材料基本物理性質與力學性質

1、材料基本物理性質與力學性質內內 容：容： 材料的基本物理性質材料的基本物理性質 材料的基本力學性質材料的基本力學性質 材料的耐久性材料的耐久性1.1 材料的基本物理性質材料的基本物理性質 內內 容：容： 材料的狀態(tài)參數(shù)材料的狀態(tài)參數(shù) 材料的結構參數(shù)材料的結構參數(shù) 材料與水有關的性質材料與水有關的性質 材料的熱工性質材料的熱工性質一、材料的狀態(tài)參數(shù)一、材料的狀態(tài)參數(shù)1、密度、密度-材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。材料在絕對密實狀態(tài)下單位體積的質量。單位單位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 密度（密度（ g/cm3 ） m材料的質量（材料的質量（g） V材料在絕對密實狀態(tài)下的

2、體積（材料在絕對密實狀態(tài)下的體積（cm3）Vm實際密度的測量實際密度的測量: 絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括材絕對密實狀態(tài)下的體積是指不包括材料內部孔隙在內的體積。料內部孔隙在內的體積。 1）對近于絕對密實的材料：金屬、玻璃等）對近于絕對密實的材料：金屬、玻璃等 量測幾何體積稱重代入公式量測幾何體積稱重代入公式 2）對有孔隙的材料：磚、混凝土、石材）對有孔隙的材料：磚、混凝土、石材 磨成細粉磨成細粉 李氏比重瓶法測試李氏比重瓶法測試 密度測量儀器密度測量儀器密度演示實驗密度演示實驗2、表觀密度（容重）材料在自然狀態(tài)下單位、表觀密度（容重）材料在自然狀態(tài)下單位體積的質量。單位體積的質量。單位g/

3、cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 o表觀密度（表觀密度（ g/cm3或或kg/m3 ） m材料的質量（材料的質量（g或或kg ） Vo材料在自然狀態(tài)下的體積（材料在自然狀態(tài)下的體積（cm3或或m3 ）ooVm表觀密度的測量表觀密度的測量: 自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內部孔隙自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內部孔隙在內的體積。材料內部孔隙含有水分時，其質量在內的體積。材料內部孔隙含有水分時，其質量和體積均發(fā)生變化。注明含水情況和體積均發(fā)生變化。注明含水情況 1）對形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土、石材）對形狀規(guī)則的材料：磚、混凝土、石材 烘干量測幾何體積稱重代入公式烘干量測幾何體積稱重代入

4、公式 2）對形狀不規(guī)則的材料：）對形狀不規(guī)則的材料： 烘干蠟封浮力天平烘干蠟封浮力天平 實驗實驗 演示演示 3、堆積密度（松散容重）散粒狀材料在自然堆、堆積密度（松散容重）散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質量。單位積狀態(tài)下單位體積的質量。單位g/cm3或或kg/m3。 公式：公式： 式中式中 /o堆積密度（堆積密度（ g/cm3或或kg/m3 ） m材料的質量（材料的質量（g或或kg ） V/o材料的堆積體積（材料的堆積體積（cm3或或m3 ）ooVm/堆積密度的測量堆積密度的測量: 堆積體積是指包含顆粒內部孔隙和顆堆積體積是指包含顆粒內部孔隙和顆粒之間的空隙在內的體積。粒之間的空隙在內的

5、體積。 1）容器法：）容器法： 散粒材料裝入容器量測體積稱凈重散粒材料裝入容器量測體積稱凈重代入公式代入公式 2）自然堆積法：）自然堆積法： 堆積成一定形狀量測幾何體積稱重代堆積成一定形狀量測幾何體積稱重代入公式入公式 顆粒材料空 隙 砂堆積密度的測定砂堆積密度的測定將容量筒內材料刮將容量筒內材料刮平，容量筒的容積平，容量筒的容積即為材料堆積體積即為材料堆積體積常用材料的狀態(tài)參數(shù)常用材料的狀態(tài)參數(shù)見教材見教材P9表表11材料的狀態(tài)參數(shù)的體積對比材料的狀態(tài)參數(shù)的體積對比4、密實度指材料體積內被固體物質、密實度指材料體積內被固體物質所充實的程度。反映材料的致密程度。所充實的程度。反映材料的致密程度

6、。 公式公式 : 影響材料的：強度影響材料的：強度 ；吸水性；吸水性 耐久性耐久性 ；導熱性；導熱性%100ooVVD 5、孔隙率指材料體積內，孔隙體積與、孔隙率指材料體積內，孔隙體積與總體積之比。直接反映材料的致密程度。總體積之比。直接反映材料的致密程度。 公式公式: 孔隙率與密實度的關系孔隙率與密實度的關系: P+D=1 孔結構孔隙率孔徑尺寸開口形狀孔結構孔隙率孔徑尺寸開口形狀 影響材料的影響材料的: 強度、強度、 吸水性、耐久性、吸水性、耐久性、 導熱性導熱性%100)1 (1ooooVVVVVP材料內部孔隙示意圖材料內部孔隙示意圖 封閉孔封閉孔連通孔連通孔孔隙對材料性能的影響孔隙對材料

7、性能的影響 孔隙率與強度孔隙率與強度的關系見右圖：的關系見右圖：隨著孔隙率減小，隨著孔隙率減小，表觀密度提高，表觀密度提高，吸水率降低，強吸水率降低，強度和耐久性提高。度和耐久性提高。吸水率吸水率強度強度耐久性耐久性表觀密度表觀密度孔隙率孔隙率6、填充率指散粒材料在某容器的堆、填充率指散粒材料在某容器的堆積體積中，被其顆粒填充的程度。積體積中，被其顆粒填充的程度。 反映散粒材料堆積的致密程度。反映散粒材料堆積的致密程度。 公式公式 : %100/ooVVD007、空隙率散粒材料在某容器的堆積體積、空隙率散粒材料在某容器的堆積體積中，顆粒之間的空隙體積占總體積的比率。中，顆粒之間的空隙體積占總體

8、積的比率。 公式公式: 空隙率與填充率的關系空隙率與填充率的關系 P/+D/=1 %100)1 (1/oooooooVVVVVP二、材料與水有關的性質二、材料與水有關的性質1、親水性與憎水性、親水性與憎水性 親水性材料親水性材料 90 憎水性材料憎水性材料 90 材料在空氣中與水接觸時，根據(jù)其是否材料在空氣中與水接觸時，根據(jù)其是否能被水潤濕，將材料分為親水性和憎水性兩能被水潤濕，將材料分為親水性和憎水性兩大類。常用潤濕角大類。常用潤濕角表示。表示。 圖1-7液滴在平滑表面上的接觸角SVSLLV(a)固體蒸汽液體蒸汽液體固體固體液體蒸汽(b)(c)潤濕角潤濕角潤濕角示意圖潤濕角示意圖演示演示 實

9、驗實驗2、吸水性材料在浸水情況下吸入水分的、吸水性材料在浸水情況下吸入水分的能力。用吸水率表示。能力。用吸水率表示。 公式公式 :式中式中 W質質材料的質量吸水率（）材料的質量吸水率（） m濕濕材料吸水飽和后的質量（材料吸水飽和后的質量（g） m干干材料烘干到恒重的質量（材料烘干到恒重的質量（g）干干濕質100mmmW影響吸水率大小的因素：影響吸水率大小的因素： 材料的本性親水性或憎水性材料材料的本性親水性或憎水性材料 材料的孔結構孔徑大小、開口與否、材料的孔結構孔徑大小、開口與否、孔隙率大小等孔隙率大小等 吸水性對材料的影響：吸水性對材料的影響： 導熱性增大、熱阻降低對圍護結構材導熱性增大、

10、熱阻降低對圍護結構材料不利料不利 強度降低、體積膨脹強度降低、體積膨脹3、吸濕性材料在空氣中吸收空氣中水、吸濕性材料在空氣中吸收空氣中水分的性質。用含水率表示。分的性質。用含水率表示。 公式公式: 式中式中 W含含材料的質量含水率（）材料的質量含水率（） m濕濕材料含水時的質量（材料含水時的質量（g） m干干材料烘干到恒重的質量（材料烘干到恒重的質量（g） 干干含含100mmmW影響含水率大小的因素：影響含水率大小的因素： 材料的本性親水性或憎水性材料材料的本性親水性或憎水性材料 環(huán)境溫度、濕度氣溫越低、相對濕度越環(huán)境溫度、濕度氣溫越低、相對濕度越大，材料的含水率越高大，材料的含水率越高 吸水

11、性對材料的影響：吸水性對材料的影響： 導熱性增大、熱阻降低對圍護結構材料導熱性增大、熱阻降低對圍護結構材料不利不利 體積膨脹對木結構和木制品不利體積膨脹對木結構和木制品不利 4、耐水性材料長期在飽水作用下不破壞，、耐水性材料長期在飽水作用下不破壞，其強度也不顯著降低的性質。用軟化系數(shù)表其強度也不顯著降低的性質。用軟化系數(shù)表示。示。 公式公式: 式中式中 K軟軟材料的軟化系數(shù)（材料的軟化系數(shù)（K軟軟01） f飽飽材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度（材料在飽水狀態(tài)下的抗壓強度（MPa） f干干材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（材料在干燥狀態(tài)下的抗壓強度（MPa）干飽軟ffK材料軟化系數(shù)的要求材料軟化系數(shù)的要求

12、軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強度降低越多，其耐水性越差。的強度降低越多，其耐水性越差。 對經常處于水中或受潮嚴重的重要結構物對經常處于水中或受潮嚴重的重要結構物（如地下構筑物、基礎、水工結構）的材（如地下構筑物、基礎、水工結構）的材料，其料，其K軟軟0.85； 受潮較輕的或次要結構物的材料，其受潮較輕的或次要結構物的材料，其K軟軟0.85； K軟軟0.85的材料，一般稱為耐水的材料。的材料，一般稱為耐水的材料。 5、抗?jié)B性材料抵抗有壓介質（水、油、氣）滲、抗?jié)B性材料抵抗有壓介質（水、油、氣）滲透的性質稱抗?jié)B性。透的性質稱抗?jié)B性。 用滲透系數(shù)用滲透系數(shù)K表示

13、。表示。 依達西定律依達西定律: 式中式中K材料的滲透系數(shù)（材料的滲透系數(shù)（ml/cm2.s） W透過材料試件的水量（透過材料試件的水量（ml） t透水時間（透水時間（s） A透水面積（透水面積（ cm2 ） H凈水壓力（凈水壓力（cm） d試件的厚度（試件的厚度（cm）AtHWdK 抗?jié)B抗?jié)B 實驗實驗抗?jié)B等級抗?jié)B等級 對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B 等級等級(Pn)表示：表示： 地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、 水水 工結構、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。工結構、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。 滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B

14、性越差。滲透系數(shù)越大，材料的抗?jié)B性越差。 影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征 如如P2 , P4 , P6 , P8 等，分別表示可抵抗等，分別表示可抵抗 0.2MPa, 0.4MPa, 0.6MPa, 0.8MPa 的水壓力不滲的水壓力不滲透透 6、抗凍性材料在吸水飽和的狀態(tài)下，、抗凍性材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經受多次凍結和融化作用而不破壞，能經受多次凍結和融化作用而不破壞，同時也不嚴重降低強度的性質稱為抗凍同時也不嚴重降低強度的性質稱為抗凍性。性。 用抗凍標號用抗凍標號Fn表示。即：表示。即：F10;F15;F25;F50;F100;F150;F

15、200;F250;F300 數(shù)值為抵抗凍融循環(huán)次數(shù)。數(shù)值為抵抗凍融循環(huán)次數(shù)。 對孔壁產生的壓力對孔壁產生的壓力可達可達100MPa 凍融破壞的原因凍融破壞的原因 材料有孔且孔隙含水材料有孔且孔隙含水 水水冰體積膨脹冰體積膨脹9，結冰壓力高達，結冰壓力高達100MPa 結冰壓力超過材料的抗拉強度時，材料開裂結冰壓力超過材料的抗拉強度時，材料開裂 裂縫的增加也進一步增加了材料的飽水程度裂縫的增加也進一步增加了材料的飽水程度 飽水程度的增加進一步加劇了凍融破壞飽水程度的增加進一步加劇了凍融破壞 反復多次進一步加劇最終材料崩潰反復多次進一步加劇最終材料崩潰 嚴寒地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井嚴寒

16、地區(qū)道路、橋梁、水壩、堤防、海上鉆井平臺、跨海大橋等均需考慮凍融破壞平臺、跨海大橋等均需考慮凍融破壞凍融破壞的橋梁凍融破壞的橋梁海海上上鉆鉆井井平平臺臺大貝爾特海峽工程大貝爾特海峽工程（Denmark 丹丹 麥）麥）Highway Bridge in Service of 20 Years 使用使用2020年的年的高速公路橋高速公路橋梁梁四、材料的熱工性質四、材料的熱工性質1、導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性。其大小用熱、導熱性材料傳導熱量的能力稱為導熱性。其大小用熱導率（導率（）表示。）表示。 公式公式 : 式中式中 熱導率（熱導率（W/m.K） 熱阻熱阻 R=1/ Q傳導的熱量（傳導的熱

17、量（J） A熱傳導面積（熱傳導面積（m2） 材料的厚度（材料的厚度（m） t熱傳導時間（熱傳導時間（s） (T2-T1)材料兩側溫差（材料兩側溫差（K） )(12TTAtQ 材料的熱導率越小，絕熱性能越好。材料的熱導率越小，絕熱性能越好。 影響熱導率的因素：影響熱導率的因素： 材料內部的孔隙構造密閉的空氣使材料內部的孔隙構造密閉的空氣使降低降低 材料的含水情況含水、結冰使材料的含水情況含水、結冰使增大增大 常見熱導率參數(shù)：常見熱導率參數(shù)： 泡沫塑料泡沫塑料 0.035 水水 0.58 大理石大理石 3.5 冰冰 2.2 鋼材鋼材 58 空氣空氣 0.023 混凝土混凝土 1.51 松木松木 1

18、.170.35 2、熱容量材料加熱時吸收熱量，冷卻時放、熱容量材料加熱時吸收熱量，冷卻時放出熱量的性質，稱為熱容量。出熱量的性質，稱為熱容量。 大小用比熱容（比熱）表示大小用比熱容（比熱）表示 公式公式 Q=Cm(T2T1) 式中式中 Q材料吸收或放出的熱量（材料吸收或放出的熱量（J） C材料的比熱材料的比熱(J/g.K) m材料的質量（材料的質量（g） (T2T1) 材料受熱或冷卻前后的溫差（材料受熱或冷卻前后的溫差（K)比熱的建筑物理意義比熱的建筑物理意義 材料的材料的 比熱對保持建筑物內部溫度比熱對保持建筑物內部溫度穩(wěn)定有很大關系，比熱大的材料，能穩(wěn)定有很大關系，比熱大的材料，能在熱流變

19、動或采暖設備供熱不勻時，在熱流變動或采暖設備供熱不勻時，緩和室內溫度的波動。緩和室內溫度的波動。 常見材料的比熱（單位常見材料的比熱（單位 J/g.K ） 鋼材鋼材 c=0.48 空氣空氣 c=1.00 木材木材 c=2.72 水水 c=4.18材料的熱工要求材料的熱工要求保溫防止室內熱量的散失保溫防止室內熱量的散失 隔熱防止外部熱量的進入隔熱防止外部熱量的進入 統(tǒng)稱為絕熱統(tǒng)稱為絕熱 為構筑舒適的室內空間，對材料要求為構筑舒適的室內空間，對材料要求 熱阻（熱阻（R1/）要大，即熱導率要小）要大，即熱導率要小, 比熱比熱要大要大1.2 材料的基本力學性質材料的基本力學性質主要內容：主要內容： 材

20、料的強度、比強度材料的強度、比強度 材料的彈性與塑性材料的彈性與塑性 材料的脆性與韌性材料的脆性與韌性 材料的硬度與耐磨性材料的硬度與耐磨性一、材料的強度、比強度一、材料的強度、比強度 強度材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力強度材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力稱為強度。稱為強度。 依受力形式有：抗拉強度依受力形式有：抗拉強度 抗壓強度抗壓強度 抗彎強度抗彎強度 抗剪強度等抗剪強度等 不同材料的承載特點是不同的：不同材料的承載特點是不同的： 混凝土、石材、磚抗壓強度高混凝土、石材、磚抗壓強度高 鋼材、各類纖維抗拉強度高鋼材、各類纖維抗拉強度高強度分類及公式演示強度分類及公式演示強度等級

21、強度等級 建筑材料常根據(jù)極限強度的大小，劃分為不建筑材料常根據(jù)極限強度的大小，劃分為不同的強度等級或標號同的強度等級或標號。 如混凝土按抗壓強度劃分為如混凝土按抗壓強度劃分為 C7.5C80 水泥按抗壓和抗拉強度劃分為水泥按抗壓和抗拉強度劃分為32.5#62.5# 砂漿按抗壓強度劃分為砂漿按抗壓強度劃分為M2.5M2.5M20M20六個等六個等 級級 熱軋鋼筋按屈服強度劃分熱軋鋼筋按屈服強度劃分、級級 比強度比強度 比強度材料的強度與其表觀密度的比值比強度材料的強度與其表觀密度的比值（fc/o）。用于評價材料輕質高強）。用于評價材料輕質高強 幾種材料的強度比較幾種材料的強度比較材材 料料表觀密

22、度表觀密度0(kg/m3)強度強度fc (MPa)比強度比強度（fc/o）低碳鋼低碳鋼78604150.053松松 木木50034.30.059混凝土混凝土2400600.025二、材料的彈性與塑性二、材料的彈性與塑性 彈性材料在外力的作用下產生變形，當外力彈性材料在外力的作用下產生變形，當外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來取消后，材料變形即可消失并能完全恢復原來形狀的性質。形狀的性質。 彈性模量彈性模量 E=/ 塑性材料在外力的作用下產生變形，當外力塑性材料在外力的作用下產生變形，當外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產生裂縫的性質。

23、產生裂縫的性質。 實際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。實際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。 b a 變形變形荷載荷載 0Aab彈塑性材料的變形彈塑性材料的變形曲線曲線ob塑性變形塑性變形低碳鋼的應力應變低碳鋼的應力應變()曲線曲線=P/A L/L = b p s A B C D 0 低碳鋼拉伸實驗演示低碳鋼拉伸實驗演示混凝土的混凝土的曲線曲線 三、材料的脆性與韌性三、材料的脆性與韌性1.脆性在外力作用下，當外力達到一定限度后，脆性在外力作用下，當外力達到一定限度后，材料突然破壞而又無明顯的塑性變形的性質。材料突然破壞而又無明顯的塑性變形的性質。 脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）

24、脆性材料（如混凝土、玻璃、石材）抵抗沖擊或震動荷載的能力很差。抵抗沖擊或震動荷載的能力很差。 2.韌性在沖擊、震動荷載的作用下，材料承韌性在沖擊、震動荷載的作用下，材料承受很大的變形也不致破壞的性能稱為韌性。受很大的變形也不致破壞的性能稱為韌性。如鋼材、木材、纖維等。如鋼材、木材、纖維等。 橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等。橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等。四、材料的硬度與耐磨性四、材料的硬度與耐磨性1、硬度、硬度 硬度是材料表面能抵抗其它較硬物體壓入或硬度是材料表面能抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力?？虅澋哪芰?。 莫氏硬度（莫氏硬度（10級）級） 1滑石滑石 2石膏石膏 3方解石方解石 4 螢石螢石 5磷石灰磷石灰 6正長石正長石 7 石英石英 8黃玉黃玉 9剛玉剛玉 10金剛石金剛石 肖氏硬度肖氏硬度 布氏硬度（布氏