第三章结构材料的力学性能及指标
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结构材料的力学性能资料
三、钢筋与混凝土相互作用
（一）. 粘结力
胶合力
钢
筋
摩擦力
机械咬合力
主要作用
带肋钢筋的机械咬合力 > 光圆钢筋的机械咬合力 注意：钢筋表面的轻微锈蚀也增加它与混凝土的粘结力
（2）粘结应力分析 (以拉拔试验为例)
由试验可知： （1）最大粘结应力在离开端 部的某一位置出现，且随拔 出力的大小而变化，粘结应 力沿钢筋长度是曲线分布； d P （2）钢筋的埋入长度越长， 拔出力越大，但埋入长度过 大时，则其尾部的粘结应力 很小，基本不起作用； （3）粘结强度随混凝土强度 等级的提高而增大； （4）带肋钢筋的粘结强度高 于光圆钢筋，而在光圆钢筋 末端做弯钩大大提高拔出力
P
土的应变随时间继续增
长的现象被称为徐变。
二、混 凝 土
2. 混凝土的变形
长期荷载作用下混凝土的变形性能----影响徐变的因素
•应力： c<0.5fc，徐变变形与应力成正比----线性徐变 0.5fc<c<0.8fc，非线性徐变 c>0.8fc，造成混凝土破坏，不稳定 •加荷时混凝土的龄期，越早，徐变越大 •水泥用量越多，水灰比越大，徐变越大 •骨料越硬，徐变越小
解：1、直径为28mm>25mm,锚固长度需乘以修正系数取1.1；
2、 钢筋在锚固区的混凝土保护层厚度大于钢筋直径的3倍且配 有箍筋，锚固长度需乘以修正系数取0.8；
3、实配钢筋较多，需乘以1/1.05
故：
la lab 1.1 0.8
fy ft
d
1 360 0.14 32 663m m 1.05 2.04
纵向受力钢筋为HRB400级，直径为28mm，求纵 向受拉钢筋的锚固长度。
建筑结构材料的物理力学性能
将特定强度热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理， 使强度得到较大幅度的提高，而延伸率降低不多。用于预应力 混凝土结构。
6
中高强钢丝和钢绞线
中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ~1860MPa；钢丝的直径3~9mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三 种。另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
多功能性 可以制得不同物理力学性质的混凝土，基本上能满足所有不同工
程的要求。
可加工性 可以按照工程结构的要求，浇筑成不同形状和尺寸的整体结构或
预制构件。
和钢筋的兼容性 钢筋等有牢固的粘结力，与钢材有基本相同的线膨胀系数，能制
作钢筋混凝土结构和构件。
低能耗性 能源消耗较烧结砖及金属材料低，能耗大约是钢材的1/90。
有在春秋战国时期就已兴修水利如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程所55在1400年前由料石修建的现存河北赵县的安济桥这是世界上最早的单孔敞肩式石拱桥桥长5082m宽约9m为拱上开洞既可节约石材且可减轻洪水期的水压力它无论在材料使用结构受力艺术造型和经济上都达到了相当高的成就该桥已被美国土木工程学会选入世界第12个土木工程里程碑
3.1 建筑钢材
钢材在建筑工程中与其它结构材料相比所具有的特性： 1．轻质高强 2．韧性好、抗冲击能力强、抗拉强度高 3．可焊接、铆接、易于装配 4．外表轻巧、华美、具有光泽 5．易腐 6．耐火性差
1
1、建筑结构常用的钢材类别
（1）结构钢材种类：
碳素钢
按含碳量不同可分为：
低碳钢（含碳量少于0.25%） 中碳钢（含碳量在0.25%～0.6%） 高碳钢（含碳量在0.6%～1.4%）
6
中高强钢丝和钢绞线
中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝、钢绞线的为 1470 ~1860MPa；钢丝的直径3~9mm，外形有光面、刻痕和螺旋肋三 种。另有二股、三股和七股钢绞线，外接圆直径9.5~15.2 mm。 中高强钢丝和钢绞线均用于预应力混凝土结构。
多功能性 可以制得不同物理力学性质的混凝土，基本上能满足所有不同工
程的要求。
可加工性 可以按照工程结构的要求，浇筑成不同形状和尺寸的整体结构或
预制构件。
和钢筋的兼容性 钢筋等有牢固的粘结力，与钢材有基本相同的线膨胀系数，能制
作钢筋混凝土结构和构件。
低能耗性 能源消耗较烧结砖及金属材料低，能耗大约是钢材的1/90。
有在春秋战国时期就已兴修水利如今仍然起灌溉作用的秦代李冰父子修建的都江堰水利工程所55在1400年前由料石修建的现存河北赵县的安济桥这是世界上最早的单孔敞肩式石拱桥桥长5082m宽约9m为拱上开洞既可节约石材且可减轻洪水期的水压力它无论在材料使用结构受力艺术造型和经济上都达到了相当高的成就该桥已被美国土木工程学会选入世界第12个土木工程里程碑
3.1 建筑钢材
钢材在建筑工程中与其它结构材料相比所具有的特性： 1．轻质高强 2．韧性好、抗冲击能力强、抗拉强度高 3．可焊接、铆接、易于装配 4．外表轻巧、华美、具有光泽 5．易腐 6．耐火性差
1
1、建筑结构常用的钢材类别
（1）结构钢材种类：
碳素钢
按含碳量不同可分为：
低碳钢（含碳量少于0.25%） 中碳钢（含碳量在0.25%～0.6%） 高碳钢（含碳量在0.6%～1.4%）
工程材料力学性能第三章资料
1.摆锤冲断试样失去的位能 Ak=GH1—GH2， 试样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功.单 位为J。 冲击韧性：指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功Ak 表示。 2.冲击吸收功Ak的大小并不能 真正反映材料的韧脆程度, 部 分功消耗于试祥扔出、机身振 动、空气阻力以及轴承与测量 机构的摩擦消耗。
三 应变速率增加，抗拉强度增加，而且应变速率的 强度关系随温度的增加而增加。
图 应变速率对铜在各种温度下抗拉强度的影响
第二节
冲击弯曲和冲击韧性
不含切口零件的冲击：冲击能为零件的整个体积均 匀地吸收，从而应力和应变也是均匀分布的； 零件 体积愈大，单位体积吸收的能量愈小，零件所受的 应力和应变也愈小。 含切口零件的冲击：切口根部单位体积将吸收更多 的能量，使局部应变和应变速率大为升高。 另一个 特点是：承载系统中各零件的刚度都会影响到冲击 过程的持续时间、冲击瞬间的速度和冲击力大小。 这些量均难以精确测定和计算。且有弹性和塑 性。 因此，在力学性能试验中，直接用能量定性地表示 材料的力学性能特征；冲击韧性即属于这一类的力 学性能。
3.对于屈服强度大致相同的材料，根据Ak值评定材料 对大能量冲击破坏的缺口敏感性。 如弹壳、防弹甲板等，具有参考价值： 4.评定低合金高强钢及其焊缝金属的应变时效敏感性。
第三节 低温脆性 一、 低温脆性 低温脆性:一些具有体心立方晶格的金属，如Fe、 Mo 和W，当温度降低到某一温度时，由于塑性降低 到零而变为脆性状态。 从现象上看，是屈服强 度随温度降低而急剧增加的结果 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快，而断裂 强度升高较慢，则在某一温度Tc以下，σs>σc， 金属在没有塑性变形的情况下发生断裂，即表现 为脆性的； 而在Tc以上，σs<σc，金属在断裂 前发生塑性变形，故表现为塑性的。 低温脆性对压力容器\桥梁和船舶结构以及在低温 下服役的机件是非常重要的.
结构材料的力学性能及选用
n26 1(0fcu 5)0当 ,n2时， n2取
c fc
c
fc 110c
n
o
0
0 0 .0 0 0 .5 2 fc u 5 1 0 50
c u
u 0 .00 fc 3 u 5 3 0 1 5 0
侧向受约束时混凝土的变形特点
c fcc
fc 非约束混凝土
Ec Esec
o
c0 2c0 sp cc
立方体抗压强度标准值fcuk
标准试块：150×150 ×150mm
非标准试块：100×100 ×100 ，换算系数：0.95 200×200 ×200 ，换算系数：1.05
§立方体抗压强度标准值是确定混凝土强度等级的标准。
我国规范的混凝土强度等级有：C15，C20，C25，C30，
C35，C40，C45，C50，C55，C60，C65，C70，C75，
结构材料的力学性能及选用
（优选）结构材料的力学性能 及选用
屈服强度： σB ，是钢筋关键性的强度指标。
对于有明显屈服点的钢材，由于钢材的屈服将产生明 显的、不可恢复的塑性变形，从而导致构件可能在钢材尚 未进入强化阶段就产生过大的变形和裂缝，因此在正常使 用情况下，构件中的钢材应力应小于其屈服强度。
特征值：
概率 密度
强度 标准值
强度 平均值
强度标准值 = 强度平均值 - 2×均方差
材料强度
2、塑性指标
伸长率：反映钢材塑性性能的指标。
5 ,10
l
l0 l0
伸长率越大，则钢材的塑性越好。
冷弯性能：反映钢材在常温下的塑性 加工性能的指标。
用弯心直径和弯曲角度来表示。
二、钢材的冷加工和热处理
材料力学性能与指标
轧 HRB335(20MnSi)
335
钢 筋
HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi) RRB400(20MnSi)
400
HPB235级： fyk = 235 N/mm2 HRB335级： fyk = 335 N/mm2 HRB400级、RRB400级： fyk = 400 N/mm2
（1）有明显屈服点的钢筋
（2）无明显屈服点的钢筋
s
塑性变形对工程结构有何意义？ 低强塑性材料好？还是高强弹性材料 好？
e
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1.1.3有明显屈服点钢筋的应力－应变关系
s
fu
e
fy
b a
cd
cd段为屈服台阶 df段为强化段
s =Ese
f a为弹性极限 elastic limit
b为屈服上限upper yield strength
(2) 极限强度：fu 强屈比：反映钢筋的强度储备，fu/fy不小于1.25
？？ s fu fy
问题：
强屈比越大
越好吗？
e
1.1.3.2 双线性的理想弹塑性关系
Bilinear elasto-plastic relation
s
f
y
Es
1
e y
s Ese s fy
e
e ey e ey
¸¸¸¸¸¸¸(N/mm2) Ö àÀ
C50以上为高强混凝土
条件屈服强度 设计中取残余应变为0.2%所对应 的应力，作为钢筋的强度设计指 标，称为“条件 屈服强度”。
一般取σ0.2 = 0.85σb
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1.1.5 钢筋的冷拉加工
（一）冷拉
把有明显屈服点的钢筋应力拉 到超过其原来的屈服点，然后 放松，使钢筋应力重新恢复到 零，钢筋发生了残余变形
第三章_材料在冲击载荷下的力学性能
⑵冲击载荷增加了位错密度和滑移系数目，出 现孪晶，减小了位错运动自由行程平均长度，增加 了点缺陷的浓度。
6
静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个 晶粒中；
冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局 部区域，反映了塑性变形不均匀。
这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服 强度、抗拉强度的提高，且屈服强度提高的较为明显， 抗拉强度提高的较少。如图所示。
1
因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速 率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝 对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速 率的变化。相对变形速率又称应变率。
不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静 拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应 变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～ 10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载 荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生 明显变化。
一、冲击韧性 是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功） 塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击 吸收功AK来表示。 二、冲击试样 如图所示 1、冲击弯曲试验试样的种类：
夏比v型缺口冲击试样（我国以前称夏氏试样） 缺口试样 夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）
无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具 钢、淬火钢等）
⑵较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬 火回火组织。
⑶在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高 于B下。低碳钢低温B上的韧性高于M回。这是由于 低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑 制，减少了晶界裂纹所致。
28
⑷在低合金钢中，经不完全等温处理获得B 和M混合组织，其韧性比单一M或B要好。这是由 于B先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随 后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极 为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多 次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。
6
静载荷作用时：塑性变形比较均匀的分布在各个 晶粒中；
冲击载荷作用时：塑性变形则比较集中于某一局 部区域，反映了塑性变形不均匀。
这种不均匀限制了塑性变形的发展，导致了屈服 强度、抗拉强度的提高，且屈服强度提高的较为明显， 抗拉强度提高的较少。如图所示。
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因加载速率提高，形变速率也随之增加，形变速 率是单位时间的变形量。因此，用形变速率（又分绝 对变形速率和相对变形速率）可以间接地反映加载速 率的变化。相对变形速率又称应变率。
不同机件的应变速率范围大约为10-6～106s-1。静 拉伸试验的应变速率为10-5～10-2s-1，冲击试验的应 变速率为102～104s-1。试验表明，应变速率在10-4～ 10-2s-1内，金属的力学性能没有明显变化，可按静载 荷处理。当应变速率大于10-2s-1时，力学性能将发生 明显变化。
一、冲击韧性 是指材料在冲击载荷作用下吸收（弹性变形功） 塑性变形功和断裂功的能力。常用标准试样的冲击 吸收功AK来表示。 二、冲击试样 如图所示 1、冲击弯曲试验试样的种类：
夏比v型缺口冲击试样（我国以前称夏氏试样） 缺口试样 夏比u型缺口冲击试样（我国以前称梅氏试样）
无缺口冲击试样：适用于脆性材料（球铁、工具 钢、淬火钢等）
⑵较高强度水平时，以B下优于同等强度的淬 火回火组织。
⑶在相同强度水平下，B上的韧脆转变温度高 于B下。低碳钢低温B上的韧性高于M回。这是由于 低温形成的B上中渗碳体沿奥氏体晶界析出受到抑 制，减少了晶界裂纹所致。
28
⑷在低合金钢中，经不完全等温处理获得B 和M混合组织，其韧性比单一M或B要好。这是由 于B先于M形成，事先将奥氏体分成几部分，随 后形成的M限制在较小范围内，获得组织单元极 为细小的混合组织。裂纹在此种组织内扩展要多 次改变方向，消耗的能量大，故钢的韧性较高。
第3-4章 建筑结构材料的力学性能与设计原则
七,设计表达式——正常使用极限
S≤C
式中:C——结构或构件达到正常使用极限要求的限值 裂缝—表5.2.5(P111),挠度—表5.2.6(P113)
1,裂缝验算——取荷载效应的标准组合
S=Sk S=Sq
S k = S Gk + S Q1k + ∑ψ ci S Qik
i =2
n
2,挠度验算——取荷载效应的准永久组合
第三章 建筑结构材料的力学性能
3.1 材料的弹性,塑性和延性 一,弹性 弹性——材料受力后,当外力移去时,应力 弹性 和应变都可以完全恢复为零的特性. 二,塑性 塑性——材料受力后,即使外力移去,应变 塑性 也不能完全恢复为零的特性,即有残余应变. 延性——材料超过弹性极限后直至破坏过程 三,延性 延性 中的变形能力良好的性能. 四,脆性 脆性——材料破坏前变形能力差的性能. 脆性
�
定义,表现
2,正常使用 极限状态
定义,表现
4.2.3 建筑结构的设计状况
1,持久状况:如正常使用 2,短暂状况:如施工堆载 3,偶然状况:如爆炸
4.2.4 结构设计原理与方法
一,结构的可靠度 建筑结构在 规定的时间内? ←设计基准期,通常为50年 规定的条件下? ←正常设计,正常施工,正常使用 完成预定功能? ←安全性,适用性,耐久性, 的概率.
4.2.1 结构的功能要求 1,安全性——安全等级,表4.2.1 2,适用性——裂缝,挠度 3,耐久性——设计基准期 4,稳定性:整体稳定,局部稳定
4.2.2 结构的极限 极限状态 极限
一,定义:
由可靠向失效转变的临界状态. 是结构或其构件能够满足前述某一功能要 求的临界状态.
二,分类:P43-44 1,承载能力 极限状态
材料力学性能-第三章-冲击载荷
高当于低某于一某温一度温，度材时，
温度
料材吸料收吸能收量的也冲基击本功不基变本，
形不成随一温个度平变台化，，称形为成一 “平 在高台此阶，区能称 间”为 冲，“ 击此吸低区收阶间功能冲很”， 击低吸，收表功现很为高完，全材的料脆表性 现断为裂完，全这韧一性温断度裂称，为此无 低阶能
温塑度性称转为变塑或性零断塑裂性转转变变
温度
0 高阶能
冲击功 结晶区面积(%)
以低阶能和高阶能
平均值对应的温度作
为Tk——FTE。
❖以结晶区面积占断口 面积50％的温度作为 Tk——FATT50。但此方 法人为因素较大。
低阶能
NDT FTE
100 FTP 50％FATT
图3-7 系列温度冲击试验曲线
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日 bcc金属具有低温脆性的原因： 1.bcc金属的p-n 比fcc金属高很多，并且在影响屈服强 度的因素中占有较大比例。而p-n 属短程力，对温度 十分敏感，因此bcc金属具有强烈的温度效应。 2.bcc金属具有迟屈服现象，即对材料施加一大于屈 服强度的高速载荷时，材料需要经过一段孕育期（也 称为迟屈服时间）才开始塑性变形，而在孕育期内只 发生弹性变形。由于没有塑性变形消耗能量，有利于 裂纹扩展，易产生脆性破坏。
NDT
冲击功 结晶区面积(%)
0 高阶能
FTP
100
温度FNTDPT(F(Nraicl tDuruectility
图3-7 系列温度冲击试验曲线
TreamnpsietriaotnurPel)astic)。
2021年10月24日 第三章 冲击载荷下材料的力学性能 星期日
材料的力学性能重点总结
名词解释：1加工硬化：试样发生均匀塑性变形，欲继续变形则必须不断增加载荷，这种随着随性变形的增大形变抗力不断增大的现象叫加工硬化。
2弹性比功：表示金属材料吸收塑性变形功的能力。
3滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随着时间延长产生附加弹性应变的现象。
4包申格效应：金属材料通过预先加载产生少来塑性变形，卸载后再同向加载，规定参与伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
5塑性：金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
常见塑性变形方式：滑移和孪生6应力状态软性系数：最大切应力最大正应力应力状态软性系数α越大，最大切应力分量越大，表示应力状态越软，材料越易产生塑性变形α越小，表示应力状态越硬，则材料越容易产生脆性断裂7缺口效应：由于缺口的存在，在静载荷作用下，缺口截面上的应力状态发生拜年话，产生所谓―缺口效应―①缺口引起应力集中，并改变了缺口应力状态，使得缺口试样或机件中所受的应力由原来的单向应力状态改变为两向或者三向应力状态。
②缺口使得材料的强度提高，塑性降低，增大材料产生脆断的倾向。
8缺口敏感度：有缺口强度的抗拉强度ζbm与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度ζb的比值. NSR=ζbn / ζs NSR越大缺口敏感度越小9冲击韧性：Ak除以冲击式样缺口底部截面积所得之商10冲击吸收功：式样变形和断裂所消耗的功，称为冲击吸收功以Ak表示，单位J11低温脆性：一些具有体心立方晶格或某些秘排立方晶格的金属，当温度降低到、某一温度时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状，这种现象称为低温脆性12 脆性转变温度：当温度降低时，材料屈服强度急剧增加，而塑形和冲击吸收功急剧减小。
材料屈服强度急剧升高的温度，或断后延伸率，断后收缩率，冲击吸收功急剧减小的温度就是韧脆转变温度tk，tk是一个温度区间13疲劳贝纹线:以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆.是疲劳源裂纹扩展时前沿的痕迹14疲劳条带：具有略显弯曲并相互平行的沟槽花样，是疲劳断口最典型的微观特征15驻留滑移带：金属在循环应力长期作用下，形成永久留或再现的循环滑移带称为驻留滑移带，具有持久驻留性.16应力场强度因子KI ：表示应力场的强弱程度，对于某一确定的点的大小直接影响应力场的大小，KI 越大，则应力场各应力分量也越大17应力腐蚀：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后产生的低应力脆断现象18氢致延滞断裂：高强度钢或α+β钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下经过一段时间的孕育期后在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹的逐步扩展，最后突然发生脆性断裂，这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂第一章2.力学性能指标的意义（1)δ0.2 对于拉伸曲线上没有屈服平台的材料，塑性变形硬化过程是连续的，产生0.2%残余伸长应力时刻的屈服强度。
第三章结构材料的力学性能及指标
本章学习的目的：了解结构材料的基本要求。
第一节 结构材料基本要求
一、结构材料力学性能的基本要求
工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标 来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。
结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、
冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。
第一节 结构材料基本要求
(一)强度
第一节 结构材料基本要求
2．耐久性
耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、 不破坏，长期保持良好的物理力学性能的性质。
耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化 性、耐腐蚀性等均属于耐久性范畴，它对建筑物的使用 寿命起到至关重要的决定作用。
所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素， 综合考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护 措施。
弹性变形与塑性变形的区别：前者为可逆变形，后
者为不可逆变形。 材料塑性性能是决定结构或构件是否安全长取断面收缩率或冷弯 性能来确定材料的塑性性能。
第一节 结构材料基本要求
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。 冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性， 它是强度和塑性的综合指标。 材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成 有关。 此外，冲击韧性易受温度影响，温度的下降将会明显 的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。
一、木材的性能指标
1．密度 3．湿胀干缩性
2．含水率 4．强度
二、木材的防护
1．木材的腐朽与防腐 2．木材的防虫 3．木材的防火
在规定的荷载循环次数和荷载变化幅度下，材料能够 承担的最大动态应力称为材料的疲劳强度。
第一节 结构材料基本要求
(二) 弹性与塑性 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后
第一节 结构材料基本要求
一、结构材料力学性能的基本要求
工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标 来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。
结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、
冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。
第一节 结构材料基本要求
(一)强度
第一节 结构材料基本要求
2．耐久性
耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、 不破坏，长期保持良好的物理力学性能的性质。
耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化 性、耐腐蚀性等均属于耐久性范畴，它对建筑物的使用 寿命起到至关重要的决定作用。
所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素， 综合考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护 措施。
弹性变形与塑性变形的区别：前者为可逆变形，后
者为不可逆变形。 材料塑性性能是决定结构或构件是否安全长取断面收缩率或冷弯 性能来确定材料的塑性性能。
第一节 结构材料基本要求
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。 冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性， 它是强度和塑性的综合指标。 材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成 有关。 此外，冲击韧性易受温度影响，温度的下降将会明显 的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。
一、木材的性能指标
1．密度 3．湿胀干缩性
2．含水率 4．强度
二、木材的防护
1．木材的腐朽与防腐 2．木材的防虫 3．木材的防火
在规定的荷载循环次数和荷载变化幅度下，材料能够 承担的最大动态应力称为材料的疲劳强度。
第一节 结构材料基本要求
(二) 弹性与塑性 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后
材料的力学性能
第三章 材料的力学性能第一节 拉伸或压缩时材料的力学性能一、概述分析构件的强度时，除计算应力外，还应了解材料的力学性质（Mechanicaiproperty ），材料的力学性质也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。
它要由实验来测定。
在室温下，以缓慢平稳的方式进行试验，称为常温静载试验，是测定材料力学性质的基本试验。
为了便于比较不同材料的试验结果，对试件的形状、加工精度、加载速度、试验环境等，国家标准规定了相应变形形式下的试验规范。
本章只研究材料的宏观力学性质，不涉及材料成分及组织结构对材料力学性质的影响，并且由于工程中常用的材料品种很多，主要以低碳钢和铸铁为代表，介绍材料拉伸、压缩以及纯剪切时的力学性质。
二、低碳钢拉伸时的力学性质低碳钢是工程中使用最广泛的金属材料，同时它在常温静载条件下表现出来的力学性质也最具代表性。
低碳钢的拉伸试验按《金属拉伸试验方法》（GB/T228—2002）国家标准在万能材料试验机上进行。
标准试件（Standard specimen ）有圆形和矩形两种类型，如图3-1所示。
试件上标记A 、B 两点之间的距离称为标距，记作l 0。
圆形试件标距l 0与直径d 0有两种比例，即l 0=10d 0和l 0=5d 0。
矩形试件也有两种标准，即00l l ==其中A 0为矩形试件的截面面积。
试件装在试验机上，对试件缓慢加拉力F P ，对应着每一个拉力F P ，试件标距l 0有一个伸长量Δl o 表示F P 和Δl 的关系曲线，称为拉伸图或F P —Δl 曲线。
如图3-2a ，由于F P —Δl 曲线与试件的尺寸有关，为了消除试件尺寸的影响，把拉力F P 除以试件横截面的原始面积A 0，得出正应力0P F A σ=为纵坐标；把伸长量Δl 除以标距的原始长度l 0，得出应变0l l ε∆=为横坐标，做图表示σ与ε的关系（图3-2b ）称为应力——应变图或σ—ε曲线（Stress-strain curve ）。
第三章 结构材料的力学性能及选用
3.1 建筑钢材 3.2 混凝土 3.3 钢筋与混凝土的相互作用
－粘结力
3.1 建筑钢材 一、钢材的力学性能
（一）应力-应变曲线 1. 有屈服点的钢材
有屈服点的钢材试件在试验机上进行拉伸试验 得出的典型应力－应变曲线如图3.1所示。其中颈缩 现象如图3.2。 对于有明显屈服点的钢材取其屈服强度作为钢 材强度限值（钢材强度的设计依据）—关键性的强 度指标。
一、 混凝土的强度
2.轴心抗压强度fc和fck
立方体抗压强度不能代表混凝土在实际构件中 的受力状态，只是作为在同一标准条件下比较混凝 土强度水平和品质的标准。
试验表明：用高宽比为2~3的棱柱体测得的抗压 强度与以受压为主的混凝土构件中的混凝土抗压强 度基本一致。 因此，棱柱体的抗压强度可以作为以受压为主 的混凝土抗压强度，称为轴心抗压强度，用符号 fc和 fck表示。
图3-3 无明显屈服点钢材
反映钢材塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯 性能。 伸长率是钢材试件拉断后的伸长值与原长的比 率。应按下式计算：
l1 l2 100% l1
3.1 建筑钢材
（二）强度 1. 有屈服点的钢材
1) 屈服强度fy 到达屈服点后，产生很大的塑性变形，导致结构构件可 能在钢材尚未进入强化阶段就发生破坏或产生很大的变形和 过宽的裂缝，以致不能使用，所以对有明显流幅的钢材，在 计算承载力时以屈服强度作为钢材强度限值。 2) 极限强度ft 在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不 倒”，钢材应力可考虑进入强化段, 要求ft实≥1.25 fy实； (构件出现塑性铰时，塑性铰有足够的变形能力和耗能能力)， 同时fy实≤1.3 fy标；（保证强柱弱梁、强剪弱弯能够实现）。
混凝土受压时典型的应力－应变曲线如图3.7所 示，不同强度等级混凝土的应力－应变曲线如图3.8 所示。 混凝土受拉时的应力－应变曲线的形状与受压 时相似。对应于抗拉强度ft的应变εct很小，计算时可 取εct=0.0015。
－粘结力
3.1 建筑钢材 一、钢材的力学性能
（一）应力-应变曲线 1. 有屈服点的钢材
有屈服点的钢材试件在试验机上进行拉伸试验 得出的典型应力－应变曲线如图3.1所示。其中颈缩 现象如图3.2。 对于有明显屈服点的钢材取其屈服强度作为钢 材强度限值（钢材强度的设计依据）—关键性的强 度指标。
一、 混凝土的强度
2.轴心抗压强度fc和fck
立方体抗压强度不能代表混凝土在实际构件中 的受力状态，只是作为在同一标准条件下比较混凝 土强度水平和品质的标准。
试验表明：用高宽比为2~3的棱柱体测得的抗压 强度与以受压为主的混凝土构件中的混凝土抗压强 度基本一致。 因此，棱柱体的抗压强度可以作为以受压为主 的混凝土抗压强度，称为轴心抗压强度，用符号 fc和 fck表示。
图3-3 无明显屈服点钢材
反映钢材塑性性能的基本指标是伸长率和冷弯 性能。 伸长率是钢材试件拉断后的伸长值与原长的比 率。应按下式计算：
l1 l2 100% l1
3.1 建筑钢材
（二）强度 1. 有屈服点的钢材
1) 屈服强度fy 到达屈服点后，产生很大的塑性变形，导致结构构件可 能在钢材尚未进入强化阶段就发生破坏或产生很大的变形和 过宽的裂缝，以致不能使用，所以对有明显流幅的钢材，在 计算承载力时以屈服强度作为钢材强度限值。 2) 极限强度ft 在抗震结构设计中，要求结构在罕遇地震下“裂而不 倒”，钢材应力可考虑进入强化段, 要求ft实≥1.25 fy实； (构件出现塑性铰时，塑性铰有足够的变形能力和耗能能力)， 同时fy实≤1.3 fy标；（保证强柱弱梁、强剪弱弯能够实现）。
混凝土受压时典型的应力－应变曲线如图3.7所 示，不同强度等级混凝土的应力－应变曲线如图3.8 所示。 混凝土受拉时的应力－应变曲线的形状与受压 时相似。对应于抗拉强度ft的应变εct很小，计算时可 取εct=0.0015。
4材料力学性能及指标(钢筋、砼)1
4.2.3 当构件中配有不同品牌号和强度等级的钢筋时,可采用各自的 强度设计值进行计算。因为尽管强度不同，但极限状态下各种钢筋先 后均以达到屈服。
在做结构设计时，比如梁的纵向受力钢筋，能否考虑
同时采用不同强度等级的钢筋？例如同时采用HRB335 和HRB400两种热轧带肋筋
在这个构件中两种钢筋能同时达到屈服强度且 HRB400钢筋所处的部位后期要求更多的强度富余， 这是混用的浪费。 两种构件在组合区，如钢筋混用不当时，次构 件该屈服破坏时不破坏，内力过多转移到主构上， 造成主构先于次构破坏，如主梁先于次梁破坏，柱 先于梁破坏，后果是严重的。
C3S C2S C3A C4AF
很快
较多
促进凝结硬化，主导早期后 期强度 与凝结无关，主导后期强度
15%~37%
慢
较低
7%~15%
极快
大且集中
主导凝结，早期强度
10%~18%
快
低
改进抗折强度
三、水泥
（一）技术性质
1. 细度
细度是指水泥颗粒的粗细程度 从加水搅拌到凝结完成所需的时间称为终凝时间。 水泥浆体硬化后体积变化的均匀性 按标准方法制作的水泥胶砂试件，在20±1°C温度的水中， 养护到规定龄期时检测的强度值。其中标准试件尺寸为 4cm×4cm×16cm ， 胶 砂 中 水 泥 与 标 准 砂 之 比 为 1 ： 3 （W/C=0.5), 标准试验龄期分别为 ３d和28d．分别检验 其抗压强度和抗折强度。
C —混凝土 15—立方体抗压强度的标准值为15N/mm2
2. 轴心抗压强度
f ck （棱柱体抗压强度）
a. 定义：轴心抗压强度是指按照标准方法制作养护的截面为 150mm×150mm高300mm的棱柱体，在28天龄期，用标准 试验方法测得的抗压强度。
材料力学性能第三章
弹性变形以介质中的声速传播。 ●弹性变形以介质中的声速传播。而普通机械
冲击时的绝对变形速率在10 ／ 以下 以下。 冲击时的绝对变形速率在 3m／s以下。在弹 性变形速率高于加载变形速率时， 性变形速率高于加载变形速率时，则加载速率 对金属的弹性性能没有影响。 对金属的弹性性能没有影响。
●塑性变形发展缓慢，若加载速率较大，则塑 塑性变形发展缓慢，若加载速率较大， 性变形不能充分进行。 性变形不能充分进行。 ●静载: 受的应力取决于载荷和零件的最小断面 静载: 积。 ●冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 冲击载荷具有能量特性，与零件的断面积、 形状和体积有关。
3.3 低温脆性
1.低温脆性概述 1.低温脆性概述 金属材料的强度 强度一般均随温度的降低而升 强度 高，而塑性 塑性则相反。 塑性 一些具有体心立方晶格的金属及合金或某 些密排六方晶体金属及合金，当温度降低到某 一温度Tk时，由韧性状态变为脆性状态。这种 现象称为低温脆性 低温脆性。转变温度Tk称为韧脆转变 低温脆性 韧脆转变 温度，又称冷脆转变温度 冷脆转变温度。 温度 冷脆转变温度 Tk δ ψ Ak和NSR 被称为材料的安全性指标 NSR 而σs σb δ Ψ和Ak被称为材料常规力学性能的五大指标
低温脆性从现象上看，是屈服强度和断裂强度 屈服强度和断裂强度 随温度降低而变化的速率问题。 随温度降低而变化的速率问题 倘若屈服强度随温度的下降而升高较快， 而断裂强度升高较慢，则在某一温度Tk以下， σs>σc，金属在没有塑性变形的情况下发生断 裂，即表现为脆性的； 而在Tk以上，σs<σc，金属在断裂前发生塑 性变形，故表现为塑性的。
③将高阶能开始降低的温 度定义为韧-脆转化温度。 记为FTP ( Fracture Transition Plastic)．当温 度高于FTP，试件的断口 为100％的纤维状断口。
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弹性变形与塑性变形的区别：前者为可逆变形，后
者为不可逆变形。 材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要
参数之一，可以通过测量材料伸长取断面收缩率或冷弯 性能来确定材料的塑性性能。
第一节 结构材料基本要求
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。 冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性， 它是强度和塑性的综合指标。 材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成 有关。 此外，冲击韧性易受温度影响，温度的下降将会明显 的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。
一、木材的性能指标
1．密度 3．湿胀干缩性
2．含水率 4．强度
二、木材的防护
1．木材的腐朽与防腐 2．木材的防虫 3．木材的防火
在规定的荷载循环次数和荷载变化幅度下，材料能够 承担的最大动态应力称为材料的疲劳强度。
第一节 结构材料基本要求
(二) 弹性与塑性 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后
能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。这种外力消失 后瞬间恢复的变形称为弹性变形。
弹性模量：是反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，
弹性阶段的最大应力称为弹性极限应力或弹性极限强 度，弹性阶段应力与应变的比值称为弹性模量。
第一节 结构材料基本要求
2．屈服强度 fy
工程材料根据其变形性能可以分为塑性材料和脆性材料。 塑性材料：在应力水平超过极限弹性应力后，应力不再有 明显增加，而是在小范围内波动，但应变急剧增大，这种现 象称为屈服，应力一应变曲线上这个阶段称为屈服阶段，也 称流动阶段。一般以屈服阶段最小应力作为屈服强度。 屈服强度对于钢材有重要意义。 脆性材料：而某些表现为脆性性质的钢材没有明显屈服阶 段，此时取残余变形为0.2％对应的应力作为名义屈服强度。
第一节 结构材料基本要求
第一节 结构材料基本要求
3．极限强度 ft
在对材料力学性能进行试验时，试件所能够承受的最 大荷载与初始截面的比值称为最大名义应力，也称为材 料的极限强下，当达到一定的循环 次数时，会发生脆性破坏，且破坏应力远小于屈服应力， 这种破坏称为疲劳破坏。
强度是材料抵抗破坏能力的指标。
根据材料在受力时的变形状态不同有弹性极限强度、
屈服强度、极限强度；
根据材料的受力状态不同又有抗压强度、抗拉强度、
抗剪强度和抗扭强度等；
如果材料受到循环荷载作用，还要考虑疲劳强度。
第一节 结构材料基本要求
1．弹性极限强度
材料在受力初期，材料的应力和应变基本满足线性关 系，即材料的应力与应变的比值为常量，如果此时卸载， 构件的变形能完全恢复，因此称此阶段为弹性阶段。
即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形 的一个重要指标。
在弹性范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应
变的比值，即：Es=σ/ε
弹性模量越大，材料的刚度越大，即越不容易变形。
第一节 结构材料基本要求
塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，
有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。
第一节 结构材料基本要求
3 可加工性
材料制成构件的过程中，都要进行加工，如钢材的切 割、焊接，结构材料加工制作的难易程度对施工工期、 建筑造价等都有重要的影响。
因此，在选择结构材料时，要充分考虑材料的加工难 度和施工企业的实际加工制作能力。
4 取材便利，价格合理，经济实用
第二节 木 材
木材是我国传统建筑材料，在古建筑中被大量使用。目 前很少采用木材作为主要结构材料。
本章学习的目的：了解结构材料的基本要求。
第一节 结构材料基本要求
一、结构材料力学性能的基本要求
工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标 来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。
结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、
冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。
第一节 结构材料基本要求
(一)强度
第一节 结构材料基本要求
二、其他要求
结构材料不仅要满足强度、弹性、塑性等力学性能方 面的要求，还有满足其他的一些基本要求：
1．协同工作性能
材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆 件可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易 分开的性能。
如钢材的可焊性、钢筋和混凝土之间的共同工作性能 以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。
第一节 结构材料基本要求
徐变：是指在恒定温度和应力条件下，构件或材料的变
形随时间增加而增大的现象。 砼具有徐变特性，钢材在高温下也会出现徐变特性。
应力松弛：是指在恒定温度和应变条件下，构件或材料
的应力随时间的增加而减小的现象。 对于预应力钢筋混凝土结构，应力松弛将会引起预应力
损失，从而降低构件的承载力。
第三章 结构材料的力学性能及指标
第一节 结构材料基本要求 第二节 木 材
第三章 结构材料的力学性能及指标
结构材料是指构成建筑物受力构件所用的材料 传统的材料：砖、石、木材 现代：钢材、混凝土、砌块等新型材料。 任何结构或构件都直接或间接地承受荷载作用，而结 构或构件承载力大小直接与制作的材料相关。
第一节 结构材料基本要求
2．耐久性
耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、 不破坏，长期保持良好的物理力学性能的性质。
耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化 性、耐腐蚀性等均属于耐久性范畴，它对建筑物的使用 寿命起到至关重要的决定作用。
所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素， 综合考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护 措施。
者为不可逆变形。 材料塑性性能是决定结构或构件是否安全可靠的重要
参数之一，可以通过测量材料伸长取断面收缩率或冷弯 性能来确定材料的塑性性能。
第一节 结构材料基本要求
(三)冲击韧性
冲击韧性是指钢材抗冲击而不破坏的能力。 冲击韧性与材料的塑性有关，但是又不等同于塑性， 它是强度和塑性的综合指标。 材料的冲击韧性与其内在质量、宏观缺陷和微观组成 有关。 此外，冲击韧性易受温度影响，温度的下降将会明显 的降低材料的冲击韧性，对结构的安全不利。
一、木材的性能指标
1．密度 3．湿胀干缩性
2．含水率 4．强度
二、木材的防护
1．木材的腐朽与防腐 2．木材的防虫 3．木材的防火
在规定的荷载循环次数和荷载变化幅度下，材料能够 承担的最大动态应力称为材料的疲劳强度。
第一节 结构材料基本要求
(二) 弹性与塑性 弹性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后
能完全恢复到原始形状的性质称为弹性。这种外力消失 后瞬间恢复的变形称为弹性变形。
弹性模量：是反映材料受力时抵抗弹性变形的能力，
弹性阶段的最大应力称为弹性极限应力或弹性极限强 度，弹性阶段应力与应变的比值称为弹性模量。
第一节 结构材料基本要求
2．屈服强度 fy
工程材料根据其变形性能可以分为塑性材料和脆性材料。 塑性材料：在应力水平超过极限弹性应力后，应力不再有 明显增加，而是在小范围内波动，但应变急剧增大，这种现 象称为屈服，应力一应变曲线上这个阶段称为屈服阶段，也 称流动阶段。一般以屈服阶段最小应力作为屈服强度。 屈服强度对于钢材有重要意义。 脆性材料：而某些表现为脆性性质的钢材没有明显屈服阶 段，此时取残余变形为0.2％对应的应力作为名义屈服强度。
第一节 结构材料基本要求
第一节 结构材料基本要求
3．极限强度 ft
在对材料力学性能进行试验时，试件所能够承受的最 大荷载与初始截面的比值称为最大名义应力，也称为材 料的极限强下，当达到一定的循环 次数时，会发生脆性破坏，且破坏应力远小于屈服应力， 这种破坏称为疲劳破坏。
强度是材料抵抗破坏能力的指标。
根据材料在受力时的变形状态不同有弹性极限强度、
屈服强度、极限强度；
根据材料的受力状态不同又有抗压强度、抗拉强度、
抗剪强度和抗扭强度等；
如果材料受到循环荷载作用，还要考虑疲劳强度。
第一节 结构材料基本要求
1．弹性极限强度
材料在受力初期，材料的应力和应变基本满足线性关 系，即材料的应力与应变的比值为常量，如果此时卸载， 构件的变形能完全恢复，因此称此阶段为弹性阶段。
即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算结构变形 的一个重要指标。
在弹性范围内，弹性模量为常数，其值等于应力与应
变的比值，即：Es=σ/ε
弹性模量越大，材料的刚度越大，即越不容易变形。
第一节 结构材料基本要求
塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力去除后，
有一部分变形不能恢复，这种性质称为材料的塑性。
第一节 结构材料基本要求
3 可加工性
材料制成构件的过程中，都要进行加工，如钢材的切 割、焊接，结构材料加工制作的难易程度对施工工期、 建筑造价等都有重要的影响。
因此，在选择结构材料时，要充分考虑材料的加工难 度和施工企业的实际加工制作能力。
4 取材便利，价格合理，经济实用
第二节 木 材
木材是我国传统建筑材料，在古建筑中被大量使用。目 前很少采用木材作为主要结构材料。
本章学习的目的：了解结构材料的基本要求。
第一节 结构材料基本要求
一、结构材料力学性能的基本要求
工程结构对材料力学性能的要求是通过力学性能指标 来实现的，而力学性能指标又是通过实验方法测定的。
结构材料主要力学性能指标有：强度、弹性、塑性、
冲击韧性与冷脆性、徐变和松弛等。
第一节 结构材料基本要求
(一)强度
第一节 结构材料基本要求
二、其他要求
结构材料不仅要满足强度、弹性、塑性等力学性能方 面的要求，还有满足其他的一些基本要求：
1．协同工作性能
材料的协同工作性能是指两种或两种以上的材料或杆 件可以融合成一体，共同参与受力和变形，而不会轻易 分开的性能。
如钢材的可焊性、钢筋和混凝土之间的共同工作性能 以及砌块与砂浆之间的粘结性能等。
第一节 结构材料基本要求
徐变：是指在恒定温度和应力条件下，构件或材料的变
形随时间增加而增大的现象。 砼具有徐变特性，钢材在高温下也会出现徐变特性。
应力松弛：是指在恒定温度和应变条件下，构件或材料
的应力随时间的增加而减小的现象。 对于预应力钢筋混凝土结构，应力松弛将会引起预应力
损失，从而降低构件的承载力。
第三章 结构材料的力学性能及指标
第一节 结构材料基本要求 第二节 木 材
第三章 结构材料的力学性能及指标
结构材料是指构成建筑物受力构件所用的材料 传统的材料：砖、石、木材 现代：钢材、混凝土、砌块等新型材料。 任何结构或构件都直接或间接地承受荷载作用，而结 构或构件承载力大小直接与制作的材料相关。
第一节 结构材料基本要求
2．耐久性
耐久性是指材料长久在各种环境因素作用下不变质、 不破坏，长期保持良好的物理力学性能的性质。
耐久性是材料的一种综合性质，如抗冻性、抗风化 性、耐腐蚀性等均属于耐久性范畴，它对建筑物的使用 寿命起到至关重要的决定作用。
所以，要根据材料所处的部位、使用环境等因素， 综合考虑耐久性，合理选择结构材料或采取相应的保护 措施。