文档介绍：第7章金属材料
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钢的冶炼与分类
钢材的力学性能与工艺性能
钢的组织和化学成分对钢材性能的影响
建筑钢材的锈蚀与防护
建筑钢材的品种与选用
常用建筑钢材
铝合金及制品
思考题
本章内容
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,如钢和生铁。有色金属是指黑色金属以外的金属,如铝、铜、铅、锌等金属及其合金。土木工程中应用的金属材料主要有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、槽钢和工字钢);钢板;钢筋混凝土用的各种钢筋、钢丝和钢铰线。除此之外,还包括用作门窗和建筑五金等钢材。
建筑钢材强度高、品质均匀,具有一定的弹性和塑性变形能力,能承受冲击振动荷载。钢材还具有很好的加工性能,可以铸造、锻压、焊接、铆接和切割,装配施工方便。建筑钢材广泛用于大跨度结构、多层及高层建筑、受动力荷载结构和重型工业厂房结构,广泛用于钢筋混凝土之中,因此建筑钢材是最重要的建筑结构材料之一。钢材的缺点是容易生锈,维护费用大,耐火性差。
铝合金近年来在建筑装修领域中,广泛用作门窗和室内装修外装饰,有优良的建筑功能及独特的装饰效果。铜、铝及其合金由于具有质量轻、可装配化生产等特点,在现代土木工程中的应用也很广泛。
一、钢的冶炼
钢和铁的主要成分都是铁和碳,用含碳量的多少加以区分,%的为生铁,%的为钢。
钢是由生铁冶炼而成。生铁是由铁矿石、焦炭和少量石灰石等在高温的作用下进行还原反应和其他的化学反应,铁矿石中的氧化铁形成金属铁,然后再吸收碳而成生铁。生铁的主要成分是铁,但含有较多的碳以及硫、磷、硅、锰等杂质,杂质使得生铁的性质硬而脆,塑性很差,抗拉强度很低,使用受到很大限制。%以下,其他杂质含量降至一定的范围内,以显著改善其技术性能,提高质量。
钢的冶炼方法主要有氧气转炉法、电炉法和平炉法三种,不同的冶炼方法对钢材的质量有着不同的影响,如表7-1所示。目前,氧气转炉法已成为现代炼钢的主要方法,而平炉法则已基本被淘汰。
钢的冶炼与分类
表7-1 炼钢方法的特点和应用
钢的冶炼与分类
炉种
原料
特点
生产钢种
氧气转炉
铁水、废钢
冶炼速度快,生产效率高,钢质较好
碳素钢、低合金钢
电炉
废钢
容积小,耗电大,控制严格,钢质好,但成本高
合金钢、优质碳素钢
平炉
生铁、废钢
容量大,冶炼时间长,钢质较好且稳定,成本较高
碳素钢、低合金钢
在铸锭冷却过程中,由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度大于固相,这些元素便向凝固较迟的钢锭中心集中,导致化学成分在钢锭中分布不均匀,这种现象称为化学偏析,其中以硫、磷偏析最为严重。偏析会严重降低钢材质量。
在冶炼钢的过程中,由于氧化作用使部分铁被氧化成FeO,使钢的质量降低,因而在炼钢后期精炼时,需在炉内或钢包中加入锰铁、硅铁或铝锭等脱氧剂进行脱氧,脱氧剂与FeO反应生成MnO、SiO2或Al2O3等氧化物,它们成为钢渣而被除去。若脱氧不完全,钢水浇入锭模时,会有大量的CO气体从钢水中逸出,引起钢水呈沸腾状,产生所谓沸腾钢。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,故钢材的质量差。
二、钢的分类
钢的分类方法很多,目前的分类方法主要有下面几种。
1. 按化学成分分类
(1) 碳素钢。%~%,按含碳量又可分为低碳钢(含碳量<%)、中碳钢(%~%)、高碳钢(含碳量>%)。
在建筑工程中,主要用的是低碳钢和中碳钢。
(2) 合金钢。合金钢可以分为低合金钢(合金元素总量<5%)、中合金钢(合金元素总量为5%~l0%)、高合金钢(合金元素总量>l0%)。
建筑上常用低合金钢。
2. 按有害杂质含量分类
(1) 普通钢。硫含量≤%,磷含量≤%。
(2) 优质钢。硫含量≤%,磷含量≤%。
(3) 高级优质钢。硫含量≤%,磷含量≤%。
(4) 特级优质钢。硫含量≤%,磷含量≤%。
建筑中常用普通钢,有时也用优质钢。
钢的冶炼与分类
3. 根据冶炼时脱氧程度分类
(1) 沸腾钢。炼钢时加入锰铁进行脱氧,脱氧很不完全,故称沸腾钢,代号为“F”。沸腾钢组织不够致密,杂质和夹杂物多,硫、磷等杂质偏析较严重,故质量较差。但其生产成本低、产量高、可广泛用于一般的建筑工程。
(2) 镇静钢。炼钢时一般采用硅铁、锰铁和铝锭等作脱氧剂,脱氧充分,这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固,基本无CO气泡产生,故称镇