土木工程材料

土木工程材料 教材：土木工程材料编者：湖南大学、天津大学、同济大学、东南大学合编主讲人：徐会文吉林大学建设工程学院

第二章建筑钢材 主要内容: 1、金属的微观结构及钢材的化学组成； 2、建筑钢材的主要力学性能； 3、钢材的冷加工及时效强化、热处理和焊接； 4、钢材的防火和防腐蚀； 5、建筑钢材的品种及选用。

钢结构大桥

预应力钢筋混凝土结构梁

钢结构建筑物

钢筋 钢筋型钢型钢

建筑钢材（型钢）

编制的钢筋网 编制的钢筋网

金属材料可分为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及其合金，如生铁、碳素钢、合金钢等。有色金属则是以其他金属元素为主要成分的金属及其合金，如铝合金、铜合金等。建筑钢材是指用于钢筋混凝土结构的钢筋、钢丝和用于钢结构的各种型钢，以及用于围护结构和装饰工程的各种深加工钢板和复合板等。

第一节金属的微观结构及 钢材的化学组成　　一、金属的微观结构概述㈠金属的晶体结构 1、金属键固体金属是晶体或晶粒的聚集体。在金属晶体中，各原子或离子之间以金属键的方式结合，通过自由电子把晶格结点上的原子或离子结合在一起，这种结合力称为金属键。

2、金属键是金属材料具有强度和延展性的原因2、金属键是金属材料具有强度和延展性的原因金属键没有方向性和饱和性。金属键的存在是金属材料具有强度和延展性的根本原因。 3、晶格及晶格类型在金属晶体中，金属原子按等径球体最紧密堆积的规律排列后形成的空间格子称为晶格；晶格中反映排列规律的基本几何单元称为晶胞。

金属晶体的晶格通常有三种类型： 面心立方晶格（FCC）、体心立方晶格（BCC）和密集六方晶格（HCP）。图2—1 金属晶格的三种类型 FCC面心立方晶格；BCC体心立方晶格；HCP密集六方晶格

金属的晶格可以在不同的温度条件下进行转化。例如，910～1400℃形成的纯铁（γ-Fe）及铜、银、铝等为面心立方晶格；在900℃以下生成的纯铁（α-Fe）及锌、镍、镁等为体心立方晶格。金属的晶格可以在不同的温度条件下进行转化。例如，910～1400℃形成的纯铁（γ-Fe）及铜、银、铝等为面心立方晶格；在900℃以下生成的纯铁（α-Fe）及锌、镍、镁等为体心立方晶格。图2-2 体心立方晶格铁原子排列示意图 (a)体心立方晶格 (b)晶胞

4、晶粒细化的目的 在金属中晶粒的取向具有很大的随机性，虽然各晶粒属各向异性体，但其总体则表现出各向同性的性质。在冶金工业中常常利用这一现象，加入某种金属元素，使形成更多的结晶核心，而达到细化晶粒、改善金属材料性能的目的。

㈡金属晶体结构中的缺陷 1、缺陷产生的原因及影响在金属晶体中，原子的排列并不是完整无缺，而是存在着许多不同形式的缺陷，这些缺陷对金属的强度、塑性和其他性能具有明显的影响。 2、缺陷的类型金属晶体中的缺陷有三中类型：点缺陷、面缺陷和线缺陷。

⑴点缺陷 点缺陷是由于晶体中因热振动等原因，个别能量较高的原子克服了邻近原子的束缚，离开了原来的平衡位置，形成“空穴”，跑到另一个结点或结点间不平衡位置上，导致晶格畸变。某些杂质原子的嵌入，形成间隙原子，也会导致晶格畸变这类缺陷称为点缺陷。图2-4 晶格中点缺陷示意图

⑵线缺陷(位错） 在金属晶体中某晶面间原子排列数目不相等，在晶格中形成缺列，这种晶体缺陷称为“位错”。图2—5 在切应力作用下刃型位错的运动示意图

⑶面缺陷 多晶体金属由许多不同晶格取向的晶粒所组成，这些晶粒之间的边界称为晶界，在晶界处原子的排列规律受到严重干扰，使晶格发生畸变，畸变区形成一个面，这些面又交织成三维网状结构，这类缺陷称为面缺陷。图2-6 晶界中存在的面缺陷示意图

㈢金属强化的微观机理 为了提高金属材料的屈服强度和其他力学性能，可采用改变微观晶体缺陷的数量和分布状态的方法，例如，引入更多位错或加入其他合金元素，以使位错运动受到的阻力增加，具体措施有以下几种： 1、细晶强化 2、固溶强化 3、弥散强化 4、变形强化

二、钢材的化学组成 ㈠钢的成分及分类 1.成分钢的基本成分是铁与碳，此外还有某些合金元素和杂质元素。 2.分类按化学成分刚才可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢根据含碳量可分为：　　低碳钢（含碳量小于0.25%）；中碳钢（含碳量0.25～0.6%）；高碳钢（含碳量大于0.6%）。合金钢按合金元素的总含量可分为：低合金钢（合金元素含量小于5%）；中合金钢（合金元素含量为5～10%）；高合金钢（合金元素含量大于10%）。

㈡钢材中元素的存在形态及对性能的影响 1、碳在钢材中碳原子与铁原子之间的结合有三种基本方式：即固溶体、化合物和机械混合物。由于铁与碳结合方式的不同，碳素钢在常温下形成的基本组织有铁素体、渗碳体和珠光体三种。

图２－７　碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系图２－７　碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系

图2-8 含碳量对热轧碳素钢性质的影响 σb抗拉强度；αk冲击韧性；HB硬度； δ伸长率；ψ面积收缩率

　　２、硅是我国低合金钢的主加合金元素，其作用主要是提高钢材的强度。　　２、硅是我国低合金钢的主加合金元素，其作用主要是提高钢材的强度。 3、锰　　锰主要是溶于铁素体中使其强化，并起到细化珠光体的作用，使其强度提高。 4、钛钛是强脱氧剂，而且能细化晶粒。钛能明显提高钢的强度，但稍降低塑性；由于晶粒细化，故可改善韧性。钛还能减少时效，改善可焊性。 5、钒　　钒能细化晶粒，提高钢的强度，并能减少时效倾向，但会增加焊接时的淬硬倾向。 6、铌铌是强碳化物和氮化物形成元素，能细化晶粒。 7、磷；８、硫；９、氧；１０、氮　　上述四种元素均为有害元素，要限制其含量。

第二节建筑钢材的主要力学性能 建筑钢材的力学性能主要有抗拉、冷弯、冲击韧性、硬度和耐疲劳性。一、抗拉性能抗拉性能是建筑钢材最重要的性能之一。由拉力试验测定的屈服点、抗拉强度和伸长率是钢材抗拉性能的主要技术指标。

1、钢材的抗拉性能 钢材的抗拉性能，可通过低碳钢受拉时的应力-应变图阐明（图2-9）。图2-9 低碳钢的受拉时的应力-应变图

各阶段中的特征应力值主要有弹性极限（σP）、屈服极限（σs）和抗拉强度（σb）。各阶段中的特征应力值主要有弹性极限（σP）、屈服极限（σs）和抗拉强度（σb）。　　抗拉强度与屈服强度之比，称为强屈比。强屈比愈大，反映钢材受力超过屈服点工作时的可靠性愈大，因而结构的安全性愈高。但强屈比太大，反映钢材性能不能被充分利用。钢材的强屈比一般应大于1.2 。

预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点，其抗拉强度高，无明显屈服平台。这类钢材的屈服点以产生残余变形达到原始标距长度l0的0.2%时所确定的，用σ0.2表示。预应力钢筋混凝土用的高强度钢筋和钢丝具有硬钢的特点，其抗拉强度高，无明显屈服平台。这类钢材的屈服点以产生残余变形达到原始标距长度l0的0.2%时所确定的，用σ0.2表示。图2-10 硬钢的抗拉应力-应变曲线及硬钢的屈服点σ0.2的确定方法

2、伸长率 试件拉断后，标距的伸长与原始标距长度的百分率，称为断后伸长率（δ）。测定时将拉断的两部分在断裂处对接在一起，使其轴线位于同一直线上时，量出断后标距的长度l1（mm）。图2-11 钢材伸长率的测定

按下式计算伸长率： 式中 l0-----试件的原始标距长度，mm； l1-----试件拉断后的标距长度，mm。

当原标距与直径之比愈大，则颈缩处的伸长值在整个伸长值中的比重愈小，因而计算的伸长率偏小，通常取标距长度l0等于5或10倍试件直径d0，其伸长率以δ5或δ10表示，对于同一钢材， δ5大于δ10。伸长率表明了钢材的塑性变形能力，是钢材的重要技术指标。

3、断面收缩率 通过抗拉试验，还可测定另一表明钢材塑性的指标——断面收缩率ψ。它是试件拉断后，颈缩处横截面的最大缩减量与原始横截面积的百分比，即式中 F0---原始横截面积； F1---断裂后颈缩处的横截面积。

二、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，是建筑钢材的重要工艺性能。钢材的冷弯性能指标用试件在常温下所能承受的弯曲程度表示。弯曲程度则通过试件被弯曲的角度和弯心直径对试件厚度（或直径）的比值来区分。试验时采用的弯曲角度愈大，弯心直径对试件厚度（或直径）的比值愈小，表示对冷弯性能的要求愈高。按规定的弯曲角和弯心直径进行试验时，试件的弯曲处不发生裂缝、断裂或起层，即认为冷弯性能合格。

图2-12 冷弯试验示意图(d=a，180°) 1-弯心；2-试件；3-支座

三、冲击韧性 1、冲击韧性及指标冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。 ak=Ak/F 式中 F----试件断口处的截面积； Ak----冲断试件所消耗的功。图2-13 钢材的冲击试验 1-摆锤；2-试件

2、钢材的冷脆性 　　冲击韧性随温度的降低而下降，当达到某一温度范围时，突然下降很多而呈脆性，这种现象称为钢材的冷脆性，此时的温度称为脆性临界温度。它的数值愈低，钢材的低温冲击性能愈好。图2-14 含锰低碳钢αk值与温度的关系

3、时效及时效敏感性 钢材随时间的延长而表现出强度提高，塑性和冲击韧性下降，这种现象称为时效。钢材如经受冷加工变形，或使用中经受振动或反复荷载的影响，可加速时效的发展。时效将导致钢材性能改变的程度称为时效敏感性，对于承受动荷载的结构物，如桥梁等，应选用时效敏感性较小的钢材。

四、硬度 1、钢材的硬度钢材的硬度是指其表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。 2、钢材硬度的测定方法 ⑴布氏法图2-15 布氏硬度试验示意图

对于碳素钢，当HB＜175时， σb =3.6HB；当HB＞175时， σb =3.5HB。根据这些关系，可以在钢结构的原位上测出钢材的HB值，并估算出该钢材的σb，而不破坏钢结构本身。 ⑵洛氏法洛氏法是根据压头压入试件的深度的大小表示材料的硬度值。洛氏法的压痕很小，一般用于判断机械零件的热处理效果。

五、耐疲劳性 1、疲劳破坏和疲劳极限在交变应力作用下的结构构件，钢材往往在应力远低于抗拉强度时发生断裂，这种现象称为钢材的疲劳破坏。疲劳破坏的危险应力用疲劳极限（σt）来表示，它是指在疲劳试验中，试件在交变应力作用下，于规定的周期数内不发生断裂所能承受的最大应力。

测定钢筋疲劳极限时，通常采用拉应力循环，对于非预应力钢筋的应力比为0.1～0.8；预应力钢筋则采用0.7～0.85。周期基数取200万次或400万次，对于比较重要结构用钢筋周期基数可以取高值。测定钢筋疲劳极限时，通常采用拉应力循环，对于非预应力钢筋的应力比为0.1～0.8；预应力钢筋则采用0.7～0.85。周期基数取200万次或400万次，对于比较重要结构用钢筋周期基数可以取高值。图2-17 疲劳曲线示意图钢筋疲劳断裂面形状

第三节钢材的冷加工强化及时效强化、 热处理和焊接一、钢材的冷加工强化及时效强化 1、冷加工强化冷加工强化的类型：冷拉、冷拔和冷轧图2-18 钢筋冷拉与时效前后应力—应变曲线

产生冷加工强化的原因是：钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。由于冷加工时产生的内应力，故冷加工钢材的弹性模量有所下降。产生冷加工强化的原因是：钢材在冷加工时晶格缺陷增多，晶格畸变，位错运动的阻力增大，因而屈服强度提高，塑性和韧性降低。由于冷加工时产生的内应力，故冷加工钢材的弹性模量有所下降。

2、时效处理 将经过冷加工后的钢材于常温下存放15～20天，或加热到100～200℃并保持一定时间。冷加工以后再经时效处理的钢筋，屈服点进一步提高，抗拉强度稍见增长，塑性和韧性继续有所降低。由于时效过程中内应力的消减，故弹性模量可基本恢复。

3、时效敏感系数 钢材时效敏感系数可用应变时效敏感系数C表示，C越大则时效敏感性越大。式中 Ak---钢材时效处理前的冲击吸收功，J； Aks---钢材时效处理后的冲击吸收功，J。

二、钢的热处理 热处理是指将钢材按一定规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要的性能的一种工艺措施。热处理的方法有退火、正火、淬火、回火以及离子注入等方法。

三、钢材的焊接 焊接连结是钢结构的主要连接方式，在钢结构中，焊接结构占90%以上。在钢筋混凝土结构中，焊接大量应用于钢筋接头、钢筋网、钢筋骨架和预埋件之间的连接，以及装配式构件的安装。

焊接时由于在很短时间内达到很高的温度，基体金属局部熔化的体积很小，故冷却速度很快，因此在焊接处必然产生剧烈的膨胀和收缩，易产生变形、内应力和内部组织变化，因而形成焊接缺陷。焊接时由于在很短时间内达到很高的温度，基体金属局部熔化的体积很小，故冷却速度很快，因此在焊接处必然产生剧烈的膨胀和收缩，易产生变形、内应力和内部组织变化，因而形成焊接缺陷。焊缝金属的缺陷主要有裂纹、气孔、夹杂物等。基体金属热影响区的缺陷主要有裂纹、晶粒粗大和析出脆化。

第四节钢材的防火和防腐蚀 一、钢材的防火钢材在长期处于高温条件下的结构物，或遇到火灾等特殊情况时，则必须考虑温度对钢材性能的影响。高温对钢材性能的影响必须考虑温度与高温持续时间两个因素。钢材的蠕变现象会随温度的升高而加剧，蠕变将导致应力松弛。另外，由于在高温下晶界强度比晶粒强度低，晶界的滑动对微裂纹拉应力的作用下不断扩展而导致断裂。因此，随着温度的升高，其持久强度将显著下降。

在钢结构或钢筋混凝土结构遇到火灾时，应考虑高温透过保护层对钢筋或型钢相组织及力学性能的影响。特别是在预应力结构中，还应考虑钢筋在高温条件下的预应力损失所造成的整个结构物应力体系的变化。在钢结构或钢筋混凝土结构遇到火灾时，应考虑高温透过保护层对钢筋或型钢相组织及力学性能的影响。特别是在预应力结构中，还应考虑钢筋在高温条件下的预应力损失所造成的整个结构物应力体系的变化。鉴于以上原因，在钢结构中应采用预防包覆措施，高层建筑更应如此，其中包括设置防火板或涂刷防火涂料等。在钢筋混凝土结构中，应有设置一定厚度的混凝土保护层。

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