第二章-材料
合集下载
第二章第二节--材料消耗定
3 统计分析法 4 理论计算法
通过工地的施工任务单、限额领料单等 统计得来，不区分合理消耗和不合理消耗
适用于计算按件论块的现成制品材料
4 理论计算法
适用于计算按件论块的现成制品材料
（1）1m3砖砌体材料消耗量的计算
53
240
则1m3砖砌体砖的净块数为：
A（24表01示0）（ 墙53厚 1的 0） 10墙 厚砖 2砂厚 数 浆
针对 同一性质
机械台班数
的物 施工过程
组成：劳动定额、材料消耗定额、机械台班使 用定额三个相对独立的部分。
二、企业定额的作用
1 企业计划管理的依据
2 组织施工生产的工具
施工任务单 限额领料单
3 衡量工人劳动生产率计算工人劳动报酬
4 推广先进技术的必要手段 5 编制施工定额，加强企业成本管理 6 编制工程量清单报价的依据 7 编制预算定额的基础
116 664% 012% 1.0m 93
水泥消耗 水量 泥 砂 ＝ 比 比 水 例 例 泥 数 数 密 砂 度 用 （ 量 1＋损耗率）
1120 10 .09 11%22k0 g
6
石灰膏消耗 石砂 量 灰比 ＝ 膏例 比数 砂 例用 数 （ 量 1＋损耗率）
11.09 11%0.18 m3
6
课堂练习
【解】（ :面 0.20 砖 .0） 1 0 （ 净 0 1 0.20 0 用 .0） 0＝ 量 2 14块 75 面砖的 :24 消 （ 7 15 1 耗 .5 ％量 ） 25块 ＝ 12 灰缝砂浆的 102 0 净 47 用 0.2 50量 .2） 0： .00（ 15 .0＝ 70.00m 3 5
课堂练习
3、某工程有150m3的标准基础，每天有25 名专业工人投入施工，时间定额为0.937。 试计算完成该项工程的施工天数。
第二章无机胶凝材料
B）石灰砂浆：是将石灰膏、砂加水拌制而成，按其用途， 分为砌筑砂浆和抹面砂浆。
（2）石灰土（灰土）和三合土
如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三 合土（泥土、熟石灰、沙 ），二灰土（石灰、 粉煤灰或炉灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或炉 灰、级配碎石）等。
石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用， 制成石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量 的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中 使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化 硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙 或水化铝酸钙，适于在潮湿环境中使用。
经过加工而成的半水石膏（
故又称熟石膏。
CaSO4.
1 2
H2O）
破碎、加热和磨细
（3）化学反应式：
天然二水石膏在加热过程中，随着加热温度 和加热方式的不同，可以得到不同性质的
石膏产品。
二
107~1700
水
煅烧
石 膏
1250C，0.13MPa
蒸压锅蒸炼
性半水石膏
（建筑石膏）
性半水石膏
（高强石膏）
Ca(OH)2+水
（2） 石灰按氧化镁（MgO)含量分 类：
钙质生石灰： 氧化镁（MgO)含量<5%;
镁质生石灰： 氧化镁（MgO)含量>5%;
3 石灰的熟化
称生为石石灰灰（的C熟aO化)加或水消生解成过C程a。(OH)2过程，
C H a 2 O O C ( O a ) 2 H 6 .8 4 K 5 /m J
硅酸钾 : K2O.nSiO2等 其中n称为水玻璃的模数，n=1.5~3.5
2 水玻璃的应用
（１）用作涂料;涂刷材料表面直接将液体水玻璃 涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土砖、硅酸盐制品、 水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密实度、强 度、抗渗性、耐水性均得到提高。
（2）石灰土（灰土）和三合土
如建筑物或道路基础中使用的石灰土，三 合土（泥土、熟石灰、沙 ），二灰土（石灰、 粉煤灰或炉灰），二灰碎石（石灰、粉煤灰或炉 灰、级配碎石）等。
石灰与粘土或硅铝质工业废料混合使用， 制成石灰土或石灰与工业废料的混合料，加适量 的水充分拌合后，经碾压或夯实，在潮湿环境中 使石灰与粘土或硅铝质工业废料表面的活性氧化 硅或氧化铝反应，生成具有水硬性的水化硅酸钙 或水化铝酸钙，适于在潮湿环境中使用。
经过加工而成的半水石膏（
故又称熟石膏。
CaSO4.
1 2
H2O）
破碎、加热和磨细
（3）化学反应式：
天然二水石膏在加热过程中，随着加热温度 和加热方式的不同，可以得到不同性质的
石膏产品。
二
107~1700
水
煅烧
石 膏
1250C，0.13MPa
蒸压锅蒸炼
性半水石膏
（建筑石膏）
性半水石膏
（高强石膏）
Ca(OH)2+水
（2） 石灰按氧化镁（MgO)含量分 类：
钙质生石灰： 氧化镁（MgO)含量<5%;
镁质生石灰： 氧化镁（MgO)含量>5%;
3 石灰的熟化
称生为石石灰灰（的C熟aO化)加或水消生解成过C程a。(OH)2过程，
C H a 2 O O C ( O a ) 2 H 6 .8 4 K 5 /m J
硅酸钾 : K2O.nSiO2等 其中n称为水玻璃的模数，n=1.5~3.5
2 水玻璃的应用
（１）用作涂料;涂刷材料表面直接将液体水玻璃 涂刷在建筑物表面，或涂刷粘土砖、硅酸盐制品、 水泥混凝土等多孔材料，可使材料的密实度、强 度、抗渗性、耐水性均得到提高。
材料科学基础-第二章-材料的凝固
材料的制备过程对其力学性能、物理和化学性能都会产生较大的影响。 了解材料制备的基本过程，掌握材料制备的基本理论、技术和工艺方法， 对于材料的选用，进一步提升其使用性能有着重要的意义。
制备材料的典型工艺过程：
金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成
凝固与结晶：
凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。
自由能大于体积自由能，即阻力大于驱动力，
那么尺寸在rK～ r0 范围的晶核能够成为稳定的 晶核吗？
当r ＝ rK 时，G 有极大值GK
GK
4 3
2σ
GV
3 GV
4
2σ
GV
2 σ
1 3
4
2σ
GV
2
σ
1 3
4rK2σ
1 3
SKσ
结论：
晶核半径与G的关系
当形成临界晶核时，体积自由能的降低只补偿了表面自由能的2/3，还有 1/3的表面自由能需要另外供给，即需要对形核做功。称GK为形核功。
③形核率（Nucleation Rate）
单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目，即晶核形成的速率，记
作
•
N
，单位为cm－3·s－1。
影响形核率的因素：
形核功
随过冷度的增加，即随温度的降低，形核 功减小，形核率增大。
原子扩散能力
随过冷度的增加, 即随温度的降低, 原子
扩散能力下降, 形核困难, 形核率减小。
当 r＞rK时，随 r 的增加，体系自由能减 小，晶胚转变为晶核；
当 r＝rK时，晶胚处于亚稳状态，即可能消 失，也可能长大成为晶核；
把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临 界晶核半径。
制备材料的典型工艺过程：
金属材料：凝固 陶瓷材料：烧结 聚合物：反应合成
凝固与结晶：
凝固（Solidification） 物质从液态转变为固态的过程。
自由能大于体积自由能，即阻力大于驱动力，
那么尺寸在rK～ r0 范围的晶核能够成为稳定的 晶核吗？
当r ＝ rK 时，G 有极大值GK
GK
4 3
2σ
GV
3 GV
4
2σ
GV
2 σ
1 3
4
2σ
GV
2
σ
1 3
4rK2σ
1 3
SKσ
结论：
晶核半径与G的关系
当形成临界晶核时，体积自由能的降低只补偿了表面自由能的2/3，还有 1/3的表面自由能需要另外供给，即需要对形核做功。称GK为形核功。
③形核率（Nucleation Rate）
单位时间、单位体积液相中形成的晶核数目，即晶核形成的速率，记
作
•
N
，单位为cm－3·s－1。
影响形核率的因素：
形核功
随过冷度的增加，即随温度的降低，形核 功减小，形核率增大。
原子扩散能力
随过冷度的增加, 即随温度的降低, 原子
扩散能力下降, 形核困难, 形核率减小。
当 r＞rK时，随 r 的增加，体系自由能减 小，晶胚转变为晶核；
当 r＝rK时，晶胚处于亚稳状态，即可能消 失，也可能长大成为晶核；
把半径为rK的晶胚称为临界晶核，rK称为临 界晶核半径。
材料科学与工程基础教案第二章
得：
∗ K
d 2 ∆G dr 2
2 = −8πσ ≤ 0；故在 r ≤ − ∆σ 处有极大值点， G 处有极大值点，
σ 有最大值： 记为rk = − ∆2GV ，此时 ∆G有最大值：
∆G =
16πσ 3 2 3 （∆G）
∆GK称为临界形核功，rK称为临界形核半径。 当r<rK时，晶胚的长大使∆G增大，由于自发过程 向吉布斯自由能减小的方向进行，故此时晶胚不能长 大，而被重熔。 当r≥rK时，晶胚的长大使∆G减小，所以能自发进 行，晶胚能长大成为晶核。
材料科学与工程基础
第二章 材料的凝固 Material Concretion
材料由液态转变为固态的过程称为 凝固，由于材料通常在固态下使用， 凝固，由于材料通常在固态下使用， 所以凝固常常作为材料制备的基本 手段。如果凝固后得到晶体， 手段。如果凝固后得到晶体，这种 凝固过程就称为结晶。 凝固过程就称为结晶。
材料科学与工程基础
四、长大 晶核的长大需要两个条件： 晶核的长大需要两个条件： 首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子， 首先要求液相能不断地向晶体表面扩散供应原子， 使晶面向液相扩展， 使晶面向液相扩展，这要求液相原子具有较大的扩散能 温度足够高。 力，温度足够高。 另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子， 另外，晶体表面能不断的牢固的接纳这些原子， 这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加， 这就意味着体积自由能变化应大于表面自由能的增加， 即在一定的过冷度下进行。 即在一定的过冷度下进行。 因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、 因此，晶核的长大方式和速度与晶核的界面结构、 界面附近的温度梯度等条件有关。 界面附近的温度梯度等条件有关。
液体 晶核
第二章钢结构材料
作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。
1） 加载速度的影响
高于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均好。T3
低于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均差。T1
常温下某温度时，静载下材料 的韧性最好，中等加载速度下 次之，冲击加载最差。T2
2）循环荷载的影响
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、 产生裂纹、裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现
锰、硅含量不高时可提高钢材强度，但又不会过多 降低塑性和冲击韧性，不过量时是有益元素。
硫、磷、氧、氮均是有害元素，一般情况下其含量
元旦应严格控制。（但也有例外） 2-4-2 钢材的焊接性能 指钢材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。 包括焊缝金属和近缝区钢材在施焊时不开裂、焊接
构件在施焊后的机械性能不低于母材。
达到屈服点作为评价钢结构承载能力极限状态的标
志，即取屈服强度作为钢材的标准强度。 钢材的伸长率是反映钢材塑性的指标之一。反映钢 材塑性的另一个指标是截面收缩率。 伸长率δ等于试件拉断后原标距间的伸长量和原标 距比值的百分率。原标距长度有10倍标距δ 和5倍标
10
距δ5两种。
断面收缩率ψ是试件拉断后，颈缩区的断面面积 缩小值与原断面面积比值的百分率。 由单向拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。 韧性用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡 量，包括弹性能和非弹性能两部分，其值等于应力
力集中。应力高峰值及应
力分布不均匀的程度与杆件 截面变化急剧的程度有关。
实验表明，应力集中处，不仅有纵向应力，还有横向应力， 常常形成同号应力场，有时还会有三向的同号应力场。这种同 号应力场导致钢材塑性降低，脆性增加，结构发生脆性破坏的 危险性增大。
第二章-新能源材料--生物质能材料
生物质能化学转换技术：气化
同时，有一部分碳，由于氧气（空气）的供应 量不足，便生成一氧化碳，放出一部分热量。
2C + O2 2CO 在此层中主要是产生二氧化碳，一氧化碳的生 成量不多，水分也很少分解。 2）还原层 此时没有氧气存在，二氧化碳和水 蒸汽被还原成一氧化碳和氢气，进行吸热反应，
生物质能化学转换技术：气化
生物质能化学转换技术：气化
发生炉工作时，在炉栅附近的燃料遇到炉栅下 通过的空气而全部燃烧。在炉栅上形成灰渣。空气 经过灰渣层略为加热后，进入燃烧层（氧化层）， 这里氧气与碳反应，生产二氧化碳，也有一小部分 一氧化碳。氧化层上方是还原层，在这里，由于遇 到炽热的燃料，二氧化碳被还原成一氧化碳，水被 还原成氢气。炽热的气体再向上走把燃料中的挥发
理论上讲，气化和燃烧都是有机物与氧反应， 但燃烧的主要产物是二氧化碳和水，并放出大量的 热，所以燃烧是将原料的化学能转换成热能；气化 反应放出的热量要少得多，气化主要是将化学能的 载体由固体变为气体，气化后的气体燃烧时再释放
生物质能化学转换技术：气化
出大量的热量。 使用中，气态燃料比固态燃料具有许多优良性能：
燃料的工业分析： 燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳
燃料的工业分析：
燃料=水分+挥发分+灰分+固定碳
水分： 挥发分：实验中将煤样在隔绝空气条件下高温（900.C） 加热，从煤中有机质分解出来的液体和气体的总量中减去 水分，就得出挥发分。 灰分：灰分是指煤完全燃烧后剩下来的残渣。这些残渣几 乎全部来自煤中的矿物质。 固定碳：是指除去水分、灰分、挥发分后的残留物，从 100%减去煤的水分、灰分和挥发分后的差值即为煤的 固定碳含量。固定碳的化学组分，主要是为碳元素，另外 还有一定数量的氢、氧、氮、硫等其它元素。
复合材料概论第2章--复合材料的基体材料
5
国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料
6
2.1.1 选择基体的原则
金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料 的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合 金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。 基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥
基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综 合性能十分重要。
第二章 复合材料的基体材料
金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
1
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来
越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的
发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，
这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
2
1
2
3 与陶瓷材料相 比，金属基复合 材料具有高韧性 和高冲击性能、 热膨胀系数小等 优点
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高
纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反
应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的
方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约
1350℃）。后者是将加适当的助烧剂
(MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
38
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的表：Li2O-Al2O3-SiO2
32
微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数 较大等特点，同时还具有一定的机械强度。
33
为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，
国产太行战机用涡轮风扇航空发动机——高温高性能高铌钛铝合金材料
6
2.1.1 选择基体的原则
金属与合金品种繁多，目前用作金属基复合材料 的金属有：铝及铝合金，镁合金，钛合金，镍合 金，铜与铜合金，锌合金，铅、钛铝、镍铝金属 间化合物等。 基体材料成分的正确选择对能否充分组合和发挥
基体金属和增强物性能特点，获得预期的优异综 合性能十分重要。
第二章 复合材料的基体材料
金属材料 陶瓷材料 聚合物材料
1
2.1 金属材料
现代科学技术的发展对材料性能的要求越来
越高，特别是航天航空、军事等尖端科学技术的
发展，使得单一材料难以满足实际工程的要求，
这促进了金属基复合材料的迅猛发展。
2
1
2
3 与陶瓷材料相 比，金属基复合 材料具有高韧性 和高冲击性能、 热膨胀系数小等 优点
共价键化合物的原子自扩散系数非常高，高
纯的Si3N4 的固相烧结极为困难。因此，常用反
应烧结和热压烧结。前者是将Si3N4粉以适当的
方式成形后，在氮气氛中进行氮化合成(约
1350℃）。后者是将加适当的助烧剂
(MgO,Al2O3,1600~1700℃) 烧结。
38
氮化硼和氮化钛陶瓷
氮化硼陶瓷
BN有两种晶型：六方BN结构，性能与石墨相似，因此
化和高分子交联反应。 （临界温度和半衰期，常用的引发剂，p26）
促进剂：与催化剂或交联剂并用时，可以提高反应速率的表：Li2O-Al2O3-SiO2
32
微晶玻璃具有热膨胀系数小、导热系数 较大等特点，同时还具有一定的机械强度。
33
为获得力学性能优良的复合材料，加入的纤 维或晶须应与基体的热膨胀系数及弹性模量匹配，
第二章 胶凝材料
熟料：主要胶凝物质，能水化硬化； 石膏：调节水泥的凝结时间；
混合材：调节水泥的强度等级；
硅酸盐水泥熟料的组成
60
化学组成：
主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 50 少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。
40 矿物组成：
第二章 无机胶凝材料
本章主要内容
石膏
石灰
水玻璃
硅酸盐水泥
掺混合材的硅酸盐水泥
其它品种水泥
概念
胶凝材料：凡是自身经过物理、化学作 用，能够由浆体变为石状体，并能将松 散材料胶结成整体的物质。
气硬性胶凝材料
水硬性胶凝材料
分类
气硬性胶凝材料：石灰、石膏等 无机胶凝材料（矿物胶凝材料） 水硬性胶凝材料：各种水泥 有机胶凝材料（沥青材料及树脂等）
凝结与硬化
胶凝材料+ 水(或溶液) 可塑性 浆体 开始失去 可塑性 开始失去 可塑性
凝结阶段
硬化阶段
初凝时间
终凝时间
§2-1 石膏
一、石膏的种类
天然二水石膏
化工石膏
天然无水石膏
建筑石膏（半水石膏）
高强石膏
天然二水石膏
天然二水石膏（CaSO4· 2O）矿石是生 2H 产石膏胶凝材料的主要原料，纯净的天然 二水石膏矿石呈无色透明或白色，但天然 石膏常含有各种杂质而呈灰色，褐色，黄 色，红色，黑色等颜色。
项目 晶粒 标稠需水量 特点 % 粗大 完整 连生 细小 片状 0.40-0.45 凝结 硬化 慢 抗压强 比表面积 度 /m2.g-1 /MPa 24-40 19.3
α半水 石膏 β半水 石膏
0.70-0.80
混合材：调节水泥的强度等级；
硅酸盐水泥熟料的组成
60
化学组成：
主要成分：CaO(=C)，SiO2(=S)， Al2O3(=A)， Fe2O3(=F) 50 少量杂质：MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5等。
40 矿物组成：
第二章 无机胶凝材料
本章主要内容
石膏
石灰
水玻璃
硅酸盐水泥
掺混合材的硅酸盐水泥
其它品种水泥
概念
胶凝材料：凡是自身经过物理、化学作 用，能够由浆体变为石状体，并能将松 散材料胶结成整体的物质。
气硬性胶凝材料
水硬性胶凝材料
分类
气硬性胶凝材料：石灰、石膏等 无机胶凝材料（矿物胶凝材料） 水硬性胶凝材料：各种水泥 有机胶凝材料（沥青材料及树脂等）
凝结与硬化
胶凝材料+ 水(或溶液) 可塑性 浆体 开始失去 可塑性 开始失去 可塑性
凝结阶段
硬化阶段
初凝时间
终凝时间
§2-1 石膏
一、石膏的种类
天然二水石膏
化工石膏
天然无水石膏
建筑石膏（半水石膏）
高强石膏
天然二水石膏
天然二水石膏（CaSO4· 2O）矿石是生 2H 产石膏胶凝材料的主要原料，纯净的天然 二水石膏矿石呈无色透明或白色，但天然 石膏常含有各种杂质而呈灰色，褐色，黄 色，红色，黑色等颜色。
项目 晶粒 标稠需水量 特点 % 粗大 完整 连生 细小 片状 0.40-0.45 凝结 硬化 慢 抗压强 比表面积 度 /m2.g-1 /MPa 24-40 19.3
α半水 石膏 β半水 石膏
0.70-0.80
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；
2.较好的塑性、韧性；
3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。
§2.2 钢材的破坏形式
一、塑性破坏
破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，
断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变 形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断
§2.4 各种因素对钢材性能的影响
一、化学成分
普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；
普通低合金钢中合金元素＜5%。
1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，
强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。
一般控制在0.22%以下， 在0.2％以下时，可焊性良好。
2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提 高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔 点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳 化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。
3 3 Y V M M P P
X
A
3-3
red 3 f y
fy 3
0.58 f y f vy
( 2 8)
§2.6 钢材的疲劳
一、概念 1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。
P P A
1 1
单 击 图 片 播 放
五、应力集中
1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时， 应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应 力—应力集中。
2.应力集中的影响
3.减小应力集中现象的措施
<1:2.5
由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷 载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要 求，可以不考虑应力集中的影响。
N d L N d
N
N
当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
A1
A0 A1 100% （4）断面收缩率 A0
( 2 2)
A0
（二）受压时的性能
采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。
（三）受弯时的性能 同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。 （四）受剪时的性能
现象，也称“应变硬化”。 时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体 中析出，使材料硬化的现象。 应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更 易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此 也称“人工时效”。
四、温度影响 1．正温范围
N/mm2 800 600 fu 400 δ 200 fy 0 20 170 160 600 T(0C)
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
f
v y
f
y
( 2 3)
G 79 10 3 N
3
mm 2
二、冷弯性能
d
衡量钢材塑
性性能和质
量优劣的综
合指标。
a
d+2.1a
单击图片播放
三、冲击韧性
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时 吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。
由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发
生脆性破坏。
能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形
式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的， 只是实 际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。
对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。 图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力
1 A P P X
疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应 （构造类型的应力集中情况）有关。
max
max k min o
(2 12)
( 拉）
max (1 k ) o
1
(2 13)
0
y
D
式中：
C (o, o )
1
,
1
)
min （拉）
o 1 k , 1
min max
非焊接结构的疲劳图
由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，
（3）塑性阶段（CD) 该段σ基本 保持不变（水 平), ε急剧 增大,称为屈 服台阶或流 u y A 幅段,变形模 量 E = 0
O
E
B
D A C
E
（4）强化阶段(DE段) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快
（5）颈缩阶段(EF段)
极
D A C
六、反复荷载作用（疲劳问题）
七、板厚、直径的影响
八、焊接残余应力
§2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件
假定：
１）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体 积中积聚的能量来表达；
２）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形
能时，钢材即由弹性转入塑性。
Z
z
o
X
zy
3
1
zx
yx
4.疲劳破坏的特征 属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。
5.影响钢材疲劳的主要因素
（1）构件和连接的分类
材料内部缺陷 缺陷构造缺陷 应力集中 残余应力（焊接，火焰 切割，轧制边）
规范将构件和连接的种类分为 8类，第1类为轧 制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角
焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设
第 二 章
大纲要求:
1.了解钢结构的两种破坏形式； 2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标； 3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢 材变脆的主要因素； 4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格； 5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材； 6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。
§2.1 钢结构对材料的要求
y A
O
E
B.对无明显屈服点的钢材
该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。
fu
设计时取相当于 fy=f0.2 残余变形为0.2% 时所对应的应力 作为屈服点—‘条 件屈服点’ 0.2%
εp
3.应力应变曲线的简化 （1）钢材可以简化为理想弹塑性体 1)fy与fb相差很小；
(1)弹性阶段(OB段)
OA段材料处于纯弹性， 即:
E
B
E
AB段有一定的 u y A 塑性变形, 但 整个OB段卸载 时，ε=0； E=206×103N/mm2
D A C
O
E
（2）弹塑性阶段（BC)
该段很短,表现出钢材的非弹性性质;
σB—屈服上限; σC—屈服下限(屈服点)
yz
xy
xz
Y
y
2
x
2
1
3
单元体受复杂应力
（应力分量）
单元体受主应力
1.以应力分量表示
red x y z ( x y y z z x ) 3 ( xy yz zx ) f y
2 2 2 2 2 2
( 2 4)
max
( 拉）
0
D
y
当坐标为 max , min ) ( 的点落在直线 ABCD 上
1
C (o, o )
1
或上方， 则这组应力循 环达到N次时，将发生 疲劳破坏。
,
1
)
min （拉）
非焊接结构的疲劳图
ABCD直线方程为：
f
1
B(
A
min （压）
7.氧（O）：有害杂质，与S相似。
8.氮（N）：有害杂质，与P相似。
9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有
影响。
二．冶金缺陷 常见的冶金缺陷有： 偏析：化学成分分布的不均匀程度； 非金属夹杂； 气孔； 裂纹等。
三、钢材的硬化
冷作硬化——当荷载超过材料比例极限卸载后，出现
残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的
260～320℃产生徐变现象。
600℃左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全
丧失。
2．负温范围
当温度低于常 温时，钢材的脆性
脆性破坏
转变过渡区段 塑性破坏
反弯点
倾向随温度降低而
增加，材料强度略 有提高，但其塑性 和韧性降低，该现 象称为低稳冷脆。
T
试验温度T0C
T0
T
1 2 冲击韧性与温度的关系曲线
口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。
§2.3 钢材的主要性能
一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能
（一）一次拉伸时的性能
1.条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃）
下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。
标准试件：lo/d=5、10；lo-标距； d --直径
Lo
d
单击图片播放
2.阶段划分 A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：
(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口
由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响
单击图片播放
冲击韧性试验装置
小 节
钢材的机械性能指标
1、屈服点fy； 2、伸长率δ； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。
2.较好的塑性、韧性；
3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。
§2.2 钢材的破坏形式
一、塑性破坏
破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，
断口发暗，可以采取补救措施。 二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变 形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断
§2.4 各种因素对钢材性能的影响
一、化学成分
普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；
普通低合金钢中合金元素＜5%。
1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，
强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。
一般控制在0.22%以下， 在0.2％以下时，可焊性良好。
2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提 高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔 点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳 化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。
3 3 Y V M M P P
X
A
3-3
red 3 f y
fy 3
0.58 f y f vy
( 2 8)
§2.6 钢材的疲劳
一、概念 1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。
P P A
1 1
单 击 图 片 播 放
五、应力集中
1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时， 应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应 力—应力集中。
2.应力集中的影响
3.减小应力集中现象的措施
<1:2.5
由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷 载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要 求，可以不考虑应力集中的影响。
N d L N d
N
N
当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
A1
A0 A1 100% （4）断面收缩率 A0
( 2 2)
A0
（二）受压时的性能
采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。
（三）受弯时的性能 同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。 （四）受剪时的性能
现象，也称“应变硬化”。 时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体 中析出，使材料硬化的现象。 应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更 易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此 也称“人工时效”。
四、温度影响 1．正温范围
N/mm2 800 600 fu 400 δ 200 fy 0 20 170 160 600 T(0C)
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
f
v y
f
y
( 2 3)
G 79 10 3 N
3
mm 2
二、冷弯性能
d
衡量钢材塑
性性能和质
量优劣的综
合指标。
a
d+2.1a
单击图片播放
三、冲击韧性
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时 吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。
由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发
生脆性破坏。
能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形
式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的， 只是实 际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。
对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。 图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力
1 A P P X
疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应 （构造类型的应力集中情况）有关。
max
max k min o
(2 12)
( 拉）
max (1 k ) o
1
(2 13)
0
y
D
式中：
C (o, o )
1
,
1
)
min （拉）
o 1 k , 1
min max
非焊接结构的疲劳图
由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，
（3）塑性阶段（CD) 该段σ基本 保持不变（水 平), ε急剧 增大,称为屈 服台阶或流 u y A 幅段,变形模 量 E = 0
O
E
B
D A C
E
（4）强化阶段(DE段) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快
（5）颈缩阶段(EF段)
极
D A C
六、反复荷载作用（疲劳问题）
七、板厚、直径的影响
八、焊接残余应力
§2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件
假定：
１）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体 积中积聚的能量来表达；
２）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形
能时，钢材即由弹性转入塑性。
Z
z
o
X
zy
3
1
zx
yx
4.疲劳破坏的特征 属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。
5.影响钢材疲劳的主要因素
（1）构件和连接的分类
材料内部缺陷 缺陷构造缺陷 应力集中 残余应力（焊接，火焰 切割，轧制边）
规范将构件和连接的种类分为 8类，第1类为轧 制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角
焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。 详见钢结构设
第 二 章
大纲要求:
1.了解钢结构的两种破坏形式； 2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标； 3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢 材变脆的主要因素； 4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格； 5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材； 6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。
§2.1 钢结构对材料的要求
y A
O
E
B.对无明显屈服点的钢材
该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。
fu
设计时取相当于 fy=f0.2 残余变形为0.2% 时所对应的应力 作为屈服点—‘条 件屈服点’ 0.2%
εp
3.应力应变曲线的简化 （1）钢材可以简化为理想弹塑性体 1)fy与fb相差很小；
(1)弹性阶段(OB段)
OA段材料处于纯弹性， 即:
E
B
E
AB段有一定的 u y A 塑性变形, 但 整个OB段卸载 时，ε=0； E=206×103N/mm2
D A C
O
E
（2）弹塑性阶段（BC)
该段很短,表现出钢材的非弹性性质;
σB—屈服上限; σC—屈服下限(屈服点)
yz
xy
xz
Y
y
2
x
2
1
3
单元体受复杂应力
（应力分量）
单元体受主应力
1.以应力分量表示
red x y z ( x y y z z x ) 3 ( xy yz zx ) f y
2 2 2 2 2 2
( 2 4)
max
( 拉）
0
D
y
当坐标为 max , min ) ( 的点落在直线 ABCD 上
1
C (o, o )
1
或上方， 则这组应力循 环达到N次时，将发生 疲劳破坏。
,
1
)
min （拉）
非焊接结构的疲劳图
ABCD直线方程为：
f
1
B(
A
min （压）
7.氧（O）：有害杂质，与S相似。
8.氮（N）：有害杂质，与P相似。
9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有
影响。
二．冶金缺陷 常见的冶金缺陷有： 偏析：化学成分分布的不均匀程度； 非金属夹杂； 气孔； 裂纹等。
三、钢材的硬化
冷作硬化——当荷载超过材料比例极限卸载后，出现
残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的
260～320℃产生徐变现象。
600℃左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全
丧失。
2．负温范围
当温度低于常 温时，钢材的脆性
脆性破坏
转变过渡区段 塑性破坏
反弯点
倾向随温度降低而
增加，材料强度略 有提高，但其塑性 和韧性降低，该现 象称为低稳冷脆。
T
试验温度T0C
T0
T
1 2 冲击韧性与温度的关系曲线
口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。
§2.3 钢材的主要性能
一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能
（一）一次拉伸时的性能
1.条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃）
下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。
标准试件：lo/d=5、10；lo-标距； d --直径
Lo
d
单击图片播放
2.阶段划分 A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：
(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口
由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性， 单位：J。Cv受温度的影响
单击图片播放
冲击韧性试验装置
小 节
钢材的机械性能指标
1、屈服点fy； 2、伸长率δ； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。