土木工程材料作业题及例题

1、 1 某地质人员从一堆碎石中取样，并将其洗净后干燥，用一个10L的金属桶称得一桶碎石的质量为13.5kg；再从桶中取出1000g的碎石，让其吸水饱和后用布擦干，称其质量为1036g；然后放入一个广口瓶中，并用水注满这广口瓶，连盖称重为1411g，水温为25度，将碎石倒出后，这个广口瓶盛满水连同盖的质量为791g；另外从洗净干燥后碎石中取一块磨细过筛成细分，称取50g，用李氏瓶称其体积为18.8ml，试求： (1) 该碎石的密度，体积密度和堆积密度； (2) 该碎石的孔隙率，开口孔隙率； (3) 该碎石的密实度，空隙率和填充率。 作业作业1 某石子绝干质量260g，将其放入水中，其吸水饱和后排出

2、水的体积为100cm3；取出该石子试样擦干表面后，再将其投入水中，此时排出水的体积为130cm3。试求： 石子的体积密度，体积吸水率，质量吸水率和开口孔隙率。1 解:(1) Vs=18.8ml，m=50g =m/Vs=50/18.8=2.66g/cm3(2) 根据排水法测定物体体积排水法测定物体体积的原理可以算出(假定水的密度为1g/cm3) V(仅含有闭口孔隙)=791-(1411-1000)/1=380ml=380cm3 视密度视密度(表观密度表观密度) =m/ V =1000/380=2.63g/cm3 V0=791-(1411-1036)/1=416ml=416cm3 体积密度=100

3、0/416=2.404g/cm3 V0=10L,m1=13.5kg 堆积密度=m1/V0=13.5/10=1.35kg/L=1.350g/cm3(3) 孔隙率p=1-体积密度/密度1-2.404/2.66=9.624% D=1-p 开口孔隙率=V开口/V0=(1036-1000)/416=8.655% 注：碎石在水中吸水的体积近似=V开口=(1036-1000)/1=36cm3(4) 空隙率p=1-堆积密度/体积密度=1-1.350/2.404=43.8% D=1-p 1411-1000=需加入水的质量？(1) 绝干体积密度： =260/130=2.0g/cm3试样饱和所吸收水的体积Vsw=V

4、k=V0-V=130-100=30cm3(2)体积吸水率：(3)质量吸水率：(4)开口孔隙率：00/Vm%1 .23%100)130/30(%100)/(0VVswV%5 .11%100)260/30(%100)/(mmswm%1 .230VVPkK作业作业1作业作业3 3：水泥强度为：水泥强度为42.542.5，强度富余系数，强度富余系数1.101.10，卵石，要配制，卵石，要配制36.8MPa36.8MPa的混凝土，估算水灰比。的混凝土，估算水灰比。解：卵石：解：卵石：A=0.48A=0.48，B=0.33 B=0.33 36.8= 0.48 36.8= 0.48 42.5 42.5 1.

5、10 1.10（C/W - 0.33 C/W - 0.33 ） C/W= 1.97W/C= 0.51C/W= 1.97W/C= 0.51因此配制该混凝土水灰比采用因此配制该混凝土水灰比采用0.510.51)(.BWCfAfcecu例题：经试验测得某工程用热轧钢筋的屈服荷载为29kN，极限荷载为50kN，钢筋公称直径为12mm，5d标距拉断后的长度为78.4mm，10d拉断后的长度为148mm。试计算：屈服强度，抗拉强度，屈强比，5，10抗折强度破坏荷载(kN)抗压强度破坏荷载(kN)3d28d3d28d1.252.90237529711.603.05297028681.502.75266927

6、70建筑材料试验室对一普通硅酸盐水泥胶砂试件进行了标准检测，试验结果如下，试确定其强度等级。(1)抗折强度 3d抗折平均值P=(1.25+1.60+1.50)/3=1.45kN (1.45-1.25)/1.45X100%=13.7910%,则P3=(1.60+1.50)/2=1.55kN f=3PL/2bh2=(3*1.55*100)/(2*40*402)=3.63MPa 28天 略(2)抗压强度 F3=(23+29+29+28+26+27)/6=27kN (27-23)/27=17.4%10%，则F3= =(29+29+28+26+27)/5=27.8kN fc=27.8*1000/1600

7、=17.38MPa F28= f28=44.06MPa强度等级为某干砂某干砂500g500g的筛分结果如下表所列。试计算该砂的细度模数并评的筛分结果如下表所列。试计算该砂的细度模数并评定其级配定其级配例题例题计计算算各各筛筛的的分分计计筛筛余余百百分分数数和和累累计计筛筛余余百百分分数数如如下下表表： 筛筛孔孔 尺尺寸寸(mm) 分分计计筛筛余余量量（g） 分分计计筛筛余余（） 累累计计筛筛余余（） 4.75 5 a1=5/500=1 A1=a1=1 2.36 100 a2=100/500=20 A2=A1+ a2=21 1.18 150 a3=150/500=30 A3=A2+ a3=51

8、0.60 145 a4=145/500=29 A4=A3+ a4=80 0.30 80 a5=80/500=16 A5=A4+ a5=96 0.15 20 a6=20/500=4 A6=A5+ a6=100 作业作业4 4：自己设计钢筋混凝土构件，混凝土设计强度为自己设计钢筋混凝土构件，混凝土设计强度为C30C30，混，混凝土坍落度要求为凝土坍落度要求为55-70mm, 55-70mm, 原材料如下：原材料如下：水泥：普通硅酸盐水泥强度等级水泥：普通硅酸盐水泥强度等级32.532.5级，级， 密度密度31003100kg/mkg/m3 3 ，水泥富余系数，水泥富余系数1.131.13；砂：砂：

9、河砂表观密度自己计算；河砂表观密度自己计算；石子：碎石，石子：碎石，DmaxDmax=40mm,=40mm,连续级配，级配良好，连续级配，级配良好， 表观密度表观密度0g0g=2650kg/m=2650kg/m3 3 ；自来水自来水求：混凝土初步配合比设计。并现场试验，检测和易性。求：混凝土初步配合比设计。并现场试验，检测和易性。 1 1、混凝土配制强度计算、混凝土配制强度计算 645. 1,kcutcufff fcu,tcu,t=30+1.645=30+1.6455 5=38.2MPa =38.2MPa 2 2、计算水灰比、计算水灰比cetcuceABffAfCW,3 3、选取每立方米混凝土

10、用水量查表：用水量为、选取每立方米混凝土用水量查表：用水量为185 kg 185 kg 4 4、计算每立方米混凝土水泥用量：、计算每立方米混凝土水泥用量：CWWC/00Co=420.5kg5 5、确定砂率（、确定砂率（SpSp）: :30%30%6 6、用重量法计算配合比：（取混凝土密度为、用重量法计算配合比：（取混凝土密度为2400kg/m2400kg/m3 3） %100*00000000GSSSGSWCP每立方米混凝土各材料用量每立方米混凝土各材料用量= =水泥水泥: :砂砂: :石子石子: :水水=421:185:538:1256=421:185:538:1256=(0.46X32.5

11、X1.1)/(38.2+0.46X0.07X32.5X1.1)=0.441 土木工程材料与土木工程的关系土木工程材料与土木工程的关系1 1、土木工程材料是一切土木工程结构中不可缺少的、土木工程材料是一切土木工程结构中不可缺少的物质基础物质基础2 2、在各类土木工程建设中，材料费用在工程总造价中占有很高的、在各类土木工程建设中，材料费用在工程总造价中占有很高的比例比例（40%-60%40%-60%，甚至更高），甚至更高）3 3、材料的品质和性能在很大程度上决定了结构物的性能、材料的品质和性能在很大程度上决定了结构物的性能4 4、新型材料的出现与土木工程技术的发展相互促进、新型材料的出现与土木工程

12、技术的发展相互促进土木工程的发展从来就离不开材料，它们之间有着相互土木工程的发展从来就离不开材料，它们之间有着相互依存不可分割的关系依存不可分割的关系 土木工程材料土木工程材料土木工程土木工程1 土木工程材料的分类土木工程材料的分类轻质金属夹芯板等有机复合材料金属玻璃纤维增强材料等有机复合材料无机非金属复合材料等木材、石油沥青、塑料有机材料非金属复合材料金属非金属材料金属材料无机材料土木工程材料化学成分：化学成分： 有机材料有机材料 无机材料无机材料复合材料复合材料2.12.1材料的组成与结构材料的组成与结构材料的组成是指材料的材料的组成是指材料的化学成分化学成分和和矿物组成矿物组成。材料组成

13、是。材料组成是材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。材料性质的基础，它对材料的性质起着决定性的作用。Composition and Structure of Civil Engineering MaterialsComposition and Structure of Civil Engineering Materials 组成组成 化学组成化学组成 矿物组成矿物组成 相组成相组成结构结构微观结构微观结构(micro-structure)细观结构细观结构(meso-structure)宏观结构宏观结构(macro-structure)化学组成与矿物组成的关系化学组成与矿物组成的关系化

14、学组成相同，其矿物组成不一定相同；化学组成相同，其矿物组成不一定相同；例如：半水石膏的化学成分为例如：半水石膏的化学成分为CaSO4 0.5H2O，但，但它有它有 -、 -、 - 等等3种矿物相。种矿物相。不同的矿物相，其化学组成可能相同。不同的矿物相，其化学组成可能相同。例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不例如：水泥熟料中的硅酸二钙和硅酸三钙两种不同矿物相的化学成分均是同矿物相的化学成分均是CaO和和SiO2。矿物组成相同，其化学组成一定相同。矿物组成相同，其化学组成一定相同。材料中的气相材料中均或多或少地含有气相；气相以各种尺寸和形态的孔(缝)隙存在于材料中，因此孔隙有一定的结构孔结

15、构；孔 (缝)隙对材料性能有很大影响：有害孔，如：孔径较大的孔、连通缝等；无害孔，如：孔径很小的孔、凝胶孔等；有益孔，如：孔径很小的封闭孔等。材料结构材料结构 2.22.2材料的基本物理性质材料的基本物理性质本节主要讨论以下本节主要讨论以下5 5个问题个问题一、一、材料的结构特征参数：材料的结构特征参数： 密度、表观密度、堆积密度密度、表观密度、堆积密度二、二、密实度、密实度、孔隙率孔隙率、空隙率空隙率、填充率、填充率 三、三、材料与水有关的性质材料与水有关的性质四、四、材料的热工性质材料的热工性质 五、五、材料的耐热性与耐燃性材料的耐热性与耐燃性 General Properties of

16、Civil Engineering MaterialsGeneral Properties of Civil Engineering Materials材料的密度、表观密度和堆积密度有何区别材料的密度、表观密度和堆积密度有何区别？答:(1)密度是材料在绝对密实状态下单位体积的质量。 (2)表观密度是材料自然状态下单位体积的质量。 通常把包括所有孔隙(开口和闭口)在内的密度称为体积密度；而把只包括闭口孔的密度称为视密度。 的大小与含水情况有关，材料的重量和体积均随含水率的变化而有所改变，因此，在测定体积密度时要注明含水率。气干状态：气干体积密度；绝干状态：绝干体积密度。 (3)堆积密度是粉状或颗

17、粒状材料在堆积状态下单位体积的质量。三者的区别在于材料体积内部含孔隙、空隙程度不同。Vm00Vm00VmpVVD1%100*%100*00%100*)1 (%100*000VVVp%100*)1 (%100*000000VVVVVps1%100*%100*0000pVVD开口孔隙率：材料中能被水所饱和的孔隙体积与材料在自然状态下的体积的百分比材料体积内被固体物质充实的程度材料体积内被固体物质充实的程度散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比率散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比率密实度和孔隙率密实度和孔隙率填充率和空隙率填充率和空隙率颗粒填充的程度 材料与水接触时由于水

18、在固体表面润湿状态不同，表现材料与水接触时由于水在固体表面润湿状态不同，表现为为亲水与憎水亲水与憎水两种不同的性质；两种不同的性质； 材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为材料在潮湿空气中或水中吸收水分的性质，分别称为吸湿吸湿性与吸水性性与吸水性； 材料材料耐水性耐水性指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显指材料长期在水的作用下不破坏、强度不明显下降的性质；下降的性质； 抗渗性抗渗性指材料抵抗压力水不渗透的性质；指材料抵抗压力水不渗透的性质； 抗冻性抗冻性指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，指材料在含水状态下能忍受多次冻融循环而不破坏，强度也不显著下降的性质。强度也不显著下

19、降的性质。 材料与水有关的性质材料与水有关的性质 1 1、材料的亲水性与憎水性、材料的亲水性与憎水性1 1、亲水性与憎水性、亲水性与憎水性：当材料与水接当材料与水接触时，有些材料能被水润湿，有些触时，有些材料能被水润湿，有些材料则不能被水润湿，前者称材料材料则不能被水润湿，前者称材料具有亲水性，后者称具有憎水性。具有亲水性，后者称具有憎水性。 润湿边角润湿边角：材料被水湿润的情况可：材料被水湿润的情况可用润湿边角用润湿边角表示。当材料与水接表示。当材料与水接触时，在触时，在材料、水以及空气三相的材料、水以及空气三相的交点处交点处，作沿水滴表面的切线，此，作沿水滴表面的切线，此切线与材料和水接触

20、面的夹角切线与材料和水接触面的夹角，称为润湿边角称为润湿边角 越小越小，材料亲水性越强，材料亲水性越强，越易被水湿润越易被水湿润=0=0时时，表示材料完全被水，表示材料完全被水湿润湿润（）亲水性材料；（）憎水性材料2 2、材料的含水状态（、材料的含水状态（亲水性材料亲水性材料）(a)(a)干燥状态干燥状态- -材料的孔隙中不含水或含水极微，通常在材料的孔隙中不含水或含水极微，通常在(105(1055 5C)C)条件下烘干而得。条件下烘干而得。(b)(b)气干状态气干状态- -材料表面干燥，内部孔隙中部分含水。即材料的孔隙中所含水与大气湿度材料表面干燥，内部孔隙中部分含水。即材料的孔隙中所含水与

21、大气湿度相平衡，含水大小与空气相对湿度和温度密切相关。相平衡，含水大小与空气相对湿度和温度密切相关。(c)(c)饱和面干饱和面干- -材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和。即将湿润状态的试样，用拧干材料表面干燥，而孔隙中充满水达到饱和。即将湿润状态的试样，用拧干的湿毛巾擦除表面水分后的状态。的湿毛巾擦除表面水分后的状态。(d)(d)湿润状态湿润状态- -材料不仅孔隙中含水饱和材料不仅孔隙中含水饱和, ,而且表面上为水湿润附有一层水膜。在常温下通而且表面上为水湿润附有一层水膜。在常温下通常将试样放入水中浸泡常将试样放入水中浸泡4d4d后，由水中取出即为湿润状态。后，由水中取出即为湿润状态。基本含

22、水状态：基本含水状态：3 3、材料的吸湿性和吸水性、材料的吸湿性和吸水性1 1）吸湿性：吸湿性：用含水率表示用含水率表示亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。亲水材料在潮湿空气中吸收水分的性质。 还湿性：还湿性：亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。亲水材料在干燥空气中放出所含水分的性质。含水率含水率%100*ggshmmmWl影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度影响材料含水率的因素：环境的温度和湿度l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的含水率材料在吸湿状态下的重量材料在吸湿状态下的重量 材料在干燥状态下的

23、重量材料在干燥状态下的重量 3 3、材料的吸湿性和吸水性、材料的吸湿性和吸水性2 2）吸水性：材料在水中吸水的性质。）吸水性：材料在水中吸水的性质。用吸水率表示吸水性：质量吸水率、体积吸水率用吸水率表示吸水性：质量吸水率、体积吸水率质量吸水率质量吸水率：材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时：材料吸水饱和时，吸收的水分质量占材料干燥时质量的百分率：质量的百分率：%100*ggbmmmmW体积吸水率体积吸水率：材料吸水饱和时，吸收的水分体积占材料干燥：材料吸水饱和时，吸收的水分体积占材料干燥时体积的百分率：时体积的百分率：0*mVWW%100*1*0wgbVVmmW质量吸水率与体积吸水率关系

24、：质量吸水率与体积吸水率关系：材料的吸水性对材料性能的影响材料的吸水性对材料性能的影响 重量增加，表观密度增加； 强度下降（水的软化作用） 导热性增大（水比空气导热性大） 导电性增大（水比空气导电性大） 体积膨胀 抗冻性下降4 4、材料的耐水性、材料的耐水性定义定义：材料长期在饱和水作用下不被破坏，强度也无明显：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。下降的性质。软化系数：软化系数：gbRffKqK KR R 在在0-10-1之间之间q耐水材料：耐水材料：K KR R 0.850.85 q钢材、玻璃、沥青钢材、玻璃、沥青 K KR R =1 =1黏土黏土K KR R =0 =0

25、q要求：长期处于水中或潮湿环境中的重要结构要求：长期处于水中或潮湿环境中的重要结构 K KR R 0.850.85q用于受潮较轻或次要结构：用于受潮较轻或次要结构： K KR R 0.75 0.75K KR R = =材料吸水饱和后的抗压强度材料吸水饱和后的抗压强度/ /材料干燥时的抗压强度材料干燥时的抗压强度5 5、材料的抗渗性、材料的抗渗性定义：定义：材料抵抗压力水渗透的性质材料抵抗压力水渗透的性质AtHQdK 影响因素：影响因素： 孔隙率及孔隙特征孔隙率及孔隙特征开口的连通大孔越多开口的连通大孔越多抗渗性越差抗渗性越差闭口孔隙率大的材料闭口孔隙率大的材料抗渗性仍可良好抗渗性仍可良好抗渗等

26、级抗渗等级: :以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力以规定的时间在标准试验条件下所能承受的最大水压力（MPaMPa）来确定，）来确定，材料可以抵抗材料可以抵抗0.2MPa0.2MPa、0.4MPa0.4MPa、0.6MPa0.6MPa水压力：水压力：2P4P6P渗透系数：渗透系数：一定厚度的材料，在一定水压力下，一定厚度的材料，在一定水压力下，在单位时间内透过单位面积的水量在单位时间内透过单位面积的水量 抗渗性是决定材料耐抗渗性是决定材料耐久性的主要指标久性的主要指标6 6、材料的抗冻性、材料的抗冻性定义定义：材料在吸水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不破环，：材料在吸水饱和状态

27、下能经受多次冻融循环作用而不破环，强度不明显降低的性质。强度不明显降低的性质。冻融循环冻融循环：通常采用：通常采用-15-15C Co o的温度冻结后，再在的温度冻结后，再在2020的水中融化，这的水中融化，这样的过程为一次冻融循环。样的过程为一次冻融循环。冻融破坏冻融破坏：材料吸水后，在负温度下，水在毛细管内结冰，体积膨：材料吸水后，在负温度下，水在毛细管内结冰，体积膨胀约胀约9 9，冰的冻胀压力造成材料的内应力，使材料遭到局，冰的冻胀压力造成材料的内应力，使材料遭到局部破坏，随着冰冻、融化的循环作用，对材料的破坏加剧，部破坏，随着冰冻、融化的循环作用，对材料的破坏加剧，这种破坏即为冻融破坏

28、。这种破坏即为冻融破坏。抗冻等级抗冻等级：抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降：抗冻性以试件在冻融后的质量损失、外形变化或强度降低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称低不超过一定限度时所能经受的冻融循环次数来表示，或称抗冻等级。材料的抗冻等级可以分为抗冻等级。材料的抗冻等级可以分为F15F15、F25F25、F50F50、F100F100、F200F200等。等。讨论：材料与水有关的性质主要和哪些因素有关？讨论：材料与水有关的性质主要和哪些因素有关？1 1、材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈大，则材料、材料中所吸水分是通过开口孔隙吸入的，故开口孔隙率愈

29、大，则材料的吸水量愈多。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。的吸水量愈多。材料的吸水性与材料的孔隙率和孔隙特征有关。2 2、材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较、材料的吸湿性随空气的湿度和环境温度的变化而改变，当空气湿度较大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。大且温度较低时，材料的含水率就大，反之则小。3 3、材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙、材料的抗渗性与材料内部的孔隙率特别是开口孔隙率有关，开口孔隙率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水率越大，大孔含量越多，则抗渗性越差。材料的抗渗性还与材料的憎水性和亲

30、水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。性和亲水性有关，憎水性材料的抗渗性优于亲水性材料。4 4、材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。、材料的抗冻性取决于其孔隙率、孔隙特征及充水程度。5 5、从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、从外界条件来看，材料受冻融破坏的程度，与冻融温度、结冰速度、冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则冻融频繁程度等因素有关。环境温度愈低、降温愈快、冻融愈频繁，则材料受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，材料受冻破坏愈严重。材料的冻融破坏作用是从外表面开始产生剥落，逐渐向内部深入发展。逐渐

31、向内部深入发展。 1 1、热容性热容性热容量热容量是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。是指材料受热时吸收热量和冷却时放出热量的性质。用热容量来比较材料用热容量来比较材料热容性差别热容性差别材料的比热，材料的比热，kJkJ(kg(kgK)K)。 材料受热或冷却前后材料受热或冷却前后的温度差，的温度差，K K 材料的热容量，材料的热容量，kJ kJ 材料的质量，材料的质量，kg kg 材料材料比热比热的物理意义是指的物理意义是指1kg1kg重重的材料，在温度每改变的材料，在温度每改变1K1K时所时所吸收或放出的热量。用公式表吸收或放出的热量。用公式表示为示为 2 2、导热性导热性导热系数

32、导热系数的物理意义是：厚度为的物理意义是：厚度为1m1m的材料，当温度每改变的材料，当温度每改变1K1K时，时，在在lhlh时间内通过时间内通过1m1m2 2面积的热量。用公式表示为面积的热量。用公式表示为 ：当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧、通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力，称为导热性导热性。材料的导热性可用导热材料的导热性可用导热系数来表示系数来表示 材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的导热系材料的导热系数愈小，表示其绝热性能愈好。各种材料的

33、导热系数差别很大，数差别很大，工程中通常把工程中通常把0.23 W0.23 W(m(mK)K)的材料称为绝热材的材料称为绝热材料。料。 材料的导热系数，材料的导热系数，W/W/（m mK K）a a 材料的厚度，材料的厚度，m Zm Z- -传热时间，传热时间，h h A A 材料传热的面积，材料传热的面积，m m2 2；2.32.3材料的力学性质材料的力学性质 本节共讨论以下四个问题本节共讨论以下四个问题一、材料的强度一、材料的强度 强度等级强度等级 比强度比强度 理论强度理论强度二、材料的的弹性与塑性二、材料的的弹性与塑性 三、材料的脆性与韧性三、材料的脆性与韧性 四、材料的硬度和耐磨性四

34、、材料的硬度和耐磨性 材料的力学性质指材料在外力作用下所引起的变化的性质。这些变化包括材料的变形和破坏。材料的变形指在外力的作用下，材料通过形状的改变来吸收能量。 Mechanical Properties of Mechanical Properties of Engineering materialsEngineering materials影响材料强度的因素影响材料强度的因素 1.材料的组成、结构与构造：材料的组成、结构与构造：包括化学组成、矿物组成和相包括化学组成、矿物组成和相组成，结合键类型（金属、共价、离子、分子、氢），宏观组成，结合键类型（金属、共价、离子、分子、氢），宏观构造（

35、位错、裂隙、夹杂及以上的不均匀程度等）。构造（位错、裂隙、夹杂及以上的不均匀程度等）。 2.孔隙率与孔隙特征孔隙率与孔隙特征：材料的孔隙率愈大，则强度愈小。对：材料的孔隙率愈大，则强度愈小。对于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反于同一品种的材料，其强度与孔隙率之间存在近似直线的反比关系。一般表观密度大的材料，其强度也大。比关系。一般表观密度大的材料，其强度也大。 3.试件的形状和尺寸试件的形状和尺寸：受压时，立方体试件的强度值要高于：受压时，立方体试件的强度值要高于棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度较大棱柱体试件的强度值，相同材料采用小试件测得的强度较大试件高。试

36、件高。强度：在外力作用下，材料抵抗破坏的能力强度：在外力作用下，材料抵抗破坏的能力 4.加荷速度加荷速度：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增：当加荷速度快时，由于变形速度落后于荷载增长的速度，故测得的强度值偏高，反之，因材料有充裕的变长的速度，故测得的强度值偏高，反之，因材料有充裕的变形时间，测得的强度值偏低。形时间，测得的强度值偏低。 5.试验环境的温度、湿度：试验环境的温度、湿度：温度高、湿度大时，试件会有体温度高、湿度大时，试件会有体积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间的作用力减弱，测积膨胀，材料内部质点距离加大，质点间的作用力减弱，测得的强度值偏低。得的强度值偏低。 6.受力面状

37、态：受力面的平整度，润滑情况等受力面状态：受力面的平整度，润滑情况等。试件表面不。试件表面不平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。平或表面涂润滑剂时，所测强度值偏低。 一、材料的强度一、材料的强度 强度等级强度等级 比强度比强度 理论强度理论强度2 2、强度等级强度等级：材料按其强度的大小分为若干不同的等级（标号）：材料按其强度的大小分为若干不同的等级（标号）划分等级的作用：划分等级的作用：（1 1）掌握材料性质，合理选用材料）掌握材料性质，合理选用材料（2 2）正确进行设计）正确进行设计（3 3）控制工程质量等）控制工程质量等混凝土：混凝土： C10C10 C15 C20 C25 C30 C3

38、5 C40C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C45 C50 C55 C60，C100C100等多个强度等级等多个强度等级一、材料的强度一、材料的强度 强度等级强度等级 比强度比强度 理论强度理论强度3 3、材料的比强度：单位体积重量的材料强度，即材料的强度与其、材料的比强度：单位体积重量的材料强度，即材料的强度与其表观密度之比。表观密度之比。优质的结构材料，应具有较高的比强度（优质的结构材料，应具有较高的比强度（MPacmMPacm3 3/g/g） 衡量材料是否衡量材料是否轻质高强轻质高强的指标的指标玻璃增强塑料：玻璃增强塑料：450/2=2254

39、50/2=225高强度钢丝：高强度钢丝：1100/7.85=1401100/7.85=140普通混凝土普通混凝土:40/2.4=17:40/2.4=17轻骨料混凝土轻骨料混凝土:40/1.8=22:40/1.8=22烧结普通砖烧结普通砖:15/1.7=9:15/1.7=9二、材料的弹性和塑性二、材料的弹性和塑性（使用时受力性质）（使用时受力性质） 1 1、弹性、弹性：这种完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形）这种完全恢复的变形称为弹性变形（瞬时变形）2 2、塑性、塑性：这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）这种不能恢复的变形称为塑性变形（永久变形）（a a）弹性变形曲线）弹性变形曲线 （b

40、 b）塑性变形曲线）塑性变形曲线 实际上，单纯的实际上，单纯的弹性材料是没有弹性材料是没有的，大多数材料的，大多数材料在受力不大的情在受力不大的情况下表现为弹性，况下表现为弹性，受力超过一定限受力超过一定限度后则表现为塑度后则表现为塑性，所以可称之性，所以可称之为为弹塑性材料弹塑性材料。 三、材料的脆性与韧性三、材料的脆性与韧性1 1、脆性：、脆性：材料受力达到一定程度，突然发生破坏，且破坏时无明材料受力达到一定程度，突然发生破坏，且破坏时无明显塑性变形，材料的这种性质称为脆性。显塑性变形，材料的这种性质称为脆性。 脆性特点：受力达到破坏荷载值时变形值很小，不利于受震动冲脆性特点：受力达到破坏

41、荷载值时变形值很小，不利于受震动冲击，击，抗拉强度抗拉强度抗压强度抗压强度2 2、韧性、韧性（冲击韧性）（冲击韧性） ：在冲击、震动荷载作用下，材料能吸收较：在冲击、震动荷载作用下，材料能吸收较大能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。大能量，同时也能产生一定的变形而不致破坏的性质。例如：硅、石材、陶瓷、玻璃。例如：硅、石材、陶瓷、玻璃。例：对于要承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、例：对于要承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等结构需具有很好的冲击韧性路面等结构需具有很好的冲击韧性Brittleness and DuctilityBrittleness an

42、d Ductility四、材料的硬度和耐磨性四、材料的硬度和耐磨性 1 1硬度硬度: :是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。反映了材是指材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力。反映了材料的耐磨性和加工的难易程度。料的耐磨性和加工的难易程度。 测量方法：测量方法：压入法，刻划法。压入法，刻划法。压入法：压入法：常用测定金属材料等的硬度，根据压痕的面积或深度常用测定金属材料等的硬度，根据压痕的面积或深度测定材料硬度。测定材料硬度。刻划法：刻划法：用硬度不同的材料对被测材料的表面进行刻划，通过用硬度不同的材料对被测材料的表面进行刻划，通过它们对材料的划痕来确定材料的硬度。称为莫氏硬度。它们对材料的划痕来

43、确定材料的硬度。称为莫氏硬度。 刻划法：常用来测定天然矿物的硬度。刻划法：常用来测定天然矿物的硬度。四、材料的硬度和耐磨性四、材料的硬度和耐磨性2 2耐磨性耐磨性：材料抵抗磨损的能力。材料抵抗磨损的能力。磨损：磨损：材料与其他物质由于表面摩擦作用使质量和体积减小材料与其他物质由于表面摩擦作用使质量和体积减小的现象。的现象。耐磨性用磨损率来表示：耐磨性用磨损率来表示：M M：磨损率，：磨损率，g/cmg/cm2 2m m0 0: :磨前质量，磨前质量，g gm m1 1: :磨后质量，磨后质量，g gA A：试样受磨面积，：试样受磨面积，cmcm2 2AmmM102.4 2.4 材料的耐久性材料

44、的耐久性 Durability of Civil Engineering MterialsDurability of Civil Engineering Mterials一、耐久性一、耐久性：指材料在长期使用条件下，受各种内在或外：指材料在长期使用条件下，受各种内在或外在因素作用，能长期不被破坏不失去原有性能，仍能正常在因素作用，能长期不被破坏不失去原有性能，仍能正常使用的特性。使用的特性。二、影响材料耐久性、结构耐久性的因素二、影响材料耐久性、结构耐久性的因素破坏因素的种类：破坏因素的种类：物理作用、机械作用、化学作用、生物作用等物理作用、机械作用、化学作用、生物作用等。 第三章第三章 建筑

45、建筑金属材料金属材料 3.13.1钢材的冶炼和分类钢材的冶炼和分类 3.23.2建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的主要技术性能 3.33.3钢材的组成结构及对性能的影响钢材的组成结构及对性能的影响（自学为主）（自学为主） 3.43.4钢材的冷加工与热处理钢材的冷加工与热处理 3.53.5钢材的应用钢材的应用q 建筑用钢建筑用钢q 钢结构用钢钢结构用钢q 钢筋混凝土用钢钢筋混凝土用钢3.63.6钢材的防护钢材的防护 3.13.1钢材的冶炼和分类钢材的冶炼和分类一、钢的冶炼一、钢的冶炼原料：铁矿石原料：铁矿石（1 1）炼铁：炼铁：铁矿石铁矿石 铁水铁水+ +矿渣矿渣方法：高炉炼铁方法：高炉炼铁生铁：

46、含碳量生铁：含碳量2.11-6.67%2.11-6.67%，脆硬，脆硬（2 2）炼钢：炼钢：铁水、铁块或废钢铁水、铁块或废钢 钢水钢水+ +钢渣钢渣钢钢: : 含碳量含碳量0.06%-2.0%0.06%-2.0%钢与生铁的钢与生铁的主要区别：主要区别：含碳量不同含碳量不同冶炼冶炼冶炼冶炼炼钢的原理就是把熔融的生铁进行加工，使其中碳的含量炼钢的原理就是把熔融的生铁进行加工，使其中碳的含量降到降到2.0%2.0%以下，其它杂质含量也控制在相应规定范围之内。以下，其它杂质含量也控制在相应规定范围之内。二、钢的分类二、钢的分类1 1 按化学成分分按化学成分分：钢的主要成分：钢的主要成分： 铁、碳铁、碳

47、其他一些杂质：其他一些杂质： 硅、锰、钛、钒硅、锰、钛、钒 磷、硫、氧、氮磷、硫、氧、氮 （1 1）碳素钢）碳素钢- - 低碳钢（含碳量低碳钢（含碳量0.25%0.6%0.6%）（2 2）合金钢）合金钢- - 低合金钢（合金元素含量低合金钢（合金元素含量5%5%） 中合金钢（合金元素含量中合金钢（合金元素含量5-10%10%10%）有害有害可以调整可以调整钢材性能钢材性能专门加入专门加入合金元素合金元素二、钢的分类二、钢的分类2 2 按冶炼时脱氧程度分按冶炼时脱氧程度分：（1 1）镇静钢）镇静钢：用硅脱氧，钢质均匀：用硅脱氧，钢质均匀密实，品质好，成本高，可用于承受密实，品质好，成本高，可用于

48、承受冲击荷载的重要结构。冲击荷载的重要结构。（2 2）沸腾钢）沸腾钢：用锰铁脱氧，内部杂：用锰铁脱氧，内部杂质多，化学成分和力学性能不均匀，质多，化学成分和力学性能不均匀，强度低、冲击韧性差、可焊性差、生强度低、冲击韧性差、可焊性差、生产成本低，可用于一般建筑结构。产成本低，可用于一般建筑结构。（3 3）半镇静钢）半镇静钢：用少量硅脱氧，性：用少量硅脱氧，性能介于镇静钢和沸腾钢之间能介于镇静钢和沸腾钢之间（4 4）特殊镇静钢）特殊镇静钢(A)(A)沸腾钢沸腾钢 (B)(B)镇静钢镇静钢两钢锭的纵剖面图两钢锭的纵剖面图代号代号“F”代号代号“TZ”代号代号“Z”代号代号“b”A AB B二、钢的

49、分类二、钢的分类3 3 按杂质含量分按杂质含量分： 普通钢：含硫量普通钢：含硫量0.0450.045-0.050-0.050；含磷量；含磷量0.0450.045。 优质钢优质钢: :含硫量含硫量0.0350.035；含磷量；含磷量0.0350.035。 高级优质钢高级优质钢: :含硫量含硫量0.0250.025，含磷量，含磷量0.0250.025。 特级优质钢特级优质钢: :含硫量含硫量0.0150.015，含磷量，含磷量0.0250.025。 牌号后加牌号后加“高高”或或“A”后后加加“E”4 4、按照用途、按照用途：（1 1）结构钢：主要用于工程构件和机械零件）结构钢：主要用于工程构件和机

50、械零件, ,一般为中一般为中、低碳钢低碳钢（2 2）工具钢：主要用于各种刀具，量具和磨具）工具钢：主要用于各种刀具，量具和磨具, ,一般为高碳钢一般为高碳钢（3 3）特殊钢：用于特殊场合，如不锈钢，耐热钢，磁性钢，耐）特殊钢：用于特殊场合，如不锈钢，耐热钢，磁性钢，耐酸钢等，一般为合金钢酸钢等，一般为合金钢 建筑上常用的是结构钢。建筑上常用的是结构钢。5 5、按照产品型式、按照产品型式：（1 1）型材：钢结构用角钢，工字钢，方钢，槽钢等）型材：钢结构用角钢，工字钢，方钢，槽钢等（2 2）板材：各种厚度钢板）板材：各种厚度钢板（3 3）线材：钢筋，钢丝，钢绞线）线材：钢筋，钢丝，钢绞线（4 4）

51、管材：钢管，自来水管，钢管桩）管材：钢管，自来水管，钢管桩3.2 3.2 建筑钢材的主要技术性能建筑钢材的主要技术性能一、力学性能一、力学性能静荷载：一定的力学强度和不致过大的变形静荷载：一定的力学强度和不致过大的变形动荷载：较高的韧性动荷载：较高的韧性q 1 1、强度（抗拉性能）、强度（抗拉性能）q 2 2、塑性、塑性q 3 3、韧性、韧性q 4 4、硬度、硬度q 5 5、疲劳强度、疲劳强度力学性能力学性能工艺性能工艺性能技术性能技术性能强度、弹性、塑性、耐磨性强度、弹性、塑性、耐磨性 （可加工性）：冷弯、可焊性（可加工性）：冷弯、可焊性一、力学性能一、力学性能1 1、强度、强度：在外力作用

52、下，材料抵抗：在外力作用下，材料抵抗变形和破坏变形和破坏能力能力钢材受力产生应力、应变，反映钢材的主要力学特征钢材受力产生应力、应变，反映钢材的主要力学特征低碳钢的应力低碳钢的应力- -应应变关系曲线变关系曲线OAOA：弹性阶段：弹性阶段ABAB：屈服阶段：屈服阶段BCBC：强化阶段：强化阶段CDCD：颈缩阶段。：颈缩阶段。弹性阶段弹性阶段(OA(OA段段) )：弹性模量和弹性极限弹性模量和弹性极限屈服阶段屈服阶段(AB(AB段段) )：图中：图中B B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B B下点下点称为屈服下限。由于称为屈服下限。由于B B下比较

53、稳定易测，因此以它作为材料抗力的指标，称为下比较稳定易测，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服点或屈服点或屈服强度屈服强度，用，用s s表示。表示。强化阶段强化阶段(BC(BC段段) )：对应于最高点：对应于最高点C C的应力，称为的应力，称为强度极限或抗拉强度强度极限或抗拉强度。工程上。工程上使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比屈强比（s/ b）。颈缩阶段颈缩阶段(CD(CD段段) ): :由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。将

54、拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距。下降，最后发生断裂。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距。标距的伸长值与原始标距的百分比称为标距的伸长值与原始标距的百分比称为伸长率伸长率。拉伸性能拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测的的屈服强度、抗拉强度屈服强度、抗拉强度( (极限强度）和伸长率极限强度）和伸长率是钢材的重要技术性是钢材的重要技术性质指标。质指标。硬钢（高碳钢）的拉伸性能硬钢（高碳钢）的拉伸性能 硬钢强度高，塑性差，拉伸过硬钢强度高，塑性差，拉伸过程无明显屈服阶段，无法直接程无明显屈服阶段，无法

55、直接测定屈服强度。用条件屈服强测定屈服强度。用条件屈服强度度0.2来代替屈服强度。来代替屈服强度。 条件屈服点条件屈服点0.2 ：使硬钢产生：使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左塑性变形时的应力。见左图。图。0A0.2%aboa总变形。ba弹性变形99.8%。ob塑性变形0.2%。%100001LLL 伸长率伸长率：伸长率表征了钢材的塑性变形能力伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时。由于在塑性变形时颈缩处的伸长较大，故当原始标距颈缩处的伸长较大，故当原始标距L L0 0与试件的直径与试件的直径d d0 0之比之比愈大，则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会愈大，则颈缩处伸

56、长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。所以规定小些。所以规定L L0 0=5d=5d0 0或或L L0 0=10d=10d0 0。2 2 塑性：塑性：塑性是钢材的一个重要性能指标。塑性是钢材的一个重要性能指标。 在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力用拉伸试验时的伸长率、断面收缩率表示用拉伸试验时的伸长率、断面收缩率表示伸长率伸长率是衡量是衡量钢材塑性钢材塑性的指标，的指标，它的数值越大，表示它的数值越大，表示钢材塑性越好钢材塑性越好。 良好的塑性，可将结构上的应力良好的塑性，可将结构上的应力( (超过屈服点的应超过屈服点的应力力) )重分布，从而避免结

57、构过早破坏。重分布，从而避免结构过早破坏。5 5 ：表示：表示L L0 0 =5d =5d0 0的伸长率的伸长率10 10 ：表示：表示L L0 0 =10d =10d0 0时的伸长率时的伸长率 d d0 0钢材直径钢材直径3 3 冲击韧性冲击韧性|冲击韧性冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的冲击韧性指标。冲击韧性指标。一

58、、力学性能一、力学性能4 4、硬度：、硬度：钢材表面局部体积内抵抗变形的能力钢材表面局部体积内抵抗变形的能力测定方法：以硬物压入钢材表面，根据压力大小和压痕面积或压入深度评定。测定方法：以硬物压入钢材表面，根据压力大小和压痕面积或压入深度评定。常用指标：布氏硬度（常用指标：布氏硬度（HBHB）、洛氏硬度）、洛氏硬度（HRA或HRC） 5 5、疲劳强度疲劳强度 受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象裂破坏的现象, ,称为疲劳破坏。称为疲劳破坏。 钢材的钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起疲劳破坏

59、一般是由拉应力引起的。的。二、工艺性能二、工艺性能冷弯性能冷弯性能焊接性能焊接性能钢材在各种加工过钢材在各种加工过程中的行为程中的行为冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能是以试验是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。钢材的冷弯性能是以试验时的弯曲角度时的弯曲角度(a)和弯心直径和弯心直径(d)为指标表示。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，为指标表示。钢材冷弯时的弯曲角度愈大，弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。弯心直径愈小，则表示其冷弯性能愈好。 钢材的冷弯性能也是表明钢材在静荷下的塑性，它能揭示钢材内部组织是否钢材的冷弯性能也是表明钢材在静荷下的塑性，它能揭示钢材内部组织

60、是否均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材均匀，是否存在内应力及夹杂物等缺陷。在工程中，冷弯试验还被用作对钢材焊接质量进行严格检验的一种手段。焊接质量进行严格检验的一种手段。 1 1 冷弯性能冷弯性能二、工艺性能二、工艺性能2 2 焊接性能焊接性能: :钢材的焊接性能钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，特别是强度不低于原有钢材的强度。不低于原有钢材的强度。 钢材的化学成分对钢材的可焊性有很大的影