第三章 结构材料的力学性能及指标
建筑结构结构材料力学性能.
在规定的循环次数（200万次）和荷载变 幅下，材料所能承受的最大动态应力称为疲 劳强度。
材力“疲劳极限” 经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破
坏之最大应力。
6.徐变（蠕变）与应力松驰
在温度和作用应力 不变的情况下，应变或 变形随时间而增加的现 象称为徐变（蠕变）。
在温度和应变不变 的情况下，应力随时间 而减小的现象称为应力 松驰。
第三章 建筑结构材料力学性能
一.材料力学性能指标
1.强度指标 （抗拉、抗压）
屈服点 比例极限
强度极限
r 0.2
名义屈服点 冷作硬化
塑性材料
0.2%
脆性材料
钢材的冷加工 冷拉
常 温 ---20d ， 100℃---2h
●冷拉（时效）硬化 ●抗拉强度提高 ●塑性降低 ●不提高抗压强度 ●先焊后拉 ●不得作吊环
ak Wk
冲击韧性试验
（a）夏比试件 （b）梅氏试件
4.冷弯性能
冷弯试验示意图
钢筋延伸率及冷弯性能要求
钢筋级别
HPB235 HRB335 HRB400
5
冷
弯 冲头直径
25% 180° 1D
16% 180° 3D
14% 90° 3D
RRB400 10% 90° 5D
5.疲劳强度
结构构件在变幅（△ = max-min）一定的 循环荷载作用下，当达到一定的循环次数n时， 便发生脆性破坏，且破坏应力远小于s或b， 这种现象称为疲劳破坏。
-曲线
冷拔
●截面变小长度增长 ●抗拉抗压强度提高 ●塑性显著降低 ●无明显屈服点
-曲线
2.塑性指标 ◆延伸率
l1 l0 100%l0<来自%为脆性材料 ≥5%为塑性材料
第3章 结构材料的力学性能及指标.
la
fy d ft
23
【小结】
1. 建筑用钢筋的种类、力学性能 2. 混凝土的力学性能 3. 混凝土的变形 4. 钢筋与混凝土的粘结锚固
24
The End
25
F
F=13.4KN 截面开裂并破坏
b. 钢筋混凝土梁：受拉区配220钢筋
F
300
200
f
t
200
300
220
Fcr=15 KN 截面开裂; Fu=87KN 截面破坏。
梁的承载力大大提高，梁的受力性能改善。
12
2.1.2 钢筋
一、钢筋的种类及选用
HPB235
热轧钢筋
HRB335 HRB400
其冷弯指标是指在常温下被检验材料对于某一相对的半径 （相对板材厚度与钢筋直径）的弯曲角度。
17
3. 钢材的加工性能
常见的建筑工程钢材加工有冷加工、热加工两类：
冷加工：板材、线材的冷弯；线材的冷拉、冷拔；
热加工：焊接。
冷拉
σ
A B
0
冷拉后的钢筋没有明显的屈服阶段，如
B图。
冷拉卸载后经过一段时间的停滞，再对
e
a—弹性极限fb
c—屈服强度fy
d—极限强度fu
sd
o
e
s0.2 c
0
0.2%
某些无明显屈服点的材料，以残余变形0.2%对应应力
作为名义屈服强度。
4
e
b. 弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力除去后能完全恢复到原
始形状的性质，称为弹性。
s
f
弹性模量： Es s e
u
fbf a’
第三章 结构材料的力学性能及指标
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
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%）
第三章 Mechanical Properties(材料的力学性能)
3 Mechanical Properties (1)—1 Introduction and Concepts of Stress and strain教学目的：了解材料力学性能在实际中的应用，掌握表征材料力学性能的参数，施加载荷的类型；了解拉伸试验和测试的标准样品；熟练掌握工程应力和应变的概念。
教学重点：材料的工程应力和应变。
教学难点：剪切和扭转测试。
教学方法：多媒体和板书相结合。
学时分配：3.1 Introduction 30 min3.2 Concepts of stress and strain3.2.1 Tension tests 30 min3.2.2 Compression tests 10 min3.2.3 Shear and torsional tests 20 min教学过程与内容：3.1 Introduction回顾：性能与结构，性能与加工、制备间的关系。
Many materials, when in service, are subjected to forces or loads; examples include the aluminum alloy from which an airplane wing is constructed and the steel in an automobile axle. In such situations it is necessary to know the characteristics of the material and to design the member from which it is made such that any resulting deformation will not be excessive and fracture will not occur. The mechanical behavior of a material reflects the relationship between its response or deformation to an applied load or force. Important mechanical properties are strength, hardness, ductility, and stiffness.The mechanical properties of materials are ascertained by performing carefully designed laboratory experiments that replicate as nearly as possible the service conditions. Factors to be considered include the nature of the applied load and its duration, as well as the environmental conditions. It is possible for the load to be tensile, compressive, or shear, and its magnitude may be constant with time, or it may fluctuate continuously. Application time may be only a fraction of a second, or it may extend over a period of many years. Service temperature may be an importantfactor.Mechanical properties are of concern to a variety of parties (e.g., producers and consumers of materials, research organizations, and government agencies) that have differing interests. Consequently, it is imperative that there be some consistency in the manner in which tests are conducted, and in the interpretation of their results. This consistency is accomplished by using standardized testing techniques. Establishment and publication of these standards are often coordinated by professional societies.The role of structural engineers is to determine stresses and stress distributions within members that are subjected to well-defined loads. This may be accomplished by experimental testing techniques and/or by theoretical and mathematical stress analyses. These topics are treated in traditional stress analysis and strength of materials texts.Materials and metallurgical engineers, on the other hand, are concerned with producing and fabricating materials to meet service requirements as predicted by these stress analyses. This necessarily involves an understanding of the relationships between the microstructure (i.e., internal features) of materials and their mechanical properties.Materials are frequently chosen for structural applications because they have desirable combinations of mechanical characteristics. This chapter discusses the stress–strain behaviors of metals, ceramics, and polymers and the related mechanical properties; it also examines their other important mechanical characteristics.3.2 Concepts of stress and strainIf a load is static or changes relatively slowly with time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress–strain test; these are most commonly conducted for metals at room temperature. There are three principal ways in which a load may be applied: namely, tension, compression, and shear (Figures 3.1 a, b, c). In engineering practice many loads are torsional rather than pure shear; this type of loading is illustrated in Figure 3.1 d.Figure 3.13.2.1 Tension testsOne of the most common mechanical stress–strain tests is performed in tension. As will be seen, the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of materials that are important in design. A specimen is deformed, usually to fracture, with a gradually increasing tensile load that is applied uniaxially along the long axis of a specimen. A standard tensile specimen is shown in Figure 3.2. Normally, the cross section is circular, but rectangular specimens are also used. During testing, deformation is confined to the narrow center region, which has a uniform cross section along its length. The standard diameter is approximately 12.8 mm, whereas the reduced section length should be at least four times this diameter; 60 mm is common. Gauge length is used in ductility computations; the standard value is 50 mm. The specimen is mounted by its ends into the holding grips of the testing apparatus. The tensile testing machine is designed to elongate the specimen at a constant rate, and to continuously and simultaneously measure the instantaneous applied load and the resulting elongations. A stress–strain test typically takes several minutes to perform and is destructive; that is, the test specimen is permanently deformed and usually fractured.Figure 3.2To minimize these geometrical factors, load and elongation are normalized to the respective parameters of engineering stress and engineering strain. Engineering stress σ is defined by the relationshipA F =σ (3.1) in which F is the instantaneous load applied perpendicular to the specimen cross section, in units of newtons (N), and A 0 is the original crosssectional area before any load is applied (m 2). The units of engineering stress are megapascals, MPa (SI).Engineering strain ε is defined according to00l l l l l i ∆=-=ε (3.2) in which l 0 is the original length before any load is applied, and l i is the instantaneous length. Sometimes the quantity l i - l 0 is denoted as Δl , and is the deformation elongation or change in length at some instant, as referenced to the original length. Engineering strain (subsequently called just strain) is unitless, but meters per meter or inches per inch are often used; the value of strain is obviously independent of the unit system.3.2.2 Compression testsCompression stress –strain tests may be conducted if in-service forces are of this type. A compression test is conducted in a manner similar to the tensile test, except that the force is compressive and the specimen contracts along the direction of the stress. Equations 3.1 and 3.2 are utilized to compute compressive stress and strain, respectively. By convention, a compressive force is taken to be negative, which yields a negative stress. Furthermore, since l 0 is greater than l i , compressive strains computed from Equation 3.2 are necessarily also negative. Tensile tests are more common because they are easier to perform; also, for most materials used in structural applications, very little additional information is obtained from compressive tests. Compressive tests are used when a material’s behavior under large and permanent (i.e., plastic) strains is desired, as in manufacturing applications, or when the material is brittle in tension.3.2.3 shear and torsional testsFor tests performed using a pure shear force as shown in Figure 3.1c, the shearstress τ is computed according toA F =τ (3.3) where F is the load or force imposed parallel to the upper and lower faces, each of which has an area of A 0 . The shear strain γ is defined as the tangent of the strain angle θ, as indicated in the figure. The units for shear stress and strain are the same as for their tensile counterparts. Torsion is a variation of pure shear, wherein a structural member is twisted in the manner of Figure 3.1d; torsional forces produce a rotational motion about the longitudinal axis of one end of the member relative to the other end. Examples of torsion are found for machine axles and drive shafts, and also for twist drills. Torsional tests are normally performed on cylindrical solid shafts or tubes. A shear stress τ is a function of the applied torque T , whereas shear strain γ is related to the angle of twist, ф in Figure 3.1d.Brief Summary总结本节讲的主要内容，及其重点。
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
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
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
－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。
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。
第三章_材料在冲击载荷下的力学性能
知识扩充 泰坦尼克号（Titanic）中的力学知识
1912 年 当 年 最 为 豪 华 、 号 称 永 不 沉 没 的 泰 坦 尼 克 号 （Titanic）首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲 惨海难。多年来，出版了不少回忆录、小说，演出了不少戏剧、 电影。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海 底 研 究 沉 船 ， 起 出 遗 物 。 1995 年 2 月 美 国 《 科 学 大 众 》 （Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是 『What Really Sank The Titanic』,付标题是“为什么‘不会 沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学 研究回答了80年未解之谜“。作者出示了下图两个冲击试验结 果。左面的试样取自海底的Titanic号，右面的是近代船用钢板 的冲击试样。由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧 性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性 断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。
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2、Ak或K值相同的材料，其韧性不一定相同 因为，试样所吸收的冲击能量包括了三部分， 即弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。对不 同的材料，冲击吸收功数值可能相同，但这三部 分各占的比例确不一定相同。而真正能显示材料 韧性好坏的是后两部分，尤其是裂纹扩展功的大 小。
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3、冲击吸收能量K（冲击吸收功AK）并非完 全用于试样变形和破断。
3
§3-1 冲击载荷下金属变形和断裂的特点
◆冲击载荷下，整个承载系统承受冲击能，所以 机件、与机件相连物体的刚度都直接影响冲击过程 的时间，从而影响加速度和惯性力的大小。
◆由于冲击过程持续时间短，测量不准确，难于 按惯性力计算机件内的应力，所以机件在冲击载荷 下所受的应力，通常假定冲击能全部转换为机件内 的弹性能，再按能量守恒法计算。
钢结构材料机械性能计算
结构用钢及其连接的强度设计值的折减系数
单面连接的单角钢
1. 2.
按轴心受力计算强度和连接：0.85 按轴心受压计算稳定性
等边角钢：0.6+0.0015 λ,但不大于1.0 短边相连的不等边角钢：0.5+0.0025 λ ，但不大于1.0 长边相连的不等边角钢：0.70 其中λ为长细比，对中间无连系的单角钢压杆，应按最小回转半径计算，当时 λ>20 ，取λ =20
物理 性能
力学 性能
⎧ ⎧比例极限 ⎪ ⎪ ⎪强度指标 ⎪屈服强度 ⎨ ⎪ ⎪强度极限 ⎪ ⎪承压强度 ⎪ ⎩ ⎪ ⎧延伸率 ⎪ 塑性指标 ⎨ ⎨ ⎩截面收缩率 ⎪ ⎪冲击韧性 ⎪ ⎪冷弯性能 ⎪ ⎪疲劳强度 ⎪徐变与应力松弛 ⎩
可结合性
⎧钢材的可焊性 ⎪ ⎨钢筋和混凝土间的黏结 ⎪快体与砂浆间的黏结 ⎩
3.2.2 钢材的强度设计值
结构钢材
抗拉、抗压和抗弯强度设计值 f = f k γ ，对钢结构中 Q235钢γ取1.087，对Q345钢、Q390钢和Q420钢γ取 1.111 抗剪强度设计值 f vy = f k 3 = 0.58 f y
fv = f 3 = 0.58 f
端面承压强度设计值 f = f ce cek γ Ru = f u γ Ru 其中抗力分项系数对Q235钢和Q345钢取1.15，对Q390钢和 Q420钢取1.175
氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性；氢在低温时易使 钢产生脆性破坏。
钢材的牌号
铸造碳钢『铸钢代号ZG、屈服点fy-抗拉强度 fu』，例ZG200-400 钢筋中的低合金钢『平均含碳量万分数、主要合 金元素符号、合金含量百分数』。其中合金元素 含量＜1.5%时不标注，≥1.5%时标注2， ≥2.5%时标注3，此类推。例如16Mn、 20MnSi、40Si2MnV 螺栓用钢：用碳钢或低合金钢制造。 『抗拉强度. 屈强比』抗拉强度以t/cm2为单位。螺栓有4.6 级、4.8级、8.8级和10.9级四个级别。
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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。 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
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
强度是材料抵抗破坏能力的指标。
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。
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，
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
(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。
第一节 结构材料基本要求
4．疲劳强度
结构构件在变幅循环荷载作用下，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。 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
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。
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。
第一节 结构材料基本要求
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。
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
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。
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。 本章学习的目的：了解结构材料的基本要求。