的最高点,称为屈服上限(s上);B下点相应的应力称为屈服下限(s下),又称屈服点或屈服强度,用s表示。
n伸长率18n伸长率是衡量钢材塑性的一个指标,它的数值愈大,表示钢材塑性愈好。
n伸长率与标距有关。
通常钢材拉伸试验标距取l0=10d0和l0=5d0,伸长率分别以10和5表示。
对同一钢材5大于10。
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(2)冷弯性能n冷弯性能,指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是建筑钢材的重要工艺性能。
n建筑钢材的冷弯,一般用弯曲角度(及弯心直径d相对于钢材厚度a的比值)来表示。
n试验时采用的弯曲角度愈大,弯心直径对试件厚度(或直径)的比值愈小,表示对冷弯性能的要求愈高。
20(a)试件安装(b)弯曲90(c)弯曲180(d)弯曲至两面重合21按规定的弯曲角和弯心直径进行试验,试件的弯曲处不发生裂缝、裂断或起层,即认为冷弯性能合格。
(3)疲劳强度n钢材在交变荷载反复多次的作用下,其破坏时的应力可以远低于其抗拉强度。
这种破坏称为疲劳破坏。
钢材在反复受到数值和方向都有变化的外力作用时,在规定的循环次数内不发生断裂所承受的最大应力称为疲劳强度。
n一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应力定义为疲劳强度或疲劳极限。
22(4)冲击韧性n钢材的冲击韧性是指钢抵抗冲击荷载的作用而不破坏的能力。
以试件冲断时缺口处单位截面面积所消耗的功冲击值k来表示。
n冲击韧性值K:
冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面面积所得的商。
即K=AK/A式中A试样缺口处的截面积,cm2。
AK冲击吸收功,具有一定形状和尺寸的金属试样,在冲击负荷作用下折断时所吸收的功。
单位为焦耳(J)。
nAK(或K)值越大,表示冲断时所吸收的功愈多,钢材的冲击韧性愈好。
23nk值低的材料破坏时无明显变形,断口较平齐,呈瓷状,称为脆性材料。
n冲击韧性还随温度的降低而下降,其规律是开始下降缓慢,当达到一定温度范围时,突然下降很多而呈脆性,称为钢材的冷脆性。
这时的温度称为脆性临界温度。
它的数值愈低,钢材耐低温冲击性能愈好。
n由于脆性临界温度的测定工作较复杂,规范中通常规定20或40的负温冲击值作为指标。
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(1)普通碳素结构钢n普通碳素结构钢简称为普通碳素钢,包括一般结构钢和工程用热轧用型钢、钢板、钢带。
建筑钢材可分为钢结构用钢材和钢筋混凝土结构用钢筋、钢丝等,水工钢结构主要有钢闸门和压力管道等。
254、牌号n普通碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。
nQ是钢材屈服点“屈”字汉语拼音首位字母;n其中屈服点数值共分195、215、235、255和275(MPa)共五种;n质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律,分别由A、B、C、D四个质量等级由低到高表示,A最差,D等级质量最好;n按脱氧程度不同分为:
沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)、特殊镇静钢(TZ)。
n牌号中Z、TZ可以省略。
26n普通碳素结构钢的牌号表示:
Q屈服点等级质量等级脱氧程度n例:
nQ215Bb表示屈服点为215Mpa的B级半镇静钢。
nQ235A表示屈服点为235Mpa的A级镇静钢。
27牌号牌号等级等级化学成分(化学成分(%)脱氧方法脱氧方法CMnSiSPQ1950.060.120.250.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.090.150.250.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.140.220.300.650.0350.0500.045F、b、ZB0.120.200.300.700.045C0.180.350.800.0400.040ZD0.170.035TZQ255A0.180.280.400.700.300.0500.045ZB0.045Q2750.200.380.500.800.350.0500.045Z碳素结构钢的牌号、等级和化学成分碳素结构钢的牌号、等级和化学成分28
(2)低合金高强度结构钢n低合金高强度结构钢是在普通碳素钢的基础上加入含量一般不超过5%的一种或多种合金元素经氧气转炉、平炉、电炉炼制成的镇静钢。
其添加的合金元素有硅、锰、钒、钛、铌、铬、镍等,用以提高钢的强度、耐腐蚀性、耐磨性或耐低温冲击韧性,并便于大量生产和应用。
29n低合金高强度结构钢的牌号表示方法与普通碳素结构钢相似。
牌号也是由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。
n与普通碳素结构钢牌号不同的是:
n屈服点数值共分295、345、390、420、460(MPa)共五种;n质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律,分别由A、B、C、D、E五个质量等级由低到高表示;n低合金高强度结构钢均为镇静钢。
30n低合金高强度结构钢的牌号表示:
Q屈服点等级质量等级n例:
nQ295B表示屈服点为295Mpa的B级镇静钢。
nQ390E表示屈服点为390Mpa的E级镇静钢。
31325、钢筋n钢筋是建筑工程中用量最大的钢材品种。
按所用的钢种,可分为碳素结构钢钢筋和低合金结构钢钢筋;按生产工艺可分为热轧钢筋、冷加工钢筋、余热处理钢筋、热处理钢筋等。
u热轧钢筋是经热轧成型并自然冷却的成品钢筋。
按表面形状可分为光圆钢筋和带肋钢筋,而带肋钢筋又分为等高肋和月牙肋钢筋。
n热轧钢筋按轧制的外形分为热轧光圆钢筋和带肋钢筋。
n热轧钢筋按屈服点及抗拉强度分为、四个等级,强度等级代号分别为R235、RL335、RL400、RL500。
R235为热轧光圆钢筋;RL为热轧带肋钢筋,其牌号由RL和屈服点最小值构成。
n级钢筋用碳素结构钢轧制,、级钢筋用低合金结构钢轧制。
335、钢筋月牙肋等高肋34356、钢丝n建筑中常用钢丝有冷拔低碳钢丝、碳素钢丝、刻痕钢丝及钢绞线等。
(1)冷拔低碳钢丝n冷拔低碳钢丝是将直径为6.58.0mm的Q235号(或Q215号)圆盘条钢筋,在拔丝机上以强力拉拔的拔丝。
n钢筋在冷拔的过程中同时受到拉力和侧压力的作用,经过冷拔后的钢丝强度大幅度提高,而塑性显著降低。
n冷拔低碳钢丝按力学强度分为两级:
甲级通常作为预应力钢丝;乙级为非预应力钢丝,主要用于箍筋、构造钢筋、焊接网、焊接骨架等。
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(1)冷拔低碳钢丝n冷拔低碳钢丝是将直径为6.58.0mm的Q235号(或Q215号)圆盘条钢筋,在拔丝机上以强力拉拔的拔丝。
n钢筋在冷拔的过程中同时受到拉力和侧压力的作用,经过冷拔后的钢丝强度大幅度提高,而塑性显著降低。
n冷拔低碳钢丝按力学强度分为两级:
甲级通常作为预应力钢丝;乙级为非预应力钢丝,主要用于箍筋、构造钢筋、焊接网、焊接骨架等。
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(2)碳素钢丝和钢绞线n碳素钢丝和钢绞线都是用于预应力混凝土的钢材,是由优质碳素结构钢经过冷拔,或经再回火、冷轧、绞捻等加工而制得的成品。
它们的特点是强度高、安全可靠、施工方便。
n碳素钢丝又称高强度钢丝,主要用于大型构件,如大跨度屋架、吊车梁、V形折板等。
n钢绞线主要用于大跨度、大承载量的后张法预应力构件中,如大跨屋架、薄腹梁等。
38n钢绞线都具有强度高、柔性好,而且安全可靠、施工简便等特点。
n对于钢绞线还特别适用于需要曲线配筋的预应力钢筋混凝土结构,如大跨度、重负荷的后张法预应力屋架、桥梁、薄腹梁等结构。
n钢丝、钢绞线的缺点是成本较高。
39二面刻痕钢丝三面刻痕钢丝螺旋肋钢丝408.2铝材的基本概念铝材的基本概念1、铝n铝是一种银白色的轻金属,属于有色金属。
在自然界中铝是以化合物的形式存在于铝矾土中。
以铝矾土作为炼铝的原料,先提取出氧化铝,再从中将金属铝分解出来。
n铝具有良好的导热性、导电性和反辐射热性。
纯铝的结构为面心立方晶体,富于延展,即具有良好的可塑性,可加工成各种型材、铝箔等制品。
n铝对潮湿空气、水、硝酸、醋酸都有很好的抗侵蚀能力,但遇碱和含氯的盐(食盐),会破坏其氧化膜,产生强烈的腐蚀。
n纯铝耐热性差,成本高,使用范围受到一定限制。
8.2铝材的基本概念铝材的基本概念2、铝合金n变形铝合金变形铝合金具有较高的塑性,可通过冲压、冷弯、辊轧等工艺加工成型材。
热处理非强化型:
热处理非强化型:
通过热处理而并不强化,如防锈铝合金。
热处理强化型:
热处理强化型:
通过热处理提高其强度,主要有硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金。
n铸造铝合金铸造铝合金主要用于铸造,在建筑上常用作制作建筑五金配件等,它具有强度高、耐蚀性好、质轻、美观等特点。
8.2铝材的基本概念铝材的基本概念铸造铝合金铸造铝合金主要用于铸造,在建筑上常用作制作建筑五金配件等,它具有强度高、耐蚀性好、质轻、美观等特点。
8.2铝材的基本概念铝材的基本概念n铝是一种银白色的轻金属,属于有色金属。
在自然界中铝是以化合物的形式存在于铝矾土中。
以铝矾土作为炼铝的原料,先提取出氧化铝,再从中将金属铝分解出来。
n铝具有良好的导热性、导电性和反辐射热性。
纯铝的结构为面心立方晶体,富于延展,即具有良好的可塑性,可加工成各种型材、铝箔等制品。
n铝对潮湿空气、水、硝酸、醋酸都有很好的抗侵蚀能力,但遇碱和含氯的盐(食盐),会破坏其氧化膜,产生强烈的腐蚀。
n建筑中常用的是铝合金。
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