第一章 基本性质

1、第一章第一章 工程材料的基本性质工程材料的基本性质1.1 材料科学的基本理论一 材料科学与工程二 材料的组成 1、化学组成 2、矿物组成 3、相组成三三 材料的结构和构造材料的结构和构造q材料的结构：宏观结构 指用肉眼或放大镜能够分辨的粗大组织。 (1)致密结构：石材、金属材料等孔隙特征 (2)多孔结构：加气混凝土等 (3)微孔结构：石膏板等 (1)堆聚结构：混凝土、砂浆等组织构造 (2)纤维结构：木材、玻璃等 (3)层状结构：稻草板等 (4)散粒结构：粉煤灰、细砂等细观结构细观结构(亚微观结构亚微观结构)q指可用光学显微镜观察到的结构。 不同工程材料，其分类是不相同的天然岩石可分为矿物、晶体

2、颗粒、非晶体组织木材可分为木纤维、导管髓线、树脂道钢铁可分为铁素体、渗碳体、珠光体铁素体的晶体组织钢材的晶体组织珠光体的晶体组织铁素体和珠光体珠光体与渗碳体球状珠光体微观结构微观结构q指原子、分子层次的结构。 可以分为晶体、玻璃体、胶体三大类q1、晶体：质点(离子、原子、分子)在空间上按特定的 规则，呈周期性周期性排列时所形成的结构 1)原子晶体：方石英(SiO2) 2)离子晶体：NaCl、CaCl2 3)分子晶体：CO2 4)金属晶体：原子晶体原子晶体方石英方石英(SiO2) 离子晶体离子晶体碳氧分子分子晶体晶体（CO2）金属晶体2、玻璃体、玻璃体q质点在空间上呈非周期性排列，其结合键为共价

3、键及离子键。q对玻璃体结构的认识，目前有如下三种观点（1）构成玻璃体的质点呈无规则空间网络结构。此为无规则网络结构学说无规则网络结构学说。（2）构成玻璃体的微观组织为微晶子，微晶子之间，通过变形和扭曲的界面彼此相连。此为微晶子学说微晶子学说。（3）构成玻璃体的微观结构为近程有序、远程无序。此为近程有序、远程无序学说近程有序、远程无序学说。3、胶体、胶体 以胶粒(粒径为10-7一10-10m的固体颗粒)作为分散相，分散在连续相介质(如水、气、溶剂)中，形成的分散体系称为胶体。 溶胶结构 凝胶结构 溶胶凝胶结构一 材料的密度、表观密度和堆积密度v(一) 密 度（Density）v1、定义 材料在绝

4、对密实状态绝对密实状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 v公式： v实际密度（ g/cm3 ）vm材料的质量（g）vV材料在绝对密实绝对密实状态下的体积(cm3)Vm1.2 材料的物理性质2、密度的测量v绝对密实状态下的体积是指不包括不包括材料内部孔隙在内的体积。 v实际密度的测量： v(1)对近于绝对密实的材料：金属、玻璃等。量测几何体积称重代入公式 v(2)对有孔隙的材料：砖、混凝土、石材等。 磨成细粉 李氏比重瓶法测试1、定义：在自然状态下，单位体积材料的干质量q公式：q 体积密度（ g/cm3 ）q m材料的质量（g） V0材料在包含闭口孔条件下体积(cm3) (二二)

5、表观密度表观密度(Apparent density)00Vm02、表观密度的测量v自然状态下的体积是指包含材料内部孔隙在内的体积。材料内部孔隙含有水分时，其质量和体积均发生变化。注明含水情况表观密度的测量： v(1)对形状规则的材料：砖、混凝土、石材。烘干量测几何体积称重代入公式 v(2)对形状不规则的材料： 烘干蜡封浮力天平混凝土表观密度测定混凝土表观密度测定（三）堆积密度（三）堆积密度(Bulk density)v1、定义 散粒状材料在自然堆积状态下单位体积的质量。单位g/cm3或kg/m3。 v公式： v0堆积密度（ g/cm3 ） m材料的质量（g） V0材料的堆积体积（cm3）00m

6、V2、堆积密度的测量v堆积体积是指包含颗粒内部孔隙和颗粒之间的空隙在内的体积。 堆积密度的测量： v(1)容器法：散粒材料装入容器量测体积称净重代入公式 v(2)自然堆积法：堆积成一定形状量测几何体积称重代入公式 颗粒材料空 隙q砂堆积密度的测定砂堆积密度的测定将容量筒内材料刮平，容量筒的容积即为材料堆积体积密度、表观密度、堆积密度之间的关系密度、表观密度、堆积密度之间的关系Vm00Vm00mV00VVV00在工程中，计算材料和构件的自重、材料的用量，以及计算配料、运输台班和堆放场地时，经常要用到材料的密度、表观密度以及堆密度等数据。二 材料的孔隙和空隙v（一）密实度（Solidity）：指材

7、料体积内被 固体物质所充实的程度。反映材料的致 密程度。v公式 v对于绝对密实材料， 因 0 = ，故密实度D =1 或100%。对于大多数土木工程材料， 因 0 ，故密实度D 1 或 D 100%。00100%VDV（二）孔隙率（二）孔隙率（Porosity）v定义：指材料体积内，孔隙体积与总体积之比。直接反映材料的致密程度。 v公式 v影响材料的：强度、 吸水性、耐久性、 导热性00001(1) 100%VVVpVV （三）填充率（三）填充率v定义：指散粒材料自然状态体积占堆积体积的百分率。反映散粒材料堆积的致密程度。 v公式 0000100%VDV（四）空隙率（Voidage）v定义 散

8、粒材料在某容器的堆积体积中，颗粒之间的空隙体积占总体积的比率v公式 00000001(1) 100%VVVPVV q孔隙率与空隙率的区别孔隙率与空隙率的区别比较项目比较项目孔隙率孔隙率空隙率空隙率适用场合个体材料内部堆积材料之间作 用可判断材料性质可进行材料用量计算计算公式）（10010P）（100100P三 材料与水有关的性质v一、亲水性与憎水性v材料在空气中与水接触时，根据其是否能被水润湿，将材料分为亲水性和憎水性两大类。常用润湿角表示。v亲水性材料 90水泥、混凝土 石材、陶瓷、砖 v憎水性材料 90 沥青、油漆、石蜡 塑料、防水油膏 润湿角示意图润湿角示意图图1-7液滴在平滑表面上的接

9、触角SVSLLV(a)固体蒸汽液体蒸汽液体固体固体液体蒸汽(b)(c)二 材料的吸湿性和吸水性v1、吸湿性：材料在潮湿空气中吸收空气中水分的性质。用含水率表示。 v W 材料含水率，%；v m1 材料吸湿状态下的重量，g；v m0 材料干燥状态下的重量，g。100001mmmW1、吸湿性（、吸湿性（Hygroscopic）v材料的含水率随环境的温度和湿度变化而变，在环境湿度增大，温度降低时，材料含水率变大；反之，变小。v平衡含水率：材料中所含水分与环境温度所对应的湿度相平衡时的含水率。2、吸水性（Water-absorbing quality）吸水性：吸水性：指材料在水中吸水的性质。用吸水率表

10、示： 质量(Wm)吸水率：指材料吸水饱和时,吸收的水分重量占材料干燥时的百分率. Wm=(mb mg )/mg1002、吸水性 体积吸水率(Wv)：材料吸水饱和时，所吸水分体积占材料干燥时体积的百分率。 Wv=(mbmg )/(Vgw) 100 w水在常温下的密度，1000kg/m。q吸水率与含水率的区别吸水率与含水率的区别比较项目比较项目吸水率吸水率含水率含水率适用场合在水中吸收水分在空气中吸收水分表示方法吸收水分的质量比或体积比吸收水分的质量比吸收水量达到饱和与空气中水分平衡通常小于吸水率三、耐水性（三、耐水性（Water resistance）q定义：材料长期在饱和水作用下不破坏，其强度

11、也不显著降低的性质。用软化系数表示。 gbRffK 三、耐水性三、耐水性材料软化系数的要求q软化系数越小，说明材料吸水饱和后的强度降低越多，其耐水性越差。q粘土KR=0，而金属KR =1q对经常处于水中或受潮严重的重要结构物（如地下构筑物、基础、水工结构）的材料，其KR0.85；三、耐水性三、耐水性材料软化系数的要求q受潮较轻的或次要结构物的材料，其KR0.75； qKR0.85的材料，一般称为耐水的材料。四、抗渗性（Permeability）q定义：材料抵抗有压介质（水、油、气）渗透的性质称抗渗性。q1、渗透系数KS。 KS越大，材料的抗渗性越差。 依达西定律 AtHQdKS1、渗透系数Ks

12、KS材料的渗透系数（cm/h） Q透过材料试件的水量（cm） t透水时间（s） A透水面积（ cm2 ） H净水压力（cm） H=P/d试件的厚度（cm）AtHQdKSAQHT（h） d2 2、抗渗等级、抗渗等级q对于混凝土和砂浆，抗渗性常用抗渗等级(S)表示：S=10H-1qH试件开始渗水时的水压力（MPa） q影响材料抗渗性的因素：孔隙率、孔隙特征。q地下建筑（地铁、人防建筑、地下室）、水工结构、防水材料等均要求较高的抗渗性。试验过程试验过程五、五、抗冻性（Frost-resistance）q定义：材料在吸水饱和的状态下，能经受多次冻结和融化作用而不破坏，同时也不严重降低强度的性质称为抗冻

13、性。用抗冻标号F表示如：材料的抗冻等级可分为F15、F25、F50、F100、F200等，分别表示此材料可承受15次、25次、50次、100次、200次的冻融循环。西直门桥西直门桥冻融破坏的桥梁冻融破坏的桥梁冻冻融融破破坏坏的的水水库库坝坝面面使使用用2020年年的的高高速速公公路路桥桥梁梁三三 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时，材料能经受高温与火的作用不破坏，强度不严重下降的性能。 (1)不燃烧类不燃烧类材料遇火遇高温不易起火、不阴燃、不炭化，如混凝土。三、材料的热工性质三、材料的热工性质(2)难燃烧类难燃烧类材料遇火遇高温不易起火、不阴燃、不炭化，只有在火源存在时继续

14、燃烧阴燃，火焰熄灭后，而停止燃烧或阴燃，如沥青混凝土。 (3)难燃类难燃类材料遇火遇高温而起火或阴燃，在火源扑灭后，能继续燃烧或阴燃，如木材。四四 材料的耐火性材料的耐火性是指材料长期高温作用下，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，如耐火砖中硅砖。(2)难溶材料难溶材料耐火度在1350 1580 ，如耐火混凝土(3)易溶材料易溶材料耐火度1350 ，如普通粘土砖。1.3材料的力学性质一、材料的理论强度 指材料在理想状态下应具有的强度。 取决于质点间的作用力。以共价键、离子键形成的结构，其理论强度较高；而以分子键形成的结构，其理论强度较低 实际材料中存在许多缺陷

15、，故材料的理论强度远远大于其实际强度。tErfd二、材料的强度（Strength）、比强度v1、强度：材料在外力（荷载）作用下抵抗破坏的能力。 v依受力形式有：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等 v不同材料的承载特点是不同的： 混凝土、石材、砖抗压强度高 钢材、各类纤维抗拉强度高抗压、抗拉、抗剪：AFf 抗弯：223bhFLfm2bhFLfm（中点）三分之一点FFFFFFlFl/2bh抗压抗拉抗剪抗弯强度等级强度等级常用土木工程材料的强度（常用土木工程材料的强度（MPa）材料材料抗压强度抗压强度抗拉强度抗拉强度抗弯强度抗弯强度花岗岩花岗岩100250581014烧结普通砖烧结普通砖7.5

16、30-1.84.0普通混凝土普通混凝土7.560142.08.0松木（须纹）松木（须纹）30508012060100钢材钢材23516002351600-2、比强度、比强度比强度：材料的强度与其表观密度的比值（fc/o）。用于评价材料轻质高强。材 料表观密度(kg/m3)强度fc (MPa)比强度（fc/o）低碳钢78604150.053松 木50034.30.059烧结普通砖1700100.006混凝土2400600.025二、材料的弹性与塑性二、材料的弹性与塑性1、弹性（Elasticity）：材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的性质。 n 弹性

17、模量 E=/(衡量材料抵抗变形能力) 2、塑性（Plasticity）：材料在外力的作用下产生变形，当外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，并且不产生裂缝的性质。 实际的材料并不存在理想的弹性变形和塑性变形。弹塑性材料的变形曲线弹塑性材料的变形曲线ab为可恢复的弹性变形，bo为不可恢复的塑性变形3、虎克定律v材料在弹性范围内，其应力与应变之间符合如下法则： =Ev应力，MPa;v 应变；vE 弹性模量， MPa。v 弹性模量是材料刚度的度量，反映了材料抵抗变形的能力， E，变形，刚度愈好。低碳钢的低碳钢的曲线曲线=P/A L/L = b p s A B C D 低碳钢受拉时应力-应变曲线 0

18、分段的弹性变形分段的弹性变形和塑性变形和塑性变形三、材料的脆性与韧性三、材料的脆性与韧性v1、脆性（Brittleness）：在外力作用下，当外力达到一定限度后，材料突然破坏而又无明显的塑性变形的性质。 脆性材料：抵抗冲击或震动荷载的能力很差的材料。如混凝土、玻璃、石材。 2、韧性（、韧性（Toughness）v韧性：在冲击、震动荷载的作用下，材料承受很大的变形也不致破坏的性能称为韧性。v如钢材、木材、纤维等。 v桥梁、牛腿柱、电梯井、高层建筑等四、材料的硬度与耐磨性v1、硬度v硬度：是材料表面能抵抗其它较硬物体压入或刻划的能力。 莫氏硬度（划痕法） 1滑石 2石膏 3方解石 4 萤石 5磷石灰 6正长石 7 石英 8黄玉 9刚玉 10金刚石肖氏硬度（HS） 布氏硬度压入法（HB）2、耐磨性耐磨性q耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力。q常用磨损率（M）表示。 q公式 qm0、m1试件被磨损前后的质量（g）。 qA试件受磨损的面积（cm2）。AmmM102、耐磨性耐磨性 道路、地面、踏步、水库泄洪道、缢流面等处需要考滤耐磨性 耐磨性与组成、成分、结构强度、硬度有关 一般说，强度较高且密实的材料，其硬度较大，耐磨性较好 1.4材料的耐久性（Durability）q1、定义：材料在使用过程中能抵抗周围各种介质的侵蚀而不