第七章金属材料-n.ppt
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1、第 七 章,金属材料,本 章 内 容,1、钢材的基本知识:铁和钢的概念。 2、钢材的主要技术性质: 力学性质 工艺性能。 3、钢材的冷加工和热处理 4、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。 5、建筑钢材的防锈防火:钢的锈蚀、钢材防锈、防火的要点,第 一 节,建筑钢材,金属材料分类:,金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是以铁元素为主要成分的金属及其合金,钢、铁等。有色金属指黑色金属以外的金属。如铜、铝、铅、锌等。 钢是含炭量小于2%的铁碳和金。 作为建筑材料,钢材主要优点: 1、强度高 2、塑性好 3、品质均匀,性能可靠 4、韧性高、方便
2、加工 缺点是:易锈蚀,使用时须加防护,7.1.1、 钢的冶炼,按照炼钢炉的种类,炼钢方法可分为: 1. 空气转炉炼钢法 一般炼制普通碳素钢。 2 .氧气转炉炼钢法 炼制优质碳素钢和合金钢。 3 .平炉炼钢法 用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。 4.电炉炼钢法,7.1.2、钢的分类,1、按化学成分分 2.按用途分:分为建筑钢、结构钢、工具钢、特殊性能钢(如不锈钢、耐酸钢、耐碱钢、磁钢等。,3.按冶炼方法分 4.按质量分 按S和P元素含量,分为普通质量钢、优质钢和特殊质量钢。,7.2建筑钢材的主要技术性能,一、力学性能: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
3、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,(1) 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阶段:1、比例弹性阶段2、非比例弹性阶段 3、弹塑性阶段4、塑性阶段5、应变强化阶段6、颈缩变化阶段 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。 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。 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。屈强比一般在0.65-0.75之间 疲劳强度 受荷载反复作用 ,在应力远低
4、于屈服强度时,突然发生脆性断裂,往往造成灾难事故。,低碳钢拉伸试验,2、塑性(伸长率),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。 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% 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% 伸长率和断面收缩率的值越大,钢材的塑性越大,n=(L1-L0)/L0100%,=(F0-F1)/F0100%,问题: 钢材的伸长率与钢材中的含碳量有何关系?,答:伸长率反映钢材
5、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。,(3) 韧性,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。 以破坏试件时,单位面积上消耗的能量表示该材料的冲击韧性指标。 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。 对于重要的钢结构及使用时承受动荷载的构件,特别是处在低温条件下,要求钢材具有一定的冲击韧性。,BC-2摆锤冲击试验机,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
6、件,H0,H1,问题: 影响 钢材冲击韧性的因素有哪些?,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: 钢中的S、P等有害杂质含量; 成分偏析程度; 轧制与焊接质量; 钢的加工硬化与时效; 环境温度等。,(4) 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,二、工艺性能,1、冷弯性能 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; 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; 试
7、验方法:按一定的角与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。,钢材的冷弯试验,2、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,7.4钢材的冷加工与处理,1、冷加工处理,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。 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。 冷加工硬化原理: 钢材加工至塑
8、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,提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。 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。,2、钢材的时效强化时效 钢材随时间的延长,其强度、硬度提高,而塑性、冲击韧性降低的现象称为时效。 时效分为自然时效和人工时效两种。 自然时效是将其冷加工后,在常温下放置1520d; 人工时效是将冷加工后的钢材加热至100200保持2h以上。 经过时效处理后的钢材,其屈服强度、抗拉强度及硬度都将提高,而塑性和韧性降低。,热处理对钢材性质的影响
9、,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。 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。 热处理形式:退火(加热后保温冷却,细化晶粒、改善组织、降低硬度、提高塑性、消除组织缺陷和内应力、防止变形开裂)、正火(加热后空气中冷却,硬度强度较高,塑性减小)、淬火(加热后放入水中快速冷却,强度、硬度提高,塑性韧性显著降低)、回火(在相变温度下,保温后在空气中冷却,消除内应力,降低脆性,改善机械性能)等(上述工艺一般在工厂中进行)。,热处理对钢材性质的影响,退火(温度升高缓慢冷却)可降低钢的硬度,提高塑性和韧性,
10、消除加工处理中形成的缺陷和内应力; 正火(温度升高空气冷却)提高塑性和韧性,强度降低较小,使三者之间良好配合; 淬火(温度升高淬冷)提高钢材的硬度和耐磨性,但降低了塑性和韧性; 回火(淬火重新加热)消除淬火后钢材的内应力和脆性; 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。,7.5建筑用钢,一 碳素结构钢 (主要是碳元素起决定作用) 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
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