土木工程材料(第3章 金属材料).ppt

　　金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属元素与某些非金属元素组成的合金的总称。 　　金属材料一般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，钢和铁都是铁碳合金。 　　有色金属是除黑色金属以外的其他金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金。 　　建筑工程上用的钢材包括各类钢结构用的型钢（如圆钢、角钢、槽钢和工字钢等）、钢板和钢筋混凝土用钢筋、钢丝等。 　　钢材强度高、品质均匀，具有一定的弹性和塑性变形能力，能够承受冲击、振动等荷载作用；钢材的加工性能良好，可以进行各种机械加工，可以通过切割、铆接或焊接等方式的连接，进行现场装配。 （1）转炉炼钢法 转炉炼钢法又分空气转炉炼钢法和氧气转炉炼钢法两种。 空气转炉法：由转炉底部或侧面吹入高压热空气至熔融状态的铁水中，铁水中的杂质与空气中的氧起氧化作用而被除去。 空气转炉法已淘汰，逐渐被氧气转炉法所取代。 氧气转炉法：以纯氧代替空气吹入炼钢炉内铁水中，克服了空气转炉法的一些缺点，能有效地除去磷、硫等杂质，使钢的质量显著提高，可以炼制优质的碳素钢和合金钢。 氧气转炉法是现代炼钢的主流方法。 （2）平炉炼钢法 平炉钢的冶炼：以固体或液体生铁、废钢铁或铁矿石作原料，用煤气或重油为燃料在平炉中加热冶炼，杂质靠铁矿石或废钢中的氧起氧化作用而除去。 平炉熔炼时间长，有利于化学成分的精确控制，杂质含量少，成品质量高，可用来炼制优质碳素钢、合金钢或有特殊要求的专用钢。缺点是能耗大、冶炼时间长、成本高。 （2）合金钢 低合金钢：合金元素总含量小于5% 。 中合金钢：合金元素总含量在5% ~ 10% 之间。 高合金钢：合金元素总含量在10% 以上。 镇静钢（Z）：浇铸时，钢液平静地冷却凝固，是脱氧较完全的钢。 镇静钢钢锭的组织致密度大，气泡少，偏析程度小，各种力学性能比沸腾钢优越，用于承受冲击荷载或其他重要结构。 代号为“Z”。 半镇静钢（b）：指脱氧程度和质量介于沸腾钢和镇静钢之间的钢。 其质量较好。 代号为“b”。 特殊镇静钢（TZ）：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好。 适用于特别重要的结构工程。 代号为“TZ”。 三．按照质量分类（有害杂质） 普通碳素钢：含硫量≤0.045% ~ 0.050% ；含磷量≤0.045% 。 优质碳素钢：含硫量≤0.035% ；含磷量≤0.035% 。 高级优质钢：含硫量≤0.025% ，高级优质钢的钢号后加“高”字或“A”；含磷量≤0.025%。 特级优质钢：含硫量≤0.015% ，特级优质钢后加“E”；含磷量≤0.025% 。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。 抗拉性能是建筑钢材的重要性能。由拉力试验测得的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材的重要技术指标。 建筑钢材的抗拉性能，见软钢受拉的应力~应变图（见图2.1）。 软钢拉伸发展的全过程可分为四个阶段： （Ⅰ）弹性阶段（Ⅱ）屈服阶段（Ⅲ）强化阶段（Ⅳ）颈缩阶段。每个阶段都各有其特点。 图2.1中的 B上点是这一阶段的最高点，称为屈服上限（σ s上）； B下点相应的应力称为屈服下限（σs下），又称屈服点或屈服强度，用σs表示。 伸长率δ 伸长率δ是衡量钢材塑性的一个指标，它的数值愈大，表示钢材塑性愈好。 伸长率与标距有关。通常钢材拉伸试验标距取l0= 10d0和 l0= 5 d0，伸长率分别以δ10和δ5表示。对同一钢材δ5大于δ10。 2．冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破坏的能力。是以试样缺口处单位横截面所吸收的功（J/cm2）来表示，即冲击韧性值，其符号为αk。 冲击韧性值αK：冲击吸收功除以试样缺口底部处横截面面积所得的商。单位为焦耳/厘米2（J/cm2）。即 αK= W/A 式中 A——试样缺口处的截面积，cm2。 W——冲击吸收功，具有一定形状和尺寸的金属试样，在冲击负荷作用下折断时所吸收的功。单位为焦耳（J）。 AK（或αK）值越大，表示冲断时所吸收的功愈多，钢材的冲击韧性愈好。 冲击韧性还随温度的降低而下降，其规律是开始下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很多而呈脆性，称为钢材的冷脆性。这时的温度称为脆性临界温度。它的数值愈低，钢材耐低温冲击性能愈好。 由于脆性临界温度的测定工作较复杂，规范中通常规定－20℃ 或－40℃ 的负温冲击值作为指标。 3．耐疲劳性 钢材在交变荷载反复多次作用下，可以在远低于抗拉强度的情况下突然破坏。这种破坏称为疲劳破坏。 一般把钢材在荷载交变107次时不破坏的最大应力定义为疲劳强度或疲劳极限。 4．硬度 钢材硬度系指比其更坚硬的其他种材料压入钢材表面的性能。测定硬度的方法很多，按压头和压力不同有布氏法和洛氏法。常用