8 金属材料（课件）-《建筑材料》同步教学（高教版第三版）

第8章 金属材料 本章内容 第一节 建筑钢材 第二节 铝材及铝合金 第一节 建筑钢材 建筑钢材——是指用于钢结构的各种型钢（如圆钢、角钢、工字钢、管钢等）和用于钢筋混凝土的钢筋、钢丝、钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等。 建筑钢材的特点 优点：抗拉强度高、塑性和韧性好 能承受冲击和振动荷载 易于加工成板材、型材和线材 良好的焊接和铆接性能 缺点：易锈蚀、维护费用高 耐火性差 生产能耗大 4 建筑钢材的应用 大跨度结构 多层及高层结构 受动荷载作用的工业厂房 5 钢结构厂房 6 钢结构桥梁 7 国家体育场“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场。 “鸟巢”是一个大跨度的曲线结构，以巨大的钢网围合、覆盖着9.1万人的体育场，采用了当今先进的建筑科技，其中，钢结构是世界上独一无二的。“鸟巢”钢结构总重4.2万吨，最大跨度343米，结构相当复杂，为国内外特有建筑。 一、钢材的冶炼和分类 钢材 的冶炼 钢是由生铁冶炼而成的。钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在2%以下，而生铁的含碳量大于2%。另外钢中的杂质含量也少于生铁。 钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。 　　 根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢、电炉炼钢三种。 (1) 平炉炼钢 它以熔融状或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料。利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。可用于炼制优质碳素钢和合金钢等。 (2) 氧气转炉炼钢 以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短(20~40min)，生产效率高，所以氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。 (3) 电炉炼钢 以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。 钢材的分类 1. 按化学成分分类 （１）碳素钢。碳素钢的化学成分主要是铁，其次是碳，故也称铁一碳合金。其含碳量为0.02％～2.06％。此外尚含有极少量的硅、锰和微量的硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为： 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。是指在炼钢过程中，有意识地加入一种或多种能改善钢材性能的合金元素而制得的钢种。常用合金元素有：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。按合金元素总含量的不同，合金钢可分为： 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％） 2、根据脱氧程度的不同分类 （１）沸腾钢。炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢。 沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。 （２）镇静钢。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模冷却凝固，故称镇静钢。 镇静钢成本较高，但组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。 3、按品质分类 根据硫、磷有害杂质的含量不同，钢材分为普通钢、优质钢和高级优质钢等 4、按用途分类 钢材分为结构钢、工具钢和特殊钢。 二、钢材的性质 抗拉性能 由低碳钢在拉伸过程中形成的应力(σ)-应变(ε)关系图可知，低碳钢受拉过程可划分为以下4个阶段。 弹性阶段(O—A) 屈服阶段(A—B) 强化阶段(B—C) 颈缩阶段(C—D) 低碳钢受拉的应力-应变图 (1) 弹性阶段(O—A) 　 在OA范围内应力与应变成正比例关系，如果卸去外力，试件则恢复原来的形状，这个阶段称为弹性阶段。 　 弹性阶段的最高点A所对应的应力值称为弹性极限σp。当应力稍低于A点时，应力与应变呈线性正比例关系，其斜率称为弹性模量。 (2)屈服阶段(A—B) 　 当应力超过弹性极限σp后，应力和应变不再成正比关系，应力在B上至B下小范围内波动，而应变迅速增长。在σ-ε关系图上出现了一个接近水平的线段。如果卸去外力已出现塑性变形，AB称为屈服阶段。B下所对应的应力值称为屈服极限σs。 (3)强化阶段(B—C)