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1、第八章 建筑金属材料,金属材料主要有：金属,黑色金属：钢、铁以及钢铁合金,有色金属：除黑色金属以外的金属 铝、铜等,建筑金属材料,本章学习指导,1 钢材的冶炼及分类,2 建筑钢材的力学与工艺性能,3 钢材的化学组成及对性能的影响,4 钢材的强化与加工,5 土木工程常用金属材料的性质及应用,6 钢材的腐蚀与防护,建筑钢材概述,建筑钢材是指用于建筑工程方面的各种钢材，包括各种型材、钢板、钢管和用于钢筋混凝土结构中的各种钢筋、钢丝等。优点：组织均匀密实，强度很高，且具有相当高的塑性和韧性，不仅能铸成各种形状的铸件，而且也能承受各种形式的压力加工，能够进行焊接、铆接和切割，便于装配。缺点：主要是容易锈
2、蚀，耐火性差，维修费用大。,法国艾菲尔铁塔,日本东京塔,历史回顾,广州海珠桥的钢材,广州海珠桥已经“年逾八旬”，但其使用的钢材预计已有百年历史。2004年，提供建造海珠桥钢材的英国企业向广州市政部门发来传真，提醒有关部门注意，这些钢材是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸下来的，所以就其寿命计算，海珠桥使用的钢材预计已有百年历史，已经进入疲劳期，继续使用则需进行疲劳强度的测试，并根据测试结果进行加固等。,美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖主义者袭击、倒塌（见左图），给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。,1.1钢材的冶炼和分类,一、钢的冶炼原料：铁矿石（1）炼铁：铁矿石+焦炭
3、+石灰石 铁水+矿渣方法：高炉炼铁生铁：含碳量2.11-6.67%，脆硬（2）炼钢：铁水、铁块或废钢 钢水+钢渣钢:含碳量0.06%-2.0%方法：转炉炼钢法 平炉炼钢法 电弧炉炼钢法,钢与生铁的主要区别：含碳量不同,冶炼,冶炼,基础知识,1 钢的分类,钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁。,1.1 按化学成分分类,1.2 按品质（杂质含量）分类,1.3 按冶炼时脱氧程度分类,钢的主要成分：铁、碳其他一些杂质：硅、锰、钛、钒 磷、硫、氧、氮（1）碳素钢-低碳钢（含碳量0.6%）（2）合金钢-低合金钢（合金元素含量10%）,有害
4、,可以调整钢材性能,专门加入合金元素,1.1 按化学成分分类,建筑工程中的钢材低碳钢及低合金钢,工程实例分析,2.1 钢的分类,某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌。,首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；其次是焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。,1 钢的分类,1.2 按冶炼时脱氧程度分类,1.沸腾钢 炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体
5、外逸，引起钢液激烈沸腾。这种钢材称为沸腾钢，其代号为“F”。其冲击韧性和可焊性较差。2.镇静钢 炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为“Z”。3.半镇静钢 介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为“b”。4.特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度更彻底的钢。代号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。,观察与讨论,A,B,.1 钢的分类,钢材的冶炼脱氧程度与性能,下图为沸腾钢（图A）与镇静钢（图B）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。,从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷
6、却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气体产生,是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢可用于承受冲击荷载的重要结构。此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的半镇静钢，其质量较好。,2.1 钢的分类,1.3 按用途分类,1.结构用钢：钢结构用钢和混凝土结构用钢2.工具钢：主要用于刀具，模具等各种工具，含碳量
7、一般较高，便于进行热处理。3.特殊性能钢：不锈钢、耐酸钢、耐热钢、磁钢等。,1.4 按质量等级（杂质含量）分类,1.普通钢：含硫量0.050；含磷量0.0452.优质钢：含硫量0.035；含磷量0.0353.高级优质钢：含硫量0.025；含磷量0.025 4.特级优质钢：含硫量0.015；含磷量0.025,基础知识,2 建筑钢材的主要技术性能,2.1 抗拉性能,2.2 冲击韧性,2.3 耐疲劳性,2.4 工艺性能,一、力学性能静荷载：一定的力学强度和不致过大的变形动荷载：较高的韧性1、强度（抗拉性能）2、塑性3、韧性4、硬度,力学性能,工艺性能,技术性能,强度、弹性、塑性、耐磨性,（可加工性）
8、：冷弯、可焊性,2 建筑钢材的主要技术性能,2.1 抗拉性能,强度的概念：在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力。测定方法：拉伸试验。四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。,2.1 抗拉性能,(1)弹性模量：钢材受力初期，应力与应变成比例地增长，应力与应变之比为常数，称为弹性模量，即E=/。这个阶段的最大应力（P点对应值）称为比例极限p。弹性模量反映了材料受力时抵抗弹性变形的能力，即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形的一个重要指标。,拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测的屈服强度、抗拉强度(极限强度）和伸长率是钢材的重要技术性质指标。,(2)弹性极
9、限：应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形能立即消失，此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力（e点对应值）称为弹性极限e。事实上，p与e相当接近。,2.1 抗拉性能,(3)屈服强度和条件屈服强度 当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服强度，用s表示，设计中一般以其为强度取值依据。
10、有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度(0.2)。高碳钢拉伸时的应力-应变曲线如图所示。,无明显流幅的钢筋应力应变曲线（硬钢）,残余变形0.2%对应的强度为屈服强度,4）抗拉强度：钢材所能承受的最大强度。,Fb为最大应力，N,值得注意：屈强比的概念,可靠性参数,值越小可靠性越高，安全性越高，但利用率降低，浪费增大。,相反，值越大，可靠性越低，安全性越低。因此，建筑结构钢合理的屈强比一般为。,5）伸长率：塑性是钢材的一个重要性能指标，它指钢材在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。用伸长率衡量伸长率（5、10）,塑性
11、变形值与原长L0的比率称为伸长率。,L0试件原始标距长度，mm；L1试件拉断后测定出伸长后标距部分的长度，mm,伸长率是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示钢材塑性越好。,良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力)重分布，从而避免结构过早破坏。,5：表示L0=5d0的伸长率10：表示L0=10d0时的伸长率 d0钢材直径,2.2 冲击韧性,概念：钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。试验：将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧，在试样中间开V形缺口。,试样冲断时所消耗的冲击功A k为:,A k=m g H m g h(J),g,冲击韧性值（k）：以摆锤冲击V形缺口试件时单
12、位面积所消耗的功,钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。k值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时，k突然大幅度下降。钢材的冷脆性：材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性 脆性转变温度,硬度：钢材表面局部体积内抵抗变形的能力测定方法：以硬物压入钢材表面，根据压力大小和压痕面积或压入深度评定。常用指标：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）维氏硬度不常用。布氏法：用一定的压力把淬火的钢球压入钢材表面，将压力除以压痕面积，得布氏硬度（HB）压痕较大，实验数据准确、稳定，不宜用于成品检验。洛氏法：在洛氏硬度机上根据测量
13、的压痕深度计算 操作简单迅速，但压痕小，试验精度差。洛氏硬度法的压痕小，所以常用于判断工件的热处理效果。,2.3 硬度,布 氏 硬 度 试 验 原 理,用一定直径的压头（球体），以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后，测量材料表面压痕直径，以此计算出硬度值。,2.4 耐疲劳性,疲劳破坏：受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象。破坏原因：一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。危害：疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。,工艺性能,1.冷
14、弯性能,冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示。,钢材的冷弯试验是通过直径(或厚度)为a的试件，采用标准规定的弯心直径d（d=na,n为整数），弯曲到规定的角度时（180或90），检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。若没有这些现象则认为冷弯性能合格。钢材冷弯时的弯曲角度越大，弯心直径越小，则表示冷弯性能越好。,冷弯试验意义：能反映试件弯曲处的塑性变形，能揭示钢材是否存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。冷弯试验也能对钢材的焊接质量进行严格的检验，能揭示焊件受弯表面是否存在未熔合，裂缝及夹杂物等缺陷。,工艺性能,2.焊接性能,钢材的焊接性能是指
15、在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度应不低于原有钢材的强度。,2.焊接性能 焊接：把两块金属局部加热，并使其接缝部分迅速呈熔融或半熔融状态，而牢固的连接起来。钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影响。随钢材的含碳量、合金元素及杂质元素含量的提高，钢材的可焊性降低。钢材的含碳量超过0.25时，可焊性明显降低；硫含量较多时，会使焊口处产生热裂纹，严重降低焊接质量。钢材的焊接须执行有关规定。,钢,工艺性
16、能,观察与讨论,2 建筑钢材的力学与工艺性能,(1)两种钢材的选用,(2)两种钢材低温冲击韧性的比较,2.1 抗拉性能,(1)两种钢材的选用,请观察下图中、两种低碳钢的应力应变曲线的差异。讨论下述问题：,若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用何种更合适？,观察与讨论,(1)两种钢材的选用,从、两条曲线比较可知，低碳钢的弹性模量E小于低碳钢，也就是说，低碳钢的抗变形能力不如低碳钢。对于变形要求严格的构件选用低碳钢更为合适。,(2)两种钢材低温冲击韧性的比较,2.2 冲击韧性,请观察下图中、两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？,(2)两种钢材低温冲击韧性的比较,温度对冲击韧性有重
17、大影响，当温度降至一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，此现象称为冷脆性。曲线中棕色段代表脆性断裂，蓝色段代表脆性转变范围，黑色段代表韧性断裂。从上图中可知，低合金钢的脆性转变温度低于，即说明钢材的低温冲击韧性较好。东北地区冬季气温低，主要考虑低温冲击韧性问题，选用更有利。影响钢材的冲击韧性还有许多因素，例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。,工程实例分析,2 建筑钢材的力学与工艺性能,(1)广东某展览厅网架倒塌,(2)钢贮罐脆性断裂,(3)北海油田平台倾覆,(4)某运输廊倒塌分析,(1)广东某展览厅网架倒塌,抗拉性能,广东某国际
18、展览中心包括展厅、会议中心和一栋16层的酒店，总建筑面积42000m2。1989年建成投入使用。1992年曾降大暴雨，其中4号展厅网架倒塌。在倒塌现场发现大量高强度螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。,由于4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。所受拉力超过高强度螺栓的极限承载力而被拉断，高强度螺栓安全度低于杆件安全度，其安全度不足。,抗拉性能,钢贮罐脆性断裂,冲击韧性,1989年1月22
19、日，内蒙古某糖厂一个直径为20m，高为15.76 m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐内糖蜜贮量为4027t，不仅未达到设计贮量，还低于试用期间曾达到的4559t水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。,韧性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1、2层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢
20、材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，裂纹会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值而突然断裂。,冲击韧性,北海油田平台倾覆,耐疲劳性,1980年3月27日，北海爱科菲斯科油田的A.L.基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次振动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使23人丧生，造成巨大的经济损失。,现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式
21、桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受流冰等随海潮对平台的冲击碰撞；另外,低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台20min内全部倾覆。,耐疲劳性,某运输廊倒塌分析,工艺性能,某烧结矿仓库运输廊道于1965年1月发生倒塌。事故发生时室外气温为36左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳0.230.25，含硫0.06，焊
22、接质量差。请分析事故原因。,工艺性能,原因之一是所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材的要求，即含碳不超过0.22，含硫量不超过0.055。硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏的部位。原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接接缝处有应力集中现象，助长了此桁架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤、夹杂缺陷，焊接质量差。,基础知识,3 钢材的化学组成及对性能的影响,3.1 钢材的晶体结构,3.2 钢材的基本晶体组织,3.3 钢材的成分对性能的影响,除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分
23、可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。,3 钢材的化学组成及对性能的影响,(1)碳素钢中含碳量对其性能的影响,碳是决定钢材性质的主要元素。钢材随含碳量的增加，强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。,铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系,2）硫-能使钢材产生热脆性，降低钢材的热加工与可焊性；,3）氧、-降低钢材的力学性质，严重影响了钢材的韧性，并能促进时效，降低钢材的可焊性；4）锰、硅-为脱氧而有意加入的元素，能显著提高钢材的强度，对塑性与韧性的影响不是很大。,5）磷-使钢材的
24、抗拉强度提高，塑性和韧性下降，能显著增加钢材的冷脆性，降低钢材的可焊性；,化学元素对钢材性能的影响,基础知识,4 钢材的强化与加工,2.4.1 冷加工强化,2.4.2 时效处理,2.4.3 热处理,4.1 冷加工强化,将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。,建筑工程中大量使用的钢筋采用冷加工强化具有明显的经济效益。冷拔钢丝的屈服点可提高4060可适当减小钢筋混凝土结构设计截面减小混凝土中配筋数量,从而达到节约钢材的目的,4.1 冷加工强化,一、冷加工,冷拉原理：变形硬化：钢筋内部晶格滑移，引起屈服强度提高，塑性、弹性模量
25、降低时效硬化：内部组织调整，内应力会促使钢筋内部组织调整，屈服强度进一步提高,1、冷拉：在常温下以超过钢筋的屈服强度的拉应力拉伸钢筋，使钢筋产生塑性变形，以提高强度，节约钢材,特点：只能提高钢筋的抗拉强度，抗压强度不变,2、冷拔,使直径6-10mm的光圆钢筋通过特制的钨合金拔丝模使钢筋产生塑性变性，以改变其物理力学性能。横向压缩，纵向拉伸抗拉强度、抗压强度、硬度提高，塑性降低，无明显的屈服点,4.2 时效处理,时效处理：将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放1520 d，或加热至100200 后保持一定时间（23 h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则
26、基本恢复。方法：（1）在常温下存放1520 d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；（2）加热至100200 后保持一定时间（23 h），称人工时效，适合于高强钢筋。,4.3 热处理,热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其晶格组织，得到所需要的性能的一种工艺。热处理包括淬火、回火、退火和正火，见下图。,钢的热处理工艺,观察与讨论,4 钢材的强化与加工,冷加工强化与时效处理的机理,请观察下图钢筋的应力-应变曲线，并讨论冷加工强化与时效处理的机理。,钢筋冷拉时效后应力-应变图的变化,讨论,4 钢材的强化与加工,从上图可见，将钢筋冷拉至强化阶段的K点，然后卸荷，则产生塑性变
27、形，若立即受拉，钢筋的应力-应变曲线将沿OKCD发展至破坏。这时，钢筋在原来屈服阶段不再出现屈服现象，屈服点由B点提高到K点，但抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低，弹性模量降低。冷加工强化的原因是冷拉至K点时，塑性变形造成滑移面内晶格歪扭，畸变加剧，阻碍了进一步滑移，提高了抵抗变形的能力。同时，由于塑性变形中产生的内应力，使钢材弹性模量降低。,工程实例分析,4 钢材的强化与加工,钢结构吊车梁发现裂纹,某厂气轮车间吊车梁为钢结构，建成后质量检查发现有许多裂纹。分布于上、下翼缘最多，腹板处较少；加劲筋上无裂纹，加劲板与梁翼或腹板之间的焊缝及附近亦未发现裂纹。裂纹深度经铲后，用深度计复测，大多数的深度
28、为12 mm，少量纹深达3 mm。此批构件钢材杂质含量远低于国家标准规定；环境温度正常；工程尚未使用；构件运输安装过程未被撞击；裂纹部位远离焊接影响区。,4 钢材的强化与加工,经研究获悉：在生产钢材时，由于片面追求速度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至400 500 就拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢板温度还在300 以上，就送去结构加工厂下料制作，钢板冷却至50 左右时，已有裂纹。即钢锭温差过大，导致钢材表面存在大量微裂纹，经加热轧压，裂纹不能闭合消失；由于钢锭是多边形，故所轧制的钢板上下两面有裂纹。而加劲板为另外采购的钢板，故未发现裂纹。,基础知识,5 土木工程常用金属材料的性质及应用
29、,5.1 建筑常用钢种,5.2 钢结构用钢,5.3 混凝土结构用钢,5.4 铝合金,一、碳素结构钢（GB700-2006）,1、牌号：以屈服点等级划分成五个牌号，其表示方法为：,Q,235,A,F,屈服QU,屈服强度值,质量等级,脱氧程度,国家标准GB700-2006碳素结构钢中规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。其中以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分195 MPa、215 MPa、235 MPa、255 MPa和275 MPa五种；质量等级以硫、磷等杂质含量由多到少，分别为A、B、C、D符号表示；脱氧方法以F表示沸腾钢、b表示半镇静钢、Z、TZ
30、表示镇静钢和特殊镇静钢，Z和TZ在钢的牌号中予以省略。随着牌号的增大，对钢材屈服强度和抗拉强度的要求增大，对拉长率的要求降低。,2、技术性能随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。同一钢号内质量等级越高，钢材的质量越好，如Q235C、Q235D级优于Q235A、Q235B级。具体力学性能、工艺性能见表8-1、8-2,一、碳素结构钢（GB700-2006）,3、应用 Q195钢 强度不高，塑性、韧性、加工性能与焊接性能较好。主要用于轧制薄板和盘条Q215钢 用途与Q195钢基本相同，由于其强度稍高，还大量用作管坯、螺栓等。,3、应用Q235钢 强度适中，有良好的
31、承载性，又具有较好的塑性和韧性，可焊性和可加工性也好，是钢结构常用的牌号。Q235钢大量制作成钢筋、型钢和钢板用于建造房屋和桥梁等。Q255钢 强度高，塑性和韧性稍差，不易冷弯加工，可焊性较差。Q255钢的应用范围不如Q235刚广泛，主要用做铆接或栓接结构，以及钢筋混凝土的配筋。Q275钢 强度、硬度较高，耐磨性较好，但塑性、冲击韧性和可焊性差。因此，Q275钢不宜在建筑结构中使用，主要用于制造轴、农具、耐磨零件和垫板等。,二、低合金高强度结构钢（GB/T1591-2008）,低合金高强度结构钢是一种在碳素钢的基础上添加总量小于5合金元素的钢材，具有强度高，塑性和低温冲击韧性好、耐锈蚀等特点。
32、（1）牌号：Q345B以屈服点等级划分为主划分成五个牌号：屈服点强度质量等级屈服点等级：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460质量等级：A、B、C、D、E,（2）技术性能与应用特点：较好的强度，且具用较好的塑性、韧性和可焊性。Q345、Q390综合性能较好，是钢结构的常用牌号。与碳素结构钢Q235相比，低合金高强度结构钢Q345的强度和承载力更高，并具有良好的承受动荷载和耐疲劳性能，但价格稍高。用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢Q235可节省钢材15%-25%，并减轻结构的自重。用途：钢结构和钢筋混凝土结构中，特别是大型结构、重型结构、大跨度结构、高层建筑、桥梁工程、承受动力荷载和冲
33、击荷载的结构。,四、钢的选用,基本要求：对一般结构：具有屈服点、抗拉强度、伸长率三项机械性能和硫、磷含量两项化学成分的合格保证对焊接结构应有含碳量的合格保证对于较大型构件、直接承受力荷载的结构，钢材应具有冷弯试验的合格保证对于大、重型结构和直接承受动力荷载的结构，根据冬季工作温度情况应具有常温和低温冲击韧性的合格保证,不同建筑结构对材料要求：（1）重要结构构件（如梁、柱、屋架等）高于一般构件（如墙架、平台等）（2）受拉、受弯构件高于受压构件（3）焊接结构高于栓接和铆接结构（4）低温工作环境的结构高于常温工作环境的结构（5）直接承受力荷载的结构高于间接承受力荷载或承受静力荷载的结构（6）重级工作
34、制构件（如重型吊车梁）高于中、轻级工作构件。,5.2 钢结构用钢,钢结构用钢主要是热轧成形的钢板和型钢等；薄壁轻型钢结构中主要采用薄壁型钢、圆钢和小角钢；钢材所用的母材主要是普通碳素结构钢及低合金高强度结构钢。钢结构用钢有热轧型钢、冷弯薄壁型钢、棒材、钢管和板材。,5.3 混凝土结构用钢,混凝土具有较高的抗压强度，但抗拉强度很低。用钢筋增强混凝土，可大大扩展混凝土的应用范围，而混凝土又对钢筋起保护作用。钢筋混凝土结构的钢筋，主要由碳素结构钢和优质碳素钢制成，包括热轧钢筋、冷轧扭钢筋和冷轧带肋钢筋、预应力混凝土用钢丝和钢绞线。,钢筋的种类及选用,钢筋的外形,(1)热轧钢筋,(2)预应力钢筋,(3
35、)热轧钢筋的符号说明,HPB235,生产工艺：hot rolled,表面形状：plain,钢筋：bar,屈服强度,5.4 铝合金,纯铝在建筑上的应用较少，可加工成铝粉，用于加气混凝土的发气。为提高铝的强度，在铝中可加入锰、镁、铜、硅、锌等制成各种铝合金，铝合金可被加工成各种铝合金门窗、龙骨、压型板、花纹板、管材、型材、棒材等。,观察与讨论,5 土木工程常用金属材料的性质及应用,钢支架的钢材选用,华北某厂需焊接一座露天且需承受动荷载的钢支架，该厂已有三种碳素结构钢，厚度均为80 mm，Q235抗拉强度已可满足设计要求。三种钢材的价格是。请选用。,Q235AF,Q235Ab,Q235C,5.1 建
36、筑常用钢种,钢支架的钢材选用,选不当。Q235AF为沸腾钢，其内部杂质和夹杂物较多，化学成分和力学性能不均匀，抗冲击韧性特别是低温抗冲击韧性差，可焊性差，不宜用于承受动荷载的焊接钢结构。请再选。,5.1 建筑常用钢种,钢支架的钢材选用,Q235Ab为半沸腾钢，性能虽优于Q235AF，但焊接结构应保证碳的极限含量，而Q235A钢的含碳量是不作为交货条件的，一般不用于焊接结构。另外厚度较大的钢材，塑性、冲击韧性及焊接性能一般较差，选用厚度较大的焊接钢结构应选用材质较好的钢。,5.1 建筑常用钢种,钢支架的钢材选用,选择正确。结构钢材的选用至少应具有屈服点、抗拉强度、伸长率三项机械性能和硫磷含量两项
37、化学成分的合格保证，对焊接结构还应有含碳量的合格保证。对于较大型构件、直接承受动力荷载的结构，钢材应具有冷弯试验的合格保证。对于大、重型结构和直接承受动力荷载的结构，还需根据冬季工作湿度情况，选用的钢材需具有常温，低温冲击韧性的合格保证。还需说明的是，低含量高强度结构钢由于合金元素的强化作用，有较高的强度，具有较好的塑性、韧性和可焊性。Q345钢及Q390钢的综合性能较好，是钢结构常用的钢。其价格虽稍高，但有更好的承受动荷载和耐疲劳性能，可节省钢材、减轻结构自重。大跨度、大型结构及承受动力荷载和冲击荷载的结构广泛采用低合金高强度结构钢。,工程实例分析,5 土木工程常用金属材料的性质及应用,韩国
38、汉城大桥倒塌,1994年10月21日，韩国汉城汉江圣水大桥中段50 m长的桥体像刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建筑公司之一的东亚建设产业公司于1979建成。,韩国汉城大桥倒塌,事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提交了事故报告。事故原因主要有以下两方面：a.东亚建筑公司没有按图纸施工，在施工中偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。b.当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上的疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32 t，建成后交通流量逐年增加，超常负荷，倒塌时负载为43.2 t。,基础知识,6 钢材的腐蚀与防护,2.6.1 钢材
39、的腐蚀,2.6.2 钢材的防护,6.1 钢材的腐蚀,概念：钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象称作腐蚀（锈蚀）。腐蚀类型：化学腐蚀和电化学腐蚀。,6.2 钢材的防护,1.钢材的防腐,具体措施有采用耐候钢、金属覆盖、非金属覆盖和混凝土用钢筋的防锈。,2.钢材的防火,钢结构防火保护的基本原理是采用绝热或吸热材料，阻隔火焰和热量，推迟钢结构的升温速率。防火方法以包覆法为主，即以防火涂料、不燃性板材或混凝土、砂浆将钢构件包裹起来。,观察与讨论,6 钢材的腐蚀与防护,板梁底出现裂缝,华南地区某海港油气码头引桥使用仅8年，形板梁底出现明显裂缝及钢筋锈蚀。而型板却基本完好，请讨论其原因。,型板梁底出现
40、明显裂缝图,基本完好的型板,从上表中可见，随混凝土深度增加，Cl-含量依次递减。目前，国外一般把混凝土内Cl-含量达到其致锈临界含量值时的时间，确定为混凝土的安全使用寿命。具体临界含量值各国各地区有差别。我国华南地区海港码头调查该值为0.1050.145。该混凝土保护层设计厚度为5.5 cm，且由于施工偏差，部分构件实际保护层厚度低于设计值。当海水中Cl-渗透进混凝土，使钢筋表面Cl-含量达致锈值时，锈蚀开始；腐蚀产物体积膨胀，使混凝土产生与钢筋平行的顺筋裂缝，乃至混凝土开裂，钢筋的电化学腐蚀迅速进行。,工程实例分析,6 钢材的腐蚀与防护,广东某斜拉桥拉索腐蚀失效分析,广东某斜拉桥(见右图)竣
41、工于1989年。1995年5月其中一条拉索突然坠落，经检验确认其他拉索的钢丝已受不同程度的腐蚀，该桥最后全部更换新拉索。作者与其他教师一道对此拉索失效的原因作检测分析，研究其腐蚀失效的原因。,6 钢材的腐蚀与防护,对坠落的拉索进行研究，钢丝的腐蚀程度由下而上逐渐增加，且与所灌注的水泥浆体的情况有明显的对应关系。由下到上划分为五个区段。,基本正常段,略有锈蚀段,较少锈蚀段,锈蚀一般段,锈蚀严重,拉索钢丝所受的腐蚀原因是所灌注的水泥浆体不凝结，产生电化学腐蚀；而水泥浆体所含的一定量的氯离子及钢丝在拉应力的作用下更加速了此锈蚀过程。,创新能力培养,钢结构建筑的防火防袭击,钢结构建筑有许多优点，与钢筋
42、混凝土相比，有更好的抗震、防腐、耐久、环保和节能效果；可实现构架的轻量化和构件的大型化，施工亦较为简便。但同时也存在不少缺点，其中较突出的一点是防火问题。美国纽约的世贸大厦为钢结构，2001年9月11日被恐怖分子袭击而倒塌（见右图），这给人们提出了钢结构防火、防袭击破坏的新课题。请谈谈你的意见。,创造性思维所要解决的问题一般是前所未有的，故用常规的办法一般难以解决。常需经过艰难的分析思索，在此阶段人们常会交替进行多种形式的创造性思维，如发散与集中、逻辑与非逻辑、正思维与逆思维等等。一些钢结构建筑原已考虑到防火问题，为此在钢材表面涂防火涂料层。但涂覆防火涂料并不保险，例如美国世贸大厦遇袭后短时间
43、即坍塌。解决此问题不应仅仅着眼于防火涂料的改进，从发散思维的角度还可考虑钢材本身的性能改进，如通过与无机非金属材料的复合，提高钢结构材料本身的防火等方面的能力。还可设想研究材料或结构本身的自灭火性能，或者考虑如何综合多因素选用土木工程材料，以增强重要建筑的防火、防袭的能力等。,常见问题及解答,8-1 为什么用材料的屈服点而不是其抗拉强度作为结构设计时取值的依据？解答：屈服强度和极限抗拉强度是衡量钢材强度的两个重要指标。极限抗拉强度是试件能承受最大应力。在结构设计中，要求构件在弹性变形范围内工作，即使少量的塑性变形也应力求避免，所以规定以钢材的屈服强度作为设计应力的依据。抗拉强度在结构设计中不能
44、完全利用，但屈服强度与抗拉强度之比（屈强比）却有一定的意义。屈强比越小，结构的安全性越高。,常见问题及解答,8-2 为什么将钢材的伸长率作为建筑用钢材的一个重要技术性能指标？解答：钢材在使用中，为避免正常受力时在缺陷处产生应力集中发生脆断，要求其塑性良好，即具有一定的伸长率，可以使缺陷处超过材料的屈服点时，随着发生塑性变形使应力重新分布，而避免钢材提早破坏。同时，常温下将钢材加工成一定形状，也要求钢材要具有一定塑性。但伸长率不能过大，否则会使钢材在使用中超过允许的变形值。,常见问题及解答,8-3 为何冷加工强化的钢材会有塑性降低、脆性增大的副作用？解答：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，晶格变形，构成滑移面的凹凸不平，从而给以后的变形造成较大的困难。所以其塑性降低、脆性增大。,
