高等学校土建类专业应用型本科十二五规划教材.ppt
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1、高等学校土建类专业应用型本科“十二五”规划教材,土木工程材料(第2版),主编:刘斌 徐珍,金属材料,金属材料:黑色金属和有色金属 黑色金属:碳素钢(碳素结构钢、碳素工具钢、铸造碳钢);合金钢(合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢、铸造合金钢);铸铁(灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁) 有色金属:铜及其合金(纯铜、黄铜、白铜、青铜);铝及其合金(纯铝、变形铝合金、铸造铝合金);轴承合金(锡基轴承合金、铅基轴承合金、铝基轴承合金)钛及其合金 建筑钢材在土木工程中的应用 型钢结构 现代建筑结构,金属材料,7.1钢材的生产和分类 碳钢(steals)和生铁(cast irons)都是以铁元素为溶剂
2、,加入适量碳元素,经冶炼结晶而成的多元铁碳合金。理论上将含碳量在2.11%以下的铁碳合金称为碳钢,含碳量在2.11%6.67%的铁碳合金称为生铁。 7.2钢材的冶炼和生产,金属材料,金属材料,7.2.1钢的三种铸锭 经冶炼后的钢水浇入锭模,形成柱状钢锭的工艺过程称为铸锭。钢水在浇注前必须进行脱氧处理。其方法是在钢水中加入锰铁、硅铁和铝锭等脱氧剂。,金属材料,沸腾钢 大部分气体逸出,少量气体凝固并被封闭在钢锭内部,形成许多小气泡而形成疏松现象。这就使得钢的成分不均匀,组织不够致密,冲击韧性较差(特别是低温下的冲击韧性、焊接性差),从而质量较差。这类钢锭不产生缩孔,切头浪费小,成本低。 镇静钢 浇
3、注前用锰铁、硅铁和铝联合实现充分脱氧,钢水在锭模内平静地结晶。该类钢化学成分均匀,内部组织致密,冲击韧性良好,质量较高。 半镇静钢 半镇静钢的脱氧程度、内部组织、力学性能介于沸腾钢和镇静钢之间。,金属材料,7.2.2钢材的分类 按化学成分分类 (1) 碳素钢 低碳钢含碳量小于0.25%; 中碳钢含碳量为0.25%0.60%; 高碳钢含碳量大于0.60%。 (2) 合金钢 低合金钢合金元素总含量小于5%; 中合金钢合金元素总含量为5%10%; 高合金钢合金元素总含量大于10%。,金属材料,按质量(硫、磷含量)分类 普通钢:含硫量0.050%,含磷量0.045%; 优质钢:含硫量0.035%,含磷
4、量0.035%; 高级优质钢:含硫量0.025%,含磷量0.025%,该类钢的钢号后面常加“高”字或“A”以示之; 特级优质钢:含硫量0.015%,含磷量0.025%,该类钢号后加“E”以示之。 按冶炼钢水浇注时的脱氧程度分类 沸腾钢:其代号为“F”; 镇静钢:其代号为“Z”,钢号后一般不写; 半镇静钢:其代号为“b”; 特殊镇静钢:脱氧更充分彻底,其代号为“TZ”;,金属材料,按钢材形状特征不同分类 建筑钢材的加工有冷加工与热加工两种方法:对于建筑钢材的热加工,主要是热轧和热处理;对于建筑钢材的冷加工,主要是冷轧、冷拉拔等加工。 根据钢材形状特征不同,可归纳为型材、线材、板材、带材、管材及其
5、他特殊钢材等品种。 (1) 型钢,金属材料,(2) 板带钢 中厚度 薄板 极薄带材(卷材) (3) 钢管,金属材料,(4) 生产工艺简介 热轧型钢生产,金属材料, 冷弯型钢生产 线材生产 一般把直径5.522 mm细长的热轧圆钢叫做线材,是热轧型材中断面最小的一种。大多为成卷交货,故又称盘条。 拉拔生产 一般热轧线材的最小直径为5.5 mm。当金属丝、细管材,以及包括一些异型材的直径小于5.5 mm时,就不可能轧制了。,金属材料,金属材料,金属材料,金属材料, 挤压生产方法 挤压不仅能生产简单的管材和型材,还可以生产用轧制等方法不能生产的形状极为复杂的管材和型材。,金属材料,7.3建筑钢材的技
6、术性能 建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢(圆钢、角钢、工字钢、槽钢、H钢)、钢板; 静载荷指大小不变或变化很慢的载荷; 冲击载荷指突然增加的载荷,特点是有速度和大小; 疲劳载荷指经受周期性或非周期性的动载荷(又称循环载荷)。,金属材料,7.3.1抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最重要的性能。,金属材料,通过该关系曲线分析后可得两个结果:一是低碳钢从受拉到断裂时测得钢材的三个重要技术指标即为屈服强度、抗拉强度和塑性(伸长率、断面收缩率);二是低碳钢从受拉伸到断裂过程中,经历了四个阶段: (1) 弹性阶段(Oe) (2) 屈服阶段(es) (3) 强化阶段(sb)均匀塑性变形阶段 (4) 颈缩阶段(b
7、D),金属材料,7.3.2冲击韧性 钢材抵抗冲击载荷作用而 不破坏的能力称为冲击韧 性(impact toughness)。,金属材料,7.3.2.1大能量一次摆锤冲击试验 (1) 冲击试样 根据国家标准GB/T 2291994规定,常用的试样有V型缺口和U型缺口试样,其尺寸为10 mm10 mm55 mm,金属材料,(2) 冲击试验的原理及方法 冲击试验是利用能量守恒原理:试样被冲断过程中吸收的能量等于摆锤冲击试样前后的势能差。 AK=GH1-GH2=G(H1-H2),金属材料,(3) 影响钢材冲击韧性的因素 钢材的化学成分、组织状态、晶粒大小 钢材中磷、硫含量高,存在偏析、非金属夹杂物、晶
8、粒粗大,都会使冲击韧性下降。 钢材的冶炼和加工 钢材在冶炼或加工过程中产生了非金属夹杂,或因焊接形成的微裂纹等都会使冲击韧性值下降。 温度t() 冲击韧性随温度的降低而下降。,金属材料,金属材料,7.3.2.2小能量多次冲击试验 实践表明,一次冲击韧度高的材料,小能量多次冲击抗力不一定高,如大功率柴油机曲轴是用孕育铸铁制成的,它的冲击韧度接近于零,而在长期使用中未发生断裂。因此,需要采用小能量多次冲击试验来检验这类金属的抗冲击性能。,金属材料,7.3.3耐疲劳性能 在交变应力(随时间作周期性变化的应力,又叫循环应力)作用下的钢结构件,往往在其应力远低于屈服强度的情况下突然发生脆性破坏,这种破坏
9、称为疲劳破坏。,金属材料,7.3.4硬度 材料抵抗局部变形,特别是 塑性变形、压痕或划痕的能力称 为硬度(hardness)。测试钢材硬度 常用的方法有布氏法和洛氏法两种。 7.3.4.1布氏硬度 (1) 布氏硬度的测试原理,金属材料,(2) 布氏硬度的表示方法 习惯上只写明硬度的数值而不标单位。 当试验的压头为淬硬钢球时,其硬度符号用HBS表示;当试验压头为硬质合金球时,其硬度符号用HBW表示。 (3) 应用范围及优缺点 其优点是测量精度高,能较真实地反映出金属材料的平均性能,工程上应用广泛。缺点是操作时间较长,不宜测试薄壁构件或成品。,金属材料,7.3.4.2洛氏硬度 洛氏硬度(hardn
10、ess)试验原理,金属材料,7.3.5工艺性能 (1)冷弯性能 冷弯(bending)性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是钢材重要的工艺性能指标。 (2)焊接性能 常用建筑钢材的焊接 低碳钢的焊接性 低合金高强度结构钢的焊接性 奥氏体不锈钢的焊接性,金属材料,7.4钢的化学成分及其对钢材性能的影响 7.4.1钢的晶体结构与组织,金属材料,7.4.1.1铁元素的同素异构转变,金属材料,7.4.1.2钢材的基本晶体结构与组织,金属材料,金属材料,7.4.1.3钢中基本组织含量与含碳量的关系 当含碳量在0.77%以下时,其基本 组织为铁素体和珠光 体,随含 碳量 增加,珠光 体量亦增加,铁素
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