第六章 钢材与铝合金
钢的生产、 第一节 钢的生产、分类与晶体组织 第二节 钢材的技术性质 化学成分、热处理、 第三节 化学成分、热处理、加工硬化与时效对钢性质的影响 第四节 建筑钢材的标准与选用 第五节 建筑钢材的锈蚀与防止 第六节 铝及铝合金 建筑钢材与非金属材料相比有以下优点：强度高， 建筑钢材与非金属材料相比有以下优点：强度高，比强度高 ,品质
冷加工包括冷拉、冷拔、冷轧
冷加工与时效对钢性质的影响
时效 冷加工
第四节 建筑钢材的标准与选用
• 一、钢结构用钢(碳素结构钢、优质碳素钢和低合金钢结构 ) • （一）碳素结构钢 1．碳素结构钢的牌号
• GB700-88规定，牌号由代表屈服点的字母、屈服点数值、 质量等级符号、脱氧程度4部分组成。其中“Q”代表屈服点； 碳素结构钢按照其屈服点分5个牌号，即Q195、Q215、 Q235、Q255和Q275；按照质量等级（硫、磷杂质含量由 多到少）分为A、B、C、D共4个质量等级。按照脱氧程度 分为4种，即沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、 特种镇静钢（TZ）。镇静钢和特殊镇静钢在钢牌号中Z和TZ 予以省略。例如Q235—A.F，表示屈服点为235Mpa质量等 级为A级的沸腾钢；Q235—C，表示屈服点为235Mpa质量 等级为C级的镇静钢。
30
7850
0
0
P
750
1765
20~25
30~40
图6-4 铁碳合金的含碳量、晶体组 织与性能之间的关系
共析钢 分类 项目 晶体组织 相对含量 /% 工业 纯铁 亚共析钢 铁素体 过共析钢 渗碳体 珠光体
性能变化
强
度
硬度
塑性、 韧性
含 碳 量 /% 0 0 .0 2 0 .7 7 2 .1 1
第二节
表6-2 碳素结构钢的化学成分 化学成分（%） 牌 号 等 级 — A B A B C D Q255 Q275 A B — C 0.06~0.12 0.09~0.15 0.14~0.22 0.12~0.20 ≤0.18 ≤0.17 0.18~0.28 0.20~0.38 0.35~0.80 Mn 0.25~0.50 0.25~0.55 0.30~0.65
工作温度低于-20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以 及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构。③工作温度等于或低于-30℃的 所有承重结构。 （2） 非焊接结构:工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算 疲劳的结构。
•
优质碳素结构钢对有害杂质含量控制更严格（S<0.035%，P<0.035%）、 质量更稳定，性能优于普通碳素结构钢。
均匀致密、结构可靠性高 ,具有良好的塑性和韧性，能经受冲击和振动荷载 , 具有良好的加工性能，可以锻压、焊接、铆接和切割，便于装配
钢结构的主要缺点是： 钢结构的主要缺点是：耐腐蚀性差，在使用环境中，应注意
对结构的防锈等防护；耐火性差，温度达到300℃以上，钢材的 强度明显下降，在火灾中，钢结构的耐火时间只有20~30分钟，
法与工艺的性能。可焊性好的钢材焊接时，硬脆倾向小，不 易形成裂纹、气孔、夹渣等缺陷，焊接后仍能保持与母材基 本相同的性质。)
化学成分、热处理、 第三节 化学成分、热处理、加工 硬化与时效对钢性质的影响
• 一、化学成分对钢性质的影响 • 1．碳(C) 碳是决定钢材性能的主要元素。 • 2．硅(Si) 硅是作为脱氧剂而加入于钢中的，大部分熔于铁 素体中形成固溶体，能提高钢材的硬度、强度。硅含量较低 （小于1.0%）时，对塑性和韧性影响不大。 • 3．锰(Mn) 锰是炼钢时用来脱氧去硫而加入钢中的。 • 4．硫(S) 硫是钢中有害的元素。硫多数以FeS的形式存在于 钢中。FeS与Fe形成共晶溶点很低（985℃） • 5．磷(P) 钢中有害元素。 • 6．氧(O) 氧是钢中的有害元素。 • 7．氮(N) 多数熔于铁素体中形成固溶体，氮虽能提高钢的 强度和硬度提高，但却显著降低钢的塑性和韧性，增加钢的 时效敏感性和冷脆性。 • 8．钛(Ti)、钒(V) 钛是强脱氧剂，钒是弱脱氧剂。二者能显 著提高强度，细化晶粒，改善韧性。
钢的脱氧和铸锭
二、钢的分类
• • • • • • • • • （一）按照化学成分钢分为碳素钢和合金钢两种 1．碳素钢 （1）低碳钢 C<0.25% （2）中碳钢 C=0.25%~0.60%； （3）高碳钢 C>0.60%. 根据硫（S）、磷（P）杂质含量的多少，又可分为 （1）普通碳素钢 S≤0.050%,P≤0.045% （2）优质碳素钢 S≤0.035%,P≤0.035% （3）高级优质碳素钢 S≤0.025%,P≤0.025% （4）特优质碳素钢 S≤0.015%,P≤0.025%
钢材的技术性质
• 一、钢材的力学性能(钢材的力学性能包括弹性、塑
性、强度、冲击韧性、硬度与疲劳强度等。)
• （一）钢材的弹性、塑性和强度
1．弹性阶段（OA段)屈 服强 σs , σ0.2 2. 屈服阶段（AB段）强 度极限σb 3. 强化阶段（BC段）屈 强比 σs/σb 4. 颈缩阶段（CD段）伸
①
Si 0.30 0.30
S 不大于 0.050 0.050 0.045 0.050
P 0.045 0.045
脱氧方法
Q195 Q215
F、b、Z F、b、Z
0.30~0.70
①
0.045 0.035 0.045 0.040 0.035 0.30 0.35 0.050 0.045 0.050 0.040 TZ 0.045 0.045
• 2．合金钢 常用合金钢元素有：硅、锰、钛、钒、铌、 铬等。按合金元素总含量不同，合金钢可分为：
（1）低合金钢 合金元素总量小于5%； （2）中合金钢 合金元素总含量为5%~10%； （3）高合金钢 合金元素含量大于10%。
（二）按用途分类
1．结构钢 主要用于建筑结构及机械零件的钢，一般为低、中碳 钢。 2．工具钢 主要用各种刀具、量具及模具等工具的钢，一般为高 碳钢。 3．特殊钢 具有特殊的物理、化学及机械性能的钢，如不锈钢、 耐热钢、耐酸钢、耐磨钢等。 4．专用钢 为满足特殊的使用环境条件下或使用荷载下专用钢材。 如桥梁专用钢，钢轨专用钢等。
珠光体 是铁素体和渗碳体组成的机 械混合物
铁素体
珠光体
表6-1 室温下钢中晶体组织的机械性能
σb/M HBW/Pa Pa ak/ （J·c m-2） 200
名称 符号
组合类型
δ/%
铁素 体
α
碳在α-Fe中的固溶体 （体心立方晶格）
230
785
50
渗碳 铁和碳的化合物（复 Fe3C 体 杂晶格） 珠光 体 铁素体与渗碳体的层 片状机械混合物
第一节 钢的生产、分类与晶体组 钢的生产、 织
• • • • • • • • • 生产方法对钢材性能的影响 （一）冶炼 氧气转炉法 (氧化过程) 平炉炼钢法 Fe3O4 电炉钢 （二）钢的脱氧和铸锭 1．沸腾钢 (还原过程) 2．镇静钢 Fe3O4 Fe +O2 3．半镇静钢半镇 静钢 4．特殊镇静钢 （三）钢的热加工
0 . 0 2 1 0 0 . 7 7
γ + F e 3C Ⅱ
2
Ⅱ
P + F e 3C
2 . 1 1 2 0 4 0 5 0 6 0
4 . 3 7 0 8 0 9 0
6 . 6 9 1 0 0
L— 态合金
γ—
α—
P—Βιβλιοθήκη Fe3C—Ld—• 3．钢中的晶体组织与性能 • （1）奥氏体 是碳在γ-Fe的固溶体 • （2）铁素体 是碳在α-Fe中的固溶体,含碳量0.02%， 由于溶碳量少且晶格滑移面较多，其性质极其柔软， 塑性和韧性很好，但强度和硬度较低。 • （3）渗碳体 是碳和铁形成的化合物Fe3C，其含碳 量高达6.69% ,外力作用下不易变形，故性质非常硬 脆，抗拉强度很低，塑性及韧性几乎等于零。 • （4）珠光体 是铁素体和渗碳体组成的机械混合物， 两成分相间成片状存在于同一晶粒内，含碳量为 0.77%，其性质介于铁素体和渗碳体之间，既有一 定的强度和硬度，也有一定的塑性和韧性。
洛氏硬度试验
• 2．洛氏硬度
• （四）疲劳强度 • 疲劳强度除了与材质有关外， 还与所受应力的种类（拉、 压或弯曲）、应力循环特征 值（）、应力循环次数（N） 及应力集中程度有关。一般 来说，钢材强度极限愈高， 其疲劳强度也高。
σ m ax
O
N
二、钢材的工艺性能
• （一）冷弯性能 • （二）可焊性 (可焊性是指钢材是否适用通常的焊接方
F −F L1 − L0 σ b L1 − L0 ψ = 0 1 × 100% δ gt = ( + ) × 100% δn = × 100% F0 L0 E L0 为反映钢材在达到最大破坏荷载前的变形状况，防止突然的脆断，定义钢筋在最大力下
的总伸长率用δgt表示
长率
• （二）、冲击韧性 • 冲击韧性是钢材低抗冲 • 击荷载的能力。
• • • •
• • • • •
2．碳素结构钢的技术要求 （1）化学成分 （2）力学性能 (屈服点σ ,抗拉强度σ ,伸长率δ ,冲击 韧性a ), 3．碳素结构钢的应用
S b 5 k
Q195和Q215钢 Q235是建筑工程中应用最广泛的碳素结构钢 Q255、Q275钢，强度高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易冷弯加工 下列情况的承重结构和构件不应采用Q235沸腾钢： Q235 （1） 焊接结构: ①直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构。②
W ak = A
摆锤 读盘 55 8 10 10
55 10 8
10
30
试件
40
• • • •
（三）硬度 硬度是指钢材低抗硬物压入表面的能力。 1．布氏硬度 HB=P/A