第一章 基本性質(zhì)

1、第一章第一章 工程材料的基本性質(zhì)工程材料的基本性質(zhì)1.1 材料科學(xué)的基本理論一 材料科學(xué)與工程二 材料的組成 1、化學(xué)組成 2、礦物組成 3、相組成三三 材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造材料的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造q材料的結(jié)構(gòu)：宏觀結(jié)構(gòu) 指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。 (1)致密結(jié)構(gòu)：石材、金屬材料等孔隙特征 (2)多孔結(jié)構(gòu)：加氣混凝土等 (3)微孔結(jié)構(gòu)：石膏板等 (1)堆聚結(jié)構(gòu)：混凝土、砂漿等組織構(gòu)造 (2)纖維結(jié)構(gòu)：木材、玻璃等 (3)層狀結(jié)構(gòu)：稻草板等 (4)散粒結(jié)構(gòu)：粉煤灰、細(xì)砂等細(xì)觀結(jié)構(gòu)細(xì)觀結(jié)構(gòu)(亞微觀結(jié)構(gòu)亞微觀結(jié)構(gòu))q指可用光學(xué)顯微鏡觀察到的結(jié)構(gòu)。 不同工程材料，其分類是不相同的天然巖石可分為礦物、晶體

2、顆粒、非晶體組織木材可分為木纖維、導(dǎo)管髓線、樹脂道鋼鐵可分為鐵素體、滲碳體、珠光體鐵素體的晶體組織鋼材的晶體組織珠光體的晶體組織鐵素體和珠光體珠光體與滲碳體球狀珠光體微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)q指原子、分子層次的結(jié)構(gòu)。 可以分為晶體、玻璃體、膠體三大類q1、晶體：質(zhì)點(diǎn)(離子、原子、分子)在空間上按特定的 規(guī)則，呈周期性周期性排列時所形成的結(jié)構(gòu) 1)原子晶體：方石英(SiO2) 2)離子晶體：NaCl、CaCl2 3)分子晶體：CO2 4)金屬晶體：原子晶體原子晶體方石英方石英(SiO2) 離子晶體離子晶體碳氧分子分子晶體晶體（CO2）金屬晶體2、玻璃體、玻璃體q質(zhì)點(diǎn)在空間上呈非周期性排列，其結(jié)合鍵為共價

3、鍵及離子鍵。q對玻璃體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，目前有如下三種觀點(diǎn)（1）構(gòu)成玻璃體的質(zhì)點(diǎn)呈無規(guī)則空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此為無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)說無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)說。（2）構(gòu)成玻璃體的微觀組織為微晶子，微晶子之間，通過變形和扭曲的界面彼此相連。此為微晶子學(xué)說微晶子學(xué)說。（3）構(gòu)成玻璃體的微觀結(jié)構(gòu)為近程有序、遠(yuǎn)程無序。此為近程有序、遠(yuǎn)程無序?qū)W說近程有序、遠(yuǎn)程無序?qū)W說。3、膠體、膠體 以膠粒(粒徑為10-7一10-10m的固體顆粒)作為分散相，分散在連續(xù)相介質(zhì)(如水、氣、溶劑)中，形成的分散體系稱為膠體。 溶膠結(jié)構(gòu) 凝膠結(jié)構(gòu) 溶膠凝膠結(jié)構(gòu)一 材料的密度、表觀密度和堆積密度v(一) 密 度（Density）v1、定義 材料在絕

4、對密實(shí)狀態(tài)絕對密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。 v公式： v實(shí)際密度（ g/cm3 ）vm材料的質(zhì)量（g）vV材料在絕對密實(shí)絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積(cm3)Vm1.2 材料的物理性質(zhì)2、密度的測量v絕對密實(shí)狀態(tài)下的體積是指不包括不包括材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。 v實(shí)際密度的測量： v(1)對近于絕對密實(shí)的材料：金屬、玻璃等。量測幾何體積稱重代入公式 v(2)對有孔隙的材料：磚、混凝土、石材等。 磨成細(xì)粉 李氏比重瓶法測試1、定義：在自然狀態(tài)下，單位體積材料的干質(zhì)量q公式：q 體積密度（ g/cm3 ）q m材料的質(zhì)量（g） V0材料在包含閉口孔條件下體積(cm3) (二二)

5、表觀密度表觀密度(Apparent density)00Vm02、表觀密度的測量v自然狀態(tài)下的體積是指包含材料內(nèi)部孔隙在內(nèi)的體積。材料內(nèi)部孔隙含有水分時，其質(zhì)量和體積均發(fā)生變化。注明含水情況表觀密度的測量： v(1)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 v(2)對形狀不規(guī)則的材料： 烘干蠟封浮力天平混凝土表觀密度測定混凝土表觀密度測定（三）堆積密度（三）堆積密度(Bulk density)v1、定義 散粒狀材料在自然堆積狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量。單位g/cm3或kg/m3。 v公式： v0堆積密度（ g/cm3 ） m材料的質(zhì)量（g） V0材料的堆積體積（cm3）00m

6、V2、堆積密度的測量v堆積體積是指包含顆粒內(nèi)部孔隙和顆粒之間的空隙在內(nèi)的體積。 堆積密度的測量： v(1)容器法：散粒材料裝入容器量測體積稱凈重代入公式 v(2)自然堆積法：堆積成一定形狀量測幾何體積稱重代入公式 顆粒材料空 隙q砂堆積密度的測定砂堆積密度的測定將容量筒內(nèi)材料刮平，容量筒的容積即為材料堆積體積密度、表觀密度、堆積密度之間的關(guān)系密度、表觀密度、堆積密度之間的關(guān)系Vm00Vm00mV00VVV00在工程中，計(jì)算材料和構(gòu)件的自重、材料的用量，以及計(jì)算配料、運(yùn)輸臺班和堆放場地時，經(jīng)常要用到材料的密度、表觀密度以及堆密度等數(shù)據(jù)。二 材料的孔隙和空隙v（一）密實(shí)度（Solidity）：指材

7、料體積內(nèi)被 固體物質(zhì)所充實(shí)的程度。反映材料的致 密程度。v公式 v對于絕對密實(shí)材料， 因 0 = ，故密實(shí)度D =1 或100%。對于大多數(shù)土木工程材料， 因 0 ，故密實(shí)度D 1 或 D 100%。00100%VDV（二）孔隙率（二）孔隙率（Porosity）v定義：指材料體積內(nèi)，孔隙體積與總體積之比。直接反映材料的致密程度。 v公式 v影響材料的：強(qiáng)度、 吸水性、耐久性、 導(dǎo)熱性00001(1) 100%VVVpVV （三）填充率（三）填充率v定義：指散粒材料自然狀態(tài)體積占堆積體積的百分率。反映散粒材料堆積的致密程度。 v公式 0000100%VDV（四）空隙率（Voidage）v定義 散

8、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v公式 00000001(1) 100%VVVPVV q孔隙率與空隙率的區(qū)別孔隙率與空隙率的區(qū)別比較項(xiàng)目比較項(xiàng)目孔隙率孔隙率空隙率空隙率適用場合個體材料內(nèi)部堆積材料之間作 用可判斷材料性質(zhì)可進(jìn)行材料用量計(jì)算計(jì)算公式）（10010P）（100100P三 材料與水有關(guān)的性質(zhì)v一、親水性與憎水性v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大類。常用潤濕角表示。v親水性材料 90水泥、混凝土 石材、陶瓷、磚 v憎水性材料 90 瀝青、油漆、石蠟 塑料、防水油膏 潤濕角示意圖潤濕角示意圖圖1-7液滴在平滑表面上的接

9、觸角SVSLLV(a)固體蒸汽液體蒸汽液體固體固體液體蒸汽(b)(c)二 材料的吸濕性和吸水性v1、吸濕性：材料在潮濕空氣中吸收空氣中水分的性質(zhì)。用含水率表示。 v W 材料含水率，%；v m1 材料吸濕狀態(tài)下的重量，g；v m0 材料干燥狀態(tài)下的重量，g。100001mmmW1、吸濕性（、吸濕性（Hygroscopic）v材料的含水率隨環(huán)境的溫度和濕度變化而變，在環(huán)境濕度增大，溫度降低時，材料含水率變大；反之，變小。v平衡含水率：材料中所含水分與環(huán)境溫度所對應(yīng)的濕度相平衡時的含水率。2、吸水性（Water-absorbing quality）吸水性：吸水性：指材料在水中吸水的性質(zhì)。用吸水率表

10、示： 質(zhì)量(Wm)吸水率：指材料吸水飽和時,吸收的水分重量占材料干燥時的百分率. Wm=(mb mg )/mg1002、吸水性 體積吸水率(Wv)：材料吸水飽和時，所吸水分體積占材料干燥時體積的百分率。 Wv=(mbmg )/(Vgw) 100 w水在常溫下的密度，1000kg/m。q吸水率與含水率的區(qū)別吸水率與含水率的區(qū)別比較項(xiàng)目比較項(xiàng)目吸水率吸水率含水率含水率適用場合在水中吸收水分在空氣中吸收水分表示方法吸收水分的質(zhì)量比或體積比吸收水分的質(zhì)量比吸收水量達(dá)到飽和與空氣中水分平衡通常小于吸水率三、耐水性（三、耐水性（Water resistance）q定義：材料長期在飽和水作用下不破壞，其強(qiáng)度

11、也不顯著降低的性質(zhì)。用軟化系數(shù)表示。 gbRffK 三、耐水性三、耐水性材料軟化系數(shù)的要求q軟化系數(shù)越小，說明材料吸水飽和后的強(qiáng)度降低越多，其耐水性越差。q粘土KR=0，而金屬KR =1q對經(jīng)常處于水中或受潮嚴(yán)重的重要結(jié)構(gòu)物（如地下構(gòu)筑物、基礎(chǔ)、水工結(jié)構(gòu)）的材料，其KR0.85；三、耐水性三、耐水性材料軟化系數(shù)的要求q受潮較輕的或次要結(jié)構(gòu)物的材料，其KR0.75； qKR0.85的材料，一般稱為耐水的材料。四、抗?jié)B性（Permeability）q定義：材料抵抗有壓介質(zhì)（水、油、氣）滲透的性質(zhì)稱抗?jié)B性。q1、滲透系數(shù)KS。 KS越大，材料的抗?jié)B性越差。 依達(dá)西定律 AtHQdKS1、滲透系數(shù)Ks

12、KS材料的滲透系數(shù)（cm/h） Q透過材料試件的水量（cm） t透水時間（s） A透水面積（ cm2 ） H凈水壓力（cm） H=P/d試件的厚度（cm）AtHQdKSAQHT（h） d2 2、抗?jié)B等級、抗?jié)B等級q對于混凝土和砂漿，抗?jié)B性常用抗?jié)B等級(S)表示：S=10H-1qH試件開始滲水時的水壓力（MPa） q影響材料抗?jié)B性的因素：孔隙率、孔隙特征。q地下建筑（地鐵、人防建筑、地下室）、水工結(jié)構(gòu)、防水材料等均要求較高的抗?jié)B性。試驗(yàn)過程試驗(yàn)過程五、五、抗凍性（Frost-resistance）q定義：材料在吸水飽和的狀態(tài)下，能經(jīng)受多次凍結(jié)和融化作用而不破壞，同時也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性質(zhì)稱為抗凍

13、性。用抗凍標(biāo)號F表示如：材料的抗凍等級可分為F15、F25、F50、F100、F200等，分別表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的凍融循環(huán)。西直門橋西直門橋凍融破壞的橋梁凍融破壞的橋梁凍凍融融破破壞壞的的水水庫庫壩壩面面使使用用2020年年的的高高速速公公路路橋橋梁梁三三 材料的耐燃性材料的耐燃性 材料的耐燃性是指建筑物失火時，材料能經(jīng)受高溫與火的作用不破壞，強(qiáng)度不嚴(yán)重下降的性能。 (1)不燃燒類不燃燒類材料遇火遇高溫不易起火、不陰燃、不炭化，如混凝土。三、材料的熱工性質(zhì)三、材料的熱工性質(zhì)(2)難燃燒類難燃燒類材料遇火遇高溫不易起火、不陰燃、不炭化，只有在火源存在時繼續(xù)

14、燃燒陰燃，火焰熄滅后，而停止燃燒或陰燃，如瀝青混凝土。 (3)難燃類難燃類材料遇火遇高溫而起火或陰燃，在火源撲滅后，能繼續(xù)燃燒或陰燃，如木材。四四 材料的耐火性材料的耐火性是指材料長期高溫作用下，保持不溶性并能工作的性能。(1)耐火材料耐火材料耐火度 580的材料，如耐火磚中硅磚。(2)難溶材料難溶材料耐火度在1350 1580 ，如耐火混凝土(3)易溶材料易溶材料耐火度1350 ，如普通粘土磚。1.3材料的力學(xué)性質(zhì)一、材料的理論強(qiáng)度 指材料在理想狀態(tài)下應(yīng)具有的強(qiáng)度。 取決于質(zhì)點(diǎn)間的作用力。以共價鍵、離子鍵形成的結(jié)構(gòu)，其理論強(qiáng)度較高；而以分子鍵形成的結(jié)構(gòu)，其理論強(qiáng)度較低 實(shí)際材料中存在許多缺陷

15、，故材料的理論強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其實(shí)際強(qiáng)度。tErfd二、材料的強(qiáng)度（Strength）、比強(qiáng)度v1、強(qiáng)度：材料在外力（荷載）作用下抵抗破壞的能力。 v依受力形式有：抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等 v不同材料的承載特點(diǎn)是不同的： 混凝土、石材、磚抗壓強(qiáng)度高 鋼材、各類纖維抗拉強(qiáng)度高抗壓、抗拉、抗剪：AFf 抗彎：223bhFLfm2bhFLfm（中點(diǎn)）三分之一點(diǎn)FFFFFFlFl/2bh抗壓抗拉抗剪抗彎強(qiáng)度等級強(qiáng)度等級常用土木工程材料的強(qiáng)度（常用土木工程材料的強(qiáng)度（MPa）材料材料抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度花崗巖花崗巖100250581014燒結(jié)普通磚燒結(jié)普通磚7.5

16、30-1.84.0普通混凝土普通混凝土7.560142.08.0松木（須紋）松木（須紋）30508012060100鋼材鋼材23516002351600-2、比強(qiáng)度、比強(qiáng)度比強(qiáng)度：材料的強(qiáng)度與其表觀密度的比值（fc/o）。用于評價材料輕質(zhì)高強(qiáng)。材 料表觀密度(kg/m3)強(qiáng)度fc (MPa)比強(qiáng)度（fc/o）低碳鋼78604150.053松 木50034.30.059燒結(jié)普通磚1700100.006混凝土2400600.025二、材料的彈性與塑性二、材料的彈性與塑性1、彈性（Elasticity）：材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，材料變形即可消失并能完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)。 n 彈性

17、模量 E=/(衡量材料抵抗變形能力) 2、塑性（Plasticity）：材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，當(dāng)外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，并且不產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)。 實(shí)際的材料并不存在理想的彈性變形和塑性變形。彈塑性材料的變形曲線彈塑性材料的變形曲線ab為可恢復(fù)的彈性變形，bo為不可恢復(fù)的塑性變形3、虎克定律v材料在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變之間符合如下法則： =Ev應(yīng)力，MPa;v 應(yīng)變；vE 彈性模量， MPa。v 彈性模量是材料剛度的度量，反映了材料抵抗變形的能力， E，變形，剛度愈好。低碳鋼的低碳鋼的曲線曲線=P/A L/L = b p s A B C D 低碳鋼受拉時應(yīng)力-應(yīng)變曲線 0

18、分段的彈性變形分段的彈性變形和塑性變形和塑性變形三、材料的脆性與韌性三、材料的脆性與韌性v1、脆性（Brittleness）：在外力作用下，當(dāng)外力達(dá)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(zhì)。 脆性材料：抵抗沖擊或震動荷載的能力很差的材料。如混凝土、玻璃、石材。 2、韌性（、韌性（Toughness）v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。v如鋼材、木材、纖維等。 v橋梁、牛腿柱、電梯井、高層建筑等四、材料的硬度與耐磨性v1、硬度v硬度：是材料表面能抵抗其它較硬物體壓入或刻劃的能力。 莫氏硬度（劃痕法） 1滑石 2石膏 3方解石 4 螢石 5磷石灰 6正長石 7 石英 8黃玉 9剛玉 10金剛石肖氏硬度（HS） 布氏硬度壓入法（HB）2、耐磨性耐磨性q耐磨性：材料表面抵抗磨損的能力。q常用磨損率（M）表示。 q公式 qm0、m1試件被磨損前后的質(zhì)量（g）。 qA試件受磨損的面積（cm2）。AmmM102、耐磨性耐磨性 道路、地面、踏步、水庫泄洪道、縊流面等處需要考濾耐磨性 耐磨性與組成、成分、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、硬度有關(guān) 一般說，強(qiáng)度較高且密實(shí)的材料，其硬度較大，耐磨性較好 1.4材料的耐久性（Durability）q1、定義：材料在使用過程中能抵抗周圍各種介質(zhì)的侵蝕而不