第八章 金属材料

1. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 第八章 金属材料 主要授课内容： 建筑钢材 铝合金 西安

2. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 第一节 建筑钢材 钢材是指用于土木工程中的各种型钢、钢板、钢筋、钢丝等。 　　　采用各种型钢和钢板制作的钢结构，具有强度高、自重轻等特点，适用于大跨度结构、多层及高层结构、受动力荷载的结构和重型工业厂房结构等。 西安

3. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 一、钢材的分类 钢的分类方法很多，通常有以下几种分类方法。 1 按冶炼时脱氧程度分类 2 按化学成分分类 3 按有害杂质含量分类 4 按用途分类 西安

4. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 1 按冶炼时脱氧程度分类 ⑴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，故被广泛用于一般工程。 ⑵镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。 ⑶半镇静钢是质量较好的钢。 ⑷特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。 返回 西安

5. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 2 按化学成分分类 西安

6. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 ⑴碳素钢 化学成分主要是铁、碳，故也称碳钢或铁碳合金，含碳量为0.02%～2.06%，还含有极少量硅、锰和微量硫、磷等元素。 a低碳钢：含碳量小于0.25%； b中碳钢：含碳量为0.25%～0.60%； c高碳钢：含碳量大于0.6%。 低碳钢在土木工程中应用最广泛。 ⑵合金钢 炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意加入某些合金元素而制得。常用合金元素：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。 a低合金钢：合金元素总含量小于5%； b中合金钢：合金元素总含量为5%～10%； c高合金钢：合金元素总含量大于10%。 低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。 返回 西安

7. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 3 按有害杂质（P 、S ）含量分类 (1)普通钢：磷含量不大于0.045%，硫含量不大于0.050%； (2)优质钢：磷含量不大于0.035%，硫含量不大于0.035%； (3)高级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.025%； (4)特级优质钢：磷含量不大于0.025%，硫含量不大于0.015%。 返回 西安

8. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 4 按用途分类 （1）结构钢：主要用于工程结构及机械零件的钢，一般为低、中碳钢。 （2）工具钢：主要用于各种刀具、量具及模具的钢，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、磁性钢等。 西安

9. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 二、钢材的技术性能 1 力学性能 ⑴抗拉性能 ⑵冲击韧性 ⑶硬度 ⑷耐疲劳性 西安

10. 第八章 金属材料 第一节 建筑钢材 ⑴ 抗拉性能 　　　抗拉性能是钢材最重要的技术性质。根据低碳钢受拉时的应力－应变曲线（如下图8-1-1），可了解到抗拉性能的下列特征指标。 屈服强度 抗拉强度 伸长率 图8-1-1 西安

11. 第一节 建筑钢材 (a)屈服强度 屈服强度是钢材开始丧失对变形的抵抗能力，并开始产生大量塑性变形时所对应的应力。 在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为屈服上限；锯齿形的最低点所对应的应力称为屈服下限。屈服上限与试验过程中的许多因素有关。屈服下限比较稳定，容易测试，所以规范规定以屈服下限的应力值作为钢材的屈服强度，用 表示。 中碳钢和高碳钢没有明显的屈服现象，规范规定以0.2%残余变形所对应的应力值作为名义屈服强度，用　　表示。 屈服强度对钢材使用意义重大:当构件的实际应力超过屈服强度时，将产生不可恢复的永久变形；当应力超过屈服强度时，受力较高部位的应力不再提高，而自动将荷载重新分配给某些应力较低部位。 第八章 金属材料 西安

12. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (b)抗拉强度（强度极限） 抗拉强度是钢材所能承受的最大拉应力，即当拉应力达到强度极限时，钢材完全丧失了对变形的抵抗能力而断裂。抗拉强度用 表示。 　　　抗拉强度虽然不能直接作为计算依据，但屈服强度与抗拉强度的比值，即“屈强比” 。对工程应用有较大意义。屈强比愈小，反映钢材在应力超过屈服强度工作时的可靠性愈大。但屈强比过小时，钢材强度的有效利用率低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.58～0.63，合金钢的屈强比为0.65～0.75。 西安

13. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (c)伸长率 伸长率反映钢材拉伸断裂时所能承受的塑性变形能力，是衡量钢材塑性的重要技术指标。伸长率是以试件拉断后标距长度的增量与原标距长度之比的百分率来表示。伸长率按式计算： 钢材拉伸时塑性变形在试件标距内的分布不均匀，颈缩处的伸长较大，故试件原始标距（L0）与直径（d0）之比愈大。颈缩处的伸长值在总伸长值中所占比例愈小，计算所得伸长率也愈小。通常钢材拉伸试件取L0=5d，或L0=10d，其伸长率分别以 和 表示。对于相同钢材，　大于　 。 L1——试件拉断后标距部分的长度（mm）； L0——试件的原标距长度（mm）； n——长或短试件的标志，长试件n=10 ，短试件n=5。 返回 西安

14. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (2)冲击韧性 冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。钢材的冲击韧性用试件冲断时单位面积上所吸收的能量来表示。冲击韧性按下式计算： W——试件冲断时所吸收的冲击能（J）； A——试件槽口处最小横截面积（cm2）。 影响钢材冲击韧性的主要因素有：化学成分、冶炼质量、冷作及时效、环境温度等。 　　　钢材的冲击韧性随温度的降低而下降，其规律是：开始冲击韧性随温度的降低而缓慢下降，但当温度降至一定的范围（狭窄的温度区间）时，钢材的冲击韧性骤然下降很多而呈脆性，即冷脆性，这时的温度称为脆性转变温度，见图8-1-2。 西安

15. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 图8-1-2 钢的脆性 转变温度 脆性转变温度越低，表明钢材的低温冲击韧性越好。为此，在负温下使用的结构，设计时必须考虑钢材的冷脆性，应选用脆性转变温度低于最低使用温度的钢材。 返回 西安

16. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (3) 硬度 硬度是指钢材抵抗硬物压入表面的能力。硬度值与钢材的力学性能之间有着一定的相关性。 西安

17. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (a) 布氏硬度 布氏硬度试验是按规定选择一个直径为D（mm）的淬硬钢球或硬质合金球，以一定荷载P（N）将其压入试件表面，持续至规定时间后卸去荷载，测定试件表面上的压痕直径d（mm），根据计算或查表确定单位面积上所承受的平均应力值，其值作为硬度指标（无量纲），称为布氏硬度，代号为HB。 布氏硬度法比较准确，但压痕较大，不宜用于成品检验。 返回 西安

18. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (b)洛氏硬度 洛氏硬度试验是将金刚石圆锥体或钢球等压头，按一定试验力压入试件表面，以压头压入试件的深度来表示硬度值（无量纲），称为洛氏硬度，代号为HR。 洛氏硬度法的压痕小，所以常用于判断工件的热处理效果。 返回 西安

19. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 （4）耐疲劳性 钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最大应力远低于屈服强度的情况下突然破坏，这种破坏称为疲劳破坏。 西安

20. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 2 工艺性能 （1）冷弯性能 （2）焊接性能 西安

21. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 （1）冷弯性能 定义 冷弯性能是钢材在常温条件下，承受弯曲变形的能力，是反映钢材缺陷的一种重要工艺性能。 表示方法 钢材的冷弯性能以试验时的弯曲角度和弯心直径作为指标来表示。 其他 钢材冷弯时弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示对冷弯性能的要求愈高。试件弯曲处若无裂纹、断裂及起层等现象，则认为其冷弯性能合格。 返回 西安

22. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 （2）焊接性能 　　　建筑工程中，钢材绝大多数是采用焊接方法联结的。这就要求钢材要有良好的可焊性。 定义 可焊性是指钢材在一定焊接工艺条件下，在焊缝和附近过热区是否产生裂缝及脆硬倾向，焊接后接头强度是否与母体相近的性能。 影响因素 钢的可焊性主要受化学成分极其含量的影响。含碳量小于0.3%的非合金钢具有良好的可焊性，超过0.3%，焊接的脆硬倾向增加；硫含量高会使焊接处产生热裂纹，出现热脆性；杂质含量增加，会使可焊性降低。 西安

23. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 三、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响 1 钢材的化学成分 主要化学成分——铁（Fe） 少量元素——碳（C）、硅（Si）、锰 （Mn）、磷（P）、硫（S）、氧 （O）、氮（N）、钛（Ti）、钒 （V） 西安

24. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 2 微量化学元素对钢材性能的影响 ⑴碳 碳是决定钢材性能的最重要元素。 当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低； 当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。 一般工程所用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于0.25%；工程所用低合金钢，其含碳量小于0.52%。 西安

25. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 ⑵硅 硅是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。 　 ⑶锰 锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，能提高钢材的强度和硬度。 ⑷磷 磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，加大钢材的冷脆性。 西安

26. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 ⑸硫 硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。 ⑹氧 氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。 西安

27. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 ⑺氮 氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。 ⑻钛 钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。 ⑼钒 钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。 西安

28. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 四、钢材的冷加工及热处理 1 冷加工 2 时效 3 热处理 西安

29. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 1 冷加工 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔、冷轧、冷扭、刻痕等，使之产生一定的塑性变形，强度和硬度明显提高，塑性和韧性有所降低，这个过程称为钢材的冷加工（或冷加工强化、冷作强化）。 　　　土木工程中对大量使用的钢筋，往往是冷加工和时效处理同时采用，常用的冷加工方法是冷拉和冷拔。 西安

30. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 ⑴冷拉 定义及优点 将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产生一定的塑性变形称为冷拉。 冷拉后的钢筋不仅屈服强度提高20%～30%，同时还增加钢筋长度（4%～10%），因此冷拉是节约钢材（一般10%～20%）的一种措施。 效果 钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变硬。 控制 实际冷拉时，应通过试验确定冷拉控制参数。冷拉参数的控制，直接关系到冷拉效果和钢材质量。 返回 西安

31. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 ⑵冷拔 定义 将光圆钢筋通过硬质合金拔丝模孔强行拉拔。 效果 钢筋在冷拔过程中，不仅受拉，同时还受到挤压作用。经过一次或多次冷拔后，钢筋的屈服强度可提高40%～60%，但塑性大大降低，具有硬钢的性质。 返回 西安

32. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 2 时效 定义 将经过冷加工后的钢材，在常温下存放15～20天，或加热至100～200℃并保持2h左右，其屈服强度、抗拉强度及硬度进一步提高，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。 用途 通常对强度较低的钢筋可采用自然时效，强度较高的钢筋则需采用人工时效。 西安

33. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 钢材经冷加工和时效处理后，其性能变化规律在应力—应变图上明显地得到反映，如图8-1-3所示。 图8-1-3 钢材冷拉应力—应变曲线图 返回 西安

34. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 3 热处理 定义 热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，以改变其组织，得到所需要的性能的一种工艺。 方法 热处理的方法有淬火、回火、退火和正火。热处理的具体方法本书不做要求。 西安

35. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 五、建筑钢材的标准及使用 １ 钢结构用钢材 ⑴碳素结构钢 ⑵低合金高强度结构钢 ⑶钢结构用型钢 2 钢筋混凝土结构用钢材 ⑴钢筋混凝土用钢筋 ⑵预应力混凝土用热处理钢筋 ⑶冷轧带肋钢筋 ⑷预应力混凝土用钢丝 ⑸预应力混凝土用钢绞线 西安

36. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 １钢结构用钢材 ⑴碳素结构钢 (a)碳素结构钢的牌号及其表示方法 (b)碳素结构钢的技术要求 (c)碳素结构钢的应用 西安

37. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (a)碳素结构钢的牌号及其表示方法 有关规定 根据《碳素结构钢》规定，碳素结构钢分5个牌号，即Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。按其硫、磷杂质含量由多到少分为A、B、C、D 4个质量等级。 牌号表示 代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D）、脱氧程度（F、b、Z、TZ） 举例 镇静钢和特殊镇静钢在钢的牌号中Z和TZ予以省略。如Q235-A·F，表示此碳素结构钢是屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235—C，表示此碳素结构钢是屈服点为235MPa的C级镇静钢。 返回 西安

38. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (b)碳素结构钢的技术要求 按照国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）规定，碳素结构钢的技术要求如下： 化学成分 各牌号碳素结构钢的化学成分应符合表8-1-1的规定。 力学性能 　　　碳素结构钢的强度、冲击韧性等指标应符合表8-1-2的规定。 冷弯性能 冷弯性能应符合表8-1-3的要求。 从表8-1-1、表8-1-2和表8-1-3可以看出，碳素结构钢随着牌号的增大，其含碳量和含锰量增加，强度和硬度提高，而塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。 西安

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42. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 (c)碳素结构钢的应用 土木工程中应用最广泛的碳素结构钢是Q235，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能较好满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求，且成本较低。用Q235钢大量轧制成各种型钢、钢板及钢筋。其中Q235-A级钢，仅适用于承受静荷载作用的结构；Q235-C和Q235-D级钢，可用于重要的焊接结构。 Q195、Q215钢，强度低，塑性和韧性较好，具有良好的可焊性，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及钢丝等，也可用作轧材用料。Q215钢经冷加工后可代替Q235钢使用。 Q255、Q275钢，强度较高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、制作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工具等。 返回 西安

43. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 １钢结构用钢材 （2）低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的一种或几种合金元素制成的一种结构钢。 (a)低合金高强度结构钢的牌号及其表示方法 (b)低合金高强度结构钢的技术要求及应用 西安

44. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 低合金高强度结构钢的牌号及其表示方法 根据国家标准《低合金高强度结构钢》（GB1591-1994）规定，共有5个牌号，即Q295、Q345、Q390、Q420和Q460。所加入元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素。其牌号的表示是由屈服点字母Q、屈服点数值、质量等级（A、B、C、D、E）3个部分组成。 返回 西安

45. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 低合金高强度结构钢的技术要求及应用 按照国家标准《低合金高强度结构钢》（GB1591-1994）规定，低合金高强度结构钢的化学成分与力学性能应符合表8-1-4和表8-1-5的要求。 西安

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48. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 特点 低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比，具有较高的强度，综合性能好，所以在相同使用条件下，可比碳素结构钢节省用钢20%～30%，对减轻结构自重有利。同时还具有良好的塑性、韧性、可焊性、耐磨性、耐蚀性、耐低温性等性能。 适用范围 　　低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢、钢板、钢管及钢筋，广泛用于钢结构和钢筋混凝土结构中，特别适用于各种重型结构、高层结构、大跨度结构及桥梁工程等。 返回 西安

49. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 １钢结构用钢材 （3）钢结构用型钢 在钢结构用钢中一般可直接选用各种规格与型星号的型钢，构件之间可直接连接或附以板进行连接。连接方式为铆接、螺栓连接或焊接。因此，钢结构所用刚材主要是型钢和钢板。型钢和钢板的成型有热轧和冷轧。 热轧型钢 冷弯薄壁型钢 钢板和压型钢板 西安

50. 第一节 建筑钢材 第八章 金属材料 热轧型钢 制作 热轧型钢主要采用碳素结构钢Q235－A，低合金高强度结构钢Q345和Q390热轧成型。 常用热轧型钢 角钢、工字钢、槽钢、T型钢、H型钢、Z型钢等 标记方式 型钢名称、横断面主要尺寸、型钢标准号及钢牌号与钢种标准。 西安