第七章金屬材料第7章金屬材料鐵元素為主要成分的金屬及合金。生鐵、鋼、合金鋼等

;其他金屬元素為主要成分的金屬及其合金。鋁合金、銅合金等黑色金屬有色金屬金屬材料特點：強度高，塑性、韌性好，易加工，易銹蝕，耐火性差7.1鋼的生產

鋼：鐵碳合金，鐵Fe為主要元素：碳C含量≤2.11％，雜質元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。生鐵：鐵碳合金，C含量高，約為2.11％～6.69％，并含較多雜質的。冶煉生鐵鋼生鐵中的碳氧化，降低含C量，除去雜質元素，降低其含量一、冶煉

根據煉鋼設備的不同，煉鋼方法有轉爐、平爐和電爐三種方法：三種主要煉鋼方法的特點爐種原料特點生產鋼種氧氣轉爐鐵水，廢鋼可有效除去磷、硫雜質少，碳素鋼

效率高，質量好低合金鋼電爐生鐵、廢鋼產量低、耗電大，雜質少合金鋼質量最好，成本高

優質碳素鋼平爐生鐵、廢鋼時間長，成分穩定碳素鋼質量較好、成本較高低合金鋼二、脫氧與鑄錠

沸騰鋼：碳、磷、硫等成分偏析嚴重，鋼致密程度、焊接性能、低溫下的沖擊韌性較差,但成本低，廣泛應用。(F)半鎮靜鋼：

脫氧程度與性能介于沸騰鋼和鎮靜鋼之間。(b)鎮靜鋼：

脫氧充分，成分均勻純凈、雜質少、組織致密；冷脆性和時效敏感性較低，疲勞強度和可焊性較好，但成本高，只適于承受沖擊和在或其他重要結構中。(Z)特殊鎮靜鋼：

脫氧很充分，晶粒細化，質量與性能比鎮靜鋼更好。(TZ)

問題：鋼材的脫氧程度對鋼材質量的影響？

答：脫氧程度不高的鋼材中還保留較多的FeO，在鋼材鑄錠時，碳與FeO反應生成CO氣泡，并有一部分殘留在鋼中，造成微裂縫和成分偏析，降低致密性、強度和可焊性，低溫下的韌性變差，冷脆性和時效敏感性增大等。脫氧程度排序：特殊鎮靜鋼＞鎮靜鋼＞半鎮靜鋼＞沸騰鋼鋼材性能與質量排序：特殊鎮靜鋼＞鎮靜鋼＞半鎮靜鋼＞沸騰鋼7.2鋼材的分類化學成分分類合金鋼碳素鋼低碳鋼：含碳量＜0.25%中碳鋼：含碳量0.25%~0.6%高碳鋼：含碳量＞0.6%低合金鋼：合金元素總量＜5%中合金鋼：合金元素總量5%~10%高合金鋼：合金元素10%按照用途分類（1）結構鋼。主要用作工程結構構件及機械零件的鋼。（2）工具鋼。主要用作各種量具、刀具及模具的鋼。（3）特殊鋼。具有特殊物理、化學或機械性能的鋼，如不銹鋼、耐酸鋼和耐熱鋼等。建筑上常用的是結構鋼。問題：土木工程中常用的鋼材有哪些？

答：土木工程中，使用的主要鋼種：碳素結構鋼；優質碳素結構鋼低合金結構鋼；常用鋼材：鋼結構用型鋼鋼筋混凝土結構用鋼筋與鋼絲。7.3鋼材的技術性能鋼材的力學性質鋼材的工藝性能一、鋼材的力學性質鋼材的力學性能，即是指鋼材在外力（載荷）作用時表現出來的性能，包括：強度、塑性、硬度、韌性和疲勞強度等。

拉伸壓縮彎曲剪切扭轉荷載形式(1)抗拉性能1)彈性階段2)屈服階段3)強化階段4)頸縮階段鋼材的拉伸試驗σeσsσb0σ

p

e

屈服現象強度鋼材抵抗塑性變形或斷裂的能力稱為其強度。強度指標根據其變形特點分下列幾個：

彈性極限（σe）表示鋼材保持彈性變形,不產生塑性變形的最大應力,是彈性零件的設計依據。屈服強度（

σs）

表示鋼材開始發生明顯塑性變形的抗力，是鋼結構設計的依據。條件屈服強度0.2對于屈服現象不明顯的硬鋼，則規定以產生殘余變形為0.2%時的應力。

強度極限(抗拉強度σb)表示金屬受拉時所能承受的最大應力。

鋼材在荷載作用下斷裂前產生永久變形的能力稱為鋼材的塑性,用伸長率來表示。

伸長率δ5和δ10：分別表示l0=5d0和l0=10d0時的伸長率。塑性問題：屈服現象的特征是什么？

答：其特征是：鋼材拉伸試驗過程中，應力不增加而塑性變形不斷增加。問題：

鋼材拉伸應力～應變曲線中p和e的意義？它們與鋼材中含碳量的關系？答：p和e分別表示鋼材拉伸過程中的塑性變形和彈性變形，當p較小時，鋼材呈脆性斷裂；當p較大時，鋼材呈韌性斷裂。因此，鋼材的含碳量越大，p越小，鋼材脆性越大；反之亦然。問題：

什么是屈強比，對選用鋼材有何意義？

答：屈服強度與極限強度是衡量鋼材強度的兩個重要指標，二者之比稱為屈強比s/b。

在應用中，s/b愈小，則反映鋼材的可靠性愈大，結構的安全性愈高。但這個比值過小，則鋼材的利用率低，不夠經濟；若屈強比較大，雖然鋼材的利用率較大，但強度的儲備過小，脆斷傾向較大，不夠安全。因此，屈強比最好在0.60~0.75，既安全又經濟。問題：

鋼材的伸長率與鋼材中的含碳量有何關系？

答：伸長率反映鋼材的塑性，伸長率越大，塑性越好。鋼材的塑性隨著含碳量增加而變差，因此，鋼材的伸長率隨著含碳量增加而減小。（二）沖擊韌性

定義：鋼材抵抗沖擊（動）荷載作用的能力，稱為沖擊韌性。測定：采用夏比V形缺口試件，用一次擺錘沖擊彎曲試驗來測定。表示方法：測得試樣沖擊吸收功,用符號Ak（J)表示。用沖擊吸收功除以試樣缺口處截面積S0,即得到材料的沖擊韌度

ak。影響因素：

ak（J/m2)值越大,表示沖斷時吸收的功越多，鋼材的沖擊韌性越好。隨溫度降低，鋼材由韌性斷裂轉變為脆性斷裂，使沖擊值降低的現象稱為冷脆性，與之對應的溫度稱為冷脆轉變溫度。沖擊試驗：

測量擺錘沖擊前后的能量差＝擺錘的高度差×擺錘的質量。再測量試件斷裂面積。擺錘試件H0H1問題：

鋼材的沖擊韌性的影響因素？

答：鋼材的沖擊韌性對鋼材內部的各種缺陷和環境溫度非常敏感，因此，沖擊韌性主要受下列因素影響：鋼中的S、P等有害雜質含量；成分偏析程度；軋制與焊接質量；鋼的加工硬化與時效；環境溫度等。（三）硬度

鋼材抵抗另一硬物體壓入其內的能力叫硬度，即受壓時抵抗局部塑性變形的能力。有布氏法和洛氏法兩種方法測定。洛氏硬度測量原理圖

布氏硬度測量原理圖

（四）疲勞強度

在交變應力（動荷載）作用下，雖然鋼構件所承受的應力低于材料的屈服點，但經過較長時間的工作而產生裂紋或突然發生完全斷裂的過程，稱為疲勞破壞。

材料承受的交變應力(σ)與材料斷裂前承受交變應力的循環次數(N)之間的關系可用疲勞曲線來表示。鋼材承受的交變應力越大,則斷裂時應力循環次數N越少。當應力低于一定值時,試樣可以經受無限次周期循環而不破壞,此應力值稱為材料的疲勞極限(亦叫疲勞強度)，用σ-1

表示。

問題：

鋼材的疲勞破壞過程怎樣？其疲勞強度與哪些因素有關？答：疲勞破壞過程包括在交變應力作用下，疲勞裂縫的產生→擴展→突然斷裂。其主要影響因素有：內部缺陷（晶界、微孔、夾雜物等）；成分偏析；過大的內應力，截面沿縱向的突變；表面狀態；受力的種類、應力循環特征值、循環次數等。二、鋼材的工藝性能

冷彎性能可焊性切削切工性能鍛造性能熱處理工藝性能

（一）冷彎性能定義：常溫下鋼材能承受較大的彎曲變形而不破壞的能力，衡量鋼材的冷塑性變形能力；評價指標：用不同彎曲角度和不同彎心半徑d相對于鋼材厚度a的比值（d/a）表示；試驗方法：按一定的角與d/a值進行冷彎，試件彎曲處的外拱面及兩個側面不出現裂縫和起層現象為合格。

P鋼材的冷彎試驗ad外拱面（二）可焊性

定義：鋼材在焊接后，焊頭聯結的牢固程度和硬脆傾向大小的性能；測量：將焊接的鋼材試件進行拉伸試驗，要求斷裂處不在焊接點上。影響因素：化學成分（含碳量、S、P和氣體雜質）；冶煉質量（鎮靜鋼）冷加工等。合格不合格鋼材的可焊性試驗焊接點斷裂點斷裂點7.4化學成分、熱處理、加工硬化與時效對鋼性質的影響

一、化學成分對鋼材性質的影響化學元素強度韌性塑性其他性能C增加降低降低焊接性能，增加冷脆性和時效傾向Si增加影響不大可焊性、冷加工性有所降低，提高抗腐蝕性Mn增加影響不大消減硫引起的熱脆性、提高耐磨性、降低焊接性P稍有增加顯著降低增大冷脆性，顯著降低焊接性，提高耐磨和耐蝕性S降低降低增大熱脆性，降低焊接性、耐腐蝕性和機械性能O降低降低降低機械性能，使焊接和冷彎性能變壞，增加熱脆性N提高降低降低焊接性、使冷彎性能變壞、加劇冷脆性與時效敏感性Ti提高改善降低提高焊接性和抗蝕性V提高改善減少冷脆性、降低焊接性二、熱處理對鋼材性質的影響

熱處理是將鋼材在一定介質中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。熱處理可大幅度地改善金屬材料的工藝性能和使用性能，絕大多數機械零件必須經過熱處理。熱處理形式：退火、正火、淬火、回火。

溫度727C等溫處理回火淬火正火退火時間鋼材的熱處理工藝熱處理對鋼材性質的影響

退火可降低鋼的硬度，提高塑性和韌性，消除加工處理中形成的缺陷和內應力；正火提高塑性和韌性，強度降低較小，使三者之間良好配合；淬火提高鋼材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韌性；回火消除淬火后鋼材的內應力和脆性；淬火和高溫回火的聯合處理稱為調質，可使鋼材既有較高的強度，又有良好的塑性和韌性。

三、加工硬化與時效對鋼材性質的影響

1、冷加工處理2、時效處理

1、冷加工處理將鋼材在其結晶溫度以下的塑性變形加工稱為冷加工，如在常溫下進行冷拉、冷拔、冷軋等冷加工處理。由于冷塑性變形引起強度增高而塑性和韌性降低的現象稱為加工硬化，或形變硬化。冷加工硬化原理：鋼材加工至塑性變形后，由于塑性變形區域內的晶粒產生相對滑移，使滑移面下的晶粒破碎，經格歪扭，構成滑移面的凹凸不平，從而給使用中的變形造成附加阻力，提高了鋼材對外力作用下重新滑移產生的抵抗力。加工硬化的效果：屈服強度提高塑性和韌性降低可焊形變壞硬脆傾向增加等。

鋼材的重復拉伸0σ

p

e

0’問題：

直接承受動荷載作用的焊接鋼結構是否能使用經冷加工的鋼材嗎？為什么？

答：不能。因為冷加工后鋼材的塑性和韌性大大降低，可焊性變差，增加了焊接后的硬脆傾向，為了防止鋼結構發生突然的脆性斷裂，所以不能采用。2、時效處理

將經過冷加工的鋼筋，在常溫下存放15~20天，或在100~120C保持一定時間，其強度進一步提高，彈性模量基本恢復，這個過程稱為時效處理。時效硬化原理：由于溶于鐵素體中的過飽和的氮和氧原子，隨著時間的增長慢慢地以Fe4N和FeO從鐵素體中析出，形成滲碳體分布于晶體的滑移面或晶界面上，阻礙晶粒的滑移，增加抵抗塑性變形的能力，從而使鋼材的強度和硬度增加、塑性和沖擊韌性降低。

時效處理鋼材產生實效的難易程度稱為時效敏感性，用時效敏感系數表示：

C值越大，時效敏感性越大。為了盡快取得強化效果，可將冷拉過的鋼筋加熱到100~200C保持2小時，以加速時效的發展，這種方法稱為人工實效。實際意義：承受動載或處于中溫的鋼結構，要求鋼材具有較小的時效敏感性。但對于建筑上用的鋼筋來說，可提高其屈服強度。

建筑鋼材主要有三大類：

鋼結構用鋼；鋼筋混凝土結構用鋼；其它用途用鋼。7.5建筑鋼材的標準與選用一、鋼結構用鋼

鋼結構用鋼有：碳素結構鋼優質結構鋼低合金結構鋼（一）碳素結構鋼

1、鋼的牌號：

根據國標GB700-2006，碳素結構鋼按照屈服強度分為Q195、Q215、Q235和Q275五個牌號，每個牌號又根據硫、磷等雜質含量分為A、B、C、D四個質量等級。牌號的順序：屈服強度字母Q、屈服強度數值、質量等級（A、B、C、D）、脫氧程度符號（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服強度為235MPa，A級沸騰（F）碳素結構鋼。

2、鋼牌號與性能的關系鋼牌號越大，鋼的含碳量增加，強度與硬度增高，塑性和韌性降低，可焊性變差。

碳素結構鋼3、選用原則：應根據鋼結構的工作條件、荷載類型、連接方式、環境溫度與介質的腐蝕情況等綜合因素選用。例如：

Q195和Q215號鋼強度較低，塑性和韌性較大，易彎加工，可用于鋼釘、螺栓、鐵絲等。Q235A使用于承受靜載作用的鋼結構；Q235B可用于承受動載焊接的普通鋼結構；Q235C可用于承受動載焊接的重要鋼結構；Q235D可用于低溫承受動荷載焊接的鋼結構。Q275強度較高，塑性和韌性較差，主要用于機械零件等。思考題：1、碳素結構鋼的牌號如何組成？2、鋼牌號如何反映鋼材的性能和質量？3、如何根據使用要求選用鋼材牌號？（二）優質碳素結構鋼

1、鋼的牌號用兩位數字表示，代表平均含碳量的萬分數，如含錳量較高時，在牌號后加注（Mn），再加脫氧程度。分普通含錳量鋼（0.35%~0.8%）和較高含錳量鋼（0.7%~1.2%）。如：45號鋼，表示含碳量為0.45%。2、選用：用于重要結構的鋼鑄件、高強度螺栓、預應力高強度結構等；（三）低合金結構鋼

1、牌號：依據GB/T1591-2008，共8個牌號，Q345、Q390、Q420….Q690。用Q+屈服強度值+質量等級（A、B、C、D、E）表示。2、組成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量≤0.2%。3、合金元素的作用：細化結晶，起到細晶強化作用，不僅可提高強度和硬度，還可一定程度上增加塑性和韌性。彌散強化作用，較硬微粒均勻分散在晶粒內部，阻礙晶粒滑移變形，大大提高鋼的強度和硬度。4、特性：強度和硬度高，有害雜質少，質量高且穩定，良好的塑性和韌性，適當的可焊性。5、應用：廣泛應用于鋼結構中，適合于大跨度結構、高層建筑和橋梁。問題：

與碳素鋼相比，低合金結構鋼有何特點？

答：由于低合金結構鋼中的合金元素的細晶強化和彌散強化作用，以及含碳量低，有害雜質少，質量較高且穩定，使得低合金結構鋼有以下特點：不但具有較高的屈服強度和抗拉強度，而且具有較好的塑性、韌性和適當的焊接性，耐低溫性較好，時效敏感性也較小。二、鋼筋混凝土結構用鋼

主要品種有：熱軋鋼筋；冷拉鋼筋；熱處理鋼筋；冷軋帶肋鋼筋；冷拔地毯鋼絲；預應力鋼絲與鋼絞線等。

（一）熱軋鋼筋

1、牌號：有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個級別，其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為帶了鋼筋，牌號為：HRB+屈服強度的最小值構成，Ⅰ級為光圓鋼筋，牌號為HPB235、HPB300；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級為熱軋帶肋鋼筋有HRB335、HRB400、HRB500三個牌號。

2、性能與用途：Ⅰ級鋼筋的強度不高，彈塑性和可焊性好，用作小型鋼筋混凝土的受力筋或構造筋，以及作為冷加工的原材料；Ⅱ、Ⅲ級強度高，塑性和可焊性也好，表面有肋紋，用于大中型鋼筋混凝土結構的受力筋。Ⅳ級鋼筋強度高，彈塑性和可焊性較差，可用作預應力鋼筋。

（二）冷軋帶肋鋼筋

1、牌號：由普通低碳鋼或低合金鋼熱軋的圓盤條經現場冷拉減徑和人工時效處理得到。分為CRB550、CRB650、CRB800、CRB970。經冷拉后鋼筋的力學性能應符合GB13788-2008的規定。2、應用：CRB550適用于普通混凝土結構中的受力筋；其他可用作預應力鋼筋。（三）預應力鋼筋混凝土用熱處理鋼筋

由熱軋帶肋鋼筋經淬火和高溫回火調質處理得到，代號RB150。牌號：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三種。不能冷拉和焊接。性能：抗拉強度不小于1350MPa，伸長率不小于6％。應符合GB4463的規定。用途：主要用于預應力混凝土梁、預應力混凝土軌枕和其他預應力混凝土結構。

（四）預應力混凝土用鋼絲與鋼絞線

1、預應力混凝土鋼絲使用牌號為60~80的優質碳素鋼盤條，經酸洗、冷拉或冷拉再回火等工藝制成，分冷拉鋼絲（L）和矯直回火鋼絲（J）兩種。為了增加握裹力，進行表面壓痕，形成刻痕鋼絲（JK）。2、特性：強度高、柔性好、無接頭，質量穩定，不需焊接。3、用途：大跨度橋梁、屋架、吊車梁、電桿、軌枕等預應力鋼筋。

7.6

鋼的腐蝕與防銹

一、鋼材的腐蝕

鋼材受到周圍介質的化學或電化學作用而逐漸破壞的現象稱為腐蝕。1、化學腐蝕由非電解質溶液或各種干燥氣體（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的純化學腐蝕，多數是氧化作用，在鋼材表面產生疏松的氧化物膜層。2、電化學腐蝕