第1章工程材料
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第1章 工程材料的分类与键合方式
1.3.1 金属键
周期表中I、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子很容易丢失其价电子而 成为正离子。
被丢失的价电子为全体原子所公有,这些公有化的电子叫 做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电 子气。
正离子和电子气之间产生强烈的 静电吸引力，使全部离子结合起 来。这种结合力就叫做金属键。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
1.3 材料的键合方式
C
• 工程材料通常是固态材料，
60
是由各种原子通过原子、离
子或分子结合的特定组合而成的。
• 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。
• 根据结合力的强弱，可以把结合键分为强键（离子键、 共价键及金属键）和弱键（分子键）两类。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
绪论
学习要点：
1.1 材料的定义 1.2 材料的分类 1.3 材料的键合方式
绪论
1.1 材料的定义
材料：是指经过某种加工，具有一定结构、 成分和性能，并可应用于一定用途的物质。 一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为 “原料”，把经过工业加工的原料成为“材 料”。
绪论
1.2 材料的分类
1.2.1 金属材料 金属材料是以金属键结合为主的材 料，具有良好的导电性、导热性、延 展性和金属光泽。
绪论
金属由金属键结合，具有度系数，即随温度升高电阻增大。 ③金属不透明并呈现特有的金属光泽。 ④金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
1.3.2 离子键
当元素周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素 原子相接近时，正电性原子失去外层电子变为正离子，负 电性原子获得电子变为负离子。正负离子通过静电引力互 相吸引，当离子间的引力与斥力相等时就形成稳定的离子 键。
周期表中I、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子很容易丢失其价电子而 成为正离子。
被丢失的价电子为全体原子所公有,这些公有化的电子叫 做自由电子，它们在正离子之间自由运动，形成所谓电 子气。
正离子和电子气之间产生强烈的 静电吸引力，使全部离子结合起 来。这种结合力就叫做金属键。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
1.3 材料的键合方式
C
• 工程材料通常是固态材料，
60
是由各种原子通过原子、离
子或分子结合的特定组合而成的。
• 原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。
• 根据结合力的强弱，可以把结合键分为强键（离子键、 共价键及金属键）和弱键（分子键）两类。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
绪论
学习要点：
1.1 材料的定义 1.2 材料的分类 1.3 材料的键合方式
绪论
1.1 材料的定义
材料：是指经过某种加工，具有一定结构、 成分和性能，并可应用于一定用途的物质。 一般把来自采掘工业和农业的劳动对象称为 “原料”，把经过工业加工的原料成为“材 料”。
绪论
1.2 材料的分类
1.2.1 金属材料 金属材料是以金属键结合为主的材 料，具有良好的导电性、导热性、延 展性和金属光泽。
绪论
金属由金属键结合，具有度系数，即随温度升高电阻增大。 ③金属不透明并呈现特有的金属光泽。 ④金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。
1.1 工程材料的分类 1.2 材料的键合方式
绪论
1.3.2 离子键
当元素周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素 原子相接近时，正电性原子失去外层电子变为正离子，负 电性原子获得电子变为负离子。正负离子通过静电引力互 相吸引，当离子间的引力与斥力相等时就形成稳定的离子 键。
工程材料学知识点
工程材料学知识点第一章材料是有用途的物质。
一般将人们去开掘的对象称为“原料”，将经过加工后的原料称为“材料”工程材料：主要利用其力学性能，制造结构件的一类材料。
主要有：建筑材料、结构材料力学性能：强度、塑性、硬度功能材料：主要利用其物理、化学性能制造器件的一类材料.主要有：半导体材料（Si）磁性材料压电材料光电材料金属材料：纯金属和合金金属材料有两大类：钢铁（黑色金属）非铁金属材料（有色金属）非铁金属材料：轻金属（Ni以前）重金属（Ni以后）贵金属（Ag，Au，Pt，Pd）稀有金属（Zr，Nb，Ta）放射性金属（Ra，U）高分子材料：由低分子化合物依靠分子键聚合而成的有机聚合物主要组成：C，H，O，N，S，Cl，F，Si三大类：塑料（低分子量）：聚丙稀树脂（中等分子量）：酚醛树脂，环氧树脂橡胶（高分子量）：天然橡胶，合成橡胶陶瓷材料：由一种或多种金属或非金属的氧化物，碳化物，氮化物，硅化物及硅酸盐组成的无机非金属材料。
陶瓷：结构陶瓷Al2O3，Si3N4，SiC等功能陶瓷铁电压电材料的工艺性能：主要反映材料生产或零部件加工过程的可能性或难易程度。
材料可生产性：材料是否易获得或易制备铸造性：将材料加热得到熔体，注入较复杂的型腔后冷却凝固，获得零件的能力锻造性：材料进行压力加工(锻造、压延、轧制、拉拔、挤压等)的可能性或难易程度的度量焊接性：利用部分熔体，将两块材料连接在一起能力第二章（详见课本）密排面密排方向fcc{111}<110>bcc{110}<111>体心立方bcc面心立方fcc密堆六方cph点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小，是原子尺寸大小的晶体缺陷。
类型：空位：在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
间隙原子：在晶格非结点位置，往往是晶格的间隙，出现了多余的原子。
它们可能是同类原子，也可能是异类原子。
异类原子：在一种类型的原子组成的晶格中，不同种类的原子占据原有的原子位置。
土建工程基础第一章工程材料
材料种类
容重[kg/m3]
导热系数[W/（m·K）]
加气混凝土砌块 烧结实心砖 烧结多孔砖 蒸压灰砂砖 钢筋混凝土
400～700 1600 1200 1400 2300
0.12～0.18 0.81 0.43 0.44～0.64 1.75
1.1.3 工程材料的力学性质
(一) 强度
强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料达到破坏前所能承受的极限应力值。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度几种。
式中： ——体积吸水率，％； ——干操材料体积，cm3； ——水的密度， g/cm3 。
（2）吸湿性
吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。
式中： ——材料的含水率，％； ——材料在干燥状态下的质量，g； ——材料含水状态下的质量，g。
硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。
物理作用：干湿变化、温度变化及冻融变化等
化学作用：酸、碱、盐等
生物作用：细菌、微生物等 材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。
材料的含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化。当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
3．耐水性
软化系数的范围波动在0～1之间。通常将软化系数大于等于0 .85的材料看作是耐水材料。
材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。材料耐水性用软化系数 表示。
容重[kg/m3]
导热系数[W/（m·K）]
加气混凝土砌块 烧结实心砖 烧结多孔砖 蒸压灰砂砖 钢筋混凝土
400～700 1600 1200 1400 2300
0.12～0.18 0.81 0.43 0.44～0.64 1.75
1.1.3 工程材料的力学性质
(一) 强度
强度指材料抵抗外力破坏的能力，即材料达到破坏前所能承受的极限应力值。根据外力作用方式的不同，材料强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度及抗剪强度几种。
式中： ——体积吸水率，％； ——干操材料体积，cm3； ——水的密度， g/cm3 。
（2）吸湿性
吸湿性指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示。含水率是指材料中所含水的质量与干燥状态下材料的质量之比。
式中： ——材料的含水率，％； ——材料在干燥状态下的质量，g； ——材料含水状态下的质量，g。
硬度是指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力。金属材料等的硬度常用压入法测定，如布氏硬度法，是以单位压痕面积上所受的压力来表示。陶瓷等材料常用刻划法测定。一般情况下，硬度大的材料强度高、耐磨性较强，但不易加工。
物理作用：干湿变化、温度变化及冻融变化等
化学作用：酸、碱、盐等
生物作用：细菌、微生物等 材料的耐久性是指材料在长期使用过程中，抵抗周围环境各种介质的侵蚀，能长期保持材料原有性质的能力。
材料的含水率受环境影响，随空气的温度和湿度的变化而变化。当材料中的湿度与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。
3．耐水性
软化系数的范围波动在0～1之间。通常将软化系数大于等于0 .85的材料看作是耐水材料。
材料的耐水性是指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质。材料耐水性用软化系数 表示。
工程材料第一章 工程材料简介
图1-9 可锻铸铁的显微组织结构
第二节 金属材料及钢的热处理
(4)可锻铸铁 可锻铸铁是预先浇铸成白口铸铁，再经长时 间石墨化退火完成的。 5.有色金属材料 (1)铜及铜合金 根据所含合金元素的不同，可以分为纯铜、 黄铜、青铜和白铜等。 1)纯铜。 2)加工黄铜，铜和锌的合金称为黄铜，随着含锌量增加， 颜色逐渐变为淡黄。 3)加工青铜。 4)加工白铜。
图1-13 杆件受拉时的计算简图
第四节 构件受力变形及强度条件
(2) 拉伸与压缩时的强度条件 要保证构件工作时不被破 坏，必须使工作应力小于材料的极限应力。 2.剪切
第四节 构件受力变形及强度条件
图1-14 剪切作用的特点
表1-1 洛氏硬度试验原理及应用范围
第一节 工程材料的分类及性质
图1-4 冲击强度试验原理 a)试样安装 b)冲击试验机 1、8—支座 2—冲击点 3、7—试样 4—刻度盘
5—指针 6—摆锤
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
图1-5 钢铁材料的疲劳曲线
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
4.复合材料 二、工程材料的性质
工程材料的性质主要有强度、塑性、硬度、冲击强度 和疲劳强度等。 1.强度
图1-1 拉伸试样
第一节 工程材料的分类及性质
2.塑性 (1) 断后伸长率
第一节 工程材料的分类及性质
图1-2 低碳钢的应力应变曲线
第一节 工程材料的分类及性质
5.疲劳强度
第二节 金属材料及钢的热处理
一、常用金属材料 常用的金属材料有钢、铸铁和有色金属等。 1.钢的分类、牌号和应用 2.碳素钢
图1-6 碳元素对力学性能的影响
第二节 金属材料及钢的热处理
第二节 金属材料及钢的热处理
(4)可锻铸铁 可锻铸铁是预先浇铸成白口铸铁，再经长时 间石墨化退火完成的。 5.有色金属材料 (1)铜及铜合金 根据所含合金元素的不同，可以分为纯铜、 黄铜、青铜和白铜等。 1)纯铜。 2)加工黄铜，铜和锌的合金称为黄铜，随着含锌量增加， 颜色逐渐变为淡黄。 3)加工青铜。 4)加工白铜。
图1-13 杆件受拉时的计算简图
第四节 构件受力变形及强度条件
(2) 拉伸与压缩时的强度条件 要保证构件工作时不被破 坏，必须使工作应力小于材料的极限应力。 2.剪切
第四节 构件受力变形及强度条件
图1-14 剪切作用的特点
表1-1 洛氏硬度试验原理及应用范围
第一节 工程材料的分类及性质
图1-4 冲击强度试验原理 a)试样安装 b)冲击试验机 1、8—支座 2—冲击点 3、7—试样 4—刻度盘
5—指针 6—摆锤
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
图1-5 钢铁材料的疲劳曲线
第一节 工程材料的分类及性质
第一节 工程材料的分类及性质
4.复合材料 二、工程材料的性质
工程材料的性质主要有强度、塑性、硬度、冲击强度 和疲劳强度等。 1.强度
图1-1 拉伸试样
第一节 工程材料的分类及性质
2.塑性 (1) 断后伸长率
第一节 工程材料的分类及性质
图1-2 低碳钢的应力应变曲线
第一节 工程材料的分类及性质
5.疲劳强度
第二节 金属材料及钢的热处理
一、常用金属材料 常用的金属材料有钢、铸铁和有色金属等。 1.钢的分类、牌号和应用 2.碳素钢
图1-6 碳元素对力学性能的影响
第二节 金属材料及钢的热处理
工程材料第一章知识点
工程材料第一章一、名词解释晶体晶格晶胞晶面晶向晶体结构各向异性各向同性合金组元二元合金相固溶体金属化合物组织工艺性能使用性能单体二、填空题1、三种常见金属的晶体结构为体心立方晶格、面心立方晶格。
和密排六方晶格。
2、体心立方晶胞中原子个数为 2 ；面心立方晶胞中原子个数为4；密排六方晶体胞中原子个数为 6 。
3、同非金属相比，金属的主要特性是良好的导电性、导热性、塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。
4、晶体与非晶体结构上的最根本的区别是晶体内部的原子是按一定几何形状规则排列的，而非晶体则不是。
5、一般可把材料的结合键分为离子键、共价键、金属键和分子键四种。
6、一般将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。
7、高分子材料种类很多，工程上通常根据机械性能和使用状态将其分为四大类工程塑料、合成纤维、合成橡胶和胶黏剂。
8、固态物质按其原子（离子或分子）的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体；固态金属一般情况下均是晶体。
9、晶体中的缺陷按其几何形式的特点可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
10、点缺陷主要有空位、间隙原子和异类原子等；面缺陷主要有晶界和亚晶界等；线缺陷又称为错位。
11、固态金属中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
12、按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体。
13、按溶质原子在溶剂中的分布是否有规律，固溶体可分为无序固溶体和有序固溶体。
14、金属化合物主要有正常价化合物、电子化合物、间隙化合物等，这类化合物性能的特点是熔点较高、硬度高、脆性大；合金中含有金属化合物时，强度、硬度和耐磨性提高，而和塑性和韧性降低。
15、金属材料的性能包含工艺性能和使用性能两方面。
16、金属材料的工艺性能主要有铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、等；力学性能主要有强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。
17、大分子链可呈现几种不同几何形状，主要有线型、支化型和体型等三类。
第1章 工程 材料的种类和力学性能
传统的无机非金属材料 之一：陶瓷
陶瓷按其概念和用途不同 ，可分为两大类，即普通陶瓷 和特种陶瓷。
根据陶瓷坯体结构及其基 本物理性能的差异，陶瓷制品 可分为陶器和瓷器。
陶瓷制品
陶瓷发动机
• 普通陶瓷即传统陶瓷，是指以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过 粉碎混练、成型、煅烧等过程而制成的各种制品。包括日用陶瓷、卫生 陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷、电瓷以及其它工业用陶瓷。
材料的强度、塑性指标是通过拉伸实验 测定的。
应力 σ=F/S0
σ (N /m2) ；
F —作用力，(N) S0—试样原始截面 积(m2)。
剪应力τ＝F/SO
材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以
σ表示。
应变ε(%) ⊿L—试样标距部分伸长量，(mm)；
L0 —试样标距部分长度(mm)。ε=⊿L/L0
根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光玻璃、 生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻璃等。
传统的无机非金属材料 之三：水泥
水泥是指加入适量水 后可成塑性浆体，既能在 空气中硬化又能在水中硬 化，并能够将砂、石等材 料牢固地胶结在一起的细 粉状水硬性材料。
水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥 、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以 及以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目 前水泥品种已达一百多种。
l lO
ll lO
lO lO
l
100lO% lO
100%
剪应变 γ 剪模量 G
a h
tan
且有 G
• 弹性变形 形①的弹外性力变撤形除：后当，产变生形变随σ 即消失。
工程材料课后答案(部分)
热塑性: 聚合物可以通过加热和冷却的方法，使聚合物重复地软化（或熔化）和硬化（或固化）的性能。
热固性: 聚合物加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，称为热固性。
柔性: 在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性。
解: r原子=34a=34×2.87×10-10≈1.24×10-10(m)
43πr3原子×2a3=43π34a3×2a3≈0.68=68%
(5) 在常温下,已知铜原子的直径d=2.55×10-10m，求铜的晶源自常数。 解: r原子=24a
(4) γ-Fe的一个晶胞内的原子数为（4个) .
(5) 高分子材料大分子链的化学组成以（C、H、O）为主要元素，根据组成元素的不同，可分为三类，即（碳链大分子) 、 (杂链大分子）和（元素链大分子) .
(6) 大分子链的几何形状主要为（线型) 、 (支化型）和（体型) 。热塑性聚合物主要是（线型和支化型）分子链，热固性聚合物主要是（体型）分子链。
答: ab段为右螺型位错。
bc段为刃型位错，半原子面过bc线且垂直于纸面，在纸面外。
cd段为混合位错。
de段为左螺型位错。
ea段为刃型位错，半原子面过ea线且垂直于纸面，在纸面里。 (8) 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
答: 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
(7) 高分子材料的凝聚状态有（晶态) 、 (部分晶态）和（非晶态）三种。
(8) 线型非晶态高聚物在不同温度下的三种物理状态是（玻璃态) 、 (高弹态）和（粘流态) .
(9) 与金属材料比较，高分子材料的主要力学性能特点是强度（低) 、弹性（高) 、弹性模量（低）等。
热固性: 聚合物加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，称为热固性。
柔性: 在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性。
解: r原子=34a=34×2.87×10-10≈1.24×10-10(m)
43πr3原子×2a3=43π34a3×2a3≈0.68=68%
(5) 在常温下,已知铜原子的直径d=2.55×10-10m，求铜的晶源自常数。 解: r原子=24a
(4) γ-Fe的一个晶胞内的原子数为（4个) .
(5) 高分子材料大分子链的化学组成以（C、H、O）为主要元素，根据组成元素的不同，可分为三类，即（碳链大分子) 、 (杂链大分子）和（元素链大分子) .
(6) 大分子链的几何形状主要为（线型) 、 (支化型）和（体型) 。热塑性聚合物主要是（线型和支化型）分子链，热固性聚合物主要是（体型）分子链。
答: ab段为右螺型位错。
bc段为刃型位错，半原子面过bc线且垂直于纸面，在纸面外。
cd段为混合位错。
de段为左螺型位错。
ea段为刃型位错，半原子面过ea线且垂直于纸面，在纸面里。 (8) 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？
答: 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
(7) 高分子材料的凝聚状态有（晶态) 、 (部分晶态）和（非晶态）三种。
(8) 线型非晶态高聚物在不同温度下的三种物理状态是（玻璃态) 、 (高弹态）和（粘流态) .
(9) 与金属材料比较，高分子材料的主要力学性能特点是强度（低) 、弹性（高) 、弹性模量（低）等。
第一章 工程材料基础知识
ψ = （S0-S1）/S0 ×100% 塑性意义：δ和ψ的数值越大，表明材料的塑性越好。塑性良好的金属可进行各种塑性加工，同时使用安全性也较好。
δ < 2 ~ 5%
属脆性材科
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
属塑性材料
金属强度与塑性新、旧标准对照表
新标准 GB/T228-2002
性能 断面收缩率
σb
• 硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏试样（非破坏性试验）；硬度能综合反映材料的强度等其他 力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于 图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。
• 测量方法：可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方法。生产中常用压入法（有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏 硬度法等）。
符号 Z
断后伸长率
A
A11.3
屈服强度
－
上屈服强度 下屈服强度
规定残余伸长强度
ReH ReL Rr 例如：Rr0.2
抗拉强度
Rm
2、硬度测量
旧标准 GB/T228-1987
性能 断面收缩率
符号 ψ
断后伸长率
δ5
δ10
屈服点
σs
上屈服点 下屈服点
规定残余伸长应力
σsU σsL σr 例如：σr0.2
抗拉强度
维氏硬度测量原理
• 维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为 10~1000HV 范围的材料；量压痕小。 • 维氏硬度应用：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。
*上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。 * 各种硬度的换算经验公式：硬度在 200~600HBS 时 ：1HRC 相当于 10HBS ；硬度小于 450HBS 时：1HBS 相当于 1HV * 利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容
δ < 2 ~ 5%
属脆性材科
δ ≈ 5 ~ 10% 属韧性材料
δ > 10%
属塑性材料
金属强度与塑性新、旧标准对照表
新标准 GB/T228-2002
性能 断面收缩率
σb
• 硬度测量的应用：硬度测量具有简便、快捷；不破坏试样（非破坏性试验）；硬度能综合反映材料的强度等其他 力学性能；硬度与耐磨性具有直接关系，硬度越高，耐磨性越好。所以硬度测量应用极为广泛，常把硬度标注于 图纸上，作为零件检验、验收的主要依据。
• 测量方法：可采用压入法、加弹法、划痕法等测量方法。生产中常用压入法（有布氏硬度法、洛氏硬度法、维氏 硬度法等）。
符号 Z
断后伸长率
A
A11.3
屈服强度
－
上屈服强度 下屈服强度
规定残余伸长强度
ReH ReL Rr 例如：Rr0.2
抗拉强度
Rm
2、硬度测量
旧标准 GB/T228-1987
性能 断面收缩率
符号 ψ
断后伸长率
δ5
δ10
屈服点
σs
上屈服点 下屈服点
规定残余伸长应力
σsU σsL σr 例如：σr0.2
抗拉强度
维氏硬度测量原理
• 维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为 10~1000HV 范围的材料；量压痕小。 • 维氏硬度应用：可测量较薄的材料和渗碳、渗氮等表面硬化层。
*上述各种硬度测量法，相互间没有理论换算关系，故试验结果不能直接进行比较，应查阅硬度换算表进行比较。 * 各种硬度的换算经验公式：硬度在 200~600HBS 时 ：1HRC 相当于 10HBS ；硬度小于 450HBS 时：1HBS 相当于 1HV * 利用布氏硬度压痕直径直接换算出工件的洛氏硬度：根据布氏硬度和洛氏硬度换算表，可归纳出一个计算简单且容
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中砂：细度模数为3．0—2．3，平均粒径为o．5—0．35mm。 细砂：细度模板为2．2—1．6，平均粒径为0．35—0．25mm。 特细砂：细度模数为1．5一o．7，平均粒径为o．25mm以下。 细度模数越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围在 3.7-1.6，以中砂为宜，或者用粗砂加少量的细砂，其比例为4：1。 粗骨料：有碎石和卵石。由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得的，粒径 大于5mm的岩石颗粒，称为碎石或碎卵石。岩石由于自然条件作用而形 成的，粒径大于5mm的颗粒，称为卵石。
简图
细混凝土 钢筋
2.2.3 -4 钢筋砼和预应力砼
钢筋混凝土构件内应力图
钢筋混凝土构件构造图
钢筋混凝土的优缺点
• 主要优点： • （1）就地取材 • （2）耐久性 • （3）耐火性 • （4）整体性 • （5）刚性 • （6）可塑性 • 主要缺点： • （1）自重大 • （2）抗裂性差 • （3）费工大、耗用木料多
有机材料
植物材料 沥青材料 高分子材料
木材、竹材等 石油沥青、煤沥青及其制品 塑料、涂料、胶粘剂
复合材料
钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石膏板
2.1 早期工程材料 2.1.1砖
2砖 标准砖的规格：240mm*115mm*53mm 粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等； 砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖 实心砖： 尺寸有240mm×115mm×90mm, 240mm×180mm×115mm, 190mm×190mm×90mm 空心砖 特点：墙厚小，施工速度快，墙、柱抗压强度高，重量 轻 我国 使用率比较低 空心砖强度较低，10~20MPa,常用 于非承重墙，孔洞竖直。国外 瑞士砖的产量97%为空心 砖，强度高17~140 MPa，多半用于承重，有水平孔洞。
•
•
预应力混凝土的优缺点
【优点】 1、抗裂性好，刚度大。 2、节省材料，减小自重。 3、提高构件的抗剪能力。 4、提高受压构件的稳定性。 5、提高构件的耐疲劳性能。 【缺点】 1、工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技 术较熟练的专业队伍。 2、需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。
(1) 硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，分P.I和P.II,即国外通称的波特兰水泥。
(2) 普通硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、6%~15%混合材料，适量石膏磨细制成 的水硬性胶凝材料,称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）,代号：P.O。 (3) 矿渣硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水 硬性胶凝材料, 称为 矿渣硅酸盐水泥，代号：P.S。 (4) 火山灰质硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料和适量石膏磨细 制成的水硬性胶凝材料。称为火山灰质硅酸盐水泥，代号：P.P。 (5) 粉煤灰硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性 胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号：P.F。
2.2 近代土木工程材料
2.2.2 水泥
• 1. 水泥的定义和分类 • 定义：粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能 在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材 料牢固地胶结在一起。 • 用途：水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝 土，坚固耐久，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。 • 分类：水泥按用途及性能分 • (1)通用水泥: 一般土木建筑工程通常采用的水泥。即 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰 质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。 • (2)专用水泥:专门用途的水泥。如：G级油井水泥， 道路硅酸盐水泥。 • (3)特性水泥:某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅 酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。
塑料纤维、玻璃丝、碳纤维筋 使用替代产品作预应历筋时，锚固问题需特别考虑。
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋
钢绞线
点焊而成的焊网
塑料纤维
玻璃纤维网格布
碳纤维
2.2 近代土木工程材料
2.2.2 水泥
胶凝材料：指和水成浆后能硬化成坚实整体的矿物质粉状材料。 石灰、烧石膏、水泥等无机粘结剂。 砂浆： 是石膏、石灰或水泥等胶凝材料掺砂或矿渣等无机粘结 剂等细骨料加水拌合而成
(9)快硬硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成早强度高的以3天抗 压强度表示标号的水泥。 (10) 抗硫酸盐硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的抗硫酸盐 腐蚀性能良好的水泥。 (11) 白色硅酸盐水泥：由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成 的白色水泥。 (12) 道路硅酸盐水泥：由道路硅酸盐水泥熟练，0%~10%活性混合材料和适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料,称为道路硅酸盐水泥，（简称道路水泥）。 (13) 砌筑水泥：由活性混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，磨细制成主要 用于砌筑砂浆的低标号水泥。 (14) 油井水泥：由适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料、适量石膏和混合材料等磨细制 成的适用于一定井温条件下油、气井固井工程用的水泥。 (15) 石膏矿渣水泥：以粒化高炉矿渣为主要组分材料，加入适量石膏、硅酸盐水泥 熟料或石灰磨细制成的水泥。
按加工方式分：
第二章 工程材料与制品>>自然石 砖 瓦
花岗岩 （料石）
凝灰岩
料石
毛石
2.1.4 砂石
细骨料：粒径在0.16～5mm之间的骨料为细骨料(砂)。一般采用天然砂， 它是岩石风化后所形成的大小不等、由不同矿物散粒组成的混合物，一 般有河砂、海砂及山砂。 砂子的粗细按细度模数分为4级。 粗砂：细度模数为3．7—3．1，平均粒径为o．5mm以上。
2.2.3 混凝土（砼）
大型砼砌块
小型砼砌块
2.2.3 -4 钢筋砼和预应力砼
1. 钢筋砼 梁板构件受 力简图 钢筋砼
压 拉 中和面
为了更好地利用砼高的抗压强度，在混凝土板的受拉边加设抗拉强度高的钢筋
事实证明，除了钢筋外，竹筋、各种纤维都可以用来加强混凝土。
能否加强除混凝土以外• 三种 先张法、后张法 、电热法 • 先张法就是在绑扎完钢筋之后，对钢绞线进行预应力张拉， 然后进行混凝土浇筑。 后张法是先在钢筋笼里埋设波纹 管或者其他管道，浇筑混凝土，然后把钢绞线穿进波纹管 进行张拉。先张法 是为了提高钢筋混凝土构件的抗裂性 能以及避免钢筋混凝土构件过早出现裂缝，而在混凝土构 件预制过程中对其预先施加应力以提高构件性能的一种方 法。通常在浇灌混凝土之前张拉钢筋的制作方法也称为先 张法，它在工程建设中起着重要作用。 后张法, 指的是先 浇筑水泥混凝土，待达到设计强度的75%以上后再张拉预 应力钢材以形成预应力混凝土构件的施工方法。 其实区 别就是在后张法是先制作构件留孔道，再穿筋张拉。锚固 形成整体，先张法则是预先张拉预应力筋，锚固，再浇铸 混凝土。
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋
光面钢筋
变形钢筋
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋 钢筋的不同加工方式 热轧钢筋：
6~32 12mm以下做成圆盘
冷拉钢筋：
为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对钢 筋进行冷拉使其伸长4~5%，其屈服强度较冷拉前提高。 冷拉后钢筋的强度提高，但塑性、韧性变差，因此， 冷拉钢筋不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构。
平瓦
波形瓦
按成分分，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等；
2.1.3石
3. 石 种类 重岩自然石（>18KN/m3）花岗岩、砂岩、石灰石 按密度分： 轻岩自然石（<18KN/m3）贝壳石灰岩 、凝灰岩 细料石： 料 石 粗料石： 毛料石： 毛板石： 毛 石 平板石： 乱毛石： 细加工，凹凸深度≤2mm，截面宽度、高度≥200mm， 且不小于长度的1/3 凹凸深度≤20mm，截面宽度、高度≥200mm， 且不小于长度的1/3 外形大致方正，一般不加工或稍加工 形状成板状而不规则，两面大致平行，最小厚度≥200mm 形状不规则，但有两面大致平行 形状最不规则，但最小厚度≥150mm
2.1.5 灰
• 石膏 胶粘剂 装饰面板 • 石灰 胶粘剂 装饰粉刷 石灰砂浆，三合土
装饰线材
2.1.6 木材
2.2 近代土木工程材料
2.2.4 钢材
1. 钢筋 按化学成份分 热轧碳素钢，热轧普通低合金钢 光面钢筋 施工时端头需作弯钩 按截面形式分 变形钢筋 分类 热轧 按加工方式分 冷拉 冷轧 月牙形 罗纹和人字形 施工时直接使用直筋
第二章 工程材料与制品
简述
任何土木工程建（构）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧 道等）都是用材料按一定的要求打造成的,土木工程中所使用的各种材料统称 为土木工程材料。
金属材料
黑色金属（铁、钢）、有色金属（铝、 铜及合金等）
无机材料
非金属材料
天然石材（砂、石及各种岩石加工成的 石材），烧土制品（砖、瓦、陶瓷）， 玻璃胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃、 水泥），混凝土、砂浆
水泥制品特点
1) 水泥在新制成的砼中与水起水化作用，释放水合热。 在大体积砼结构中水合热不易散发，当坝外层结硬后，坝内不断 产生的水合热使内部砼膨胀而导致坝外裂缝，所以应采用低热水 泥。矿渣水泥较普通水泥的水合热低。 2) 膨胀水泥结硬后，体积会膨胀。 3) 矾士水泥是一种硬化很快并有高强度的水硬性胶凝材料。 可用于紧急工程、冬季工程、海水建筑和处于矿物质水中的砼。 4) 耐碱性砼，耐酸性砼。 5) 砼可制成砌块
冷拔低碳钢丝是用6.5mm～8mm的碳素结构钢通过拔 丝机进行多次强力拉拔而成。冷拔低碳钢丝由于经过 反复拉拔强化，强度大为提高，但塑性显著降低，脆 性随之增加，已属硬钢类钢筋
冷加 工钢 冷拔钢筋： 筋 冷轧带肋钢筋
12以下）盘条在冷轧机 将普通低碳钢或热轧光圆钢（ 上，冷轧成二面或三面有月牙横肋。
简图
细混凝土 钢筋
2.2.3 -4 钢筋砼和预应力砼
钢筋混凝土构件内应力图
钢筋混凝土构件构造图
钢筋混凝土的优缺点
• 主要优点： • （1）就地取材 • （2）耐久性 • （3）耐火性 • （4）整体性 • （5）刚性 • （6）可塑性 • 主要缺点： • （1）自重大 • （2）抗裂性差 • （3）费工大、耗用木料多
有机材料
植物材料 沥青材料 高分子材料
木材、竹材等 石油沥青、煤沥青及其制品 塑料、涂料、胶粘剂
复合材料
钢筋混凝土、聚合物混凝土、玻璃钢、纸面或纤维石膏板
2.1 早期工程材料 2.1.1砖
2砖 标准砖的规格：240mm*115mm*53mm 粘土砖、页岩砖、煤矸石砖、粉煤灰砖、炉渣砖和灰砂砖等； 砖按照生产工艺分为烧结砖和非烧结砖 实心砖： 尺寸有240mm×115mm×90mm, 240mm×180mm×115mm, 190mm×190mm×90mm 空心砖 特点：墙厚小，施工速度快，墙、柱抗压强度高，重量 轻 我国 使用率比较低 空心砖强度较低，10~20MPa,常用 于非承重墙，孔洞竖直。国外 瑞士砖的产量97%为空心 砖，强度高17~140 MPa，多半用于承重，有水平孔洞。
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预应力混凝土的优缺点
【优点】 1、抗裂性好，刚度大。 2、节省材料，减小自重。 3、提高构件的抗剪能力。 4、提高受压构件的稳定性。 5、提高构件的耐疲劳性能。 【缺点】 1、工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技 术较熟练的专业队伍。 2、需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。
(1) 硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、0%~5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥，分P.I和P.II,即国外通称的波特兰水泥。
(2) 普通硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、6%~15%混合材料，适量石膏磨细制成 的水硬性胶凝材料,称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥）,代号：P.O。 (3) 矿渣硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粒化高炉矿渣和适量石膏磨细制成的水 硬性胶凝材料, 称为 矿渣硅酸盐水泥，代号：P.S。 (4) 火山灰质硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、火山灰质混合材料和适量石膏磨细 制成的水硬性胶凝材料。称为火山灰质硅酸盐水泥，代号：P.P。 (5) 粉煤灰硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料、粉煤灰和适量石膏磨细制成的水硬性 胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥，代号：P.F。
2.2 近代土木工程材料
2.2.2 水泥
• 1. 水泥的定义和分类 • 定义：粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌后成浆体，能 在空气中硬化或者在水中更好的硬化，并能把砂、石等材 料牢固地胶结在一起。 • 用途：水泥是重要的建筑材料，用水泥制成的砂浆或混凝 土，坚固耐久，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。 • 分类：水泥按用途及性能分 • (1)通用水泥: 一般土木建筑工程通常采用的水泥。即 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰 质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。 • (2)专用水泥:专门用途的水泥。如：G级油井水泥， 道路硅酸盐水泥。 • (3)特性水泥:某种性能比较突出的水泥。如：快硬硅 酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、膨胀硫铝酸盐水泥。
塑料纤维、玻璃丝、碳纤维筋 使用替代产品作预应历筋时，锚固问题需特别考虑。
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋
钢绞线
点焊而成的焊网
塑料纤维
玻璃纤维网格布
碳纤维
2.2 近代土木工程材料
2.2.2 水泥
胶凝材料：指和水成浆后能硬化成坚实整体的矿物质粉状材料。 石灰、烧石膏、水泥等无机粘结剂。 砂浆： 是石膏、石灰或水泥等胶凝材料掺砂或矿渣等无机粘结 剂等细骨料加水拌合而成
(9)快硬硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成早强度高的以3天抗 压强度表示标号的水泥。 (10) 抗硫酸盐硅酸盐水泥：由硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏磨细制成的抗硫酸盐 腐蚀性能良好的水泥。 (11) 白色硅酸盐水泥：由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，磨细制成 的白色水泥。 (12) 道路硅酸盐水泥：由道路硅酸盐水泥熟练，0%~10%活性混合材料和适量石膏 磨细制成的水硬性胶凝材料,称为道路硅酸盐水泥，（简称道路水泥）。 (13) 砌筑水泥：由活性混合材料，加入适量硅酸盐水泥熟料和石膏，磨细制成主要 用于砌筑砂浆的低标号水泥。 (14) 油井水泥：由适当矿物组成的硅酸盐水泥熟料、适量石膏和混合材料等磨细制 成的适用于一定井温条件下油、气井固井工程用的水泥。 (15) 石膏矿渣水泥：以粒化高炉矿渣为主要组分材料，加入适量石膏、硅酸盐水泥 熟料或石灰磨细制成的水泥。
按加工方式分：
第二章 工程材料与制品>>自然石 砖 瓦
花岗岩 （料石）
凝灰岩
料石
毛石
2.1.4 砂石
细骨料：粒径在0.16～5mm之间的骨料为细骨料(砂)。一般采用天然砂， 它是岩石风化后所形成的大小不等、由不同矿物散粒组成的混合物，一 般有河砂、海砂及山砂。 砂子的粗细按细度模数分为4级。 粗砂：细度模数为3．7—3．1，平均粒径为o．5mm以上。
2.2.3 混凝土（砼）
大型砼砌块
小型砼砌块
2.2.3 -4 钢筋砼和预应力砼
1. 钢筋砼 梁板构件受 力简图 钢筋砼
压 拉 中和面
为了更好地利用砼高的抗压强度，在混凝土板的受拉边加设抗拉强度高的钢筋
事实证明，除了钢筋外，竹筋、各种纤维都可以用来加强混凝土。
能否加强除混凝土以外• 三种 先张法、后张法 、电热法 • 先张法就是在绑扎完钢筋之后，对钢绞线进行预应力张拉， 然后进行混凝土浇筑。 后张法是先在钢筋笼里埋设波纹 管或者其他管道，浇筑混凝土，然后把钢绞线穿进波纹管 进行张拉。先张法 是为了提高钢筋混凝土构件的抗裂性 能以及避免钢筋混凝土构件过早出现裂缝，而在混凝土构 件预制过程中对其预先施加应力以提高构件性能的一种方 法。通常在浇灌混凝土之前张拉钢筋的制作方法也称为先 张法，它在工程建设中起着重要作用。 后张法, 指的是先 浇筑水泥混凝土，待达到设计强度的75%以上后再张拉预 应力钢材以形成预应力混凝土构件的施工方法。 其实区 别就是在后张法是先制作构件留孔道，再穿筋张拉。锚固 形成整体，先张法则是预先张拉预应力筋，锚固，再浇铸 混凝土。
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋
光面钢筋
变形钢筋
2.2.4 钢筋、钢筋砼和预应力砼>>钢筋 钢筋的不同加工方式 热轧钢筋：
6~32 12mm以下做成圆盘
冷拉钢筋：
为了提高强度以节约钢筋，工程中常按施工规程对钢 筋进行冷拉使其伸长4~5%，其屈服强度较冷拉前提高。 冷拉后钢筋的强度提高，但塑性、韧性变差，因此， 冷拉钢筋不宜用于受冲击或重复荷载作用的结构。
平瓦
波形瓦
按成分分，有粘土瓦、水泥瓦、石棉水泥瓦、钢丝网水泥瓦、聚氯乙烯瓦、玻璃钢瓦、沥青瓦等；
2.1.3石
3. 石 种类 重岩自然石（>18KN/m3）花岗岩、砂岩、石灰石 按密度分： 轻岩自然石（<18KN/m3）贝壳石灰岩 、凝灰岩 细料石： 料 石 粗料石： 毛料石： 毛板石： 毛 石 平板石： 乱毛石： 细加工，凹凸深度≤2mm，截面宽度、高度≥200mm， 且不小于长度的1/3 凹凸深度≤20mm，截面宽度、高度≥200mm， 且不小于长度的1/3 外形大致方正，一般不加工或稍加工 形状成板状而不规则，两面大致平行，最小厚度≥200mm 形状不规则，但有两面大致平行 形状最不规则，但最小厚度≥150mm
2.1.5 灰
• 石膏 胶粘剂 装饰面板 • 石灰 胶粘剂 装饰粉刷 石灰砂浆，三合土
装饰线材
2.1.6 木材
2.2 近代土木工程材料
2.2.4 钢材
1. 钢筋 按化学成份分 热轧碳素钢，热轧普通低合金钢 光面钢筋 施工时端头需作弯钩 按截面形式分 变形钢筋 分类 热轧 按加工方式分 冷拉 冷轧 月牙形 罗纹和人字形 施工时直接使用直筋
第二章 工程材料与制品
简述
任何土木工程建（构）筑物（包括道路、桥梁、港口、码头、矿井、隧 道等）都是用材料按一定的要求打造成的,土木工程中所使用的各种材料统称 为土木工程材料。
金属材料
黑色金属（铁、钢）、有色金属（铝、 铜及合金等）
无机材料
非金属材料
天然石材（砂、石及各种岩石加工成的 石材），烧土制品（砖、瓦、陶瓷）， 玻璃胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃、 水泥），混凝土、砂浆
水泥制品特点
1) 水泥在新制成的砼中与水起水化作用，释放水合热。 在大体积砼结构中水合热不易散发，当坝外层结硬后，坝内不断 产生的水合热使内部砼膨胀而导致坝外裂缝，所以应采用低热水 泥。矿渣水泥较普通水泥的水合热低。 2) 膨胀水泥结硬后，体积会膨胀。 3) 矾士水泥是一种硬化很快并有高强度的水硬性胶凝材料。 可用于紧急工程、冬季工程、海水建筑和处于矿物质水中的砼。 4) 耐碱性砼，耐酸性砼。 5) 砼可制成砌块
冷拔低碳钢丝是用6.5mm～8mm的碳素结构钢通过拔 丝机进行多次强力拉拔而成。冷拔低碳钢丝由于经过 反复拉拔强化，强度大为提高，但塑性显著降低，脆 性随之增加，已属硬钢类钢筋
冷加 工钢 冷拔钢筋： 筋 冷轧带肋钢筋
12以下）盘条在冷轧机 将普通低碳钢或热轧光圆钢（ 上，冷轧成二面或三面有月牙横肋。