金属材料建筑材料(第版)课件.ppt
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1、本章内容l 第一节第一节 建筑钢材建筑钢材l 第二节第二节 铝材及铝合金铝材及铝合金第一节第一节 建筑钢材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
2、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、钢材的冶炼和分类一、钢材的冶炼和分类钢材钢材 的冶炼的冶炼 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
3、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(2040min),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。钢材的分类钢材的分类1.按化学成分分类 ()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0.022.06。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)
4、、中碳钢(含碳量为0.250.60)高碳钢(含碳量大于0.60)()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)中合金钢(合金元素总含量为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 ()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
5、工程。()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、钢材的性质二、钢材的性质抗拉性能抗拉性能 由低碳钢在拉伸过程中形成的应力()-应变()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(OA)屈服阶段(AB)强化阶段(BC)颈缩阶段(CD)低碳钢受拉的应力-应变图(1)弹性阶段
6、(OA)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p。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(AB)当应力超过弹性极限p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-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s。(3)强化阶段(BC)当应力超过屈服强度后,由于钢材内部组织产生晶格扭曲、晶粒破碎等原因,阻止了塑性变形的进一步发展,钢材抵抗外力的能力重新提高。
7、在-关系图上形成BC段的上升曲线,这一过程称为强化阶段。对应于最高点C的应力称为抗拉强度,用b表示,它是钢材所能承受的最大应力。屈服强度与抗拉强度之比(屈强比)sb是评价钢材使用可靠性的一个参数。屈强比愈小,钢材受力超过屈服点工作时的可靠性越大,安全性越高,但是,屈强比太小,钢材强度的利用率偏低,浪费材料。(4)颈缩阶段(CD)当应力达到抗拉强度b后,在试件薄弱处的断面将显著缩小,塑性变形急剧增加,产生“颈缩”现象并很快断裂。将断裂后的试件拼合起来,量出标距两端点间的距离,按下式计算出伸长率:100100%LLL 冲击韧性指钢材抵抗冲击荷载的能力。它是用试验机摆锤冲击带有V形缺口的标准试件的背
8、面,将其折断后试件单位截面积上所消耗的功,作为钢材的冲击韧性指标,以k表示(J/cm2)。k值越大,表明钢材的冲击韧性愈好。影响钢材冲击韧性的因素很多,钢的化学成分、组织状态,以及冶炼、轧制质量都会影响冲击韧性。冲击韧性冲击韧性冲击韧性试验图(a)试件尺寸;(b)试验装置;(c)试验机 硬度是指钢材抵抗较硬物体压入产生局部变形的能力。测定钢材硬度常用布氏法。布氏法是用一直径为D的硬质钢球,在荷载P(N)的作用下压入试件表面,经规定的时间后卸去荷载,用读数放大镜测出压痕直径d,以压痕表面积(mm2)除荷载P,即为布氏硬度值HB。HB值越大,表示钢材越硬。硬度硬度钢材在交变应力的反复作用下,往往在
9、应力远小于其抗拉强度时就发生破坏,这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限来表示,它是指疲劳试验时试件在交变应力作用下,于规定周期基数内不发生断裂所能承受的最大应力。一般认为,钢材的疲劳破坏是由拉应力引起的,抗拉强度高,其疲劳极限也较高。钢材的疲劳极限与其内部组织和表面质量有关。疲劳强度疲劳强度冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标是用弯曲角度和弯心直径对试件厚度(直径)的比值来衡量的。试验时采用的弯曲角度愈大,弯心直径对试件厚度(直径)的比值愈小,表示对冷弯性能的要求愈高。钢材的冷弯性能和伸长率都是塑性变形能力的反映。冷弯性能冷弯性
10、能钢材冷弯(a)试样安装;(b)弯曲90;(c)弯曲180;(d)弯曲至两面重合;(e)规定弯心(1)碳是决定钢材性能的主要元素。随着含碳量的增加,钢的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。但当含碳量大于1.0%时,由于钢材变脆,强度反而下降。三、钢的化学成分对钢材性能的影响三、钢的化学成分对钢材性能的影响含碳量对热轧碳素钢性质的影响 b抗拉强度;k冲击韧性;HB硬度;伸长率;面积缩减率 (2)硅、锰 加入硅和锰可以与钢中有害成分FeO和FeS分别形成SiO2、MnO和MnS而进入钢渣排出,起到脱氧、降硫的作用。(3)硫、磷 硫不溶于铁而以FeS的形式存在,FeS和Fe形成低熔点的共晶体。当钢材温度
11、升至1000以上进行热加工时,共晶体熔化,晶粒分离,使钢材沿晶界破裂,这种现象叫做热脆性。磷能使钢的强度、硬度提高,但显著降低钢材的塑性和韧性,特别是低温状态的冲击韧性下降更为明显,使钢材容易脆裂,这种现象叫做冷脆性。(4)氧、氮 未除尽的氧、氮大部分以化合物的形式存在,如FeO、Fe4N等。这些非金属化合物、夹杂物降低了钢材的强度、冷弯性能和焊接性能。氧还使钢的热脆性增加,氮使冷脆性及时效敏感性增加。(5)钛、钒、铌 是钢的强脱氧剂和合金元素。能改善钢的组织、细化晶粒、改善韧性,并显著提高强度。钢材经冷加工产生一定塑性变形后,其屈服强度、硬度提高,而塑性、韧性及弹性模量降低,这种现象称为冷加
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