结构材料

材料按其应用一般可以分为两大类：结构材料和功能材料。结构材料就是具有较好的力学性能（比如强度、韧性及高温性能等等）用作结构件的材料。而具有特殊的电、磁、热、光等物理性能或化学性能的材料则可以统称为功能材料。

最常用的结构材料是各种牌号的钢材。

铁

熟铁

主条目：熟铁

熟铁是最简单的铁，几乎是纯铁（通常含碳量低于0.15%）。它通常含有一些炉渣。熟铁的用途几乎已经完全过时，也不再进行商业化生产。

锻铁不耐火。它延展性好，韧性强，不像钢那样容易腐蚀。

铸铁

主条目：铸铁

铸铁是一种脆性铁，抗拉强度小于抗压强度。它熔点相对较低，流动性好，可铸造性好，机械加工性能优异，耐磨性也很好。虽然在建筑结构领域，铸铁几乎完全被钢材取代，但它已成为一种用途广泛的工程材料，包括管道、机械和汽车零件。

铸铁虽然熔点低，但在火中仍能保持高强度。铸铁通常含有约95%的铁、2.1%至4%的碳和1%至3%的硅。它不像钢那样容易腐蚀。

钢

主条目：钢和结构钢

参见：钢结构

钢是一种含碳量可控（碳含量在 0.0 至 1.7% 之间）的铁合金。

由于钢材成本相对较低、强度重量比高且施工速度快，因此广泛应用于各类结构。

钢是一种延展性材料，在达到屈服点（应力-应变曲线上的点2）之前，其行为呈弹性，此时钢将变为塑性，并以延展性方式失效（在曲线上的点3处断裂之前，发生较大的应变或延伸）。钢在拉伸和压缩状态下的强度相同。

钢材易燃，因此大多数建筑都必须采取防护措施。尽管钢结构建筑的强度重量比很高，但其热品质与类似的混凝土建筑相当。

钢的弹性模量约为205GPa。

钢容易腐蚀（生锈）。

不锈钢

主条目：不锈钢

不锈钢是一种铁碳合金，铬含量至少10.5%。不锈钢有多种类型，其铁、碳、钼和镍的含量比例各不相同。不锈钢的结构特性与钢相似，但强度差异很大。

它很少用于主要结构，更多用于建筑装饰和建筑覆层。

它具有很强的抗腐蚀和抗污染能力。

铝

铝的典型应力与应变曲线
1. 极限强度
2. 屈服强度
3. 比例极限应力
4. 断裂
5. 偏移应变（通常为 0.002）。

主条目：铝和铝合金

铝是一种柔软、轻盈且延展性极佳的金属。纯铝的屈服强度为7至11兆帕，而铝合金的屈服强度则在200至600兆帕之间。铝的密度和刚度约为钢的三分之一。铝具有延展性，易于加工、铸造和挤压。

当金属暴露在空气中时，表面会形成一层薄薄的氧化铝层，有效防止进一步氧化，因此具有优异的耐腐蚀性。即使是强度最高的铝合金，由于会与合金铜发生电化学反应，其耐腐蚀性也较差。

铝因其良好的强度重量比，广泛应用于一些建筑结构（主要是外墙），并在飞机工程中广泛使用。铝是一种相对昂贵的材料。

在飞机上它正逐渐被碳复合材料所取代。

石工

主条目：砌体结构

砌体在建筑结构中的应用已有数千年历史，其形式包括石材、砖块或砌块。砌体抗压强度极高，但无法承受拉力（因为砖块或砌块之间的砂浆无法承受拉力）。由于无法承受结构拉力，砌体墙也无法承受弯曲，因此在相对较小的高度，砌体墙会变得不稳定。高层砌体结构需要透过扶壁（例如欧洲许多中世纪教堂中常见的飞扶壁）或风柱来稳定横向荷载。

历史上，砌体建造时不使用砂浆，或使用石灰砂浆。现代则使用水泥基砂浆。砂浆将砌块黏合在一起，并使砌块之间的界面更加平滑，避免可能导致开裂的局部点荷载。

自从混凝土广泛使用以来，石材很少被用作主要结构材料，通常仅作为覆层使用，因为其成本高且生产技术要求高。砖块和混凝土块已经取代了它。

砌体与混凝土类似，具有良好的隔音性能和较高的热质量，但生产能耗通常较低。但其运输能耗与混凝土相当。

木材

主条目：木材

木材是最古老的结构材料，虽然如今已被钢材、砖石和混凝土等材料所取代，但仍在大量建筑中使用。木材的特性具有非线性，且变化很大，取决于木材的品质、处理方式和供应木材的类型。木结构的设计很大程度上依赖经验证据。

木材抗拉抗压性能强，但由于其纤维结构，抗弯性能较弱。木材在火灾中表现相对较好，因为它会烧焦，这为构件中心的木材提供了一定的保护，并使结构在相当长的时间内保持一定的强度。

复合材料

主条目：复合材料

复合材料在车辆和飞机结构中的应用日益广泛，在其他结构中也有一定的应用。它们在桥梁中的应用也日益广泛，尤其是在保护古老建筑方面，例如建于1818年的科尔波特铸铁桥。复合材料通常具有各向异性（在不同方向上具有不同的材料特性），因为它们可能是层状材料。它们通常表现出非线性行为，在过载时会以脆性方式失效。

它们具有极佳的强度重量比，但价格也非常昂贵。其制造流程通常采用挤压成型，目前无法提供混凝土或钢材那样的经济弹性。在结构应用中，最常用的是玻璃纤维增强塑胶。

参考文献