1、1 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 金属材料金属材料 第八章第八章 2 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 主要内容主要内容 概述概述 基本概念基本概念 钢材的特点钢材的特点 第一节第一节 钢材的生产、组成与结构钢材的生产、组成与结构 第二节第二节 建筑钢材的性质建筑钢材的性质 第三节第三节 建筑钢材的主要品种建筑钢材的主要品种 第四节第四节 建筑钢材的应用建筑钢材的应用 钢结构用钢钢结构用钢 混凝土结构用钢混凝土结构用钢 碳素结构钢碳素结构钢 低合金结构钢低合金结构钢 3 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 熟练掌握熟练掌握建筑钢材的基本性质建筑钢材的基本性质 掌握掌握
2、土木工程中常用建筑钢材及其选用土木工程中常用建筑钢材及其选用 了解钢材的生产、组成和结构了解钢材的生产、组成和结构 本章要求本章要求 4 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 概述概述基本概念基本概念 生铁生铁：铁矿石冶炼而成，用来炼钢和制造铸件：铁矿石冶炼而成，用来炼钢和制造铸件 钢钢：生铁在炼钢炉中冶炼：生铁在炼钢炉中冶炼杂质氧化、含碳杂质氧化、含碳 量降到量降到2.06%以下、其它元素调整到规范范围，以下、其它元素调整到规范范围， 即得到钢（包括钢锭、钢坯、钢铸件等）即得到钢（包括钢锭、钢坯、钢铸件等） 钢与生铁的区别钢与生铁的区别含碳量含碳量 生铁：生铁：含碳量大于含碳量大于2.0
3、6的铁碳合金的铁碳合金 钢：钢： 含碳量小于含碳量小于2.06的铁碳合金的铁碳合金 5 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 钢材钢材钢锭、钢坯等通过钢锭、钢坯等通过压力加工压力加工制成所需制成所需 要的各种形状、尺寸和性能的材料。要的各种形状、尺寸和性能的材料。 建筑钢材建筑钢材建筑工程中使用的各种钢材，包建筑工程中使用的各种钢材，包 括括用于用于钢结构钢结构的各种型钢、钢板、钢管；用于的各种型钢、钢板、钢管；用于 钢筋混凝土结构钢筋混凝土结构的各种钢筋、钢丝；的各种钢筋、钢丝；建筑建筑装饰装饰 用钢材用钢材。 概述概述基本概念基本概念 6 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 优点
4、优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一材质均匀，性能可靠，强度高，具有一 定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的 能力，可焊接、铆接或螺栓连接，便于装配，能力，可焊接、铆接或螺栓连接，便于装配， 加工性强加工性强 缺点缺点：耐久性差，易锈蚀，维修费用大，耐久性差，易锈蚀，维修费用大，耐火耐火 性差性差 概述概述钢材的特点钢材的特点 7 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 第一节第一节 钢材的生产、组成与结构钢材的生产、组成与结构 一、一、 钢材的生产钢材的生产 二二 、钢材的分类钢材的分类 三、三、 钢材的组成钢材的组成 四、四、 钢材的结构钢
5、材的结构 8 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 一、钢材的生产一、钢材的生产 冶炼冶炼 铸锭铸锭 压力加工压力加工 降降C到预定范围到预定范围 除杂质到允许范围除杂质到允许范围 废钢、生铁废钢、生铁 钢锭钢锭/ /坯坯 各种钢材各种钢材 气泡闭合气泡闭合 缺陷消除缺陷消除 氧化铁残留在钢水中，降低钢材质量氧化铁残留在钢水中，降低钢材质量 脱氧处理脱氧处理 氧化过程氧化过程 电炉钢电炉钢 平炉钢平炉钢 转炉钢转炉钢 半镇静钢半镇静钢 沸腾钢沸腾钢 镇静钢镇静钢 脱氧程度脱氧程度 化学偏析化学偏析 热加工热加工 冷加工冷加工 偏析、缩孔、气泡组织不致密等缺陷偏析、缩孔、气泡组织不致密等缺陷
6、 转转 炉炉 钢钢 以熔融的铁水为原料，以熔融的铁水为原料，不需燃料不需燃料。吹入空气或纯氧，通。吹入空气或纯氧，通 过氧化作用除去过氧化作用除去铁水中的杂质铁水中的杂质。化学成分难以精确控制，。化学成分难以精确控制， 杂质含量较高，杂质含量较高，质量差质量差；但；但成本低成本低。 以固体或液体生铁、铁矿或废钢为原料，用以固体或液体生铁、铁矿或废钢为原料，用煤油或重煤油或重 油油作燃料，杂质靠铁矿石、废钢中的氧或吹入的氧起作燃料，杂质靠铁矿石、废钢中的氧或吹入的氧起 氧化作用而除去。治炼时间长氧化作用而除去。治炼时间长(4-12h)，清除杂质较彻，清除杂质较彻 底，化学成分可以精确控制，故含杂
7、质少，钢材底，化学成分可以精确控制，故含杂质少，钢材质量质量 好好，成本较转炉钢高成本较转炉钢高。 平平 炉炉 钢钢 热源是热源是高压电弧高压电弧，熔炼温度高，且温度可自由调节，熔炼温度高，且温度可自由调节， 清除杂质容易，因此，电炉钢的清除杂质容易，因此，电炉钢的质量最好质量最好。 电电 炉炉 钢钢 12 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 化学偏析化学偏析 铸锭冷却铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中 溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中 心集中，导致心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不
8、均匀化学成分在钢锭截面上分布不均匀的的 现象称为化学偏析（以现象称为化学偏析（以硫、磷硫、磷偏析最为严重）。偏析最为严重）。 对钢的质量有很大的影响对钢的质量有很大的影响 沸腾钢沸腾钢 镇静钢镇静钢 脱氧剂脱氧剂 弱脱氧剂锰铁弱脱氧剂锰铁 必要数量的硅、锰和铝必要数量的硅、锰和铝 脱氧程度脱氧程度 不充分不充分 充分充分 注锭效果注锭效果 FeO+C=CO 状似水沸状似水沸 钢水平静地凝固钢水平静地凝固 品质品质 组织不够致密组织不够致密 气泡含量较多气泡含量较多 化学偏析较大化学偏析较大 质量较差质量较差 组织致密组织致密 化学成分均匀化学成分均匀 性能稳定性能稳定 质量较好质量较好 产率产
9、率/成本成本 高高/低低 低低/高高 适用范围适用范围 一般建筑结构一般建筑结构 承受振动冲击荷载承受振动冲击荷载 重要的焊接钢结构重要的焊接钢结构 14 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 压力加工压力加工 热加工热加工：将钢锭加热至一定温度使其呈塑性状态，：将钢锭加热至一定温度使其呈塑性状态， 施加压力改变钢锭的形状施加压力改变钢锭的形状不仅获得了要求的不仅获得了要求的 形状，同时克服了许多缺陷，提高了钢的强度和形状，同时克服了许多缺陷，提高了钢的强度和 质量，一般质量，一般加工次数越多，强度提高越大加工次数越多，强度提高越大。 冷加工冷加工：在：在常温下常温下进行的压力加工。例如冷
10、拉、进行的压力加工。例如冷拉、 冷拔、冷轧、刻痕等。一定范围内，冷拔、冷轧、刻痕等。一定范围内，冷加工变形冷加工变形 程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低程度越大，屈服强度提高越多，塑性和韧性降低 越多。越多。 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 16 2010 第八章第八章
11、金属材料金属材料 二、钢材的分类二、钢材的分类 化学成分化学成分 生产方法生产方法 用途用途 质量等级质量等级 按脱氧程度按脱氧程度 按炉种按炉种 转炉钢转炉钢 平炉钢平炉钢 电炉钢电炉钢 镇静钢（镇静钢（Z） 特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZ） 沸腾钢（沸腾钢（F） 半镇静钢（半镇静钢（BZ） 17 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 GB/T13304.1-2008 钢分类钢分类 第第1部分部分 按化学成分分类按化学成分分类 碳素钢碳素钢 合金钢合金钢 低碳钢低碳钢（C% 0.6%） 按化学成分分类按化学成分分类 占钢总产量的占钢总产量的70% 元素种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢
12、等元素种类：锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等 低合金钢低合金钢（合金元素总量（合金元素总量 10%） 18 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 钢结构用钢钢结构用钢 型钢型钢 钢板钢板 钢管钢管 按用途分类按用途分类 钢筋钢筋 钢丝钢丝 钢绞线钢绞线 钢砼结构用钢钢砼结构用钢 建筑装饰用钢建筑装饰用钢 不锈钢及其制品不锈钢及其制品 彩色涂层彩色涂层/压型压型钢板钢板 轻钢龙骨轻钢龙骨 19 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 按质量等级分类按质量等级分类 GB/T13304.2-2008 钢分类钢分类 第第2部分部分 按主要质量等级和主要性能或使用特性的分类按主要质量等级和主要性
13、能或使用特性的分类 合金钢合金钢 优质合金钢优质合金钢 特殊质量合金钢特殊质量合金钢 低合金钢低合金钢 普通质量非普通质量非/低合金钢低合金钢 优质非优质非/低合金钢低合金钢 特殊质量非特殊质量非/低合金钢低合金钢 非合金钢非合金钢 20 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 三、钢材的组成三、钢材的组成 910 以下，以下， 体心立方结构，体心立方结构，铁铁 910 1400 ，面心立方结构，面心立方结构，铁铁 1400 1534，体心立方结构，体心立方结构，铁铁 2 2元素元素 3 3结合方式结合方式 4 4基本组织基本组织 固溶体固溶体 化合物化合物 机械混合物机械混合物 Fe +
14、C 铁素体铁素体 C+ Fe 奥氏体奥氏体 C+ Fe 渗碳体渗碳体 Fe3C 珠光体珠光体 名称名称 组织成分组织成分 含碳量含碳量 % 性性 质质 铁铁 素素 体体 -铁固溶少量的铁固溶少量的 碳碳 0.04 接近于纯铁，质软，接近于纯铁，质软，延延 展性好，塑性、韧性大展性好，塑性、韧性大 强度、硬度低强度、硬度低（HB=80） 奥奥 氏氏 体体 -铁固溶碳铁固溶碳 2.06 强度和硬度低强度和硬度低，塑性大塑性大 高温延性好高温延性好，适于加工，适于加工 渗渗 碳碳 体体 化合物化合物 Fe3C 6.67 硬而脆（硬而脆（HB=600） 无延性，无延性，抗拉强度低抗拉强度低 碳钢中的主
15、要强化组分碳钢中的主要强化组分 珠珠 光光 体体 铁素体和渗碳体铁素体和渗碳体 的机械混合物的机械混合物 层状结构层状结构 0.80.8 亚共析钢亚共析钢 硬度较高（硬度较高（HB=200） 塑性较好塑性较好 抗拉强度高抗拉强度高 0.80.8 共析钢共析钢 0.80.8 过共析钢过共析钢 亚共析钢亚共析钢 铁为溶剂铁为溶剂 碳为溶质碳为溶质 珠光体珠光体+铁素体铁素体 珠光体珠光体 珠光体珠光体+渗碳体渗碳体 k冲击韧性冲击韧性 b抗拉强度抗拉强度 HB硬度硬度 伸长率伸长率 断面收缩率断面收缩率 24 2010 第八章第八章 金属材料金属材料 化学元素对钢材性能的影响化学元素对钢材性能的影
16、响 合金元素：改善性能合金元素：改善性能 硅硅Si 锰锰Mn 钛钛Ti 钒钒V 铌铌Nb 杂质元素：劣化性能杂质元素：劣化性能 O S P N 化学元素化学元素 强度强度 硬度硬度 塑性塑性 韧性韧性 可焊性可焊性 其他其他 碳碳 C1% Si40-50 3d 4d 5d HRB400 HRBF400 6-25 28-50 40-50 4d 5d 6d HRB500 HRBF500 6-25 28-50 40-50 6d 7d 8d 根据需方要求，钢筋可进行反向弯曲性能试验。根据需方要求，钢筋可进行反向弯曲性能试验。 两个牌号：两个牌号：HPB235 HPB300 2.热轧光圆钢筋热轧光圆钢筋
17、（GB1499.1-2008） 热轧、光圆、钢筋热轧、光圆、钢筋 英语首位字母英语首位字母 屈服强度特征值屈服强度特征值 （一）（一）热轧钢筋热轧钢筋 牌号牌号 公称公称 直径直径 6-22mm 屈服屈服 强度强度 ReL/MPa 抗拉抗拉 强度强度 Rm/MPa 断后断后 伸长率伸长率 A/% 最大力总最大力总 伸长率伸长率 Agt/% 冷弯试验冷弯试验 180 d弯芯弯芯 直径直径 a钢筋钢筋 公称直径公称直径 不小于不小于 HPB235 235 370 25.0 10.0 d=a HPB300 300 420 技术要求技术要求力学力学/ /工艺性能工艺性能 低碳钢热轧圆盘条是由屈服强度较
18、低的碳素结构低碳钢热轧圆盘条是由屈服强度较低的碳素结构 钢轧制的盘条，是目前用量最大、使用最广的线材。钢轧制的盘条，是目前用量最大、使用最广的线材。 除大量用作建筑钢筋混凝土的配筋外，还适用于供除大量用作建筑钢筋混凝土的配筋外，还适用于供 拉丝、包装及其他用途。拉丝、包装及其他用途。 四个牌号：四个牌号：Q195、Q215 Q235、Q275 3.低碳钢热轧圆盘条低碳钢热轧圆盘条（GB/T701-2008） （一）（一）热轧钢筋热轧钢筋 牌号牌号 力学性能力学性能 冷弯试验冷弯试验 180 d=弯心直径弯心直径 a=试样直径试样直径 抗拉强度抗拉强度 Rm N/mm2 断后伸长率断后伸长率 A
19、11.3 % 不小于不小于 Q195 410 30 d=0 Q215 435 28 d=0 Q235 500 23 d=0.5a Q275 540 21 d=1.5a 技术要求技术要求力学力学/ /工艺性能工艺性能 （二）冷加工钢筋（二）冷加工钢筋 冷拉热轧钢筋冷拉热轧钢筋 冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋 （二）冷加工钢筋（二）冷加工钢筋 冷拉热轧钢筋冷拉热轧钢筋：屈服点提高：屈服点提高17%27%，材料变脆，材料变脆， 屈服阶段缩短，伸长率降低，冷拉时效后，强度略屈服阶段缩短，伸长率降低，冷拉时效后，强度略 有提高。有提高。 冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝
20、：直径为：直径为6.68mm的的Q235（或（或Q215） 盘圆钢筋冷拔制成。盘圆钢筋冷拔制成。 屈服强度可提高屈服强度可提高40%60%，且已失去了低碳钢的性质，且已失去了低碳钢的性质， 变得硬脆，属硬钢类钢丝。变得硬脆，属硬钢类钢丝。 GB50204规定，冷拔钢丝按强度分为规定，冷拔钢丝按强度分为两级两级：甲级为预应力：甲级为预应力 钢丝；乙级为非预应力钢丝，适用于作焊接网、焊接骨架、钢丝；乙级为非预应力钢丝，适用于作焊接网、焊接骨架、 箍筋和构造钢筋。箍筋和构造钢筋。 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋：热轧盘条经多道冷轧减径，一：热轧盘条经多道冷轧减径，一 道压肋，并经消除内应力后形成的一种带有
21、二面道压肋，并经消除内应力后形成的一种带有二面 或三面月牙形的钢筋。或三面月牙形的钢筋。 冷轧带肋钢筋在预应力混凝土构件中，是冷拔冷轧带肋钢筋在预应力混凝土构件中，是冷拔 低碳钢丝的更新换代产品，在现浇混凝土结构中，低碳钢丝的更新换代产品，在现浇混凝土结构中， 则可代换则可代换级钢筋，以节约钢材，是同类冷加工级钢筋，以节约钢材，是同类冷加工 钢材中较好的一种。钢材中较好的一种。 （二）冷加工钢筋（二）冷加工钢筋 四个牌号：四个牌号： CRB550 CRB650 CRB800 CRB970 cold rolled 抗拉强度最小值抗拉强度最小值 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 （GB13788-2008
22、） CRB550为普通钢筋混凝土用钢筋，其他为普通钢筋混凝土用钢筋，其他 牌号为预应力混凝土钢筋。牌号为预应力混凝土钢筋。 技术要求技术要求力学力学/工艺性能工艺性能 8 3 4.0 970 875 CRB970 8 3 4.0 800 720 CRB800 8 3 4.0 650 585 CRB650 D=3d 8.0 550 500 CRB550 不小于不小于 1000 h松弛率松弛率/% 不大于不大于 A100 A11.3 应力松弛率应力松弛率 初始应力应当初始应力应当=公公 称抗拉强度的称抗拉强度的70% 反复弯反复弯 曲次数曲次数 弯曲弯曲 试验试验 180 伸长率伸长率 /% 不小
23、于不小于 抗拉抗拉 强度强度 Rm MPa Rp0.2 MPa 牌号牌号 强屈比强屈比Rm/Rp0.21.03 冷轧扭钢筋是八十年代由我国独创的，以热轧圆盘冷轧扭钢筋是八十年代由我国独创的，以热轧圆盘 条为原料，经专用生产线，先冷轧扁，再冷扭转，条为原料，经专用生产线，先冷轧扁，再冷扭转， 从而形成系列螺旋状直条钢筋。从而形成系列螺旋状直条钢筋。 具有良好的塑性和较高的抗拉强度，螺旋状外型大具有良好的塑性和较高的抗拉强度，螺旋状外型大 大提高了与混凝土的握裹力，改善了构件受力性能，大提高了与混凝土的握裹力，改善了构件受力性能， 使砼构件具有承载力高、刚度好、破坏前有明显预使砼构件具有承载力高、
24、刚度好、破坏前有明显预 兆等特点。兆等特点。 冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋 （二）冷加工钢筋（二）冷加工钢筋 冷拉热轧钢筋冷拉热轧钢筋 冷拔低碳钢丝冷拔低碳钢丝 冷轧带肋钢筋冷轧带肋钢筋 冷轧扭钢筋冷轧扭钢筋 118 2011 第八章第八章 金属材料金属材料 （三）热处理钢筋（三）热处理钢筋 热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋经淬热处理钢筋是钢厂将热轧的带肋钢筋经淬 火和高温回火调质处理而成的。火和高温回火调质处理而成的。 其其特点特点是塑性降低不大，但强度提高很多，是塑性降低不大，但强度提高很多， 综合性能比较理想。其主要用于综合性能比较理想。其主要用于预应力预应力混混 凝土轨枕，代替碳素钢丝。凝土轨
25、枕，代替碳素钢丝。 119 2011 第八章第八章 金属材料金属材料 （四）预应力混凝土用钢丝和钢绞线（四）预应力混凝土用钢丝和钢绞线 预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝：用优质：用优质碳素结构钢碳素结构钢制成，制成， 抗拉强度高达抗拉强度高达14701770MPa 预应力混凝土用钢丝预应力混凝土用钢丝（GB/T5223-2002） 标记：直径标记：直径抗拉强度抗拉强度代号代号松弛等级松弛等级 分类：分类： 光圆钢丝光圆钢丝 P 螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 H 刻痕钢丝刻痕钢丝 I 120 2011 第八章第八章 金属材料金属材料 （四）预应力混凝土用钢丝和钢绞线（四）预应力混凝土用钢丝和钢绞线
26、预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线：以数根优质碳素结构：以数根优质碳素结构钢丝钢丝 以绞捻和消除内应力的热处理而制成。以绞捻和消除内应力的热处理而制成。 预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线(GB/T5224-2003) 标记：结构类型标记：结构类型公称直径公称直径强度级别强度级别松弛等级松弛等级 121 2011 第八章第八章 金属材料金属材料 钢材的选用原则依据钢材的选用原则依据 荷载性质（动、静等）荷载性质（动、静等） 使用温度使用温度 连接方式连接方式 钢材厚度钢材厚度 结构重要性结构重要性 铝及铝合金 一、铝的性质 密度为2.70，质轻，熔点低，比强度高； 导电和导热性很好
27、； 有一定的耐蚀性，但耐碱和耐酸性差，较易 发生电化学腐蚀。 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； 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 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。 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 。 126 2011 第八章第八章 金属材料金属材料 第八章第八章 结束结束
