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1、第第7章章 金属材料金属材料1.1第7章 金属材料 返回总目录返回总目录返回总目录返回总目录 第第7章章 金属材料金属材料1.2 钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类 钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能 钢的组织和化学成分对钢材性能的影响钢的组织和化学成分对钢材性能的影响 建筑钢材的锈蚀与防护建筑钢材的锈蚀与防护 建筑钢材的品种与选用建筑钢材的品种与选用 常用建筑钢材常用建筑钢材 铝合金及制品铝合金及制品 思考题思考题本章内容本章内容第第7章章 金属材料金属材料1.3 金属材料包括黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是指以铁元素为主要成分的金属材料包括黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是指
2、以铁元素为主要成分的金属及其合金，如钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、金属及其合金，如钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属，如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。土木工程中应用的金属材料主要有建筑钢材和铝合金两种。锌等金属及其合金。土木工程中应用的金属材料主要有建筑钢材和铝合金两种。建筑钢材是指用于工程建设的各种钢材，包括钢结构用的各种型钢建筑钢材是指用于工程建设的各种钢材，包括钢结构用的各种型钢(圆钢、角钢、圆钢、角钢、槽钢和工字钢槽钢和工字钢)；钢板；钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢铰线。除此之外，还；钢板；钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢铰线。除此之外，还包括用作门窗
3、和建筑五金等钢材。包括用作门窗和建筑五金等钢材。建筑钢材强度高、品质均匀，具有一定的弹性和塑性变形能力，能承受冲击振动建筑钢材强度高、品质均匀，具有一定的弹性和塑性变形能力，能承受冲击振动荷载。钢材还具有很好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，装配施荷载。钢材还具有很好的加工性能，可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割，装配施工方便。建筑钢材广泛用于大跨度结构、多层及高层建筑、受动力荷载结构和重型工方便。建筑钢材广泛用于大跨度结构、多层及高层建筑、受动力荷载结构和重型工业厂房结构，广泛用于钢筋混凝土之中，因此建筑钢材是最重要的建筑结构材料工业厂房结构，广泛用于钢筋混凝土之中，因此建筑钢材是
4、最重要的建筑结构材料之一。钢材的缺点是容易生锈，维护费用大，耐火性差。之一。钢材的缺点是容易生锈，维护费用大，耐火性差。铝合金近年来在建筑装修领域中，广泛用作门窗和室内装修外装饰，有优良的建铝合金近年来在建筑装修领域中，广泛用作门窗和室内装修外装饰，有优良的建筑功能及独特的装饰效果。铜、铝及其合金由于具有质量轻、可装配化生产等特点，筑功能及独特的装饰效果。铜、铝及其合金由于具有质量轻、可装配化生产等特点，在现代土木工程中的应用也很广泛。在现代土木工程中的应用也很广泛。第第7章章 金属材料金属材料1.4一、钢的冶炼一、钢的冶炼 钢和铁的主要成分都是铁和碳，用含碳量的多少加以区分，含碳量大于钢和铁
5、的主要成分都是铁和碳，用含碳量的多少加以区分，含碳量大于2.06%的为生铁，小于的为生铁，小于2.06%的为钢。的为钢。钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、焦炭和少量石灰石等在高温的钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、焦炭和少量石灰石等在高温的作用下进行还原反应和其他的化学反应，铁矿石中的氧化铁形成金属铁，作用下进行还原反应和其他的化学反应，铁矿石中的氧化铁形成金属铁，然后再吸收碳而成生铁。生铁的主要成分是铁，但含有较多的碳以及硫、然后再吸收碳而成生铁。生铁的主要成分是铁，但含有较多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质，杂质使得生铁的性质硬而脆，塑性很差，抗拉强度很磷、硅、锰等杂质，杂质使得生铁的性质
6、硬而脆，塑性很差，抗拉强度很低，使用受到很大限制。炼钢的目的就是通过冶炼将生铁中的含碳量降至低，使用受到很大限制。炼钢的目的就是通过冶炼将生铁中的含碳量降至2.06%以下，其他杂质含量降至一定的范围内，以显著改善其技术性能，以下，其他杂质含量降至一定的范围内，以显著改善其技术性能，提高质量。提高质量。钢的冶炼方法主要有氧气转炉法、电炉法和平炉法三种，不同的冶炼方钢的冶炼方法主要有氧气转炉法、电炉法和平炉法三种，不同的冶炼方法对钢材的质量有着不同的影响，如表法对钢材的质量有着不同的影响，如表7-1所示。目前，氧气转炉法已成为所示。目前，氧气转炉法已成为现代炼钢的主要方法，而平炉法则已基本被淘汰。
7、现代炼钢的主要方法，而平炉法则已基本被淘汰。钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类第第7章章 金属材料金属材料1.5第第7章章 金属材料金属材料1.6二、二、钢的分类钢的分类 钢的分类方法很多，目前的分类方法主要有下面几种。钢的分类方法很多，目前的分类方法主要有下面几种。1.按化学成分分类按化学成分分类 (1)碳素钢。碳素钢含碳量为碳素钢。碳素钢含碳量为0.02%2.06%，按含碳量又可分为低碳钢，按含碳量又可分为低碳钢(含碳量含碳量0.25%)、中碳钢、中碳钢(合碳量合碳量0.25%0.6%)、高碳钢、高碳钢(含碳量含碳量0.6%)。在建筑工程中，主要用的是低碳钢和中碳钢。在建筑工程中，主要用的是低碳
8、钢和中碳钢。(2)合金钢。合金钢可以分为低合金钢合金钢。合金钢可以分为低合金钢(合金元素总量合金元素总量5%)、中合金钢、中合金钢(合金元合金元素总量为素总量为5%l0%)、高合金钢、高合金钢(合金元素总量合金元素总量l0%)。建筑上常用低合金钢。建筑上常用低合金钢。2.按有害杂质含量分类按有害杂质含量分类 (1)普通钢。硫含量普通钢。硫含量0.050%，磷含量，磷含量0.045%。(2)优质钢。硫含量优质钢。硫含量0.035%，磷含量，磷含量0.035%。(3)高级优质钢。硫含量高级优质钢。硫含量0.025%，磷含量，磷含量0.025%。(4)特级优质钢。硫含量特级优质钢。硫含量0.025%
9、，磷含量，磷含量0.015%。建筑中常用普通钢，有时也用优质钢。建筑中常用普通钢，有时也用优质钢。钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类第第7章章 金属材料金属材料1.73.根据冶炼时脱氧程度分类根据冶炼时脱氧程度分类 (1)沸腾钢。炼钢时加入锰铁进行脱氧，脱氧很不完全，故称沸腾钢，代号为沸腾钢。炼钢时加入锰铁进行脱氧，脱氧很不完全，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，杂质和夹杂物多，硫、磷等杂质偏析较严重，故质。沸腾钢组织不够致密，杂质和夹杂物多，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但其生产成本低、产量高、可广泛用于一般的建筑工程。量较差。但其生产成本低、产量高、可广泛用于一般的建筑工程。(
10、2)镇静钢。炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧充分，这种钢镇静钢。炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧充分，这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，基本无水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，基本无CO气泡产生，故称镇静钢，代号气泡产生，故称镇静钢，代号为为“Z”(亦可省略不写亦可省略不写)。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。(3)特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，其质量最好。适用于特别特殊镇静钢。比镇静
11、钢脱氧程度更充分彻底的钢，其质量最好。适用于特别重要的结构工程，代号为重要的结构工程，代号为“TZ”(亦可省略不写亦可省略不写)。(4)半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“b”。4.根据用途分类根据用途分类 (1)结构钢。主要用作工程结构构件及机械零件的钢。结构钢。主要用作工程结构构件及机械零件的钢。(2)工具钢。主要用作各种量具、刀具及模具的钢。工具钢。主要用作各种量具、刀具及模具的钢。(3)特殊钢。具有特殊物理、化学或机械性能的钢，如不锈钢、耐酸钢和耐热钢特殊钢。具有特殊物理、化学或机械性能的
12、钢，如不锈钢、耐酸钢和耐热钢等。建筑上常用的是结构钢。等。建筑上常用的是结构钢。钢的冶炼与分类钢的冶炼与分类第第7章章 金属材料金属材料1.8 在土木工程中，掌握钢材的性能是合理选用钢材的基础。钢材的性能主要包括力在土木工程中，掌握钢材的性能是合理选用钢材的基础。钢材的性能主要包括力学性能学性能(抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等)和工艺性能和工艺性能(冷弯性能、焊接性冷弯性能、焊接性能和热处理性能等能和热处理性能等)两个方面。两个方面。一、一、力学性能力学性能 1.抗拉性能抗拉性能 抗拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉抗
13、拉性能是建筑钢材最主要的技术性能。通过拉伸试验可以测得屈服强度、抗拉强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。强度和伸长率，这些是钢材的重要技术性能指标。建筑钢材的抗拉性能可用低碳钢受拉时的应力建筑钢材的抗拉性能可用低碳钢受拉时的应力应变图应变图(如图如图7.1所示所示)来阐明。低来阐明。低碳钢从受拉至拉断，分为以下四个阶段。碳钢从受拉至拉断，分为以下四个阶段。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能图图图图7.1 7.1 低碳钢受拉时应力低碳钢受拉时应力低碳钢受拉时应力低碳钢受拉时应力-应变图应变图应变图应变图 第第7章章 金属材料金属材料1.9第第7章章 金属材料金属材料1.10
14、 抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值(即屈强比即屈强比)，能反映钢材，能反映钢材的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越的安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为安全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.580.63，合金钢为，合金钢为0.650.75。4)颈缩阶段颈缩阶段 CD为颈缩阶段。过为颈缩阶段。过C点后，材料变形迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断点后，材料变形
15、迅速增大，而应力反而下降。试件在拉断前，于薄弱处截面显著缩小，产生前，于薄弱处截面显著缩小，产生“颈缩现象颈缩现象”，直至断裂。，直至断裂。通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢通过拉伸试验，除能检测钢材屈服强度和抗拉强度等强度指标外，还能检测出钢材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的材的塑性。塑性表示钢材在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力，它是钢材的一个重要性指标。钢材塑性用伸长率或断面收缩率表示。一个重要性指标。钢材塑性用伸长率或断面收缩率表示。将拉断后的试件于断裂处对接在一起将拉断后的试件于断裂处对接在一起(如图如图7
16、.2所示所示)，测得其断后标距，测得其断后标距l1。试件拉断。试件拉断后标距的伸长量与原始标距后标距的伸长量与原始标距(l0)的百分比称为伸长率的百分比称为伸长率()。伸长率的计算公式如下：。伸长率的计算公式如下：(7.1)钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.11 钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。所以钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布是不均匀的，颈缩处的伸长较大。所以原始标距原始标距(l0)与直径与直径(d0)之比越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占的比例就越之比越大，颈缩处的伸长值在总伸长值中所占的比例就越小，计
17、算出的伸长率小，计算出的伸长率()也越小。通常钢材拉伸试件取也越小。通常钢材拉伸试件取l0=5d0或或l0=10d0，对应的伸，对应的伸长率分别记为长率分别记为 和和 ，对于同一钢材，对于同一钢材，。测定试件拉断处的截面积测定试件拉断处的截面积(A1)。试件拉断前后截面积的改变量与原始截面积。试件拉断前后截面积的改变量与原始截面积(A0)的百分比称为断面收缩率的百分比称为断面收缩率()。断面收缩率的计算公式如下：。断面收缩率的计算公式如下：(7.2)钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能图图图图7.2 7.2 钢材拉断前后的试件钢材拉断前后的试件钢材拉断前后的试件钢材拉断前后的试件第
18、第7章章 金属材料金属材料1.12第第7章章 金属材料金属材料1.132.冲击韧性冲击韧性 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。钢材的冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载作用的能力，用冲断试件所需能量的多少来表示。钢材的冲击韧性试验是采用中部加工有冲击韧性试验是采用中部加工有V型或型或U型缺口的标准弯曲试件，置于冲击机的支架上，试件型缺口的标准弯曲试件，置于冲击机的支架上，试件非切槽的一侧对准冲击摆，如图非切槽的一侧对准冲击摆，如图7.4所示。当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件所示。当冲击摆从一定高度自由落下将试件冲断时，试件吸收的能量等于冲击摆所作的功，
19、以缺口底部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标，吸收的能量等于冲击摆所作的功，以缺口底部处单位面积上所消耗的功，即为冲击韧性指标，冲击韧性计算公式如下：冲击韧性计算公式如下：(7.3)式中式中 k冲击韧性冲击韧性(J/cm2)。m摆锤质量摆锤质量(9.81m/s2)。A试件槽口处断面积试件槽口处断面积(cm2)。k 值越大，冲击韧性越好，即其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。值越大，冲击韧性越好，即其抵抗冲击作用的能力越强，脆性破坏的危险性越小。影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，脱氧不完全，存在化学偏析，含影响钢材冲击韧性的因素很多，当钢材内硫、磷的含量高，脱
20、氧不完全，存在化学偏析，含有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹，都会使钢材的冲击韧性显著下降。同时环境温度对钢有非金属夹杂物及焊接形成的微裂纹，都会使钢材的冲击韧性显著下降。同时环境温度对钢材的冲击韧性影响也很大。材的冲击韧性影响也很大。试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突试验表明，冲击韧性随温度的降低而下降，开始时下降缓慢，当达到一定温度范围时，突然下降很快而呈脆性。这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，如图然下降很快而呈脆性。这种性质称为钢材的冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，如图7.5所示。脆性转变温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。
21、因此，在负温下使用的结构，应当选所示。脆性转变温度越低，钢材的低温冲击韧性越好。因此，在负温下使用的结构，应当选用脆性转变温度低于使用温度的钢材。脆性临界温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温用脆性转变温度低于使用温度的钢材。脆性临界温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温条件规定条件规定-20或或-40的负温冲击值指标。的负温冲击值指标。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.14第第7章章 金属材料金属材料1.15 钢材的疲劳破坏是拉应力引起。首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹尖钢材的疲劳破坏是拉应力引起。首先在局部开始形成微细裂纹，其后由于裂纹
22、尖端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材的内部成分的偏析端处产生应力集中而使裂纹迅速扩展直至钢材断裂。因此，钢材的内部成分的偏析和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳和夹杂物的多少以及最大应力处的表面光洁程度、加工损伤等，都是影响钢材疲劳强度的因素。强度的因素。疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。在设计承受疲劳破坏经常突然发生，因而有很大的危险性，往往造成严重事故。在设计承受反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。反复荷载且须进行疲劳验算的结构时，应当了解所用钢材的疲劳强度。4.硬度硬度 钢材的硬
23、度是指其表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度的方法钢材的硬度是指其表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度的方法有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为有布氏法、洛氏法和维氏法等，建筑钢材常用布氏硬度表示，其代号为HB。布氏法的测定原理是利用直径为布氏法的测定原理是利用直径为D(mm)的淬火钢球，以荷载的淬火钢球，以荷载P(N)将其压入试件表面将其压入试件表面，经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为，经规定的持续时间后卸去荷载，得直径为d(mm)的压痕，以压痕表面积的压痕，以压痕表面积A(mm2)除荷载除荷载P，即得布氏硬度，即得布氏硬度(HB)值，此值
24、无量纲。图值，此值无量纲。图7.6是布氏硬度测定示意图。是布氏硬度测定示意图。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能图图图图7.6 7.6 布氏硬度测定示意图布氏硬度测定示意图布氏硬度测定示意图布氏硬度测定示意图 第第7章章 金属材料金属材料1.16 在测定前应根据试件厚度和估计的硬度范围，按试验方法的规定选定钢球直径、在测定前应根据试件厚度和估计的硬度范围，按试验方法的规定选定钢球直径、所加荷载及荷载持续时间。布氏法适用于所加荷载及荷载持续时间。布氏法适用于HB450的钢材，测定时所得压痕直径应的钢材，测定时所得压痕直径应在在0.25Dd450时，钢球时，钢球本身将发生较大变形，甚
25、至破坏，应采用洛氏法测定其硬度。布氏法比较准确，但本身将发生较大变形，甚至破坏，应采用洛氏法测定其硬度。布氏法比较准确，但压痕较大，不适宜用于成品检验，而洛氏法压痕小，它是以压头压入试件的深度来压痕较大，不适宜用于成品检验，而洛氏法压痕小，它是以压头压入试件的深度来表示硬度值的，常用于判断工件的热处理效果。表示硬度值的，常用于判断工件的热处理效果。材料的硬度是材料弹性、塑性、强度等性能的综合反映。实验证明，碳素钢的材料的硬度是材料弹性、塑性、强度等性能的综合反映。实验证明，碳素钢的HB值与其抗拉强度值与其抗拉强度 之间存在较好的相关关系，当之间存在较好的相关关系，当HB175时，时，3.5HB
26、。根据这些关系，可以在钢结构原位上测出钢材的。根据这些关系，可以在钢结构原位上测出钢材的HB值，来值，来估算钢材的抗拉强度。估算钢材的抗拉强度。二、工艺性能二、工艺性能 钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。冷弯、冷拉、冷拔及焊接钢材应具有良好的工艺性能，以满足施工工艺的要求。冷弯、冷拉、冷拔及焊接性能是建筑钢材的重要工艺性能。性能是建筑钢材的重要工艺性能。1.冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能是以试验时的冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度弯曲角度()和弯心直径和弯心直径(d)为指标表示，如图为指标
27、表示，如图7.7所示。所示。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.17第第7章章 金属材料金属材料1.183.冷加工性能及时效处理冷加工性能及时效处理 1)冷加工强化与时效处理的概念冷加工强化与时效处理的概念 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧，使之产生塑性变形，从而提高强度，但钢材的塑性和韧性会降低，这个过程称为冷加工强化处理。性和韧性会降低，这个过程称为冷加工强化处理。将经过冷拉的钢筋，于常温下存放将经过冷拉的钢筋，于常温下存放15d20d，或加热到，或加热到100200
28、并保持并保持2h3h后，则后，则钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。钢筋强度将进一步提高，这个过程称为时效处理。前者称为自然时效，后者称为人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则须采用人工时效。通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则须采用人工时效。对钢材进行冷加工强化与时效处理的目的是提高钢材的屈服强度，以便节约钢材。对钢材进行冷加工强化与时效处理的目的是提高钢材的屈服强度，以便节约钢材。2)常见冷加工方法常见冷加工方法 建筑工地或预制构件厂常用的冷加式方法是冷拉和冷拔。建筑工地或预制构件厂常用的冷加式方法是冷拉和
29、冷拔。(1)冷拉，将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉，拉伸至产生一定的塑性变形后，卸去荷载。冷拉，将热轧钢筋用冷拉设备进行张拉，拉伸至产生一定的塑性变形后，卸去荷载。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能图图图图7.7 7.7 钢材冷弯钢材冷弯钢材冷弯钢材冷弯第第7章章 金属材料金属材料1.19 冷拉参数的控制直接关系到冷拉效果和钢材质量。一般钢筋冷拉仅控制冷拉率，冷拉参数的控制直接关系到冷拉效果和钢材质量。一般钢筋冷拉仅控制冷拉率，称为单控，对用作预应力的钢筋，须采用双控，即既控制冷拉应力，又控制冷拉率。称为单控，对用作预应力的钢筋，须采用双控，即既控制冷拉应力，又控制冷拉率。冷拉时当拉
30、至控制应力时可以未达控制冷拉率，反之钢筋则应降级使用。冷拉时当拉至控制应力时可以未达控制冷拉率，反之钢筋则应降级使用。钢筋冷拉后，屈服强度可提高钢筋冷拉后，屈服强度可提高20%30%，可节约钢材，可节约钢材10%20%，钢材经冷拉，钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。后屈服阶段缩短，伸长率降低，材质变硬。(2)冷拔，将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在冷拔，将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。每次拉拔断面缩小应在10%以内。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用以内。钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用，因而冷拔的作用比
31、纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光滑，屈服强度可提高比纯冷拉作用强烈。经过一次或多次冷拔后的钢筋，表面光滑，屈服强度可提高40%60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。3)钢材冷加工强化与时效处理的机理钢材冷加工强化与时效处理的机理钢筋经冷拉、时效后的力学性能变化规律，可从其拉伸试验的应力钢筋经冷拉、时效后的力学性能变化规律，可从其拉伸试验的应力应变图得到反应变图得到反映映(如图如图7.8所示所示)。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能图图图图7.8 7.8 钢筋经冷拉时效后应力钢筋经冷拉时效后应力钢筋经冷拉时效后应力钢筋经冷拉时效
32、后应力-应变图的变化应变图的变化应变图的变化应变图的变化第第7章章 金属材料金属材料1.20 (1)图中图中OBCD曲线为未冷拉，其含义是将钢筋原材一次性拉断，而不是指不拉伸。曲线为未冷拉，其含义是将钢筋原材一次性拉断，而不是指不拉伸。此时，钢筋的屈服点为此时，钢筋的屈服点为B点。点。(2)图中图中OKCD曲线为冷拉无时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过曲线为冷拉无时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过抗拉强度抗拉强度(使之产生塑性变形使之产生塑性变形)的某一点的某一点K，卸去荷载，然后立即再将钢筋拉断。卸去荷，卸去荷载，然后立即再将钢筋拉断。卸去荷载后，钢筋的应力载后，
33、钢筋的应力-应变曲线沿应变曲线沿K O恢复部分变形恢复部分变形(弹性变形部分弹性变形部分)，保留，保留O O残余变形。残余变形。通过冷拉无时效处理，钢筋的屈服点升高至通过冷拉无时效处理，钢筋的屈服点升高至K点，以后的应力点，以后的应力应变关系与原来曲线应变关系与原来曲线KCD相似。这表明钢筋经冷拉后，屈服强度得到提高，抗拉强度和塑性与钢筋原材基相似。这表明钢筋经冷拉后，屈服强度得到提高，抗拉强度和塑性与钢筋原材基本相同。本相同。(3)图中图中OK1C1D1曲线为冷拉时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过曲线为冷拉时效，其含义是将钢筋原材拉伸至超过屈服点但不超过抗拉强度抗拉强度(使之产
34、生塑性变形使之产生塑性变形)的某一点的某一点K，卸去荷载，然后进行自然时效或人工时效，卸去荷载，然后进行自然时效或人工时效，再将钢筋拉断。通过冷拉时效处理，钢筋的屈服点升高至再将钢筋拉断。通过冷拉时效处理，钢筋的屈服点升高至K1点，以后的应力点，以后的应力应变关应变关系系K1C1D1比原来曲线比原来曲线KCD短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高，与钢短。这表明钢筋经冷拉时效后，屈服强度进一步提高，与钢筋原材相比，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则相应降低。筋原材相比，抗拉强度亦有所提高，塑性和韧性则相应降低。钢材冷加工强化的原因是钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生钢材
35、冷加工强化的原因是钢材经冷加工产生塑性变形后，塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶粒进相对滑移，导致滑移面下的晶粒破碎，晶格歪曲畸变，滑移面变得凹凸不平，对晶粒进一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高。同时，冷加一步滑移起阻碍作用，亦即提高了抵抗外力的能力，故屈服强度得以提高。同时，冷加工强化后的钢材，由于塑性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形工强化后的钢材，由于塑性变形后滑移面减少，从而使其塑性降低，脆性增大，且变形中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。中产生的内应力，使钢的弹性模量降低。钢
36、材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.21 钢材产生时效的主要原因是溶于钢材产生时效的主要原因是溶于-Fe中的碳、氮原子，本来就有向晶格缺陷处移动、中的碳、氮原子，本来就有向晶格缺陷处移动、集中甚至呈碳化物或氮化物析出的倾向，当钢材经冷加工产生塑性变形后，碳、氮原子集中甚至呈碳化物或氮化物析出的倾向，当钢材经冷加工产生塑性变形后，碳、氮原子的移动和集中大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成的移动和集中大为加快，这将使滑移面缺陷处碳、氮原子富集，使晶格畸变加剧，造成其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则降低，而弹性
37、模量则基本其滑移、变形更为困难，因而强度进一步提高，塑性和韧性则降低，而弹性模量则基本相同。相同。4.钢材的热处理钢材的热处理 热处理是将钢材在固态范围内按一定规则加热、保温和冷却，以改变其金相组织和显热处理是将钢材在固态范围内按一定规则加热、保温和冷却，以改变其金相组织和显微结构组织，从而获得所需性能的一种工艺过程。土木工程所用钢材一般在生产厂家进微结构组织，从而获得所需性能的一种工艺过程。土木工程所用钢材一般在生产厂家进行热处理并以热处理状态供应。在施工现场，有时需对焊接件进行热处理。行热处理并以热处理状态供应。在施工现场，有时需对焊接件进行热处理。钢材热处理的方法有以下几种。钢材热处理的
38、方法有以下几种。1)退火退火 是将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却是将钢材加热到一定温度，保温后缓慢冷却(随炉冷却随炉冷却)的一种热处理工艺，有低温退的一种热处理工艺，有低温退火和完全退火之分。低温退火的加热温度在基本组织转变温度以下；完全退火的加热温火和完全退火之分。低温退火的加热温度在基本组织转变温度以下；完全退火的加热温度在度在800850。其目的是细化晶粒，改善组织，减少加工中产生的缺陷、减轻晶格。其目的是细化晶粒，改善组织，减少加工中产生的缺陷、减轻晶格畸变，降低硬度，提高塑性，消除内应力，防止变形、开裂。畸变，降低硬度，提高塑性，消除内应力，防止变形、开裂。2)正火正火 是退火的
39、一种特例。正火在空气中冷却，两者仅冷却速度不同。与退火相比，正火后是退火的一种特例。正火在空气中冷却，两者仅冷却速度不同。与退火相比，正火后钢材的硬度、强度较高，而塑性减小。其目的是消除组织缺陷等。钢材的硬度、强度较高，而塑性减小。其目的是消除组织缺陷等。钢材的力学性能与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.223)淬火淬火 是将钢材加热到基本组织转变温度以上是将钢材加热到基本组织转变温度以上(一般为一般为900以上以上)，保温使组织完全转，保温使组织完全转变，即放入水或油等冷却介质中快速冷却，使之转变为不稳定组织的一种热处理操变，即放入水或油等冷却介质中快速冷却，使
40、之转变为不稳定组织的一种热处理操作。其目的是得到高强度、高硬度的组织。淬火会使钢材的塑性和韧性显著降低。作。其目的是得到高强度、高硬度的组织。淬火会使钢材的塑性和韧性显著降低。4)回火回火 是将钢材加热到基本组织转变温度以下是将钢材加热到基本组织转变温度以下(150650内选定内选定)，保温后在空气，保温后在空气中冷却的一种热处理工艺，通常和淬火是两道相连的热处理过程。其目的是促进不中冷却的一种热处理工艺，通常和淬火是两道相连的热处理过程。其目的是促进不稳定组织转变为需要的组织，消除淬火产生的内应力，改善机械性能等。稳定组织转变为需要的组织，消除淬火产生的内应力，改善机械性能等。钢材的力学性能
41、与工艺性能钢材的力学性能与工艺性能第第7章章 金属材料金属材料1.23第第7章章 金属材料金属材料1.24表表7-2 钢的基本组织及其性能钢的基本组织及其性能钢的组织和化学成分对钢材性能的影响钢的组织和化学成分对钢材性能的影响C溶于C溶于组织名称含碳量(%)结构特征性 能铁素体0.02-Fe中的固溶体强度、硬度很低，塑性好，冲击韧性很好奥氏体0.8-Fe中的固溶体强度、硬度不高，塑性大渗碳体6.67化合物Fe3C抗拉强度很低，硬脆，很耐磨，塑性几乎为零珠光体0.8铁素体与的机械混合物强度较高，塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间二、二、钢的化学成分对钢材性能的影响钢的化学成分对钢材性能的影响 钢的
42、化学成分对钢材性能的影响如表钢的化学成分对钢材性能的影响如表7-3所示。所示。第第7章章 金属材料金属材料1.25表表7-3 钢的化学成分对钢材性能的影响钢的化学成分对钢材性能的影响钢的组织和化学成分对钢材性能的影响钢的组织和化学成分对钢材性能的影响化学成分化学成分对钢材性能的影响备 注碳(C)含碳量在0.8%以下时，随含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性降低；但当含碳量大于1.0%时，随含碳量增加，钢的强度反而下降。含碳量增加，钢的焊接性能变差，尤其当含碳量大于0.3%时，钢的可焊性显著降低建筑钢材的含碳量不可过高，但是在用途上允许时，可用含碳量较高的钢，最高可达0.6%硅(Si)硅
43、含量在1.0%以下时，可提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性，对塑性和韧性影响不大，但可焊性和冷加工性能有所影响。硅可作为合金元素，用以提高合金钢的强度硅是有益元素，通常碳素钢中硅含量小于0.3%，低合金钢含硅量小于1.8%锰(Mn)锰可提高钢材的强度、硬度及耐磨性。能消减硫和氧引起的热脆性，改善钢材的热工性能。锰可作为合金元素，提高钢材的强度锰是有益元素，通常锰含量在1%2%硫(S)硫引起钢材的“热脆性”，会降低钢材的各种机械性能，使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低硫是有害元素，建筑钢材的含硫量应尽可能减少，一般要求含硫量小于0.045%磷(P)磷引起钢材的“冷脆性”
44、，磷含量提高，钢材的强度、硬度、耐磨性和耐蚀性提高，塑性、韧性和可焊性显著下降磷是有害元素，建筑用钢要求含磷量小于0.045%氧(O)含氧量增加，使钢材的机械强度降低、塑性和韧性降低，促进时效，还能使热脆性增加，焊接性能变差氧是有害元素，建筑钢材的含氧量应尽可能减少，一般要求含氧量小于0.03%氮(N)氮使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮会加剧钢的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差。但在铝、铌、钒等元素的配合下，可细化晶粒，改善钢的性能，故可作为合金元素。建筑钢材的含氮量应尽可能减少，一般要求含氮量小于0.008%第第7章章 金属材料金属材料1.26一、钢材锈蚀机理一、钢材锈蚀机理 钢
45、材的锈蚀是指钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。根据钢材与环境介质作钢材的锈蚀是指钢材表面与周围介质发生作用而引起破坏的现象。根据钢材与环境介质作用的机理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。用的机理，腐蚀可分为化学锈蚀和电化学锈蚀。1.化学锈蚀化学锈蚀 化学锈蚀是指钢材与周围介质化学锈蚀是指钢材与周围介质(如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等如氧气、二氧化碳、二氧化硫和水等)发生化学反应，生成发生化学反应，生成疏松的氧化物而产生的锈蚀。一般情况下，是钢材表面疏松的氧化物而产生的锈蚀。一般情况下，是钢材表面FeO保护膜被氧化成黑色的保护膜被氧化成黑色的Fe3O4。在常温下，钢材表面能形成在常温
46、下，钢材表面能形成FeO保护膜，可以防止钢材进一步锈蚀。所以，在干燥环境中化保护膜，可以防止钢材进一步锈蚀。所以，在干燥环境中化学锈蚀速度缓慢，但在温度和湿度较大的情况下，这种锈蚀进展加快。学锈蚀速度缓慢，但在温度和湿度较大的情况下，这种锈蚀进展加快。2.电化学锈蚀电化学锈蚀 电化学锈蚀是指钢材与电解溶液接触而产生电流，形成原电池而引起的锈蚀。电化学锈蚀电化学锈蚀是指钢材与电解溶液接触而产生电流，形成原电池而引起的锈蚀。电化学锈蚀是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，是建筑钢材在存放和使用中发生锈蚀的主要形式。钢材由不同的晶体组织构成，并含有杂质，由
47、于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液存在时，形成许多微电池。电化学锈蚀过程由于这些成分的电极电位不同，当有电解质溶液存在时，形成许多微电池。电化学锈蚀过程如下：如下：阳极：阳极：Fe=Fe2+2e 阴极：阴极：H2O+1/2O2=2OH-2e 总反应式：总反应式：Fe2+2OH-=Fe(OH)2 Fe(OH)2不溶于水，但易被氧化：不溶于水，但易被氧化：2Fe(OH)2+H2O+1/2O2=2Fe(OH)3(红棕色铁锈红棕色铁锈)，该氧，该氧化过程会发生体积膨胀。化过程会发生体积膨胀。建筑钢材的锈蚀与防护建筑钢材的锈蚀与防护第第7章章 金属材料金属材料1.27第第7章章 金属材料金属材料1
48、.28 综上所述，对于普通混凝土、轻骨料混凝土和粉煤灰混凝土，为了防止钢筋锈蚀，应综上所述，对于普通混凝土、轻骨料混凝土和粉煤灰混凝土，为了防止钢筋锈蚀，应保证混凝土的密实度以及钢筋保护层的厚度。在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水保证混凝土的密实度以及钢筋保护层的厚度。在二氧化碳浓度高的工业区采用硅酸盐水泥或普通水泥，限制含氯盐外加剂的掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂泥或普通水泥，限制含氯盐外加剂的掺量并使用混凝土用钢筋防锈剂(如亚硝酸钠如亚硝酸钠)。预。预应力混凝土应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂。对于加气混凝土等可以在钢筋表面涂环应力混凝土应禁止使用含氯盐的骨料和外加剂。对于加气混凝土等可以在
49、钢筋表面涂环氧树脂或镀锌等方法来防止。氧树脂或镀锌等方法来防止。三、三、钢材锈蚀的防止钢材锈蚀的防止 1.表面刷漆表面刷漆 表面刷漆是钢结构防止锈蚀的常用方法。刷漆通常有底漆、中间漆和面漆三道。底漆表面刷漆是钢结构防止锈蚀的常用方法。刷漆通常有底漆、中间漆和面漆三道。底漆要求有较好的附着力和防锈能力，常用的有红丹、环氧富锌漆、云母氧化铁和铁红环氧要求有较好的附着力和防锈能力，常用的有红丹、环氧富锌漆、云母氧化铁和铁红环氧底漆等。中间漆为防锈漆，常用的有红丹、铁红等。面漆要求有较好的牢度和耐候性能底漆等。中间漆为防锈漆，常用的有红丹、铁红等。面漆要求有较好的牢度和耐候性能保护底漆不受损伤或风化，
50、常用的有灰铅、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。保护底漆不受损伤或风化，常用的有灰铅、醇酸磁漆和酚醛磁漆等。钢材表面涂刷漆时，一般为一道底漆、一道中间漆和两道面漆。要求高时可增加一道中钢材表面涂刷漆时，一般为一道底漆、一道中间漆和两道面漆。要求高时可增加一道中间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈，注意底漆、中间漆和面漆的间漆或面漆。使用防锈涂料时，应注意钢构件表面的除锈，注意底漆、中间漆和面漆的匹配。匹配。2.表面镀金属表面镀金属 用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材的表面，提高钢材的耐腐蚀能用耐腐蚀性好的金属，以电镀或喷镀的方法覆盖在钢材的表面，提高钢材的耐腐蚀能力。常用的方法