第五章 钢材与铝合金

答：疲劳破坏过程包括再交变应力作用下，疲劳裂缝 的产生→扩展→突然断裂。
其主要影响因素有： 1. 内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）； 2. 成分偏析； 3. 过大的内应力，截面沿纵向的突变； 4. 表面状态； 5. 受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。
二、钢材的工艺性能
❖ 冷弯性能 ❖ 可焊性 ❖ 切削切工性能 ❖ 锻造性能 ❖ 热处理工艺性能
卸荷后
永久变形
钢材是一种韧性材料
构成金属的晶体 ❖ 以回形针为例，一个回形针由1021
（1,000,000,000,000,000,000,000 ）铁原 子组成。 ❖ 这些铁原子紧密堆积，在晶体结构中有 规则地重复排列
这是铁原子的堆积与排列
钢材是一种韧性材料
铁原子的结构在整个回形针中是不 连续的。当金属冷却时，由液相转 变为固相，它的原子结合在一起， 形成小颗粒或晶体。甚至从一个晶 体到另一个晶体，其晶体结构也不 连续，晶体相互间结合。
三种主要炼钢方法的特点
炉种 原料
特点
生产钢种
平炉 生铁、废钢 时间长，成分稳定 质量较好、成本较高
碳素钢 低合金钢
氧气转炉 铁水，废钢 可有效除去磷、硫杂质少， 碳素钢
效率高 质量好。
低合金钢
电炉 生铁、废钢 产量低、耗电大，杂质少 合金钢
质量最好，成本高
优质碳素钢
（二）脱氧与铸锭
❖ 沸腾钢：
碳、磷、硫等成分偏析严重，钢致密程度、焊接性能、 低温下的冲击韧性较差。(F)
❖ 材料承受的交变应力(σ )与材料断裂前承受交变应 力的循环次数(N)之间的关系可用疲劳曲线来表示。
❖ 钢材承受的交变应力越大, 则断裂时应力循环次数 N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限 次周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极 限(亦叫疲劳强度)，用σ-1 表示。
问题：
钢材的疲劳破坏过程怎样？其疲劳强度与 哪些因素有关？
渗碳体
性能 变化
强度
硬度
塑性、韧性
含碳量 0％ 0.02％
0.77％
2.11％
铁碳合金的含碳量、晶体组织与性能的关系
第二节 建筑钢材的技术性能
❖ 钢材的力学性质 ❖ 钢材的工艺性能
一、钢材的力学性质
钢材的力学性能，即是指钢材在外力（载 荷）作用时表现出来的性能，包括：强度、塑 性、硬度、韧性和疲劳强度等。
❖ 热加工的作用：使内部气泡焊合，酥松结 构致密，晶粒细化。
❖ 热加工效果：提高钢材的强度、塑性和质 量。
二、钢材的分类
问题：土木工程中常用的钢材有哪些？
答：土木工程中，使用的 主要钢种：碳素结构钢； 优质碳素结构钢 低合金结构钢； 常用钢材：钢结构用型钢 钢筋混凝土结构用钢筋与钢丝。
三、钢的晶体组织
拉伸 压缩
弯曲
剪切
荷载形式
扭转
（一） 钢材力学性能特点
塑性
钢材在荷载作用下断裂前产生永久变形的能力称 为钢材的塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。
❖ 伸长率（δ） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的
伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 = [（L1—L0）/ L0] ×100%
❖ 断面收缩率（ψ） 试样拉断后, 缩颈处截面积的
钢材的拉伸试验曲线
σ
屈服现象
σb σe σs
0
p
e
问题：屈服现象的特征是什么？
答： 其特征是：钢材拉伸试验过程中，应
力不增加而塑性变形不断增加。
问题：
钢材拉伸应力～应变曲线中p和e的意义？ 它们与钢材中含碳量的关系？
答： p和e分别表示钢材拉伸过程中的塑性变 形和弹性变形，当p较小时，钢材呈脆性断 裂；当p较大时，钢材呈韧性断裂。 因此，钢材的含碳量越大， p越小，钢材 脆性越大；反之亦然。
3、钢材的晶体组织与化学成分及其对钢性能的影响： 4、钢材的冷加工和热处理：
➢ 钢材的加工强化和时效处理 ➢ 钢材的热处理。
5、建筑钢材的技术标准及选用：
➢ 碳素结构钢 ➢ 低合金结构钢 ➢ 钢筋混凝土结构用钢筋和钢丝。
6、建筑钢材的防锈：钢的锈蚀、钢材防锈的要点
第一节
钢的生产、分类与晶体组织
一、钢的生产
在这个图中,每个小方块代表一 个单独的原子。
钢材是一种韧性材料
❖ 当一个金属晶体形成时，原子 自身就会以规则的模式排列。
❖ 但在每个晶体中都有许多不完 全点，这些缺陷产生了原子间 键的薄弱点。
❖ 就在这些薄弱点上，如果外加 荷载作用，则原子层间相互滑 移，称为滑移面。
阻止滑移的因素－位错、杂质
边位错
钢中碳含量的影响
伸长率
极限强度 屈服强度
胫缩
问题：
钢材的伸长率与钢材中的含碳量有何关系？
答： 伸长率反映钢材的塑性，伸长率越大，塑
性越好。 钢材的塑性随着含碳量增加而变差，因此，
钢材的伸长率随着含碳量增加而减小。
（二） 强 度
钢材抵抗塑性变形或断裂的能力称为其强度， 钢材的强度用拉伸试验测定。强度指标根据 其变形特点分下列几个：
（一） 冷弯性能
1、定义：常温下钢材能承受较大的弯曲变形而 不破坏的能力，衡量钢材的冷塑性变形能力；
2、评价指标：用不同弯曲角度和不同弯心半径 d相对于钢材厚度a的比值（d/a）表示；
问题：
什么是屈强比，对选用钢材有何意义？
答：屈服强度与极限强度是衡量钢材强度的两个 重要指标，二者之比称为屈强比s /b。
在应用中，s /b愈小，则反映钢材的可靠性愈大， 结构的安全性愈高。
但这个比值过小，则钢材的利用率低，不够经济； 若屈强比较大，虽然钢材的利用率较大，但强度的 储备过小，脆断倾向较大，不够安全。因此，屈强 比最好在0.60~0.75，既安全又经济。
❖ 半镇静钢：
脱氧程度与性能介于沸腾钢和镇静钢之间。(B)
❖ 镇静钢：
脱氧充分，成分均匀纯净、杂质少、组织致密；冷脆性 和时效敏感性较低，疲劳强度和可焊性较好。(Z)
❖ 特殊镇静钢：
脱氧很充分，晶粒细化，质量与性能比镇静钢更好。(TZ)
问题：钢材的脱氧程度对钢材质量的影响？
答：脱氧程度不高的钢材中还保留较多的FeO，在
最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩 率。
= [（F0—F1）/ F0] ×100% ❖ 伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大
F1
L0
F0
L1 ＞ L0 伸长 L1 n=[(L1-L0)/L0]×100%
F1 ＜ F0 颈缩
=[(F0-F1)/F0]×100%
拉伸试验机与 样品的安装
❖ 奥氏体
碳溶于－Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.77％～2.11％， 其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。
钢 材 的 晶 体 组 织
铁珠铁珠素光球素光体体状体体的的珠和与晶晶光珠渗体体体光碳组组体体织织
动画
（三）钢的含碳量与性能关系
❖ 亚共析钢：
➢ 碳含量位于0.02％～0.77％之间 ➢ 晶体组织为铁素体和珠光体
❖ 钢：铁碳合金，铁Fe为主要元素：
➢ 碳C含量≤2.11％， ➢ 杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N等，含量少。
❖ 生铁：铁碳合金，C含量高，约为2.11％～6.69
％，并含较多杂质的。
冶炼
生铁
钢
生铁中的碳氧化，降低含C量， 除去杂质元素，降低其含量
（一）冶炼
根据炼钢设备的不同，炼钢方法有转炉、平炉和 电炉三种方法：
❖ 随温度降低，钢材由韧性断裂转变为脆性断裂， 使冲击值降低的现象称为冷脆性，与之对应的温度 称为冷脆转变温度。
H0
冲击试验：
H1
测量摆锤冲击前后的能量 差＝摆锤的高度差×摆锤的 质量。
再测量试件断裂面积。
摆锤 试件
问题： 钢材的冲击韧性的影响因素？
答：钢材的冲击韧性对钢材内部的各种缺陷和 环境温度非常敏感，因此，冲击韧性主要受下 列因素影响： 1. 钢中的S、P等有害杂质含量； 2. 成分偏析程度； 3. 轧制与焊接质量； 4. 钢的加工硬化与时效； 5. 环境温度等。
（四） 硬度
钢材抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度， 即受压时抵抗局部塑性变形的能力。有布 氏法和洛氏法两种方法测定。
布氏硬度测量原理图
洛氏硬度测量原理图
（五）疲劳强度
❖ 在交变应力（动荷载）作用下，虽然钢构件所承 受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工 作而产生裂纹或突然发生完全断裂的过程，称为疲 劳破坏。
晶粒愈细， 晶界面愈大， 强度和硬度 愈高，塑性 和韧性愈 好——细晶 强化。
晶粒的细化
金属晶体结构与性能的关系
❖ 金属晶体中所有价电子呈自由电子在各离子间穿 梭运动，使金属材料有良好的导电和导热性，较 高的强度和良好的塑性；
❖ 金属晶体的多晶体结构的晶界能阻碍晶体的滑移， 提高了抵抗塑性变形的能力；
❖ 铁素体
碳溶于－Fe中的固溶体。 －Fe为体心结构，孔隙较小， 溶碳量较低，因而具有良好的塑性和韧性，强度与硬度 较低。
❖ 渗碳体
铁和塑碳性的和化韧合性物几F乎e3为C，零含，碳硬量度高高达。6.69％，故性质硬脆，
❖ 珠光体
铁素体与渗碳体的混合物，两者相间存在于同一晶体中， 含碳量0.77％，其性质介于二者之间。
钢材铸锭时，碳与FeO反应生成CO气泡，并有一部 分残留在钢中，造成微裂缝和成分偏析，降低致密 性、强度和可焊性，低温下的韧性变差，冷脆性和 时效敏感性增大等。
脱氧程度排序： 特殊镇静钢＞镇静钢＞半镇静钢＞沸腾钢
钢材性能与质量排序： 特殊镇静钢＞镇静钢＞半镇静钢＞沸腾钢
（三） 热加工
❖ 热加工：是在再结晶温度以上进行的压力 加工，常用锻造、热压、扎制等多种方式。
（一）金属的晶体结构
1、金属材料都是晶体结构，金属原子按几何形 状排列，形成体心立方、面心立方和密排六方 等三种晶格；
2、晶格节点上的金属原子互相以金属键相结合， 所有的价电子为自由电子；
3、钢材内部结构是由很多晶粒组成的多晶体， 各晶粒之间存在晶界。
体心立方结构
金
属
晶
密 排
体
六
方
结
构
面来自百度文库
心
立
方
结
构
❖ 共析钢：
➢ 碳含量在0.77％ ➢ 晶体组织全部为珠光体
❖ 共析钢：
➢ 碳含量在0.77％～2.11％之间 ➢ 晶体组织为珠光体和渗碳体
❖ 含碳量的增加
➢ 珠光体逐渐减少，渗碳体逐渐增多 ➢ 强度与硬度逐渐提高，塑性与韧性逐渐降低
分类 工业
项目
纯铁
亚共析钢
晶体组 织含量 （％）
铁素体
珠光体
过共析钢
的最大应力。
低碳钢拉伸试验
-重要的材料性能:
重点 内容
• 屈服强度: 250 Mpa
• 屈服应变: 0.0013 • 弹性模量:
150 MPa/0.00075=20 x 104 Mpa • 极限强度: 500 Mpa
• 断裂强度: 400 MPa • 韧性:
0.28/0.0013=215 • 断裂延伸率: 25%
（三） 冲击韧性
❖ 钢材抵抗冲击（动）荷载作用的能力，称为冲击 韧性，采用夏比V形缺口试件，用一次摆锤冲击弯 曲试验来测定。
❖ 测得试样冲击吸收功,用符号 Ak（J) 表示。用冲击 吸收功除以试样缺口处截面积 S0, 即得到材料的冲 击韧度 ak。
❖ ak （J/m2)值越大,表示冲断时吸收的功越多，钢材 的冲击韧性越好。
第五章
钢材与铝合金
三问？
❖ 金属材料的基本概念(What) ? ❖ 金属材料具备哪些基本性质(Which) ? ❖ 如何根据土木工程应用选择金属材料(How)?
本章内容
1、钢材的基本知识：铁和钢的概念。钢的分类。钢的冶 炼和脱氧及其对钢质量的影响。
2、钢材的主要技术性质：
➢ 力学性质 ➢ 工艺性能。
螺旋位错
螺旋位错
混合位错
边位错
位错移动例子: 边位错的移动
位错移动的障碍
障碍的例子: 铁晶体中的碳原子
❖ 加入其它元素到金属中，就可能消弱这 种不完全的影响，使金属变得又硬又强。
❖ 例如，碳原子加入到铁中成为钢。
铁晶体中的碳原子
❖ 碳 是“杂质” ❖ 碳原子创造了一个应
力场，阻止了位错的 广泛滑移。 ❖ 它需消耗较大的能量 来克服障碍。
❖ 金属材料中晶粒愈细，晶界面愈大，强度和硬度 愈高，塑性和韧性愈好——细晶强化。
（二）钢中的晶体组织与性能
❖ 同素异晶间的转变：
液态铁 －Fe －Fe －Fe
体心立方 面心立方
体心立方
❖ 合金的基本概念
❖ 固溶体：一种金属溶于另一种金属中形成固体溶液
❖ 化合物：二种以上元素形成新的化合物
（二）钢中的晶体组织与性能
❖ 弹性极限（σe） 表示钢材保持弹性变形, 不产生
塑性变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。
❖ 屈服强度（ σs） 表示钢材开始发生明显塑性变形
的抗力，是钢结构设计的依据。 ❖ 条件屈服强度0.2 对于屈服现象不明显的硬钢，则
规定以产生残余变形为0.2%时的应力。
❖ 强度极限(抗拉强度σb ) 表示金属受拉时所能承受