学习指导一一金属材料 建筑工程中主要使用的金属材料是建筑钢材，其次是铸铁、铝合 金等。本章重点介绍建筑钢材 一、建筑钢材的基本知识 钢，是以铁为主要元素，含一定量的强化元素碳及硅、锰、铬 等合金元素，杂质硫、磷等含量控制在一定范围内。 纯铁的塑性、韧性好，但强度和硬度太低，工程中很少使用。 随着碳及合金元素的含量增大，其强度和硬度大幅度增加、但 塑性和韧性有所降低。 生铁中碳的含量较大，超过2%，有害杂质硫、磷的含量也较大， 故其力学性能差，呈脆性材料的性质。 钢是由生铁治炼而成的。通过治炼使其以铁为主要元素，内含 有一定比例的碳及合金元素（根据不同的要求），并将其杂质的含量 控制在规定的范围之内，这就是钢了。 钢若以碳为主要强化元素，则称为碳素钢。按含碳量的大小， 可分类低碳钢、中碳钢、高碳钢。 在含一定量碳的同时，又含有较多的合金元素，则称为合金钢， 按合金元素含量的大小，可分为低合金钢、中合金钢、高合金钢。 钢中最有害的杂质是硫、磷。所以钢的质量等级是按钢中硫、磷 的含量来划分的。分成普通质量、优质和特殊质量三等。 钢的治炼是将生铁在治炼炉中加热至熔融，进行氧化以除杂质同 时控制碳及合金元素含量，最后再脱氧。根据所用的炼炉钢可分为： 空气转炉钢、氧气转炉、平炉钢和电炉钢。（以往质量较差的空气转 炉钢已被氧气转炉钢代替。氧气转炉钢和平炉钢质量均很好。)根据 冶炼后期脱氧（使Fe0还原为Fe,过程是FeO+C →Fe+CO↑，脱 氧不完全时，在注模时仍有C0气泡从钢液中析出，像钢液沸腾了)， 所以根据脱氧程度不同，有沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢 之分。沸腾钢脱氧不充分，碳及磷、硫等的偏析（即元素在钢中分布 不均匀，富集于某些区间的现象)较严重，因此沸腾钢的抗冲击韧性 和可焊性较差，时效敏感性大，低温下脆性增大。但其成品率高，成 本低。镇静钢和特殊镇静钢脱氧充分，钢质量好，成本较高。半镇静 钢质量和成本介于沸腾钢和镇静钢之间。 二、建筑钢材的主要技术性质 抗拉性能和冲击韧性是建筑钢材的主要力学性能，冷弯性能和焊
1 学习指导——金属材料 建筑工程中主要使用的金属材料是建筑钢材，其次是铸铁、铝合 金等。本章重点介绍建筑钢材。 一、建筑钢材的基本知识 钢，是以铁为主要元素，含一定量的强化元素碳及硅、锰、铬 等合金元素，杂质硫、磷等含量控制在一定范围内。 纯铁的塑性、韧性好，但强度和硬度太低，工程中很少使用。 随着碳及合金元素的含量增大，其强度和硬度大幅度增加、但 塑性和韧性有所降低。 生铁中碳的含量较大，超过 2%，有害杂质硫、磷的含量也较大， 故其力学性能差，呈脆性材料的性质。 钢是由生铁冶炼而成的。通过冶炼使其以铁为主要元素，内含 有一定比例的碳及合金元素（根据不同的要求），并将其杂质的含量 控制在规定的范围之内，这就是钢了。 钢若以碳为主要强化元素，则称为碳素钢。按含碳量的大小， 可分类低碳钢、中碳钢、高碳钢。 在含一定量碳的同时，又含有较多的合金元素，则称为合金钢， 按合金元素含量的大小，可分为低合金钢、中合金钢、高合金钢。 钢中最有害的杂质是硫、磷。所以钢的质量等级是按钢中硫、磷 的含量来划分的。分成普通质量、优质和特殊质量三等。 钢的冶炼是将生铁在冶炼炉中加热至熔融，进行氧化以除杂质同 时控制碳及合金元素含量，最后再脱氧。根据所用的炼炉钢可分为： 空气转炉钢、氧气转炉、平炉钢和电炉钢。（以往质量较差的空气转 炉钢已被氧气转炉钢代替。氧气转炉钢和平炉钢质量均很好。）根据 冶炼后期脱氧（使 FeO 还原为 Fe，过程是 FeO C Fe CO + ⎯⎯→ + ，脱 氧不完全时，在注模时仍有 CO 气泡从钢液中析出，像钢液沸腾了）， 所以根据脱氧程度不同，有沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢 之分。沸腾钢脱氧不充分，碳及磷、硫等的偏析（即元素在钢中分布 不均匀，富集于某些区间的现象）较严重，因此沸腾钢的抗冲击韧性 和可焊性较差，时效敏感性大，低温下脆性增大。但其成品率高，成 本低。镇静钢和特殊镇静钢脱氧充分，钢质量好，成本较高。半镇静 钢质量和成本介于沸腾钢和镇静钢之间。 二、建筑钢材的主要技术性质 抗拉性能和冲击韧性是建筑钢材的主要力学性能，冷弯性能和焊
接性能是建筑钢材的主要工艺性能。 (一)抗拉性能 1、软钢抗拉性能 软钢（低碳钢及你合金钢）拉伸的应力与应变曲线有明显的四个 阶段即：弹性、屈服、强化和颈缩。 钢材的抗拉性能指标有二个方面，四个指标： 屈服强度。， 强度指标 强度极限σ。 伸长率6 塑性指标 截面收缩率中 屈服强度与极限强度之比称为屈强比（σ/σ，）反映了钢材的利 用率和使用中安全程度。屈强比不宜过大或过小，应在保证安全工作 情况下有较高的利用率。比较适宜的屈强比应在0.6~0.75间，软钢 的屈强比较小，可通过冷拉加以提高。 伸长率（δ），表示钢材被拉断时的塑性变形值(1-，)与原长 (1)之比，即6=(-1)/x100%,反映钢材的塑性变形能力。伸长 率6有d和6。，分别表示(，)与原直径(d。)之比为5倍的伸长率(6) 和，/d。为10的伸长率(6。)。由于钢试件在颈缩部位的变形大，使 得同一材质的6，>6。此外，还可以用截面收缩率(p),即颈缩处 断面积收缩值(4-A)与原面积(A,)之比，来表示钢的塑性变形 能力。 2、高碳钢受拉时的应力-应变曲线 与低碳钢的。-ε曲线比，高碳钢的。-￡曲线特点是：抗拉强度高、 塑性变形下和没有明显的屈服点。其结构设计取值是人为规定的条件 屈服点（σ2），即将钢件拉伸至塑性变形达到原长的0.2%时的应力 值。 (二)冲击韧性 冲击韧性是指钢受动荷载时，吸收能量，抵抗破坏的能力。以冲 断试件时单位面积所消耗的功(a)来表示。 影响冲击韧性的因素有钢的化学组成，晶体结构及表面状态和轧 制质量，以及温度和时效作用等。随环境温度降低，钢的冲击韧性亦
2 接性能是建筑钢材的主要工艺性能。 （一）抗拉性能 1、软钢抗拉性能 软钢（低碳钢及你合金钢）拉伸的应力与应变曲线有明显的四个 阶段即：弹性、屈服、强化和颈缩。 钢材的抗拉性能指标有二个方面，四个指标： 屈服强度与极限强度之比称为屈强比（ s / b ）反映了钢材的利 用率和使用中安全程度。屈强比不宜过大或过小，应在保证安全工作 情况下有较高的利用率。比较适宜的屈强比应在 0.6～0.75 间，软钢 的屈强比较小，可通过冷拉加以提高。 伸长率（ ），表示钢材被拉断时的塑性变形值（ 1 0 l l − ）与原长 （ 0 l ）之比，即 1 0 0 = − ( ) / 100% l l l ，反映钢材的塑性变形能力。伸长 率 有 5 和 10 ，分别表示（ 0 l ）与原直径 0 ( ) d 之比为 5 倍的伸长率（ 5 ） 和 0 l / 0 d 为 10 的伸长率（ 10 ）。由于钢试件在颈缩部位的变形大，使 得同一材质的 5 ＞ 10 。此外，还可以用截面收缩率（ ），即颈缩处 断面积收缩值（ A A 0 − ）与原面积（ A0 ）之比，来表示钢的塑性变形 能力。 2、高碳钢受拉时的应力-应变曲线 与低碳钢的 - 曲线比，高碳钢的 - 曲线特点是：抗拉强度高、 塑性变形下和没有明显的屈服点。其结构设计取值是人为规定的条件 屈服点（ 0.2 ），即将钢件拉伸至塑性变形达到原长的 0.2%时的应力 值。 （二）冲击韧性 冲击韧性是指钢受动荷载时，吸收能量，抵抗破坏的能力。以冲 断试件时单位面积所消耗的功（ k a ）来表示。 影响冲击韧性的因素有钢的化学组成，晶体结构及表面状态和轧 制质量，以及温度和时效作用等。随环境温度降低，钢的冲击韧性亦 强度指标 塑性指标 屈服强度 σs 强度极限 σb 伸长率 δ 截面收缩率 ψ
降低，当达到某一负温时，钢的冲击韧性值（α）突然发生明显降低， 此为钢的低温冷脆性。此刻温度称为脆性临界温度。在负温下使用时， 要选用脆性临界温度低于环境温度的钢材。随时间的推移，钢的强度 会提高，而塑性和韧性降低，此现象称为时效。因时效而使性能改变 的程度为钢材的时效敏感性。钢材受到振动、冲击或随加工发生体积 变形，均会加速完成时效。对于承受动荷载的重要结构，应选用时效 敏感性小的钢材。 一般塑性好的钢材其冲击韧性好。 (三)冷弯性能 钢在常温下承受弯曲变形的能力是建筑钢材的重要工艺性能。规 范规定用弯曲角度和弯心直径与试件厚度（或直径）比值表示。冷弯 性能实质反映了钢材在不均匀变形下的塑性，在一定程度上比伸长率 更能反映了钢的内部组织状态及内应力、杂质等缺陷，因此可以用冷 弯的方法来检验钢的质量，特别是焊接质量。 一般塑性好的钢材其冲击韧性好。 (四)焊接性能 绝大多数钢结构、钢筋骨架、接头、埋件及连接等都采取焊接方 式。焊接质量除与焊接工艺有关外，还与钢材的可焊性有关。当含碳 量超过0.3%后，钢的可焊性变差。硫能使钢的焊接处产生热裂纹而 硬脆。锰可克服硫引起的热脆性（锰在钢中可与硫组成硫化锰，从而 克服硫的不利影响)。沸腾钢的可焊性较差。其它杂质含量增多，也 会降低钢的可焊性。 除上述性能外，当钢材受到交变应力作用时，还要求其具有一定 的耐疲劳性。 三、钢的晶体组织与化学成分对钢性能的影响 钢的性质是钢的晶体组织和结构的综合表现。而化学组成是决定 钢组织与结构的内在因素。为深入了解钢的性质，并进一步掌握利用 某些加工手段，来提高或改善钢的某些性能，必须了解钢的晶体组织 和化学成分及其对钢性能的影响。 (一)钢的基本组织 碳素钢的主要化学成分是铁和碳。碳原子与铁原子之间的结合有 三种基本形式：固溶体、化合物和二者的机械混合物。 1、固溶体以铁为溶剂，碳为溶质，固溶后形成的“固态溶液” 称其为固溶体。碳原子较小，常溶于铁原子规则排列的“晶体”（常 3
3 降低，当达到某一负温时，钢的冲击韧性值（ k a ）突然发生明显降低， 此为钢的低温冷脆性。此刻温度称为脆性临界温度。在负温下使用时， 要选用脆性临界温度低于环境温度的钢材。随时间的推移，钢的强度 会提高，而塑性和韧性降低，此现象称为时效。因时效而使性能改变 的程度为钢材的时效敏感性。钢材受到振动、冲击或随加工发生体积 变形，均会加速完成时效。对于承受动荷载的重要结构，应选用时效 敏感性小的钢材。 一般塑性好的钢材其冲击韧性好。 （三）冷弯性能 钢在常温下承受弯曲变形的能力是建筑钢材的重要工艺性能。规 范规定用弯曲角度和弯心直径与试件厚度（或直径）比值表示。冷弯 性能实质反映了钢材在不均匀变形下的塑性，在一定程度上比伸长率 更能反映了钢的内部组织状态及内应力、杂质等缺陷，因此可以用冷 弯的方法来检验钢的质量，特别是焊接质量。 一般塑性好的钢材其冲击韧性好。 （四）焊接性能 绝大多数钢结构、钢筋骨架、接头、埋件及连接等都采取焊接方 式。焊接质量除与焊接工艺有关外，还与钢材的可焊性有关。当含碳 量超过 0.3%后，钢的可焊性变差。硫能使钢的焊接处产生热裂纹而 硬脆。锰可克服硫引起的热脆性（锰在钢中可与硫组成硫化锰，从而 克服硫的不利影响）。沸腾钢的可焊性较差。其它杂质含量增多，也 会降低钢的可焊性。 除上述性能外，当钢材受到交变应力作用时，还要求其具有一定 的耐疲劳性。 三、钢的晶体组织与化学成分对钢性能的影响 钢的性质是钢的晶体组织和结构的综合表现。而化学组成是决定 钢组织与结构的内在因素。为深入了解钢的性质，并进一步掌握利用 某些加工手段，来提高或改善钢的某些性能，必须了解钢的晶体组织 和化学成分及其对钢性能的影响。 （一）钢的基本组织 碳素钢的主要化学成分是铁和碳。碳原子与铁原子之间的结合有 三种基本形式：固溶体、化合物和二者的机械混合物。 1、固溶体 以铁为溶剂，碳为溶质，固溶后形成的“固态溶液”， 称其为固溶体。碳原子较小，常溶于铁原子规则排列的“晶体”（常
温下为体心立方体晶格称αFe)间隙中，碳的溶入造成原晶格歪扭 (或畸变)，从而使固溶体得到强化。 2、化合物铁和碳的化合物(F©C)。其晶格与纯铁的晶格不同， 碳化铁性质硬、脆。 3、机械混合物上述两种组成物的晶格及性质不改变，而按 定比例机械混合而成。它往往比单一固溶体有更高的强度和硬度，但 塑性等性能不如单一固溶体。 钢的晶体组织就是由上述的单一或多种结合形式所构成的具有 一定形态的集合体。钢的晶体组织及含量是受碳含量和结晶时的温度 条件所决定的。在极缓慢冷却条件（称标准条件）下，钢的基本组织 有四种，下表所列为常温下存在的三种晶体组织及其特征。 在缓慢降温至1390~910℃间时，碳溶入面心立方晶格的y-Fe 中的固溶体称为奥氏体。溶碳能力强，存在较多滑移面，便于热加工。 当温度低于910℃时，奥氏体分解出珠光体和铁素体（或渗碳体）， 723℃全部分解完。 抗拉强度 伸长率 布氏使度 名称 组织特征 (MPa) (%) (HB) 在910C以下，C在a-fe中的固 溶体、晶格间隙小、溶碳能力低 铁素体 约250 4050 约80 常温下溶碳0.006%，有拉多滑 面 碳、铁化合物(FeC)。品体结松 渗碳体 复杂，硬脆，无延性。碳含量占 约30 ≈0 600-800 6.67% 珠光体 铁素体与渗碳体按比例混合的 750-850 10-25 200 致密层状组织，碳含量为0.8% (二)晶体组织对钢性能的影响 1、含碳量与钢的晶体组织及性能的关系 碳素钢含碳量与品体组织及性能间关系。随含碳量增加钢的基本 组织中铁素体逐渐减少，珠光体增加。至碳含量达0.8%时，全由珠 光体组成。此时的钢称为共析钢。随碳含量继续增加，珠光体减少， 渗碳体增加。随含碳量增加，塑性和韧性降低，硬度增加，但抗拉强 度受渗碳体硬脆性大的影响，开始降低
4 温下为体心立方体晶格称 -Fe）间隙中，碳的溶入造成原晶格歪扭 （或畸变），从而使固溶体得到强化。 2、化合物 铁和碳的化合物（Fe3C）。其晶格与纯铁的晶格不同， 碳化铁性质硬、脆。 3、机械混合物 上述两种组成物的晶格及性质不改变，而按一 定比例机械混合而成。它往往比单一固溶体有更高的强度和硬度，但 塑性等性能不如单一固溶体。 钢的晶体组织就是由上述的单一或多种结合形式所构成的具有 一定形态的集合体。钢的晶体组织及含量是受碳含量和结晶时的温度 条件所决定的。在极缓慢冷却条件（称标准条件）下，钢的基本组织 有四种，下表所列为常温下存在的三种晶体组织及其特征。 在缓慢降温至 1390～910℃间时，碳溶入面心立方晶格的 -Fe 中的固溶体称为奥氏体。溶碳能力强，存在较多滑移面，便于热加工。 当温度低于 910℃时，奥氏体分解出珠光体和铁素体（或渗碳体）， 723℃全部分解完。 名称 组织特征 抗拉强度 （MPa） 伸长率 （%） 布氏硬度 （HB） 铁素体 在 910℃以下,C 在 -Fe 中的固 溶体、晶格间隙小、溶碳能力低， 常温下溶碳 0.006%，有较多滑移 面 约 250 40～50 约 80 渗碳体 碳、铁化合物（Fe3C）。晶体结构 复杂，硬脆，无延性。碳含量占 6.67% 约 30 0 600～800 珠光体 铁素体与渗碳体按比例混合的 致密层状组织，碳含量为 0.8% 750～850 10～25 200 （二）晶体组织对钢性能的影响 1、含碳量与钢的晶体组织及性能的关系 碳素钢含碳量与晶体组织及性能间关系。随含碳量增加钢的基本 组织中铁素体逐渐减少，珠光体增加。至碳含量达 0.8%时，全由珠 光体组成。此时的钢称为共析钢。随碳含量继续增加，珠光体减少， 渗碳体增加。随含碳量增加，塑性和韧性降低，硬度增加，但抗拉强 度受渗碳体硬脆性大的影响，开始降低
2、温度变化时，晶体组织的变化与钢的力学性能间关系。将常 温下的钢，加热到一定温度后，再以适当速度冷却到室温，以改变钢 的晶体组织，从而得到所需性能钢的工艺，叫做热处理。热处理的方 法有多种。建筑工程中使用的调质钢就是经淬火（将加热到910℃以 上的钢急冷生成马氏体晶体)后再经回火（常采用加热到500~650℃ 称高温回火，再缓慢降温)，使其保持淬火时已获得的提高强度的效 果，同时消除内应力，使塑性和韧性得到改善的热处理钢 低温下使用的某些钢材，由于碳、磷含量高，且偏析较严重，出 现韧性显著降低、脆性增加，称为冷脆性。若遇高温时，如超过723℃， 钢的机械强度显著降低，塑性变形增大，因此建筑钢材是不耐火的。 3、晶体结构中的缺陷对钢性能的影响 在实际生产中，达不到“极缓慢冷却”条件，因此，钢的晶体结 构中存在着许许多多的缺陷，造成钢组织的不均质性，使钢的性能不 仅受到晶体基本组织及其含量的影响，同时还受到各种缺陷的影响： 一般情况下，当钢材受力初始，在缺陷（如位错）处产生较大的塑性 变形，当变形达到一定程度时，缺陷数量增多（畸变加剧），对变形 的阻碍作用增强，钢材塑性变形开始减小，强度提高，在宏观上，表 现出受拉钢材由屈服阶段过渡到强化阶段。 (三)化学成分对钢性能的影响 非合金钢中除含铁、碳外，还含有磷、硫、氮、氧等元素。一般 情况下，磷使钢强度、硬度提高，塑性和韧性降低，尤其增加钢的冷 脆性，此外，还降低钢的其它性能：硫使钢的焊接性能降低，焊接时 易产生脆裂现象，称热脆性、氮使钢强度增加，但降低塑性和韧性： 显著增加时效敏感性：氧使钢的强度、塑性均降低，增加热脆性和时 效敏感性。 掺入合金元素锰和硅会提高钢的强度，锰还可以克服由硫、氧引 起的热脆性；钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)都是有益的合金元素。能 细化晶粒，使钢强度、韧性提高，而塑性和加工性稍有降低（合金元 素对钢的强化作用十分显著，故合金钢的用量较多)。若考虑到不同 元素对钢性质的影响，并加以利用，则可以生产出多种低合金钢和合 金钢。 四、钢材的冷加工强化与时效处理 (一)冷加工强化 将建筑钢材在常温下进行冷加工（冷拉、冷拔和冷轧），使之产
5 2、温度变化时，晶体组织的变化与钢的力学性能间关系。将常 温下的钢，加热到一定温度后，再以适当速度冷却到室温，以改变钢 的晶体组织，从而得到所需性能钢的工艺，叫做热处理。热处理的方 法有多种。建筑工程中使用的调质钢就是经淬火（将加热到 910℃以 上的钢急冷生成马氏体晶体）后再经回火（常采用加热到 500～650℃ 称高温回火，再缓慢降温），使其保持淬火时已获得的提高强度的效 果，同时消除内应力，使塑性和韧性得到改善的热处理钢。 低温下使用的某些钢材，由于碳、磷含量高，且偏析较严重，出 现韧性显著降低、脆性增加，称为冷脆性。若遇高温时，如超过 723℃， 钢的机械强度显著降低，塑性变形增大，因此建筑钢材是不耐火的。 3、晶体结构中的缺陷对钢性能的影响 在实际生产中，达不到“极缓慢冷却”条件，因此，钢的晶体结 构中存在着许许多多的缺陷，造成钢组织的不均质性，使钢的性能不 仅受到晶体基本组织及其含量的影响，同时还受到各种缺陷的影响。 一般情况下，当钢材受力初始，在缺陷（如位错）处产生较大的塑性 变形，当变形达到一定程度时，缺陷数量增多（畸变加剧），对变形 的阻碍作用增强，钢材塑性变形开始减小，强度提高，在宏观上，表 现出受拉钢材由屈服阶段过渡到强化阶段。 （三）化学成分对钢性能的影响 非合金钢中除含铁、碳外，还含有磷、硫、氮、氧等元素。一般 情况下，磷使钢强度、硬度提高，塑性和韧性降低，尤其增加钢的冷 脆性，此外，还降低钢的其它性能；硫使钢的焊接性能降低，焊接时 易产生脆裂现象，称热脆性、氮使钢强度增加，但降低塑性和韧性； 显著增加时效敏感性；氧使钢的强度、塑性均降低，增加热脆性和时 效敏感性。 掺入合金元素锰和硅会提高钢的强度，锰还可以克服由硫、氧引 起的热脆性；钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）都是有益的合金元素。能 细化晶粒，使钢强度、韧性提高，而塑性和加工性稍有降低（合金元 素对钢的强化作用十分显著，故合金钢的用量较多）。若考虑到不同 元素对钢性质的影响，并加以利用，则可以生产出多种低合金钢和合 金钢。 四、钢材的冷加工强化与时效处理 （一）冷加工强化 将建筑钢材在常温下进行冷加工（冷拉、冷拔和冷轧），使之产