第6章 金属材料(6.1-6.3)ppt课件.ppt

第6章金属材料在土木工程中,金属材料有着广泛的用途,金属材料包括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,如碳素钢、合金钢和铸铁等;有色金属是指黑色金属以外的金属及其合金,如铝、铜、铅、锌等及其合金。土木工程中用量最大的金属材料是建筑钢材和铝合金两种。建筑钢材是指用于工程建设的各种钢材,包括钢结构用的各种型钢(圆钢、角钢、槽钢、工字钢和H型钢等)钢板、钢管和钢筋混凝土结构中用的各种钢筋、钢丝和钢绞线,以及围护结构和装饰工程中用的各种深加工钢板和复合板,还包括用作门窗和建筑五金等的钢材。铝及其合金主要用于轻型房屋和装饰工程,其应用领域也越来越广泛。圆钢角钢槽钢1工字钢H型钢钢板钢管2钢筋钢丝钢绞线围护装饰结构钢板3建筑钢材具有以下一些特点。(1)钢材强度高、结构自重轻。钢材与砖、石、混凝土相比,虽然密度较大,但强度更高,密度与强度的比值较小。所以承受同样荷载时,钢结构要比其他结构体积小、自重轻。例如当跨度和荷载均相同时,钢屋架的重量仅为钢筋混凝土屋架的1/3~1/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至只有将近1/10重。(2)钢材品质均匀,弹性、塑性、韧性好。钢材是比较理想的各向同性材料,最符合结构计算模型,计算结果可靠;钢材的弹性模量较大,结构在正常荷载作用下变形较小;钢材又具有良好的塑性,结构破坏之前将会产生显著变形,即有破坏预告,可及时防患;钢材还具有良好的韧性,对承受冲击荷载、振动荷载适应性强,抗震性能良好。(3)钢材易于连接,可加工性好,施工方便。钢材具有很好的加工性能,可以铸造、切割、锻压成各种形状,也可以通过焊接、铆接或螺栓等进行多种方式的连接,装配施工方便。(4)钢材可重复使用。钢材加工过程中产生的余料、碎屑,以及废弃或破坏了的钢结构构件,均可回炉重新冶炼成钢材,重复使用。4(6)钢材耐热,但防火性能差。钢材受热后,当温度在200℃以内时,其强度和弹性模量下降不多,故钢材有一定的耐热性;温度达200℃时,材质变化较大,不仅强度总体趋势逐渐降低,还有徐变现象;当温度超过200℃后,钢材进入塑性状态已不能承受荷载。因此设计规定钢材表面温度超过150℃后即需要加以防护。(7)在低温和其他条件下,钢材可能发生脆性断裂。以往建筑钢材主要应用于钢筋混凝土结构和钢结构。近年来随着钢结构建筑体系的发展,一些厂房、仓库、大型商场、体育场馆、飞机场乃至别墅、高层住宅都相继采用钢结构体系;而一些临时用房为缩短施工周期,采用钢结构的比重也很大;桥梁工程和铁路建设中钢结构更是占有绝对的地位。所以,建筑钢材的用量将会越来越大。由于建筑钢材主要用作结构材料,钢材的性能对结构的安全性起着决定性的作用,因此我们有必要对各种钢材的性能有充分的了解,以便在设计和施工中合理地选择和使用。,又称铁碳合金,此外还有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等元素。含碳量大于2%的铁碳合金称为生铁或铸铁,生铁是把铁矿石中的氧化铁还原成铁而得到的。含碳量小于2%的铁碳合金称为钢,钢则是将熔融的铁水进行氧化,使碳的含量降低到预定的范围,磷、硫等杂质也降低到允许的范围而得到的。在钢的冶炼过程中,碳被氧化成一氧化碳气体而逸出;硅、锰等被氧化成氧化硅、氧化锰随钢渣排出;硫、磷则在石灰的作用下也进入钢渣中被排出。由于冶炼过程中必须提供足够的氧以保证碳、硅、猛的氧化以及其他杂质的去除,因此,钢液中尚存一定数量的氧化铁。为了消除氧化铁对钢材质量的影响,常在精炼的最后阶段,向钢液中加入硅铁、锰铁等脱氧剂以去除钢液中的氧,这种操作工艺称为脱氧。6常用的钢材冶炼方法主要有以下三种。(1)氧气转炉法。氧气转炉法是以熔融铁水为原料,由炉顶向转炉内吹入高压氧气,将铁水中多余的碳以及硫、磷等有害杂质迅速氧化而有效除去。该方法的冶炼速度快(每炉仅需25~45min),钢质较好且成本较低。氧气转炉法常用来生产优质碳素钢和合金钢,是目前最主要的一种炼钢方法。(2)平炉法。平炉法是以固体或液态生铁、废钢铁及适量的铁矿石为原料,以煤气或重油为燃料,依靠废钢铁及铁矿石中的氧与杂质起氧化作用而成熔渣,熔渣浮于表面,使下层液态钢水与空气隔绝,避免了空气中的氧、氮等进入钢中。该方法冶炼时间长〔每炉需4~12h〕,有足够的时间调整和控制其成分,去除杂质更为彻底,故钢材质量好。平炉法可用于炼制优质碳素钢、合金钢及其他有特殊要求的专用钢。其缺点是能耗高,成本高,已逐渐被淘汰。(3)电炉法。电炉法是以废钢铁及生铁为原料,利用电能加热进行高温冶炼。该方法熔炼温度高,且温度可自由调节,清除杂质较易,故钢材的质量最好,但成本也最高。电炉法主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢。