土木工程材料 金属材料共115页

F1 ＜ F0 颈缩
=[(F0-F1)/F0]×100%
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常用低碳钢的弹性模量E约为2.0～2.1×105M Pa， 弹性极 限为 p约为180～200MPa。
（1）弹性阶段（OA段）
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185～235MPa。故设 计中一 般以屈 服点作 为强度 取值依 据。
热处理可大幅度地改善金属 材料的工艺性能和使用性能， 绝大多数机械零件必须经过
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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
1. 钢中的S、P等有害杂质含量 (成分偏析程度)；
2. 环境温度 第24页/共103页
3. 钢的时效
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。
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。

B上 B
A B下
σS
）强化阶段（Ⅳ） 颈缩阶段。每个阶 段都各有其特点。
δ
ε=ΔL/ L
图2.1 低碳钢受拉时应力应变曲线图
– 图2.1中的 B上点是这一阶段的最高点，称为 屈服上限（σ s上）； B下点相应的应力称为 屈服下限（σs下），又称屈服点或屈服强度 ，用σs表示。
– 伸长率δ
l1 l0 100%
d
d。
d+2.1d。
α
（a）
（a）试件安装
P
d
(b)
（b）弯曲90°
P
(c)
（c）弯曲180°
(d)
（d）弯曲至两面重合
钢材冷弯试验
第三节 钢的化学成分对钢材性能的影响
①碳（C）：
– 当含碳量小于 0.8% 的碳素钢，随着含碳量的 增加，钢的抗拉强度（σb）和硬度（HB）增加 ，而塑性和韧性则相应降低。
l0
– 伸长率δ是衡量钢材塑性的一个指标，它 的数值愈大，表示钢材塑性愈好。
– 伸长率与标距有关。通常钢材拉伸试验 标距取l0= 10d0和 l0= 5 d0，伸长率分别 以δ10和δ5表示。对同一钢材δ5大于δ10。
2．冲击韧性
– 冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载而不破 坏的能力。是以试样缺口处单位横截面 所吸收的功（J/cm2）来表示，即冲击韧 性值，其符号为αk。
有色金属是除黑色金属以外的其他 金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及
建筑工程上用的钢材包括各类钢结 构用的型钢（如圆钢、角钢、槽钢和工 字钢等）、钢板和钢筋混凝土用钢筋、 钢丝等。
钢材强度高、品质均匀，具有一定 的弹性和塑性变形能力，能够承受冲击 、振动等荷载作用；钢材的加工性能良 好，可以进行各种机械加工，可以通过 切割、铆接或焊接等方式的连接，进行 现场装配。

标准名称 JC/T 479-92建筑生石灰
建材行业的 推荐 技术标准的二类
标准代号 标准
类目顺序号
标准颁发 年代号
土木工程材料
五、技术准标简介
地方标准与企业标准：凡国家、部未能颁布的产品与过程的技术 标准，可由相应的工厂、公司等单位，根据生产厂能保证的产品质 量水平所制定的技术标准，报请本地区或本行业有关主管部门审批 后，在该地区或行业中执行。
各种材料的吸水率很不相同，差异很大
如花岗岩的吸水率只有0.5％-0.7％ 混凝土的吸水率为2％-3％ 粘土砖的吸水率达8％-20％ 木材的吸水率可超过100％
土木工程材料
4、材料的耐水性
定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显
下降的性质。
软化系数：
KR
fb fg
KR =材料吸水饱和后的抗压强度 /材料干燥时的抗压强度
土木工程材料 3、材料的吸湿性和吸水性
1）吸湿性：用含水率表示
亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性： 亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。
含水率
Wh
ms mg mg
*100%
材料在吸湿状态下的重量 材料在干燥状态下的重量
影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度
平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时 的含水率
K Qd AtH
影响因素： 孔隙率及孔隙特征
开口的连通大孔越多
抗渗性越差
闭口孔隙率大的材料
抗渗性仍可良好
抗渗等级:以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力 （MPa）来确定，
P P 材料可以抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa水压力： 2 4 P6
土木工程材料

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三、钢的分类
按质量分
• 普通钢 P≯0.045%,S≯0.05 5%
• 优质钢 P≯0.035-0.04%, S≯0.04%
按结构用途分
• 结构钢 各种工程构件及机械零件, 属低碳钢或中碳钢
• 工具钢 刀具、模具
• 特殊钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢
• 高级优质钢
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第14页/共102页
二、钢材的加工方法
• 大部分为压力加工，根据加工温度的不同分为冷加工和热加工。
➢ 轧制 ➢ 锻造 ➢ 拉拔 ➢ 挤压
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三、钢的分类
按化学成分分类
1. 碳素钢
低碳钢 C<0.25% √ 中碳钢 C=0.3～0.55% 高碳钢 C>0.6%
2. 合金钢
低合金钢 <5% √
的应力—应变图来反映。 –屈服强度 –抗拉强度 –伸长率
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低碳钢单轴拉 伸试验
第24页/共102页
σb σs' σs σp
σ
c
b' ab
0
低碳钢单轴拉伸应力-应变示意图
d 弹性阶段：oa 屈服阶段：ab 强化阶段：bc 颈缩阶段：cd
ε
弹性极限 σp、上屈服强度σs‘、下屈服强度σs、抗拉强度σb
肋钢筋，插于特制的钢套筒内，利用挤压机压 缩套筒，使之产生塑性变形，靠变形后的钢套 筒与带肋钢筋之间的紧密咬合来实现钢筋的连 接。 • 适用于钢筋直径为16~40mm的HRB335、 HRB400带肋钢筋的连接。
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（2）钢筋螺纹接头连接：适用于HR335、HR400钢 筋的连接。
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第8章土木工程用金属材料
温度
等温处理
727C
退火
回火
淬火
正火
钢材的热处理工艺 第8章土木工程用金属材料
时间
热处理对钢材性质的影响
➢ 退火可降低钢的硬度和强度，提高塑性和韧性，消除 冷加工处理中形成的缺陷和内应力；
➢ 正火提高塑性和韧性（幅度较退火小），降低强度和 硬度（幅度较退火小）；
➢ 淬火提高钢材的硬度和强度，但降低了塑性和韧性， 脆性较大；
（2）钢材的冲击韧性
冲击韧性：是指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。 其大小用冲击韧性值αk表示。αk是以试件冲击破坏时缺 口处单位面积上所消耗的功（J/cm2）。αk 越大，则冲击 韧性越好。对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材， 必须考虑冲击韧性。 影响因素：硫、磷等有害杂质含量，内部晶体组织结构， 裂纹等各种缺陷，应力状态的改变，环境温度变化等， 均会影响钢材的冲击韧性。
第8章土木工程用金属材料
4 钢材的冷加工和热处理
（1）钢材的冷加工
e
冷加工是指钢材在常
d
c
温下进行的加工，如
ab
冷拉、冷拔或冷轧。
冷加工时产生一定的
塑性变形，提高屈服
强度，塑性和韧性下 降的现象称为钢材的
O
d′g
d
冷加工硬化。
第8章土木工程用金属材料
f
f′h
（2）时效对钢材性能的影响
时效现象：是指钢材随时间的延长，其强度、硬度提高， 而塑性、冲击韧性降低的现象。通常用时效敏感系数来评 定钢材的时效大小（式8-4）。 时效分为自然时效和人工时效两种：
可分为以下四类： （１）普通钢：磷≤0.045％；硫≤ 0.050% （２）优质钢：磷≤ 0.035%；硫≤ 0.035% （３）高级优质钢：磷≤ 0.025%；硫≤ 0.025 % （４）特级优质钢：磷≤ 0.025%；硫≤ 0.015%

3.应力腐蚀 3.应力腐蚀
在应力状态下腐蚀加快的现象叫应力腐蚀。 在应力状态下腐蚀加快的现象叫应力腐蚀。
18
钢筋冷弯处、预应力钢筋等都会因应力存在而加速腐蚀。 钢筋冷弯处、预应力钢筋等都会因应力存钢 2.金属覆盖 2.金属覆盖 3.非金属覆盖 3.非金属覆盖 4.砼用钢筋防 4.砼用钢筋防 锈
第八讲 土木工程用金属材料 金 属 材 料
铁元素及合金 。 生铁、碳素钢、 生铁、碳素钢、合金钢等 ;
黑色金属
色金属
1
其他金属元素及其合金 。 铝合金、铜合金等 铝合金、
建筑钢材
建 筑 钢 材
钢 钢 钢 钢 钢 钢 建筑 钢
特 点：
2
3
钢材的力学性能（一）
1.强度 强度
比例极限、 比例极限、弹性极限 屈服强度、 屈服强度、极限强度 疲劳强度： 疲劳强度：在交变应 力作用下的钢材， 力作用下的钢材，往 往在应力远低于抗拉 强度时发生断裂， 强度时发生断裂，称 为疲劳破坏， 为疲劳破坏，该破坏 应力为疲劳强度。 应力为疲劳强度。
重金属；纯铜为紫红色； 铜：重金属；纯铜为紫红色； 可压成片材、拉成线材等；可做装饰材料。 可压成片材、拉成线材等；可做装饰材料。 特点：强度低、易生锈、 特点：强度低、易生锈、成本高
24
25
铜合金：提高强度， 铜合金：提高强度，改善性能
黄铜：铜锌合金； 黄铜：铜锌合金； 可做栏杆、门窗花格、 可做栏杆、门窗花格、 抛光板材、铜管等； 抛光板材、铜管等； 制成金粉做涂料
4
钢材的力学性能（ 钢材的力学性能（二）
2.塑性 塑性
伸长率 断面收缩率
Ψ=
5
F0 − F1 × 100 % F0
钢材的力学性能（三） 钢材的力学性能（

2002年水泥产量的大幅度增长与我国 持续快速稳定增长的宏观经济形势密切
相关。今年我国经济增长速度将达到
8％，GDP将突破10万亿元大关。建筑材料 工业在国民经济建设中意义重大
2.必须恰当选择和合理使用原材料 材料质量的优劣，配制是否合理，选用 是否恰当直接影响建筑工程质量
3.发展绿色建材
四.建筑材料课程的作用、任务和学习方法 1.作用
2. 金属材料以元素含量来表示。
3. 化学组成决定着材料的化学性质，影 响其物理性质和力学性质。
1.2 矿物组成
材料中的元素和化合物以特定的矿 物形式存在并决定着材料的许多重要 性质。
矿物组成是无机非金属材料中化合 物存在的基本形式。
1.3 相组成
材料中结构相近性质相同的均匀部分。
2. 材料的结构与构造 2.1 宏观结构（构造） 材料的宏观结构是指用肉眼和放大镜 能够分辨的粗大组织。其尺寸约为毫 米级大小，以及更大尺寸的构造情况。 宏观构造，按孔隙尺寸可以分为：
土木工程材料的基本性质，是指材料 处于不同的使用条件和使用环境时，通 常必须考虑的最基本的、共有的性质。 因为土木建筑材料所处建（构）筑物的 部位不同、使用环境不同、人们对材料 的使用功能要求不同，所起的作用就不 同，要求的性质也就有所不同。
第一节 材料的组成与结构
1. 材料的组成 1.1 化学组成 无机非金属建筑材料的化学组成以各 种氧化物含量来表示。
土木工程材料
Civil engineering materials
绪论
一.建筑材料的分类 用于土建工程的材料总称为建筑材料或土木工
程材料。 1.按化学成分分类： 1.1 无机材料：金属材料：
黑色金属材料——钢、铁 有色金属材料——铝、铜、 合金 非金属材料：天然石材——大理石、花岗石 陶瓷和玻璃——砖、瓦、卫生陶瓷、 玻璃

1.9
第7章 金属材料
钢材的力学性能与工艺性能
抗拉强度不能直接利用，但屈服点与抗拉强度的比值(即屈强比 )，能反映钢材的 安全可靠程度和利用率。屈强比越小，表明材料的安全性和可靠性越高，结构越安 全。但屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为 0.58～0.63，合金钢为0.65～0.75。
用脆性转变温度低于使用温度的钢材。脆性临界温度的测定较复杂，规范中通常是根据气温
1.1条3件规定-20℃或-40℃的负温冲击值指标。
第7章 金属材料
钢材的力学性能与工艺性能
图7.4 冲击韧性试验示意图
图7.5 钢材的冲击韧性与温度的关系
冷加工时效处理也会使钢材的冲击韧性下降。钢材的时效是指钢材随时间的延长， 钢材强度逐渐提高而塑性、韧性下降的现象。完成时效的过程可达数十年，但钢材 如经过冷加工或使用中受振动和反复荷载作用，时效可迅速发展。因时效导致钢材 性能改变的程度称为时效敏感性。时效敏感性大的钢材，经过时效后，冲击韧性的 降低越显著。为了保证结构安全，对于承受动荷载的重要结构，应当选用时效敏感 性小的钢材。 3. 疲劳强度
钢材焊接后必须取样进行焊接质量检验，一般包括拉伸试验，有些焊接种类还包括了弯曲 试验，要求试验时试件的断裂不能发生在焊接处。同时还要检查焊缝处有无裂纹、砂眼、咬 肉和焊件变形等缺陷。
1.17
第7章 金属材料
钢材的力学性能与工艺性能
图7.7 钢材冷弯
1.7
第7章 金属材料
钢材的力学性能与工艺性能
在土木工程中，掌握钢材的性能是合理选用钢材的基础。钢材的性能主要包括力 学性能(抗拉性能、冲击韧性、疲劳强度和硬度等)和工艺性能(冷弯性能、焊接性能 和热处理性能等)两个方面。

2006年2月
西安
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第八章 金属材料
第一节 建筑钢材
〔4〕耐疲劳性
钢材承受交变荷载反复作用时，可能在最 大应力远低于屈从强度的情况下突然破坏，这 种破坏称为疲劳破坏。
2006年2月
西安
第八章 金属材料
2 工艺性能
〔1〕冷弯性能 〔2〕焊接性能
第一节 建筑钢材
2006年2月
西安
第八章 金属材料
2006年2月
第一节 建筑钢材 图8-1-1
第八章 金属材料
第一节 建筑钢材
(a)屈服强度
屈服强度是钢材开始丧失对变形的抵抗能力，并开始产 生大量塑性变形时所对应的应力。
在屈服阶段，锯齿形的最高点所对应的应力称为屈服上 限；锯齿形的最低点所对应的应力称为屈服下限。屈服上限 与试验过程中的许多因素有关。屈服下限比较稳定，容易测 试，所以规范规定以屈服下限的应力值作为钢材的屈服强度，
a低碳钢：含碳量小于0.25%； b中碳钢：含碳量为0.25%～0.60%； c高碳钢：含碳量大于0.6%。 低碳钢在土木工程中应用最广泛。 ⑵合金钢
炼钢过程中，为改善钢材的性能，特意参加某些合金 元素而制得。常用合金元素：硅、锰、钛、钒、铌、铬等。
a低合金钢：合金元素总含量小于5%； b中合金钢：合金元素总含量为5%～10%； c高合金钢：合金元素总含量大于10%。 低合金钢为土木工程中常用的主要钢种。
2006年2月
西安
第八章 金属材料
第一节 建筑钢材
三、钢材的化学成分及其对钢材性能 的影响
1 钢材的化学成分
主要化学成分——铁〔Fe〕 少量元素——碳〔C〕、硅〔Si〕、锰
〔Mn〕、磷〔P〕、硫〔S〕、氧 〔O〕、氮〔N〕、钛〔Ti〕、钒 〔V〕

2.主要内容
除介绍了建筑材料的一些基本性质外，主要讲述了建筑 工程中常用的气硬性胶凝材料、水泥、混凝土、建筑砂浆、墙 体材料和屋面材料、土木工程用钢材和铝合金、木材、高分子 建筑材料、沥青材料。
3.基本要求
（1）掌握常用建筑材料的组成、基本性能及技术要求，理解 材料组成及结构对材料性质的影响，能够根据工程实际条件 合理地选择和使用各种建筑材料；
（2）注意外界条件对材料性能的影响； （3）在学习中要避免死记硬背，要注意理解，运用对比方法 来学习；既要学习材料的共性，更要掌握材料的特性。 （4）了解各种材料的原料、生产等方面的知识； （5）掌握常用建筑材料贮藏和运输时的注意事项。
第一章 土木工程材料的 基本性质
材料所处的环境和部位不同，所起的作用也各不相同， 为此要求材料必须具备不同的性质。 土木工程材料的基本性质是指材料处于不同的使用条 件和使用环境时，通常必须考虑的最基本的、共有的性质。 土木工程材料的基本性质一般包括物理性质、力学性质、 化学性质和耐久性等。
材料内部孔隙构造上的特征，如大小、形状、分布、连 通等统称为孔隙特征。在一般工程应用上，材料的孔隙特征 通常是指孔隙的连通性。
开口孔隙(简称开孔)是指材料内部孔隙不仅彼此互相贯通， 并且与外界相通。开口孔隙能提高材料的吸水性、透水性、吸 声性，并降低材料的抗冻性。
闭口孔隙(简称闭孔)是指材料内部孔隙彼此不连通，而且 与外界隔绝。闭口孔隙能提高材料的保温隔热性能和耐久性。 材料的孔隙率也可分为开口孔隙率Pk和闭口孔隙率Pb，即
第一节 材料的物理性质
一.与质量状态有关的物理性质
1．密度(ρ)

m V
密度(真密度)是材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。
式中ρ密度(g/cm3)或(kg/m3)；m材料在干燥状态下的质量(g) 或(kg)；V材料在绝对密实状态下的体积(cm3)或(m3)。