[理学]土木工程材料课件.ppt
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1、建筑材料复习,第1章 土木工程材料的基本性质,1.1 材料的基本物理性质(physical properties) 1.1.1 材料的密度、表观密度与堆积密度 *(1)密度(density)*P8 近似密度(视密度)(apparent density) (2) 材料的体积密度( density ) (3)表观密度(apparent density) (4) 堆积密度(散粒体)(bulk density)(for particles) 压实密度(compacted density) 表1-1 常用材料的密度、表观密度、堆积密度,第1章 土木工程材料的基本性质,1.1.2 材料的密实度与孔隙率 (
2、1)密实度(density) (2)孔隙率(porosity) 1.1.3 材料的填充率与空隙率(散粒体) (1)填充率(filling ratio) (2)空隙率(voids ratio, void content, void volume),第1章 土木工程材料的基本性质,1.2 材料与水有关的性质 1.2.1 材料的亲水性与憎水性hydrophilicity *(1)亲水性QINGSHUI.SWF(被水润湿P8 )(hydrophilic property) (2)憎水性(润湿角90)(hydrophobic nature) 1.2.2材料的含水状态 (材料的含水状态) 1.2.3材料的
3、吸水性与吸湿性* (1)吸水性(water absorptivity)用吸水率表示 质量吸水率(water absorption) 材料体积的吸水率 (2)吸湿性(hydroscopic nature) 用含水率表示 *含水率(moisture content)*,1.2.3 材料的耐水性(抗水性)(water resistance)P12 *软化系数(softening coefficient)* 1.2.4 材料的抗冻性与抗渗性 (1)抗冻性(frost resistance) 水结冰时体积约增大9,从而对孔隙产生压力而使孔壁开裂。 冻融循环(freezing and thawing ci
4、rcle) 抗冻标号(grade) (等级) D15(Dong)F15(Freeze) (2)抗渗性(impermeability) 渗透系数(coefficient of permeability) 抗渗等级(抗渗标号 ) S(Shen) P(Permeate),第1章 土木工程材料的基本性质,1.3 材料的基本力学性质 1.3.1 材料的强度(strength) (1)材料的抗压、抗拉及抗剪强度 (2)材料的抗弯强度 表1.2 常用材料的强度/MPa 1.3.2 材料的弹性与塑性 1.3.3 材料的脆性与韧性 1.3.4 材料的硬度和耐磨性 1.3.4.1材料的硬度 1.3.4.2材料的耐
5、磨性,第1章 土木工程材料的基本性质,1.4 材料的热工、声学、光学性质及材料的耐久性 1.4.1 材料的热工性质 (1)材料的导热性 导热系数* 影响材料导热系数的主要因素 物质构成、微观结构 表观密度与孔隙构造 湿度 温度 热流方向,第1章 土木工程材料的基本性质,(2)材料的热容量(heat capacity) 比热容 1.4.2 材料的声学性质 (1)吸声性(sound absorption) 吸声系数(sound-absorption coefficient) (2)隔声性(材料的隔声性) (sound insulation),材料的密度,材料在绝对密实状态下,单位体积的质量。按下式
6、计算: 式中:密度,gcm3; m 材料在干燥状态的质量,g; V 材料的绝对密实状态下的体积,cm3。,材料的表观密度,材料在自然状态下,单位体积的质量。按下式计算: 式中:0表观密度,kgm3; m 材料的质量,kg; V0材料在自然状态下的体积(含材料实体及闭口空隙体积),m3。,材料的体积密度,材料在自然状态下,单位体积的质量。按下式计算: 式中:0表观密度,kgm3; m 材料的质量,kg; V0材料在自然状态下的体积(含材料实体及闭口空隙、闭口空隙体积),m3。,材料为散粒或粉状,如砂、石子、水泥等,在自然堆积状态下,单位体积的质量。按下式计算: 式中: 材料的堆积密度,kgm3;
7、 m 材料的质量,kg; 材料的自然(松散)堆积体积(包括材料固体颗粒体积及其闭口、开口空隙体积和颗粒之间空隙的体积),m3。,材料的堆积密度,材料的密实度,材料体积内被固体物质充实的程度。按下式计算:,材料的孔隙率,材料体积内,孔隙体积所占总体积的百分率。 按下式计算: 密实度与孔隙率的关系可表示为: DP=1即密实度孔隙率=1。,材料的孔隙率,对应开口孔和闭口孔的孔隙率分别称为开口孔隙率和闭口孔隙率。,材料的填充率,散粒材料堆积体积中,被颗粒所填充的程度。按下式计算:,材料的空隙率,散粒材料堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例。用下式计算: 即:DP=1或填充率空隙率=1。,材料的质量
8、吸水率,材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质,用吸水率表示,吸水率有两种表示方法: 1、质量吸水率 指材料在吸水饱和状态下,所吸水的质量占材料干质量的百分率,即材料吸水饱和时的含水率。按下式表示: 式中:Wm材料质量吸水率,%; mg材料干燥状态下质量,g; mb材料吸水饱和状态下质量,g。,材料的含水率,材料在一定温度和湿度下吸附水分的能力,用含水率表示,即 式中:W材料质量吸水率,%; ms材料含水时的质量,g; mg材料干燥状态下的质量,g。,材料的软化系数*,材料抵抗水破坏作用的性质称为耐水性,用软化系数表示,即 式中:KR材料的软化系数; fw材料在吸水饱和状态下的强度,MPa
9、; f 材料在干燥状态下的强度,MPa。,材料的软化系数 0.85的材料称为耐水材料,材料的渗透系数,材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性,用渗透系数表示,即 式中:K渗透系数,cmh; Q透水量,cm3; d试件厚度,cm; A透水面积,cm2; t渗水时间,h; H静水压力水头,cm。,材料的抗渗等级,表示混凝土抗渗能力的指标。即28天龄期的混凝土标准试件在标准试验方法下能承受的最大水压力值。 P=10H1 (1-15) 式中:P抗渗等级; H试件开始渗水时的水压力,MPa。 S (Shen) P (Permeate),材料的抗压、抗拉及抗剪强度(compressive, tensile a
10、nd shear strength),材料的抗压、抗拉及抗剪强度按下式计算: 式中:f材料的强度,MPa; Fmax破坏时最大荷载,N; A受力截面面积,mm2。,材料的抗弯强度(bending strength),1)二分法。将条形试件放在两支点上,中间作用一集中荷载,对矩形截面试件,则抗弯强度按下式计算: 2)三分法。在跨度的三分点上作用两个相等的集中荷载,则抗弯强度按下式计算: 式中:fm抗弯强度,MPa; Fmax弯曲破坏时最大荷载,N; b、h试件横截面的宽及高,mm; L两支点间的距离,mm。,材料的弹性与塑性、脆性与韧性,弹性:材料在外力作用下产生变形,当取消外力后,变形能完全消
11、失的性质。(elasticity) 塑性:材料在外力作用下产生变形,当取消外力后,仍保持变形后的形状,并不产生裂缝的性质。(plasticity),脆性:材料在外力作用下,当外力达到一定限度后,材料突然破坏,而破坏时无明显的塑性变形的性质。(brittleness, fragility) 韧性:材料在冲击、震动荷载作用下,能够吸收较大的能量,同时也能产生一定的变形而不破坏的性质。(fracture toughness),材料的导热系数* (coefficient of thermal conduction),材料传导热量的性质称为导热性,以导热系数表示,即 式中:导热系数,W(mK); Q总传
12、热量,J; a材料厚度,m; A热传导面积,m2; t热传导时间,h; T2T1材料两面温度差,K。,可将本式与材料的渗透系数定义式比较理解和记忆,材料的吸声系数(acoustical coefficient),声能穿透材料和被材料消耗的性质称为材料的吸声性,评定材料的吸声性能好坏的主要指标称为吸声系数(),即 式中:Ea穿透材料的声能; E材料消耗的声能; E0入射到材料表面的全部声能。,材料的体积密度(density),材料在自然状态下,单位体积的质量。按下式计算: 式中: 材料的堆积密度,kgm3; m 材料的质量,kg; V 材料的自然外形体积(包括材料固体颗粒体积、开口及其闭口空隙体
13、积体积),m3。,材料体积的吸水率,材料在水中通过毛细孔隙吸收并保持水分的性质,用吸水率表示,吸水率有两种表示方法: 2、质量吸水率 指材料在吸水饱和状态下,所吸水的体积占干燥材料自然状态下体积的百分率,即材料吸水饱和时的含水率。按下式表示: 式中:Wv材料体积吸水率,%; V干燥材料自然状态下体积,cm3; w水的密度,g/ cm3 。,材料的隔声性,隔声性(sound insulation) :材料隔绝声音的能力。材料的隔声性用隔声量来表示: R材料的隔声量(分贝,dB) Eo入射到材料表面的总声能 Ea透过材料的声能,基础知识,2.1 建筑钢材的生产,2.2.1 炼钢(炼钢 2.2.2、
14、浇注(浇注、脱氧 2.2.3、脱氧(脱 氧 2.2.4、加工(钢材的加工 钢材轧制*钢材的轧制 钢材热处理钢材的热处理,钢材的生产过程(钢材的生产过程,第二章 钢材的生产,基础知识,2.2 钢的分类,钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.06的铁碳合金称为生铁。,2.1.1 按化学成分分类,2.1.2 按品质(杂质含量)分类,2.1.3 按冶炼时脱氧程度分类,2.2.1 按化学成分分类,1. 碳素钢 (carbon content=0.02%2.06% 的铁碳合金) 低碳钢:含碳量 0.60 2. 合金钢 (碳素钢中加入合金元素Si,Mn,Ti,V)
15、 低合金钢:合金元素总含量alloy content 10 建筑工程中,钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢,主要使用非合金钢中的低碳钢,及低合金钢加工成的产品。,2.2.2 按品质(杂质含量)分类,1.普通钢:含硫量 (sulphur content)0.050; 含磷量 (sulphur content)0.045。 2.优质钢:含硫量0.035;含磷量0.035。 3.高级优质钢:含硫量0.025;含磷量0.025。 4.特级优质钢:含硫量0.015;含磷量0.025。,2.2.3 按冶炼时脱氧程度分类,1. 沸腾钢 rimmed steel; rimming steel 炼钢时脱氧不充分,钢
16、液中还有较多金属氧化物,浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度,其中的碳会与金属氧化物发生反应,生成大量一氧化碳气体外逸,引起钢液激烈沸腾。这种钢材称为沸腾钢,其代号为“F”。其冲击韧性和可焊性较差。 2. 镇静钢(fully-killed steel; killed steel ) 炼钢时脱氧充分,钢液中金属氧化物很少,在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固,这种钢称为镇静钢,其代号为 “Z”。 3. 半镇静钢balanced steel; semikilled steel 指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材,其代号为“b”。 4. 特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度更彻底的钢,故称为特殊镇静钢,代
17、号为“TZ”。特殊镇静钢的质量最好,适用于特别重要的结构工程。,基础知识,2.3 建筑钢材的力学与工艺性能,2.3.1 抗拉性能,2.3.2 冲击韧性,2.3.3 耐疲劳性,2.3.4 工艺性能,2.3.1 抗拉性能,3.1.2.1 抗拉性能弹性阶段为OA,弹性:卸去拉力,试件能完全恢复原状。 与A点对应的应力称为弹性极限,用p表示(fE)。elastic 此阶段应力与应变的比值为常数,称为弹性模量,用E表示。弹性模量反映钢材的刚度。 土木工程中常用的碳素结构钢Q235的弹性模量E为(2.0-2.1)105MPa。,3.1.2.1 抗拉性能屈服阶段为AB,应力超过A点后,应变的速度大于应力的速
18、度 卸去拉力,试件上已有不能消失的塑性变形。 B上点是屈服阶段的应力最高点,为屈服上限,B下点为屈服下限。 B下点比较稳定,容易测定,所以一般以B下点对应的应力,作为屈服强度(yield strength) s(fy) Q235钢的屈服点应在235MPa以上。,2.硬钢(高碳钢)的拉伸性能P26,硬钢强度高,塑性差,拉伸过程无明显屈服阶段,无法直接测定屈服强度。用条件屈服强度0.2来代替屈服强度。(f0.2) 条件屈服点0.2 (f0.2) :使硬钢产生0.2%塑性变形时的应力。见左图。书Fig.3.3,0,oa总变形。 ba弹性变形99.8%。 ob塑性变形0.2%。,2.3.1 抗拉性能弹
19、性阶段为OA,弹性:卸去拉力,试件能完全恢复原状。 与A点对应的应力称为弹性极限,用p表示。 此阶段应力与应变的比值为常数,称为弹性模量,用E表示。弹性模量反映钢材的刚度。 土木工程中常用的碳素结构钢Q235的弹性模量为(2.0-2.1)105MPa。,2.3.1 抗拉性能屈服阶段为AB,应力超过A点后,应变的速度大于应力的速度 卸去拉力,试件上已有不能消失的塑性变形。 B上点是屈服阶段的应力最高点,为屈服上限,B下点为屈服下限。 B下点比较稳定,容易测定,所以一般以B下点对应的应力,作为屈服强度s(fy)。 Q235钢的屈服点应在235MPa以上。,2.3.1 抗拉性能强化阶段为BC,内部组
20、织发生晶格畸变、错位等,使其抵抗塑性变形的能力又重新提高,故称为强化阶段。 对应C点的应力称为抗拉强度,用b表示。 Q235的抗拉强度在375MPa以上。 伸长率: 断面收缩率:,E为常量,低碳钢有明显屈服点,fy作为破坏标志,fy/fu强屈比*抗拉强度与屈服强度之比(P26)为强度储备,伸长率、表示塑性变形能力。,2.3.2 冲击韧性 *P27,钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功。钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上,并使切槽位于受拉的一侧,在试样中间开V形缺口。,2.3.3 耐疲劳性,受交变荷载反复作用,钢材在应力低于其屈服强度的情况
21、下突然发生脆性断裂破坏的现象,称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的,首先在局部开始形成细小裂纹,随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大,直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的,所以危害极大,往往造成灾难性的事故。,关于疲劳的几个概念,疲劳极限(fatigue limit; fatigue value): 试件在交变荷载作用下,在规定的周期基数N内(一般为200万次或400万次以上) 不发生断裂所能承受的最大应力。 疲劳强度(fatigue strength): 金属材料在重复或交变应力作用下,经过周次(N)后断裂时所能承受的最大应力,叫作疲劳强度。此时,N
22、称为材料的疲劳寿命。某些金属材料在重复或交变应力作用下,没有明显的疲劳极限,常用疲劳强度表示。,2.3.4 工艺性能,1. 冷弯性能(cold-bend performance): 指钢材在常温下承受弯曲变形的能力,以试验时的弯曲角度和弯心直径d为指标表示,如下图所示。,2.3.4 工艺性能,2. 焊接性能(welding performance ) 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,特别是强度应不低于原有钢材的强度。,2.4.3 钢材的成分对性能的影响(1),除铁、碳外,钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素
23、。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分可分为两类:一类能改善优化钢材的性能称为合金元素,主要有Si、Mn、Ti、V、Nb等;另一类能劣化钢材的性能,属钢材的杂质,主要有氧、硫、氮、磷等。 Refering P32 Table 2-2,2.4.3 钢材的成分对性能的影响(2),碳(C):钢材强度的主要来源,但是随其含量增加,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。 硫(S):热脆性。不得超过0.05%。 磷(P):冷脆性。抗腐蚀能力略有提高,可焊性降低。 不得超过0.045%。 锰(Mn):合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS,(熔点为1
24、600),可以消除一部分S的有害作用。 硅(Si):合金元素。强脱氧剂。 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。 氧(O):有害杂质。 氮(N):有害杂质。,冶金缺陷、构造、加荷速度对性能的影响,2.4.4 钢材的冶金缺陷对性能的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。偏析化学成分分布的不均匀程度。 2.4.5 构件的构造对性能的影响 试件表面不平整,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。 2.4.6 加荷速度对性能的影响 加荷速度高,钢材屈服点提高,呈脆性。 因此,(1)性试验要求缓慢加载
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