第2章 建筑金属材料.ppt
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1、建筑材料第二章第二章金属材料金属材料本章学习目标1)了解建筑钢材的微观结构及其性质的关系2)熟练掌握建筑钢材的力学性能(强度,弹塑性变形,耐疲劳性)的意义,测定方法及影响因素。3)熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法。4)掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。建筑是人类文明进程的缩影。它浓缩了人类的驾驭能力,沉淀着世界文化的根基,更凝结着艺术家智慧的结晶。钢结构建筑在建筑史上具有特殊的优势,在欧美已经有几十年的历史,凭借其良好的抗震性、灵活的空间划分、节能环保等优点在建筑业迅速壮大。在此,我们来了解世界各地的著名钢结构建筑,来感受人类建筑史探索与进步的节奏,感悟钢结构建筑史的丰富内涵。巴
2、黎艾菲尔铁塔巴黎艾菲尔铁塔巴黎艾菲尔铁塔巴黎艾菲尔铁塔 建于建于18891889年年,高度高度320320米,原为举办万国米,原为举办万国博览会而建,是较早博览会而建,是较早应用钢结构的建筑物。应用钢结构的建筑物。艾菲尔铁塔得名于它艾菲尔铁塔得名于它的设计师:居斯塔夫的设计师:居斯塔夫 艾菲尔。铁塔设计艾菲尔。铁塔设计造型独特,是世界建造型独特,是世界建筑史上的技术杰作,筑史上的技术杰作,成为世界艺术之都巴成为世界艺术之都巴黎乃至法国的标志性黎乃至法国的标志性建筑。建筑。纽约帝国大厦纽约帝国大厦纽约帝国大厦纽约帝国大厦 建于建于19311931年,高度年,高度381381米米,由由,建筑建筑事
3、务所设计,总建事务所设计,总建筑面积为筑面积为2020万平方万平方米。它和自由女神米。它和自由女神像同为美国财富之像同为美国财富之都都纽约的标志性纽约的标志性建筑,保持世界最建筑,保持世界最高建筑称号达高建筑称号达4040年年之久,每年吸引世之久,每年吸引世界各地界各地500500万游客造万游客造访。访。旧金山金门大桥旧金山金门大桥旧金山金门大桥旧金山金门大桥 建于建于193193年,由年,由斯特劳斯工程师斯特劳斯工程师设计,两桥塔之设计,两桥塔之间的主跨度为间的主跨度为12801280米,是世界米,是世界著名悬索桥之一,著名悬索桥之一,动用了动用了1010多万吨多万吨钢材建成,每年钢材建成,
4、每年通车量达通车量达1010万之万之多。桥塔高多。桥塔高227227米,米,是世界上最高的是世界上最高的桥塔。桥塔。悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院悉尼歌剧院 建于建于19571957年,由丹年,由丹麦建筑师约农设计,麦建筑师约农设计,耗时年才兴建耗时年才兴建完成的音乐圣地是完成的音乐圣地是悉尼人的骄傲,椭悉尼人的骄傲,椭圆形钢结构的正门圆形钢结构的正门大厅给人以强烈的大厅给人以强烈的现代气息,正面看现代气息,正面看台的主门可同时并台的主门可同时并排着陆架波音排着陆架波音747747飞机。独特的飞机。独特的设计造就了世界建设计造就了世界建筑史上的经典之作筑史上的经典之作。香港中银大厦香港中银大厦
5、香港中银大厦香港中银大厦 建于建于19901990年,年,高度高度368368米,由著米,由著名华裔建筑师贝名华裔建筑师贝聿铭先生设计,聿铭先生设计,是中国银行是中国银行(香港香港)的总部,贝聿铭的总部,贝聿铭先生设计的中银先生设计的中银大厦就像一根竹大厦就像一根竹子,寓意高峻挺子,寓意高峻挺拔、节节上升,拔、节节上升,外立面三角几何外立面三角几何形状,好像一个形状,好像一个个蓝色的水晶叠个蓝色的水晶叠放在一起,成为放在一起,成为香港的标志性建香港的标志性建筑。筑。上海金茂大厦上海金茂大厦上海金茂大厦上海金茂大厦 建于建于19981998年,年,高度高度420420米,总建筑米,总建筑面积为面
6、积为2929万平方米,万平方米,是目前世界第三、是目前世界第三、中国第一高楼,由中国第一高楼,由美国芝加哥美国芝加哥建筑事务所设计,建筑事务所设计,荟萃国际领先建筑荟萃国际领先建筑科技元素而建,代科技元素而建,代表了上海国际化大表了上海国际化大都市开放的胸襟和都市开放的胸襟和气度,成为中国改气度,成为中国改革开放、经济腾飞革开放、经济腾飞的象征之一。的象征之一。第一节第一节 钢材的分类钢材的分类 1.1.按化学成分分类按化学成分分类()碳碳素素钢钢。碳碳素素钢钢的的化化学学成成分分主主要要是是铁铁,其其次次是是碳碳,故故也也称称铁铁一一碳碳合合金金。其其含含碳碳量量为为0.020.022.06
7、2.06。此此外外尚尚含含有有极极少少量量的的硅硅、锰锰和和微微量量的的硫硫、磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为:磷等元素。碳素钢按含碳量又可分为:低碳钢(含碳量小于低碳钢(含碳量小于0.250.25)、)、中碳钢(含碳量为中碳钢(含碳量为0.250.250.600.60)高碳钢(含碳量大于高碳钢(含碳量大于0.600.60)()合合合合金金金金钢钢钢钢。是是是是指指指指在在在在炼炼炼炼钢钢钢钢过过过过程程程程中中中中,有有有有意意意意识识识识地地地地加加加加入入入入一一一一种种种种或或或或多多多多种种种种能能能能改改改改善善善善钢钢钢钢材材材材性性性性能能能能的的的的合合合合金金金金元元元元素
8、素素素而而而而制制制制得得得得的的的的钢钢钢钢种种种种。常常常常用用用用合合合合金金金金元元元元素素素素有有有有:硅硅硅硅、锰锰锰锰、钛钛钛钛、钒钒钒钒、铌铌铌铌、铬等。按合金元素总含量的不同,合金钢可分为:铬等。按合金元素总含量的不同,合金钢可分为:铬等。按合金元素总含量的不同,合金钢可分为:铬等。按合金元素总含量的不同,合金钢可分为:低合金钢(合金元素总含量小于)低合金钢(合金元素总含量小于)低合金钢(合金元素总含量小于)低合金钢(合金元素总含量小于)中合金钢(合金元素总含量为中合金钢(合金元素总含量为中合金钢(合金元素总含量为中合金钢(合金元素总含量为10101010)高合金钢(合金元素
9、总含量大于高合金钢(合金元素总含量大于高合金钢(合金元素总含量大于高合金钢(合金元素总含量大于10101010)。)。)。)。2.2.2.2.按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类()沸沸沸沸腾腾腾腾钢钢钢钢。炼炼炼炼钢钢钢钢时时时时仅仅仅仅加加加加入入入入锰锰锰锰铁铁铁铁进进进进行行行行脱脱脱脱氧氧氧氧,则则则则脱脱脱脱氧氧氧氧不不不不完完完完全全全全。这这这这种种种种钢钢钢钢水水水水浇浇浇浇入入入入锭锭锭锭模模模模时时时时,会会会会有有有有大大大大量量量量的的的的气气气气体体体体从从从从钢钢钢钢水水水水中中中中外外外外逸逸逸逸,引引引引起起起起钢钢
10、钢钢水水水水呈呈呈呈沸沸沸沸腾腾腾腾状状状状,故故故故称称称称沸沸沸沸腾腾腾腾钢钢钢钢,代代代代号号号号为为为为“。沸沸沸沸腾腾腾腾钢钢钢钢组组组组织织织织不不不不够够够够致致致致密密密密,成成成成分分分分不不不不太太太太均均均均匀匀匀匀,硫硫硫硫、磷磷磷磷等等等等杂杂杂杂质质质质偏偏偏偏析析析析较较较较严严严严重重重重,故故故故质质质质量量量量较较较较差差差差。但但但但因因因因其其其其成成成成本本本本低、产量高,故被广泛用于一般建筑工程。低、产量高,故被广泛用于一般建筑工程。低、产量高,故被广泛用于一般建筑工程。低、产量高,故被广泛用于一般建筑工程。()镇镇镇镇静静静静钢钢钢钢。炼炼炼炼钢钢
11、钢钢时时时时采采采采用用用用锰锰锰锰铁铁铁铁、硅硅硅硅铁铁铁铁和和和和铝铝铝铝锭锭锭锭等等等等作作作作脱脱脱脱氧氧氧氧剂剂剂剂,脱脱脱脱氧氧氧氧完完完完全全全全,且且且且同同同同时时时时能能能能起起起起去去去去硫硫硫硫作作作作用用用用。这这这这种种种种钢钢钢钢水水水水铸铸铸铸锭锭锭锭时时时时能能能能平平平平静静静静地地地地充充充充满满满满锭锭锭锭模模模模并并并并冷冷冷冷却却却却凝凝凝凝固固固固,故故故故称称称称镇镇镇镇静静静静钢钢钢钢,代代代代号号号号为为为为“”。镇镇镇镇静静静静钢钢钢钢虽虽虽虽成成成成本本本本较较较较高高高高,但但但但其其其其组组组组织织织织致致致致密密密密,成成成成分分分
12、分均均均均匀匀匀匀,性性性性能能能能稳稳稳稳定定定定,故故故故质质质质量量量量好好好好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程适用于预应力混凝土等重要的结构工程适用于预应力混凝土等重要的结构工程适用于预应力混凝土等重要的结构工程。|()()半镇静钢半镇静钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间,为质量较好的钢,其代号为钢之间,为质量较好的钢,其代号为“”。|()()特殊镇静钢特殊镇静钢。比镇静钢脱氧程度还要充。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢,故其质量最好,适用于特别重要分彻底的钢,故其质量最好,适用于特别重要的结构工程,代号为的结构工程,代号为“TZ”TZ”3.3.3.3.按
13、有害杂质含量分类按有害杂质含量分类按有害杂质含量分类按有害杂质含量分类 按钢中有害杂质磷()和硫(按钢中有害杂质磷()和硫(按钢中有害杂质磷()和硫(按钢中有害杂质磷()和硫(S S S S)含量含量含量含量的多少,钢材可分为以下四类:的多少,钢材可分为以下四类:的多少,钢材可分为以下四类:的多少,钢材可分为以下四类:()()()()普通钢普通钢普通钢普通钢。磷含量不大于。磷含量不大于。磷含量不大于。磷含量不大于0.0450.0450.0450.045;硫含;硫含;硫含;硫含量不大于量不大于量不大于量不大于0.050%0.050%0.050%0.050%。()()()()优质钢优质钢优质钢优质
14、钢。磷含量不大于磷含量不大于磷含量不大于磷含量不大于0.035%0.035%0.035%0.035%;硫含;硫含;硫含;硫含量不大于量不大于量不大于量不大于0.035%0.035%0.035%0.035%。()()()()高级优质钢高级优质钢高级优质钢高级优质钢。磷含量不大于。磷含量不大于。磷含量不大于。磷含量不大于0.025%0.025%0.025%0.025%;硫含量不大于硫含量不大于硫含量不大于硫含量不大于0.015%0.015%0.015%0.015%。()()()()特级优质钢特级优质钢特级优质钢特级优质钢。磷含量不大于。磷含量不大于。磷含量不大于。磷含量不大于0.025%0.025
15、%0.025%0.025%;硫含量不大于硫含量不大于硫含量不大于硫含量不大于0.015%0.015%0.015%0.015%。第二节第二节第二节第二节 钢材的技术性质钢材的技术性质钢材的技术性质钢材的技术性质1.1.1.1.抗拉性能抗拉性能抗拉性能抗拉性能抗抗抗抗拉拉拉拉性性性性能能能能是是是是建建建建筑筑筑筑钢钢钢钢材材材材最最最最重重重重要要要要的的的的技技技技术术术术性性性性质质质质。其其其其技技技技术术术术指指指指标标标标为为为为由由由由拉拉拉拉力力力力试试试试验验验验测测测测定定定定的的的的屈屈屈屈服服服服点点点点、抗抗抗抗拉拉拉拉强强强强度度度度和和和和伸伸伸伸长长长长率率率率。低
16、低低低碳碳碳碳钢钢钢钢(软软软软钢钢钢钢)受受受受拉拉拉拉的的的的应应应应力力力力一一一一应应应应变变变变图图图图能能能能够够够够较较较较好好好好地地地地解解解解释释释释这这这这些些些些重重重重要要要要的的的的技技技技术术术术指指指指标标标标,见见见见图图图图2 2 2 2.低低低低碳碳碳碳钢钢钢钢受受受受拉拉拉拉时时时时的应力一应变图的应力一应变图的应力一应变图的应力一应变图低碳钢从受拉到拉断,经历了四个阶段:低碳钢从受拉到拉断,经历了四个阶段:低碳钢从受拉到拉断,经历了四个阶段:低碳钢从受拉到拉断,经历了四个阶段:弹性阶段(弹性阶段(弹性阶段(弹性阶段(OAOAOAOA)、)、)、)、屈服
17、阶段(屈服阶段(屈服阶段(屈服阶段(ABABABAB)、)、)、)、强化阶段强化阶段强化阶段强化阶段(BCBCBCBC)和颈缩阶段(和颈缩阶段(和颈缩阶段(和颈缩阶段(CDCDCDCD)。)。)。)。弹性模量:在弹性阶段,应力和应变的比值为弹性模量:在弹性阶段,应力和应变的比值为常数称为弹性模量。常数称为弹性模量。E=/E=/。A A点对应的应力点对应的应力称为弹性极限(称为弹性极限(pp)。)。屈服点:当试件拉力在屈服点:当试件拉力在 范围内时,如卸去范围内时,如卸去拉力,试件能恢复原状,应力与应变的比值为拉力,试件能恢复原状,应力与应变的比值为常数,因此,该阶段被称为弹性阶段。常数,因此,
18、该阶段被称为弹性阶段。当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段当对试件的拉伸进入塑性变形的屈服阶段时,称屈服下限下所对应的应力为屈服强度时,称屈服下限下所对应的应力为屈服强度或屈服点,记做或屈服点,记做ss。设计时一般以设计时一般以ss作为强度作为强度取值的依据。在屈服阶段,外力不增大,而变取值的依据。在屈服阶段,外力不增大,而变形继续增加,这时相应的应力称为屈服极限或形继续增加,这时相应的应力称为屈服极限或屈服强度(屈服强度(s s)。对屈服现象不明显的钢材对屈服现象不明显的钢材,规定以规定以0.20.2残余变残余变形时的应力形时的应力0.20.2作为屈服强度。作为屈服强度。()抗拉强度:从图(
19、)抗拉强度:从图()抗拉强度:从图()抗拉强度:从图2 2 2 2中曲线逐步上中曲线逐步上中曲线逐步上中曲线逐步上升可以看出:试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性升可以看出:试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性升可以看出:试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性升可以看出:试件在屈服阶段以后,其抵抗塑性变形的能力又重新提高,称为强化阶段。对应于变形的能力又重新提高,称为强化阶段。对应于变形的能力又重新提高,称为强化阶段。对应于变形的能力又重新提高,称为强化阶段。对应于最高点的应力称为抗拉强度,用最高点的应力称为抗拉强度,用最高点的应力称为抗拉强度,用最高点的应力称为抗拉强度,用b b b b表示。表示。表示。表示。
20、设设设设计计计计中中中中抗抗抗抗拉拉拉拉强强强强度度度度虽虽虽虽然然然然不不不不能能能能利利利利用用用用,但但但但屈屈屈屈强强强强比比比比s s s sb b b b有有有有一一一一定定定定意意意意义义义义。屈屈屈屈强强强强比比比比愈愈愈愈小小小小,反反反反映映映映钢钢钢钢材材材材受受受受力力力力超超超超过过过过屈屈屈屈服服服服点点点点工工工工作作作作时时时时的的的的可可可可靠靠靠靠性性性性愈愈愈愈大大大大,因因因因而而而而结结结结构构构构的的的的安安安安全全全全性性性性愈愈愈愈高高高高。但但但但屈屈屈屈强强强强比比比比太太太太小小小小,则则则则反反反反映映映映钢钢钢钢材材材材不不不不能能能能
21、有有有有效效效效地地地地被利用。被利用。被利用。被利用。屈屈屈屈强强强强比比比比越越越越小小小小,钢钢钢钢材材材材受受受受力力力力超超超超过过过过屈屈屈屈服服服服点点点点工工工工作作作作时时时时的的的的可可可可靠靠靠靠性性性性越越越越大大大大,安安安安全全全全性性性性越越越越高高高高;但但但但是是是是,屈屈屈屈强强强强比比比比太太太太小小小小,钢钢钢钢材材材材强度的利用率偏低,浪费材料。强度的利用率偏低,浪费材料。强度的利用率偏低,浪费材料。强度的利用率偏低,浪费材料。钢钢钢钢材材材材的的的的屈屈屈屈强强强强比比比比一一一一般般般般不不不不大大大大于于于于1/1.21/1.21/1.21/1.
22、2,而而而而用用用用于于于于抗抗抗抗震震震震结结结结构的普通实测的屈强比不应高于构的普通实测的屈强比不应高于构的普通实测的屈强比不应高于构的普通实测的屈强比不应高于0.80.80.80.8。(3)(3)伸长率:图伸长率:图2 2中当曲线到达点后,中当曲线到达点后,试件薄弱处急剧缩小,塑性变形迅速增加,试件薄弱处急剧缩小,塑性变形迅速增加,产生产生“颈缩现象颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距而断裂。量出拉断后标距部分的长度部分的长度L Ll l,标距的伸长值与原始标标距的伸长值与原始标距距L L0 0的百分率称为伸长率。即的百分率称为伸长率。即|(3)(3)断面收缩率:断面收缩率:伸伸长长率率表表
23、征征了了钢钢材材的的塑塑性性变变形形能能力力。由由于于在在塑塑性性变变形形时时颈颈缩缩处处的的伸伸长长较较大大,故故当当原原始始标标距距与与试试件件的的直直径径之之比比愈愈大大,则则颈颈缩缩处处伸伸长长中中的的比比重重愈愈小小,因因而而计计算算的的伸伸长长率率会会小小些些。通通常常以以5 5和和1010分分别别表表示示L L0 0=5d=5d0 0和和 L L0 0=10d=10d0 0(0 0为为试试件件直直径径)时时的的伸伸长长率率。对对同同一一种种钢钢材材,5 5应应大大于于1010。2.2.冷弯性能冷弯性能 冷冷弯弯性性能能是是指指钢钢材材在在常常温温下下承承受受弯弯曲曲变变形的能力,
24、是钢材的重要工艺性能。形的能力,是钢材的重要工艺性能。冷冷弯弯性性能能指指标标是是通通过过试试件件被被弯弯曲曲的的角角度度(9090、180180)及及弯弯心心直直径径 对对试试件件厚厚度度(或或直直径径)a a的的比比值值(/a a)区区分分的的,试试件件按按规规定定的的弯弯曲曲角角和和弯弯心心直直径径进进行行试试验验,试试件件弯弯曲曲处处的的外外表表面面无无裂裂断断、裂裂缝缝或或起起层层,即即认认为为冷弯性能合格冷弯性能合格。|伸伸长长率率反反映映的的是是钢钢材材在在均均匀匀变变形形下下的的塑塑性性,而而冷冷弯弯性性能能是是钢钢材材处处于于不不利利条条件件下下的的塑塑性性,可可以以揭揭示示
25、钢钢材材内内部部组组织织是是否否均均匀匀,是是否否存存在在内应力和夹杂物等缺陷。内应力和夹杂物等缺陷。3.3.3.3.冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性 冲冲冲冲击击击击韧韧韧韧性性性性是是是是指指指指钢钢钢钢材材材材抵抵抵抵抗抗抗抗冲冲冲冲击击击击荷荷荷荷载载载载的的的的能能能能力力力力。冲冲冲冲击击击击韧韧韧韧性性性性指指指指标标标标是是是是通通通通过过过过标标标标准准准准试试试试件件件件的的的的弯弯弯弯曲曲曲曲冲冲冲冲击击击击韧韧韧韧性性性性试试试试验验验验确确确确定定定定的的的的。以以以以摆摆摆摆锤锤锤锤打打打打击击击击试试试试件件件件,于于于于刻刻刻刻槽槽槽槽处处处处将将将将其其其其打
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