1、第 五 章钢材与铝合金三问？v金属材料的基本概念(What) ?v金属材料具备哪些基本性质(Which) ?v如何根据土木工程应用选择金属材料(How)?本 章 内 容 1、钢材的基本知识：铁和钢的概念。钢的分类。钢的冶炼和脱氧及其对钢质量的影响。 2、钢材的主要技术性质：力学性质工艺性能。 3、钢材的晶体组织与化学成分及其对钢性能的影响： 4、钢材的冷加工和热处理：钢材的加工强化和时效处理钢材的热处理。 5、建筑钢材的技术标准及选用：碳素结构钢低合金结构钢钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。 6、建筑钢材的防锈：钢的锈蚀、钢材防锈的要点 第第 一一 节节钢的生产、分类与晶体组织一、钢的生产v 钢：铁
2、碳合金，铁Fe为主要元素：碳C含量2.11，杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。v生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.116.69，并含较多杂质的。冶 炼生 铁钢 生铁中的碳氧化，降低含C量，除去杂质元素，降低其含量（一）冶炼 根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和电炉三种方法：三种主要炼钢方法的特点炉种 原料 特 点 生产钢种氧气转炉 铁水，废钢 可有效除去磷、硫杂质少， 碳素钢 效率高 质量好。 低合金钢 电炉 生铁、废钢 产量低、耗电大，杂质少 合金钢 质量最好，成本高 优质碳素钢平炉 生铁、废钢 时间长，成分稳定 碳素钢 质量较好、成本较高 低合金钢（二）脱氧与铸锭
3、v沸腾钢： 碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、低温下的冲击韧性较差。(F)v半镇静钢： 脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B)v镇静钢： 脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z)v特殊镇静钢： 脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ) 问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？ 答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和时效敏感性增大等。 脱氧程度排序： 特殊镇静钢镇静钢半
4、镇静钢沸腾钢 钢材性能与质量排序： 特殊镇静钢镇静钢半镇静钢沸腾钢（三） 热加工v热加工：是在再结晶温度以上进行的压力加工，常用锻造、热压、扎制等多种方式。v热加工的作用：使内部气泡焊合，酥松结构致密，晶粒细化。v热加工效果：提高钢材的强度、塑性和质量。二、钢材的分类问题：土木工程中常用的钢材有哪些？ 答：土木工程中，使用的 主要钢种：碳素结构钢； 优质碳素结构钢 低合金结构钢； 常用钢材：钢结构用型钢 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。三、钢的晶体组织 （一）金属的晶体结构 1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方等三种晶格；2、晶格节点上的金属原子互相以
5、金属键相结合，所有的价电子为自由电子；3、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体，各晶粒之间存在晶界。 金属晶体金属晶体体心立方结构面心立方结构密排六方结构晶粒的细化晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好细晶强化。 金属晶体结构与性能的关系v金属晶体中所有价电子呈自由电子在各离子间穿梭运动，使金属材料有良好的导电和导热性，较高的强度和良好的塑性；v金属晶体的多晶体结构的晶界能阻碍晶体的滑移，提高了抵抗塑性变形的能力；v金属材料中晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好细晶强化。 （二）钢中的晶体组织与性能v同素异晶间的转变：液态铁 Fe Fe Fe 体心立方 面心立方
6、体心立方v合金的基本概念v固溶体：一种金属溶于另一种金属中形成固体溶液v化合物：二种以上元素形成新的化合物（二）钢中的晶体组织与性能v铁素体 碳溶于Fe中的固溶体。 Fe为体心结构，孔隙较小，溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度较低。v渗碳体 铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达6.69，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。v珠光体 铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中，含碳量0.77，其性质介于二者之间。v奥氏体 碳溶于Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。铁素体的晶体组织钢材的晶体组织珠光体的
7、晶体组织铁素体和珠光体珠光体与渗碳体球状珠光体动画（三）钢的含碳量与性能关系v亚共析钢：碳含量位于0.020.77之间晶体组织为铁素体和珠光体v共析钢：碳含量在0.77晶体组织全部为珠光体v共析钢：碳含量在0.772.11之间晶体组织为珠光体和渗碳体v含碳量的增加珠光体逐渐减少，渗碳体逐渐增多强度与硬度逐渐提高，塑性与韧性逐渐降低晶体组织含量（）性能变化0.02分类项目工业纯铁亚共析钢铁素体珠光体渗碳体过共析钢含碳量0.772.110塑性、韧性硬度强度铁碳合金的含碳量、晶体组织与性能的关系 第二节第二节 建筑钢材的技术性能建筑钢材的技术性能 v钢材的力学性质v钢材的工艺性能一、钢材的力学性质
8、钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 拉伸压缩弯曲剪切扭转荷载形式（一） 钢材力学性能特点塑 性 钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称为钢材的塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 v伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 = （L1L0）/ L0 100% v断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。 = （F0F1）/ F0 100% v伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大L1 L0 伸长L0L1F0F1F1 F0 颈缩n
9、=(L1-L0)/L0100%=(F0-F1)/F0100%拉伸试验机与样品的安装 卸荷后永久变形永久变形钢材是一种韧性材料 构成金属的晶体v以回形针为例，一个回形针由1021（1,000,000,000,000,000,000,000 ）铁原子组成。v这些铁原子紧密堆积，在晶体结构中有规则地重复排列 这是铁原子的堆积与排列铁原子的结构在整个回形针中是不连续的。当金属冷却时，由液相转变为固相，它的原子结合在一起，形成小颗粒或晶体。甚至从一个晶体到另一个晶体，其晶体结构也不连续，晶体相互间结合。钢材是一种韧性材料在这个图中,每个小方块代表一个单独的原子。钢材是一种韧性材料v当一个金属晶体形成时，
10、原子自身就会以规则的模式排列。v但在每个晶体中都有许多不完全点，这些缺陷产生了原子间键的薄弱点。v就在这些薄弱点上，如果外加荷载作用，则原子层间相互滑移，称为滑移面。阻止滑移的因素位错、杂质边 位 错螺 旋 位 错混 合 位 错螺旋位错边位错位错移动例子: : 边位错的移动位错移动的障碍v加入其它元素到金属中，就可能消弱这种不完全的影响，使金属变得又硬又强。v例如，碳原子加入到铁中成为钢。障碍的例子: 铁晶体中的碳原子铁晶体中的碳原子v碳 是“杂质”v碳原子创造了一个应力场，阻止了位错的广泛滑移。v它需消耗较大的能量来克服障碍。钢中碳含量的影响屈服强度胫 缩伸长率极限强度问题：钢材的伸长率与钢
11、材中的含碳量有何关系？ 答： 伸长率反映钢材的塑性，伸长率越大，塑性越好。 钢材的塑性随着含碳量增加而变差，因此，钢材的伸长率随着含碳量增加而减小。（二） 强 度 钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度，钢材的强度用拉伸试验测定。强度指标根据其变形特点分下列几个： v弹性极限（e） 表示钢材保持弹性变形, 不产生塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。v屈服强度（ s） 表示钢材开始发生明显塑性变形的抗力，是钢结构设计的依据。v条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则规定以产生残余变形为0.2%时的应力。 v强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。 低碳钢拉伸试
12、验 -重要的材料性能: 屈服强度屈服强度: 250 Mpa 屈服应变屈服应变: 0.0013 弹性模量弹性模量: 150 MPa/0.00075=20 x 104 Mpa 极限强度极限强度: 500 Mpa 断裂强度断裂强度: 400 MPa 韧性韧性: 0.28/0.0013=215 断裂延伸率断裂延伸率: 25%重点内容钢材的拉伸试验曲线esb0 p e 屈服现象问题：屈服现象的特征是什么？ 答： 其特征是：钢材拉伸试验过程中，应力不增加而塑性变形不断增加。问题： 钢材拉伸应力应变曲线中p和e的意义？它们与钢材中含碳量的关系？答： p和e分别表示钢材拉伸过程中的塑性变形和弹性变形，当p较小
13、时，钢材呈脆性断裂；当p较大时，钢材呈韧性断裂。 因此，钢材的含碳量越大， p越小，钢材脆性越大；反之亦然。问题： 什么是屈强比，对选用钢材有何意义？ 答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个重要指标，二者之比称为屈强比s /b。 在应用中，s /b愈小，则反映钢材的可靠性愈大，结构的安全性愈高。但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济；若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强比最好在0.600.75，既安全又经济。（三） 冲击韧性 v 钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击韧性，采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。v 测
14、得试样冲击吸收功,用符号 Ak（J) 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0, 即得到材料的冲击韧度 ak。v ak （J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材的冲击韧性越好。v 随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂，使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度称为冷脆转变温度。冲击试验： 测量摆锤冲击前后的能量差摆锤的高度差摆锤的质量。 再测量试件断裂面积。摆锤试件H0H1问题： 钢材的冲击韧性的影响因素？ 答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下列因素影响：1.钢中的S、P等有害杂质含量；2.成分偏析程度；3.轧制与焊接质量；4.钢的
15、加工硬化与时效；5.环境温度等。（四） 硬度 钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布氏法和洛氏法两种方法测定。 洛氏硬度测量原理图 布氏硬度测量原理图 （五）疲劳强度 v 在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲劳破坏。v 材料承受的交变应力( )与材料断裂前承受交变应力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。v钢材承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限次周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强
16、度)，用-1 表示。 问题：钢材的疲劳破坏过程怎样？其疲劳强度与哪些因素有关？答：疲劳破坏过程包括再交变应力作用下，疲劳裂缝的产生扩展突然断裂。 其主要影响因素有：1.内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）；2.成分偏析；3.过大的内应力，截面沿纵向的突变；4.表面状态；5.受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。二、钢材的工艺性能 v冷弯性能 v可焊性 v切削切工性能v锻造性能 v热处理工艺性能 （一） 冷弯性能1、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力；2、评价指标：用不同弯曲角度和不同弯心半径d相对于钢材厚度a的比值（d/a）表示；3、试验方法：按一定的角
17、与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。 P钢材的冷弯试验ad外拱面（二） 可焊性 1、定义：钢材在焊接后，焊头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能；2、测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。3、影响因素： 化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）； 冶炼质量（镇静钢） 冷加工等。 合格不合格钢材的可焊性试验焊接点断裂点断裂点第第 三三 节节化学成分、热处理、加工硬化化学成分、热处理、加工硬化与时效对钢性质的影响与时效对钢性质的影响 一、化学成分对钢材性质的影响化学化学元素元素强度强度韧性韧性塑性塑性其其 他他 性性 能能C C增加增加降降
18、低低降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向降低焊接性能，增加冷脆性和时效倾向SiSi增加增加影响不大影响不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蚀性MnMn增加增加影响不大影响不大消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性消减硫引起的热脆性、提高耐磨性、降低焊接性P P稍有稍有增加增加显著降低显著降低增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀增大冷脆性，显著降低焊接性，提高耐磨和耐蚀性性S S降低降低降降 低低增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能增大热脆性，降低焊接性、耐腐蚀性和机械性能O O降低降低降降 低低降低机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热降低
19、机械性能，使焊接和冷弯性能变坏，增加热脆性脆性N N提高提高降降 低低降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时降低焊接性、使冷弯性能变坏、加剧冷脆性与时效敏感性效敏感性TiTi提高提高改善改善 降低降低提高焊接性和抗蚀性提高焊接性和抗蚀性V V提高提高改善改善减少冷脆性、降低焊接性减少冷脆性、降低焊接性二、热处理对钢材性质的影响 v 热处理是将钢材在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。v热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。v热处理形式：退火、正火、淬火、回火等。 温度727C等温处理回火淬火正火退火时间钢
20、材的热处理工艺热处理对钢材组织、结构的影响v热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即进行奥氏体化：奥氏体晶核的形成奥氏体晶核的长大剩余渗碳体的溶解奥氏体成分的均匀化v奥氏体晶粒度粒度的改变；v钢奥氏体化后，冷却中的转变，奥氏体即处于过冷状态，这种奥氏体称为过冷奥氏体。过冷A是不稳定的，会转变为其它晶体组织（主要是由铁素体和渗碳体混合构成的珠光体）。钢晶体粒度的细化渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，转变温度越低，层间距越小。 热处理对钢材性质的影响 v退火可降低钢的硬度，提高塑性和韧性，消除加工处理中形成的缺陷和内应力；v正火提高塑性和韧性，强度降低较小，使三者之间良好
21、配合；v淬火提高钢材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韧性；v回火消除淬火后钢材的内应力和脆性；v淬火和高温回火的联合处理称为调值，可使钢材既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。 三、加工硬化与时效对钢材性质的影响 1、冷加工处理 2、时效处理 1、冷加工处理v将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工，如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。v由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。v冷加工硬化原理： 钢材加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，经格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变形造成附加阻力，提高了钢
22、材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。v加工硬化的效果：屈服强度提高塑性和韧性降低可焊形变坏硬脆倾向增加等。 钢材的重复拉伸0 p e 0问题：直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？ 答：不能。 因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。2、时效处理 v将经过冷加工的钢筋，在常温下存放1520天，或在100120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称为时效处理。v时效硬化原理： 由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析
23、出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。 时效处理v钢材产生实效的难易程度称为时效敏感性，用时效敏感系数时效敏感系数表示： C值越大，时效敏感性越大。v为了尽快取得强化效果，可将冷拉过的钢筋加热到100200C保持2小时，以加速时效的发展，这种方法称为人工实效人工实效。v实际意义：承受动载或处于中温的钢结构，要求钢材具有较小的时效敏感性。但对于建筑上用的钢筋来说，可提高其屈服强度。 第四节建筑钢材的标准与选用 建筑钢材主要有三大类： 钢结构用钢； 钢筋混凝土结构用钢； 其它用途用钢。一、钢结构用钢 钢结
24、构用钢有： 碳素结构钢 优质结构钢 低合金结构钢（一） 碳素结构钢 1、钢的牌号： 根据国标GB700-1988，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。 牌号的顺序：屈服强度字母Q、屈服强度数值、 质量等级（A、B、C、D）、 脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。 2、钢牌号与性能的关系 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。 碳素结构钢3、选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型
25、、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如： Q195和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓等。Q235A使用于承受静载作用的钢结构；Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；Q235D可用于低温承受动荷载焊接的钢结构。Q255和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等思考题：1、碳素结构钢的牌号如何组成？2、钢牌号如何反映钢材的性能和质量？3、如何根据使用要求选用钢材牌号？（二）优质碳素结构钢 1、钢的牌号用两位数字表示，代表平均含碳量的万分数，如含锰量较高时，在牌号后加注（Mn）。 如：45号钢
26、，表示气焊碳量为0.45%。2、选用：3045号钢，用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓；6580号钢，常用于制作碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。 （三）低合金结构钢 1、组成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量0.2%。2、合金元素的作用：细化结晶，起到细晶强化作用，不仅可提高强度和硬度，还可一定程度上增加塑性和韧性。弥散强化作用，较硬微粒均匀分散在晶粒内部，阻碍晶粒滑移变形，大大提高钢的强度和硬度。3、牌号：与碳素结构钢一样，用Q+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D、E）表示。4、特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可焊
27、性。5、应用：适合于大跨度结构、高层建筑和桥梁。低合金结构钢的性能要求(1) 高强度：一般其屈服强度在300MPa以上。(2) 高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3) 良好的焊接性能和冷成型性能。(4) 低的冷脆转变温度。(5) 良好的耐蚀性。低合金结构钢的组成特点(1)低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。(2)加入以锰为主的合金元素。(3)加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。(4)加
28、入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。(5)加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。 问题：与碳素钢相比，低合金结构钢有何特点？ 答：由于低合金结构钢中的合金元素的细晶强化和弥散强化作用，以及含碳量低，有害杂质少，质量较高且稳定，使得低合金结构钢有以下特点： 不但具有较高的屈服强度和抗拉强度，而且具有较好的塑性、韧性和适当的焊接性，耐低温性较好，时效敏感性也较小。二、钢筋混凝土结构用钢 主要品种有： 热轧钢筋； 冷拉钢筋； 热处理钢筋； 冷轧带肋钢筋； 冷拔地毯钢丝； 预应力钢丝与钢绞线等。 （一）热轧钢筋 1、牌号：有、四个级别，其中、为带了
29、钢筋，牌号为：HRB+屈服强度的最小值构成，级为光圆钢筋，牌号为Q235； 、级为热轧带肋钢筋有HRB335、 HRB400、 HRB500 三个牌号。 2、性能与用途：级钢筋的强度不高，弹塑性和可焊性好，用作预应力混凝土的受力筋或构造筋；、级强度高，塑性和可焊性也好，用于大中型钢筋混凝土结构的受力筋。级钢筋强度高，弹塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。 （二）冷拉钢筋 有、四个级别，他们由热轧钢筋经现场冷拉和人工时效处理得到。经冷拉后钢筋的力学性能应符合GB50204-92的规定。 其中：级适用于普通混凝土结构中的受力筋；可用作预应力钢筋。 （三）预应力钢筋混凝土用热处理钢筋 v 有热轧带肋
30、钢筋经淬火和高温回火调质处理得到，代号RB150。v牌号：有40Si2Mn、48Si2Mn和45SI2Cr三种。不能冷拉和焊接。v性能：屈服强度不小于1325MPa，极限强度不小于1470MPa，伸长率不小于6。应符合GB4463-84的规定。v用途：主要用于预应力混凝土梁、预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土结构。 （四）冷轧带肋钢筋 1、以普通低碳钢或低合金钢热轧圆条为母材，经多到冷轧（拔）减径和一道压痕而成的三面带肋钢筋。 2、牌号：用LL+钢筋的抗拉强度等数值表示。有LL550、LL650、LL800三个级别。 3、特性：具有较高的强度和较大的伸长率，且锚固性好。 4、用途：可用于没有振
31、动荷载和重复荷载的工业与民用建筑物的钢筋混凝土结构。 LL550宜作受力主筋、架立筋、箍筋和构造钢筋； LL650和LL800宜作预应力混凝土结构构件的受力主筋。这些钢筋不宜在30C以下的环境使用。 （五）预应力混凝土用钢丝与钢绞线 1、预应力混凝土钢丝使用牌号为6080的优质碳素钢盘条，经酸洗、冷拉或冷拉再回火等工艺制成，分冷拉钢丝（L）和矫直回火钢丝（J）两种。为了增加握裹力，进行表面压痕，形成刻痕钢丝（JK）。2、特性：强度高、柔性好、无接头，质量稳定，不需焊接。3、用途：大跨度桥梁、屋架、吊车梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。 三、桥梁结构钢 1、性能要求： 较高的强度、良好的素性、韧性、可
32、焊性和较高的疲劳强度；较小的冷脆性和时效敏感性；良好的耐大气腐蚀性等。 2、组成要求： 气体杂质少，S、P的含量应小于0.0450.040%，晶粒细化，脱氧完全。 3、品种： 主要有：16q、16Mnq、15MnVq、等。后一种根据硫、磷杂质含量不同，又分为A、B、C三个级别。桥梁结构钢4、用途：16q是专用焊接桥梁钢，具有优良的可焊性；6Mnq和15MnVq具有良好的综合机械性能，强度较高，塑性和韧性、可焊性度较好，是建造桥梁的主体结构的基本钢材。15MnVNq-A用于非焊接件； u15MnVNq-B用于受压和次要焊接件；u15MnVNq-C用于受拉、受弯和受疲劳控制的焊接杆件。桥梁用钢的发
33、展 钢桥的发展离不开桥梁用钢的不断开发，16Mn 、16Mnq钢在铁路、公路钢桥的应用相当广泛，并占据了相当长的时间。16Mnq钢的板厚效应明显，限制了铁路钢桥一般桥式跨度的进一步发展。 在铁路研制并应用了15MnNbq、14MnNbq钢种，其中典型的是14MnNbq，以16Mnq为基础，适当降低碳当量并加入Nb等微量元素，采用先进的控温控轧和钢液炉外精炼技术，进行正火处理，细化晶粒并降低有害元素和气体的含量，大大降低板厚效应，在钢板使用厚度上达到50mm， 武汉长江大桥 钢材全部进口南京长江大桥 钢材部分进口南京长江大桥九江长江大桥钢梁用国产15MnVNq钢 芜湖长江大桥大桥采用低塔斜拉桥桥
34、型，主跨米，采用低碳中强钢 14MnNbq钢 冲击韧性为-40C的V型缺口冲击韧性值的平均值达234J。 全焊接钢结构桥焊缝总长度达万多米 上海卢浦大桥四、钢轨钢 1、性能要求：具有较高的强度，较高的耐磨性、冲击强度和疲劳强度，良好的可焊性和耐腐蚀性。 2、组成要求：C含量小于0.82%，质地均匀纯净，内部不含白点、残余缩孔、非金属杂质等。 3、品种：由碳素钢钢轨（U71、U74），合金钢钢轨（U71Cu、U71Mn、U70MnSi、U71MnSiCu）。 五、其他用途钢及制品 （一）不锈钢装饰制品 用作建筑物的柱、屋面、内外墙面、门窗、栏杆等的表面装饰。 （二）彩色涂层钢板 用作建筑外墙板，
35、屋面板，护壁板等。 （三）轻钢龙骨 主要用作墙体和天花吊顶的龙骨支架。 轻钢龙骨及其应用彩钢板的表面涂层轧制的彩钢板钢结构厂房钢结构用钢第五节 钢的腐蚀与防锈 一、钢材的腐蚀 v钢材受到周围介质的化学或电化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀。1、化学腐蚀 由非电解质溶液或各种干燥气体（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的纯化学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材表面产生疏松的氧化物膜层。2、电化学腐蚀 钢材与电解质溶液接触后，由于发生电化学作用而引起的腐蚀。3、腐蚀的影响因素：钢材的成分、环境条件、周围介质的性质等。 电化学腐蚀过程v阳极反应: Fe Fe2 + 2e (1)v阴极反应: O2
36、+ 2H2O+ 4e- 4OH(吸氧) (2) 2H + 2e H2 (放氢) (3)v在介质水中：Fe2 + 2OH- Fe(OH)2 (4)v进一步氧化：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3 (5)v氢氧化铁部分脱水成为铁锈: 2Fe(OH)3H2OFe2O3H2O (6) 或 Fe(OH)3H2OFeOOH (7)锈蚀产生的原因v如果两种金属以化学方式接触, 那么,电化学就会因各个金属的电位上差值而建立、组成一个化学原电池。阳极金属就出现锈蚀。v锚杆表面存在不均匀性的地方, 例如局部损伤, 就产生不同的电位差, 于是形成微型原电池。v在锚杆防护层间断处, 一般可能产生原电池。
37、如预应力损失可能与灌浆锚索界面粘结和相互嵌锁的恶化(开裂、挤碎) 有关。v锚杆处与土壤中离子浓度有变化的环境中, 那时就形成差动电池, 其锈蚀也就产生了。v原电池锈蚀原理图v不同形式锈蚀的形态v双金属电池示意图 氯离子引起的钢筋锈蚀机理钢材锈蚀的危害v减小钢材的受力面积，降低承载力；v产生体积膨胀，毁坏钢筋混凝土结构；铁的氧化物或氢氧化物的体积二、钢材的防锈 1、制成合金钢 加入合金元素铬、镍制成不锈钢、或加入铜制成合金钢，可显著提高抗锈蚀能力。 2、表面覆盖 在钢材表面电镀或喷镀一层覆盖物，如：镀锌、镀锡、镀铬、镀银等；或在钢材表面涂防锈涂料或油漆，使之与腐蚀性介质隔离，可起到防锈作用。 3
38、、设置阳极或阴极 1）阳极保护：在钢结构附近埋设废钢铁作为阳极，保护钢结构作为阴极，通上直流电源，则钢结构阴极受保护； 2）阴极保护：在被保护钢结构上，连接一块比铁更活泼的金属，如锌、镁等，使活泼金属作为阳极被腐蚀，钢结构作为阴极受保护。 3）混凝土中钢筋的防锈，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢筋表面形成钝化膜保护。 阳极与阴极保护原理阴极保护方式阳极保护方式氯盐腐蚀的对策(1)在近海岸区域，不使用露面混凝土；用砂浆面砖等进行表面装修。(2)海水面能浸及的部位，混凝土保护层要在100mm以上,钢筋混凝土用环氧树脂涂刷。此外，也有电化学阴极保护方法。(3)电化学防腐原理铁（Fe）与空气中水分接触时
39、，有Fe2+和e生成，如图 中所示，Fe(OH)3(红铁锈)生成。为了停止这一过程，施加外部电流，可抑制这一过程。防腐蚀电流施加方式，如图 所示的电流阳极方式：有以Zu系，Al系等为阳极的方式，或外部电源的方式。第 六 节铝及铝合金 一、铝的性质 v 密度为2.70，质轻，熔点低，比强度高；v 导电和导热性很好；v 有一定的耐蚀性，但耐碱和耐酸性差，较易发生电化学腐蚀。v 强度和硬度不高（0.2=35150MPa，b=90170 Pa，HB=2344），伸长率较大（35%50%），刚度低；v 故工程结构中不用纯铝材料。 二、铝合金 1、组成：在铝中加入适量的合金元素，如Cu、Mg、Mn、Si、Zn等，制得铝合金。 2、特性：强度与硬度提高，弹性模量比钢低，线膨胀系数是钢的两倍，温度变形较大，轻质、高延性、耐腐蚀、易加工、装饰效果好等。 3、应用： 1）铝合金门窗 2）铝合金装饰板二、铝合金v铝中加入合金元素后，可获得铝合金具有较高的强度，良好的加工性能。 v根据成分及工艺特点，铝合金分为：变形铝合金：加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于变形加工，称为变形铝合金。 铸造铝合金：由于冷却时有共晶反应发生, 流动性较好, 适于铸造生产, 称为可铸造铝合金 。
