《土木工程材料》第2章 金属材.ppt

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1、第 2 章,金属材料,本 章 目 录,本章提要概述2.1 钢材的冶炼与分类2.2 建筑钢材的力学性能与工艺性能2.3 钢材的组织和化学成分对钢材性能的影响2.4 常用建筑钢材的技术标准2.5 钢材的腐蚀与防护2.6 钢的防火2.7 建筑装饰用钢材制品2.8 建筑中用铝及铝合金制品2.9 铜和铜合金案例分析,本章提要,金属材料的基本概念金属材料具备的基本性质如何根据土木工程应用选择金属材料本章重点：建筑钢材的基本性能及应用。本章难点：钢材冷加工强化与时效处理的机理。,概述,金属材料的通常分类,金属材料,黑色金属：铁、钢、合金钢等,有色金属：铝、铜、锌、铅及合金等,2.1 钢材的冶炼与分类,2.1

2、.1 钢的冶炼2.1.2 钢材的分类,2.1.1 钢的冶炼,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2.116.69，并含较多杂质的。,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：,三种主要炼钢方法的特点,炉种 原料 特 点 生产钢种,2.1.2 钢材的分类,1.按冶炼方法分,钢,转炉钢,沸腾钢,电炉钢,平炉钢,按冶炼方法分,按脱氧程度分,半镇静钢,镇静钢,特殊镇静钢,按炉衬材料分为酸性钢和碱性钢,2.1.2 钢材的分类,2.

3、按化学成分分,钢,中碳钢,低合金钢,高碳钢,低碳钢,碳素钢,合金钢,中合金钢,高合金钢,C0.25%,C=0.25%0.60,C0.60,合金总含量5%,5%10,10,2.1.2 钢材的分类,3按有害杂质含量分类按硫（S）和磷（P）的含量多少，可分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢四种。4按用途不同分类按钢的用途不同，可分为结构钢、工具钢和特殊钢三种。,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

4、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,2.2 建筑钢材的力学性能与工艺性能,2.2.1 力学性能2.2.2 工艺性能,2.2.1 力学性能,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。,拉伸,压缩,弯曲,剪切,扭转,荷载形式,2.2.1 力学性能,1抗拉性能2冲击韧性3耐疲劳性4硬度,1抗拉性能拉伸试验机与样品的安装,n=(l1-l0)/l0 100%,=(F0-F1)/F0100%,（1）弹性阶段（OA段）（2）屈服阶段（AB段）（3）强化阶段（BC段）（4）颈缩阶段（

5、CD）,常用低碳钢的弹性模量E约为2.02.1105MPa，弹性极限为p约为180200MPa。,这种应力基本保持不变，而应变显著增加的现象，称为屈服。常用低碳钢的屈服极限s约为185235MPa。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。,过了屈服阶段后，材料又恢复了抵抗变形的能力，要使它继续变形必须增加拉力。这种现象称为材料的强化。抗拉强度在设计中虽不能利用，但屈强比（s/b）在设计中有着重要意义。,屈强比小，结构的安全性高。若屈强比过小，则钢材利用率低。建筑结构钢屈强比一般在0.600.75范围内较合理。普通碳素结构钢Q235的屈强比大约为0.580.63；低合金结构钢的屈强比大约为0.65

6、0.75；对有抗震要求的框架结构纵向受力钢筋要求屈强比不应超过0.80。,问题：什么是屈强比，对选用钢材有何意义？,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（）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。=（l1l0）/l0 100%断面收缩率（）试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。=（F0F1）/F0 100%伸长率和断面收缩率的值越大，钢材的塑性越大,中碳钢与高碳钢（硬钢）由于材质较硬，抗拉强度高，塑性变形较小，受拉时无明显的屈服阶段。故常以其规定残余变形为0.2%l0时的应

7、力值作为名义屈服点，也称条件屈服点，用0.2表示。,强度概念小结,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：弹性极限（P）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（s）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b)表示金属受拉时所能承受的最大应力。,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。,2冲击韧性,钢材抵抗冲击（动）荷载作用的

8、能力，称为冲击韧性，采用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W（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。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。,冲击试验：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,H0,H1,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：钢中的S、P等有害杂

9、质含量(成分偏析程度)；环境温度钢的时效,随时间的延长，钢材表现强度和硬度提高，但其塑性和韧性降低，这种现象称为时效。时效作用导致钢材性能改变程度的大小叫时效敏感性。,3耐疲劳性,钢构件若在交变应力（随时间进行周期性交替变更的应力）的反复作用下，往往在工作应力远小于抗拉强度时发生骤然断裂，这种现象称为“疲劳破坏”。当应力作用方式、大小或方向等交替变更时，裂纹两面的材料时而紧压或张开，形成了断口光滑的疲劳裂纹扩展区。随着裂纹向纵深发展，在疲劳破坏的最后阶段，裂纹尖端由于应力集中而引起剩余截面的脆性断裂，形成断口粗糙的瞬时断裂区。,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

10、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。材料承受的交变应力()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)。,4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。,洛氏硬度测量原理图,布氏硬度测量原理图,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？,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

11、裂。其主要影响因素有：内部缺陷（晶界、微孔、夹杂物等）；成分偏析；过大的内应力，截面沿纵向的突变；表面状态；受力的种类、应力循环特征值、循环次数等。,2.2.2 工艺性能,1冷弯性能2冷加工性能及时效处理3焊接性能4钢材的热处理,1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；3、试验方法：按一定的角与d/a值进行冷弯，试件弯曲处的外拱面及两个侧面不出现裂缝和起层现象为合格。,钢材的冷弯试验,2冷加工性能及时效处理,（1）冷加工强化（2）钢材的时效处理,（1）冷加工处

12、理,将钢材在其结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工，如在常温下进行冷拉、冷拔、冷轧等冷加工处理。由于冷塑性变形引起强度增高而塑性和韧性降低的现象称为加工硬化，或形变硬化。冷加工硬化原理：钢材加工至塑性变形后，由于塑性变形区域内的晶粒产生相对滑移，使滑移面下的晶粒破碎，经格歪扭，构成滑移面的凹凸不平，从而给使用中的变形造成附加阻力，提高了钢材对外力作用下重新滑移产生的抵抗力。加工硬化的效果：屈服强度提高塑性和韧性降低可焊性变坏硬脆倾向增加等。,钢材的重复拉伸,（2）时效处理,将经过冷加工的钢筋，在常温下存放1520天，或在100120C保持一定时间，其强度进一步提高，弹性模量基本恢复，这个过程称

13、为时效处理。时效硬化原理：由于溶于铁素体中的过饱和的氮和氧原子，随着时间的增长慢慢地以Fe4N和FeO从铁素体中析出，形成渗碳体分布于晶体的滑移面或晶界面上，阻碍晶粒的滑移，增加抵抗塑性变形的能力，从而使钢材的强度和硬度增加、塑性和冲击韧性降低。,时效处理,钢材产生实效的难易程度称为时效敏感性，用时效敏感系数表示：C值越大，时效敏感性越大。为了尽快取得强化效果，可将冷拉过的钢筋加热到100200C保持2小时，以加速时效的发展，这种方法称为人工实效。实际意义：承受动载或处于中温的钢结构，要求钢材具有较小的时效敏感性。但对于建筑上用的钢筋来说，可提高其屈服强度。,可焊性,1、定义：钢材在焊接后，焊

14、头联结的牢固程度和硬脆倾向大小的性能；2、测量：将焊接的钢材试件进行拉伸试验，要求断裂处不在焊接点上。3、影响因素：化学成分（含碳量、S、P和气体杂质）；冶炼质量（镇静钢）冷加工等。,合格,不合格,钢材的可焊性试验,问题：直接承受动荷载作用的焊接钢结构是否能使用经冷加工的钢材吗？为什么？,答：不能。因为冷加工后钢材的塑性和韧性大大降低，可焊性变差，增加了焊接后的硬脆倾向，为了防止钢结构发生突然的脆性断裂，所以不能采用。,热处理对钢材性质的影响,热处理是将钢材在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数

15、机械零件必须经过热处理。,热处理对钢材性质的影响,退火可降低钢的硬度，提高塑性和韧性，消除加工处理中形成的缺陷和内应力；正火提高塑性和韧性，强度降低较小，使三者之间良好配合；淬火提高钢材的硬度和耐磨性，但降低了塑性和韧性；回火消除淬火后钢材的内应力和脆性；淬火和高温回火的联合处理称为调值，可使钢材既有较高的强度，又有良好的塑性和韧性。,问题,退火、正火、淬火和回火有何差别？,钢材的热处理工艺,2.3 钢材的组织和化学成分对钢材性能的影响,.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，

16、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。,金属晶体,体心立方结构,面心立方结构,密排六方结构,2.3.1 钢的基本组织,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,2.3.1 钢的基本组织,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 铁和碳的化合物Fe3C，含碳量高达6.69，故性质硬脆，塑性和韧性几乎为零，硬度高。珠光体 铁素体与渗碳体的混合物，两者相

17、间存在于同一晶体中，含碳量0.77，其性质介于二者之间。奥氏体 碳溶于Fe中的固溶体，在7270C以上存在，含碳量0.772.11，其强度与硬度不高，塑性好，故钢材在高温下热加工。,铁素体的晶体组织,钢材的晶体组织,珠光体的晶体组织,铁素体和珠光体,珠光体与渗碳体,球状珠光体,动画,2.3.2 钢的化学成分对钢性能的影响,钢材中除了主要化学成分铁（Fe）以外，还含有少量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）等元素，这些元素虽然含量少，但对钢材性能有很大影响.,一、化学成分对钢材性质的影响,铁晶体中的碳原子,碳 是“杂质”碳原子创造了一个

18、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。,加入其它元素到金属中，削弱晶界或原子的滑移，使金属变得又硬又强。例如，碳原子加入到铁中成为钢。,障碍的例子:铁晶体中的碳原子,2.4 常用建筑钢材的技术标准2.4.1 钢结构用钢材2.4.2 混凝土结构用钢材,2.4.1 钢结构用钢材,1碳素结构钢2优质碳素结构钢3低合金高强度结构钢4钢结构用型钢、钢管和钢板,1碳素结构钢,（1）钢的牌号：根据国标GB700-1988，碳素结构钢按照屈服强度分为Q195、Q215、Q235、Q255和Q275五个牌号，每个牌号又根据硫、磷等杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级。牌号的顺序：屈服强度

19、字母Q、屈服强度数值、质量等级（A、B、C、D）、脱氧程度符号（F、b、Z、TZ）。例如：Q235AF，表示屈服强度为235MPa，A级沸腾（F）碳素结构钢。（）技术要求见表。钢牌号与性能的关系 钢牌号越大，钢的含碳量增加，强度与硬度增高，塑性和韧性降低，可焊性变差。,碳素结构钢,（3）选用原则：应根据钢结构的工作条件、荷载类型、连接方式、环境温度与介质的腐蚀情况等综合因素选用。例如：Q195和Q215号钢强度较低，塑性和韧性较大，易弯加工，可用于钢钉、螺栓等。Q235A使用于承受静载作用的钢结构；Q235B可用于承受动载焊接的普通钢结构；Q235C可用于承受动载焊接的重要钢结构；Q235D可

20、用于低温承受动荷载焊接的钢结构。Q255和Q275强度较高，塑性和韧性较差，主要用于机械零件等,思考题：1、碳素结构钢的牌号如何组成？2、钢牌号如何反映钢材的性能和质量？3、如何根据使用要求选用钢材牌号？,2.优质碳素结构钢,(1)钢的牌号用两位数字表示，代表平均含碳量的万分数，如含锰量较高时，在牌号后加注（Mn）。如：45号钢，表示气焊碳量为0.45%。(2)选用：3045号钢，用于重要结构的钢铸件和高强度螺栓；6580号钢，常用于制作碳素钢丝、刻痕钢丝和钢绞线等。,3低合金高强度结构钢,(1)组成：含有5%以下的合金元素（Si、Mn、Ti、V、Cr、Ni、Cu等）。含碳量0.2%。(2)合

21、金元素的作用：细化结晶，起到细晶强化作用，不仅可提高强度和硬度，还可一定程度上增加塑性和韧性。弥散强化作用，较硬微粒均匀分散在晶粒内部，阻碍晶粒滑移变形，大大提高钢的强度和硬度。(3)牌号：与碳素结构钢一样，用Q+屈服强度值+质量等级（A、B、C、D、E）表示。(4)特性：强度和硬度高，有害杂质少，质量高且稳定，良好的塑性和韧性，适当的可焊性。(5)应用：适合于大跨度结构、高层建筑和桥梁。,低合金结构钢的性能要求,(1)高强度：一般其屈服强度在300MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(

22、3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。,低合金结构钢的组成特点,低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过0.20%。加入以锰为主的合金元素。加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。,问题：与碳素钢相比，低合金结构钢有何特点？,答：由于低合金结构钢中的合金元素的细晶强化和弥散强化作用，以及含碳量低，有害杂质少，质量较高且稳定，使得低合

23、金结构钢有以下特点：不但具有较高的屈服强度和抗拉强度，而且具有较好的塑性、韧性和适当的焊接性，耐低温性较好，时效敏感性也较小。,4钢结构用型钢、钢管和钢板,型钢钢管钢板,钢结构用钢,2.4.2 混凝土结构用钢材,主要品种有：1热轧钢筋 2冷加工钢筋 3热处理钢筋 4预应力混凝土用钢丝和钢绞线,1.热轧钢筋,(1)牌号：有、四个级别，其中、为带了钢筋，牌号为：HRB+屈服强度的最小值构成，级为光圆钢筋，牌号为R235；、级为热轧带肋钢筋有HRB335、HRB400、HRB500 三个牌号。2、性能与用途：级钢筋的强度不高，弹塑性和可焊性好，用作预应力混凝土的受力筋或构造筋；、级强度高，塑性和可焊

24、性也好，用于大中型钢筋混凝土结构的受力筋。级钢筋强度高，弹塑性和可焊性较差，可用作预应力钢筋。,2冷加工钢筋,（1）冷拉热轧钢筋（2）冷轧带肋钢筋（3）冷轧扭钢筋,有、四个级别，他们由热轧钢筋经现场冷拉和人工时效处理得到。级适用于普通混凝土结构中的受力筋；可用作预应力钢筋。,冷轧带肋钢筋代号为CRB，按抗拉强度分为五级：CRB550、CRB650、CRB800、CRB970、CRB1170，其中数值表示钢筋应达到的最小抗拉强度值。冷轧带肋钢筋的力学、工艺性质见表212。,高性能建材,冷轧扭钢筋由低碳钢热轧圆盘条经专用钢筋冷轧扭机调直、冷轧并冷扭一次成型，具有规定截面形状和节距的连续螺旋状钢筋。

25、按其截面形状不同分为I型（矩形截面）和型（菱形截面）两种类型。代号为LZN。标记符号为原材料（母料）轧制前的公称直径（d）。标记示例：LZN10(I)冷轧扭钢筋，标志直径为10mm，矩形截面。,3热处理钢筋,有热轧带肋钢筋经淬火和高温回火调质处理得到，代号RB150。牌号：有40Si2Mn、48Si2Mn和45Si2Cr三种。不能冷拉和焊接。性能：屈服强度不小于1325MPa，极限强度不小于1470MPa，伸长率不小于6。应符合GB4463-84的规定。用途：主要用于预应力混凝土梁、预应力混凝土轨枕和其他预应力混凝土结构。热处理钢筋的设计强度取标准强度的0.8，先张法和后张法预应力的张拉控制应

26、力分别为标准强度的0.7和0.65。,4预应力混凝土用钢丝和钢绞线,（1）预应力钢丝:冷拉钢丝为WCD、低松弛级钢丝为WLR、普通松弛级钢丝为WNR。1)预应力混凝土钢丝使用牌号为6080的优质碳素钢盘条，经酸洗、冷拉或冷拉再回火等工艺制成，分冷拉钢丝（L）和矫直回火钢丝（J）两种。为了增加握裹力，进行表面压痕，形成刻痕钢丝（JK）。2)特性：强度高、柔性好、无接头，质量稳定，不需焊接。3)用途：大跨度桥梁、屋架、吊车梁、电杆、轨枕等预应力钢筋。,4预应力混凝土用钢丝和钢绞线,（2）预应力混凝土用钢绞线预应力混凝土用钢绞线是以数根优质碳素结构钢钢丝经绞捻和消除内应力的热处理而制成。用两根钢丝捻

27、制的钢绞线（表示为12）、用三根钢丝捻制的钢绞线（表示为13）、用七根钢丝捻制的钢绞线（表示为17）。按应力松驰能力分为I级松驰和级松驰两种。,2.5 钢材的腐蚀与防护,2.5.1 腐蚀的类型,钢材受到周围介质的化学或电化学作用而逐渐破坏的现象称为腐蚀。1、化学腐蚀 由非电解质溶液或各种干燥气体（O2、CO2、SO3、Cl2、H2S）等所引起的纯化学腐蚀，多数是氧化作用，在钢材表面产生疏松的氧化物膜层。2、电化学腐蚀 钢材与电解质溶液接触后，由于发生电化学作用而引起的腐蚀。3、腐蚀的影响因素：钢材的成分、环境条件、周围介质的性质等。,电化学腐蚀过程,阳极反应:Fe Fe2+2e(1)阴极反应:

28、O2+2H2O+4e-4OH(吸氧)(2)2H+2e H2(放氢)(3)在介质水中：Fe2+2OH-Fe(OH)2(4)进一步氧化：4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3(5)氢氧化铁部分脱水成为铁锈:2Fe(OH)3H2OFe2O3H2O(6)或 Fe(OH)3H2OFeOOH(7),锈蚀产生的原因,如果两种金属以化学方式接触,那么,电化学就会因各个金属的电位上差值而建立、组成一个化学原电池。阳极金属就出现锈蚀。锚杆表面存在不均匀性的地方,例如局部损伤,就产生不同的电位差,于是形成微型原电池。在锚杆防护层间断处,一般可能产生原电池。如预应力损失可能与灌浆锚索界面粘结和相互嵌锁的恶化

29、(开裂、挤碎)有关。锚杆处与土壤中离子浓度有变化的环境中,那时就形成差动电池,其锈蚀也就产生了。,原电池锈蚀原理图不同形式锈蚀的形态双金属电池示意图,氯离子引起的钢筋锈蚀机理,钢材锈蚀的危害,减小钢材的受力面积，降低承载力；产生体积膨胀，毁坏钢筋混凝土结构；,铁的氧化物或氢氧化物的体积,2.5.2 钢材防护措施,（1）制成合金钢 加入合金元素铬、镍制成不锈钢、或加入铜制成合金钢，可显著提高抗锈蚀能力。（2）金属覆盖 在钢材表面电镀或喷镀一层金属覆盖物，如：镀锌、镀锡、镀铬、镀银等。（3）非金属覆盖。在钢材表面用非金属材料作为保护膜，与环境介质隔离，以避免或减缓腐蚀，如喷涂涂；料、搪瓷和塑料等。

30、,补充：设置阳极或阴极 1）阳极保护：在钢结构附近埋设废钢铁作为阳极，保护钢结构作为阴极，通上直流电源，则钢结构阴极受保护；2）阴极保护：在被保护钢结构上，连接一块比铁更活泼的金属，如锌、镁等，使活泼金属作为阳极被腐蚀，钢结构作为阴极受保护。3）混凝土中钢筋的防锈，主要靠水泥石的高碱度介质，使钢筋表面形成钝化膜保护。,阳极与阴极保护原理,阴极保护方式,阳极保护方式,氯盐腐蚀的对策(1)在近海岸区域，不使用露面混凝土；用砂浆面砖等进行表面装修。(2)海水面能浸及的部位，混凝土保护层要在100mm以上,钢筋混凝土用环氧树脂涂刷。此外，也有电化学阴极保护方法。(3)电化学防腐原理铁（Fe）与空气中水

31、分接触时，有Fe2+和e生成，如图 中所示，Fe(OH)3(红铁锈)生成。为了停止这一过程，施加外部电流，可抑制这一过程。防腐蚀电流施加方式，如图 所示的电流阳极方式：有以Zu系，Al系等为阳极的方式，或外部电源的方式。,2.6 钢的防火,耐火试验与火灾案例调查表明：以失去支持能力为标准，无保护层时钢柱和屋架的耐火极限只有0.25h，而裸露钢梁的耐火极限仅为0.15h。温度在200C以内，可以认为钢材的性能基本不变；当温度超过300C以后，钢材的弹性模量、屈服点和极限强度均开始显著降低；到达600C时，弹性模量、屈服点和极限强度均接近于零，已失去承载力。所以，没有防火保护层的钢结构是不耐火的。

32、,2.6 钢的防火,1防火涂料包裹法2不燃性板材包裹法3实心包裹法,2.7 建筑装饰用钢材制品,2.7.1 不锈钢及其制品2.7.2 彩色不锈钢板 2.7.3 彩色涂层钢板2.7.4 彩色涂层压型钢板2.7.5 轻钢龙骨,不锈钢是加铬元素为主并加其他元素的合金钢，铬含量越高，钢的抗腐蚀性越好。除铬外，不锈钢中还含有镍、锰、钛、硅等元素，这些元素都能影响不锈钢的强度、塑性、韧性和耐蚀性。不锈钢按其化学成分可分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和高锰低铬不锈钢等几类。按不同耐腐蚀特点，又可分为普通不锈钢（简称不锈钢）和耐酸钢两类。,2.7 建筑装饰用钢材制品,1.不锈钢装饰制品 用作建筑物的柱、屋面、内外墙面

33、、门窗、栏杆等的表面装饰。2.彩色涂层钢板 用作建筑外墙板，屋面板，护壁板等。3.轻钢龙骨 主要用作墙体和天花吊顶的龙骨支架。,轻钢龙骨及其应用,彩钢板的表面涂层,轧制的彩钢板,钢结构厂房,2.8 建筑中用铝及铝合金制品,2.8.1 铝的特性,密度为2.70，质轻，熔点低，比强度高；导电和导热性很好；有一定的耐蚀性，但耐碱和耐酸性差，较易发生电化学腐蚀。强度和硬度不高（0.2=35150MPa，b=90170 Pa，HB=2344），伸长率较大（35%50%），刚度低；故工程结构中不用纯铝材料。,2.8.2 铝合金,1、组成：在铝中加入适量的合金元素，如Cu、Mg、Mn、Si、Zn等，制得铝合

34、金。2、特性：强度与硬度提高，弹性模量比钢低，线膨胀系数是钢的两倍，温度变形较大，轻质、高延性、耐腐蚀、易加工、装饰效果好等。3、应用：1）铝合金门窗 2）铝合金装饰板,2.8.2 铝合金,铝中加入合金元素后，可获得铝合金具有较高的强度，良好的加工性能。根据成分及工艺特点，铝合金分为：变形铝合金：加热时能形成单相固溶体组织，塑性较好，适于变形加工，称为变形铝合金。铸造铝合金：由于冷却时有共晶反应发生,流动性较好,适于铸造生产,称为可铸造铝合金。,2.9 铜和铜合金,2.9.1 铜及其应用2.9.2 铜合金及其应用,在现代建筑装饰方面，铜材集古朴和华贵于一身。可用于外墙板、把手、门锁、纱窗（紫铜

35、纱窗）、西式高级建筑的壁炉、卫生器具和五金配件等方面。,在铜中掺加锌、锡等元素可制成铜合金，铜合金主要有黄铜、白铜和青铜，其强度、硬度等机械性能得到提高，且价格比纯铜低。易于加工成各种建筑五金，装饰制品、水暖器材。黄铜粉俗称“金粉”，常用于调制装饰涂料，代替“贴金”。,案例分析,【工程实例分析2-1】韩国汉城大桥倒塌概况：1994年10月21日韩国汉城汉江圣水大桥50m长的桥体像刀切一样坠入江中，造成多人死亡。该桥由韩国最大的建设产业公司之一的东亚建设产业公司于1979年建成。分析讨论：事故原因调查团经五个多月的各种试验和研究，于次年4月2日提出了事故报告。事故原因主要是以下两个方面：一是东亚

36、建设产业公司没有按图纸施工，在偷工减料，利用疲劳性能很差的劣质钢材，这是事故的直接原因。二是当时韩国缩短工期及汉城市政当局在交通管理上的疏漏也是大桥倒塌的主要原因。设计负载限制为32t，建成后交通量逐年增加，超常负荷运行，倒塌时负荷为43.2t。,案例分析,【工程实例分析2-2】钢丝的腐蚀广东某斜拉桥竣工于1989年。1995年5月其中一条拉索突然坠落，经检验确认其他拉索已受不同程度的腐蚀，该桥最后全部更换新拉索。分析讨论：对坠落的拉索进行研究，钢丝的腐蚀程度由上而下逐渐增加，且与所灌注的水泥浆体的情况有明显的对应关系。其中锈蚀严重部分钢丝的表面多已不存在镀锌层，露出了钢基体，有明显的点腐蚀形

37、貌。该部分水泥浆体未凝结。拉索钢丝所受的腐蚀原因是所灌注的水泥浆体不凝结，产生电化学腐蚀；而水泥浆体所含的一定量的Cl及钢丝在拉应力的作用下更加速了锈蚀过程。水泥浆体不凝结的原因是：该拉索所灌注的水泥浆体产生离析，含有一定浓度FDN减水剂的大水灰比水泥浆体富集于拉索上部，在密闭的条件下，造成浆体长时间不凝结。,案例分析,【工程实例分析2-3】质量差的铝合金门窗概况：某住宅铝合金窗使用两年变形，隔声效果及气密性差。经检测，其铝含量高达99.5%，请分析原因。分析讨论：纯铝虽轻，但强度、硬度都低，需加入锰、镁等合金元素后，才可合成铝合金，才能获得较高的强度和硬度。此铝合金窗使用两年后就变形，一方面是其材质较差，另一方面是型材的厚度不足。,End,