土木工程材料课件(全)

强度小 质软 熔点高
导电性小
晶体结构（构造）
晶体的结构形式采用X射线衍射或 电子射线扫描等方法来确定。
在晶体内部，可细分为完全相等 单位的构造在三维空间重复着，如 右图所示。
立方晶体沿三个垂直方向有相同 的排列：a1=a2=a3,大部分金属和相 当数量的陶瓷材料是立方晶系的。 非立方晶体的重复排列沿三个坐标 轴方向不一样或者其三个晶轴间的 夹角不全等于900。自然界中共有7 种可能的晶系。这七种晶系的名称 和它们的几何特征列于下表。
(3)相组成
材料中具有相同的物理、力学性质的均匀部分称为 相.自然界中的物质有气相、液相、固相之分。材料 的相组成是指组成材料的相种类、数量及分布状况。 土木工程材料大多数是多相固体，可看成复合材料。
复合材料不同相之间存在界面，材料的性质与材料 的相组成和界面特性有密切关系。实际材料中，相 与相之间的这一过渡面是一个薄弱区，它的成分与 结构与其两侧的相都不相同，是不均匀的 ，可将其 作为“界面相”来处理。因此，通过改变和控制材 料的相组成，可改善和提高材料的技术性能。
物质内能与体积随 温度的变化而变化
玻璃体的特性
当玻璃组成一定时，Tg应该是一个随冷却速度 而变化的温度范围。低于Tg时的固体称为玻璃，而 高于此温度范围它就是熔体。因而玻璃体无固定的 熔点，而只有熔体←→玻璃体可逆转的温度范围。
常见的玻璃体有硅酸盐玻璃，如石英玻璃是将 熔化的二氧化硅（SiO2）经过急速冷却所得的产物。 这种熔融体冷却时形成较大的网状构造而使粘性增 大，在不产生规则整齐排列的SiO4晶体的情况下， 直接转变为非晶质固体，也可称为无定形晶体。玻 璃就属于这类非晶质固体，此外，还有合成树脂和 橡胶等。
4）固溶体
在离子相中也会产生置换 固溶体。在离子固溶体中，原 子和离子的大小是很重要的。 右图表示了一个简单的离子固 溶 体 的 例 子 。 在 此 MgO 结 构 （见右图）中，Mg2+离子被Fe2+ 所取代。由于两个离子的半径 分 别 为 0.066nm 和 0.074nm, 故 可以完全地取代。另一方面， Ca2+离子则不能用来取代Mg2+， 因 其 半 径 为 0.099nm ， 相 对 较
(1)宏观结构
(5)纤维结构
纤维结构是木材、纤维制 品所特有的结构，其在平行纤 维和垂直纤维方向上的强度、 导热性及其他一些性质明显不 同，即具有各向异性。
(6)层状结构
层状结构或称叠合结构， 是板材常见的结构。它是将材 料叠合成层状，用胶结材料或 其他方法将它们结合成整体， 如木材胶合板等。叠合结构可 以改善单层材料的性质。
2）晶体的种类及性质
（3）分子晶体 中性的分子由于电荷的非对称分布而产生的分子
极化，或是由于电子运动而发生的短暂极化所形成 的一种结合力，即范德华力。分子晶体是由分子通 过范德华力结合起来的，分子晶体大部分属于有机 化合物。 （4）金属晶体 金属晶体是由金属阳离子排成一定形式的晶格， 在晶格间隙中有自由运动的电子，这些电子称为自 由电子。金属键是通过自由电子的库仑引力而结合 的。自由电子可使金属具有良好的导热性及导电性。
按质点及结合键的特性，晶体可分为以下4种： （1）原子晶体 原子晶体是由中性原子构成的晶体，其原子之间
是由共价键来联系的。原子之间靠数个共用电子来 结合，具有很大的结合能，结合比较牢固，因而此 种晶体的强度、硬度与熔点都是较高的。石英、金 刚石、碳化硅等属于原子晶体。 （2）离子晶体 离子晶体是由正负离子所构成的晶体。离子之间 是靠静电吸引力所形成的离子键来结合。离子晶体 一般是比较稳定的，其强度、硬度、熔点也是较高 的。
从热力学观点看，玻璃态是一种高能量状态，它必然有 向低能量状态转化的趋势，也即有析晶的可能。然而从动 力学观点看，由于常温下玻璃粘度很大，由玻璃态转变为 晶态的速率是十分小的，因此它又是稳定的。
玻璃体的特性
3、固熔转化过程的可逆 性与渐变性
当熔体向固体转变时，若是结 晶过程，当温度降至TM（熔点） 时（见右图），由于出现新相， 同时伴随体积、内能的突然下降 与粘度的剧烈上升；若是熔融物 凝固成玻璃的过程，开始时熔体 体积和内能曲线以与TM以上大致 相同的速率下降直至F点（对应温 度Tg），熔体开始固化。这时的 温度称玻璃形成温度Tg。
晶体结构（构造）
正方晶系和正交晶系的几何特征见下图。
a)正方晶系：a1=a2≠c；各个夹角都为900； b)正交晶系：a≠b≠c；各个夹角都是900； c)六方晶系：a1=a2≠c；夹角为900及1200
晶体结构（构造）
以岩石矿物为主的硅酸盐 有很多种类，其晶体构造也是 多种多样的，见下图所示。如 果以4个O2-离子包围一个Si4+离 子所组成的SiO44-作为基本单位， 则它们既可以成为独立体，也 可以成为链状构造（例如辉石 类）、二维网状构造（例如高 岭土、云母）或三维网状构造 （例如硅石SiO2、长石类）， 其中Si4+与O2-的结合是半离子
玻璃体具有以下物理通性。
玻璃体的特性
1、各向同性 玻璃体内部任何方向的性质（如折射率、导电性、硬度、
热膨胀系数等）都是相同的。这与晶体一般具有各向异性 的特性是不同的，却与液体有类似性。
2、介稳性 当熔体冷却成玻璃体时，这种状态并不是处于能量最低的
状态。它能较长时间在低温下保留了高温时的结构而不变 化，因而称介稳状态。
1.1.2 材料的结构(构造)与性质
1）土木工程材料的结构层次
宏观结构 亚微观结构（或称细观结构） 微观结构
(1)宏观结构
材料的宏观结构是指用肉眼或放大镜能够 分辨的粗大组织（其尺寸约为毫米级大小）， 以及更大尺寸的构造情况。因此，这个层次的 结构也可以称为宏观构造。宏观结构有如下六 种类型：
性、半共价性的。
a）基本单位；b）链状连 结；c）二维网状结构
晶体结构（构造）

某些有机化合物中，高分子某些较为规则构造部分称为
结晶性的，而不规则构造部分则称为非结晶性的，如下图所
示。结晶性部分所占比例随着分子的化学构造、延伸度和温
度等条件的改变而变化。
晶体——非晶体共聚物 1-非结晶性区域；2-结晶性区域
（1）散粒结构；（2）聚集结构 ；（3）多孔结构 ； (4)致密结构 ；(5)纤维结构 ；(6)层状结构。
(1)宏观结构
（1）散粒结构

散粒结构是由单独的颗
粒组成，不与其他颗粒相结
合，如砂、石子以及用于涂
料及塑料中的粉状填料。
（2）聚集结构
聚集结构材料中的颗粒
通过胶结材料彼此牢固地结
合在一起，如各种混凝土。
4）固溶体

固体中也有纯晶体和含有外来杂质原子的固体
溶液之分。把含有外来杂质原子的晶体称为固体溶
液，简称固溶体。

固溶体普遍存在于无机固体材料中，材料的物
理化学性质，会随着固溶体的生成，在一个更大范
围内变化。因此，无论对功能材料，还是结构材料，
都可通过生成固溶体的条件，提高材料的性能。

当溶剂和溶质的原子大小相近，电子结构相仿
物理、力学性质，如强度、硬度、弹塑性、熔点、导热性、 导电性等都是由其微观结构所决定的。

固体材料的微观结构基本上可分为晶体 和非晶体（包括玻璃体、固溶体等）。
固体中，由原子、分子或离子作 三向规则排列成有序的结构，称为晶体。 而原子、分子或离子本身沿三维空间作 不规则排列的，称为非晶体。
2）晶体的种类及性质
(2)矿物组成
矿物是指在无机非金属材料中具有特定的晶体结 构、物理力学性能的组织结构(如硅酸盐水泥熟料 主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸 四钙四种矿物所组成)。
矿物组成是指构成材料的矿物种类和数量。
化学组成相同的材料其矿物组成可以不同。对某 些土木工程材料，其矿物组成是决定其性质的主 要因素。例如硅酸盐水泥中硅酸三钙含量高，则 其凝结硬化速度较快，水化放热较大，强度较高。
化合物中的置换固溶体 （Fe+离子置换 NhomakorabeaMgO结
构中的Mg2+
4）固溶体
(2)亚微观结构（或细观结构）
亚微观结构一般是指用光学显微镜所能观察到的、 具有微米级的材料组织结构。仪器的放大倍数可达 一千倍左右，能有几千分之一毫米的分辨能力，可 仔细分析天然岩石的矿物组织、金属材料晶粒的粗 细及其金相组织，如钢材中的铁素体、珠光体、渗 碳体等组织；混凝土中的孔隙及裂缝、木材的木纤 维、导管、髓线等组织也属于亚微观结构层次。
习惯上，金属材料的化学组成以主要元素的含量 来表示(如钢材:Fe,C,Mn,Si,S,P等)；无机非金属 材 料 则 以 各 种 氧 化 物 含 量 来 表 示 ( 如 水 泥 :CaO 、 SiO2、Al2O3 、 Fe2O3 、SO3、MgO等)。
化学组成对材料的性质有很大的影响。 当材料与自然环境或各类物质接触时，它们之 间必定按化学规律发生作用。如混凝土受到酸、碱、 盐类物质的侵蚀作用，钢材的锈蚀、木材的燃烧等 都属于化学作用。材料在各种化学作用下表现出来 的性质是由其化学组成决定的。
晶体结合形式与材料性质
晶体结合 离子晶体 共价键
形式
晶体
构造 方向性小 方向性大
金属晶体 方向性小
分子晶体 方向性小
密度 密度中等 密度小
密度大
密度小
强度与 硬度
强度大 硬度大
强度大 强度与硬度变化
硬度大
范围大
热学性质 熔点高 熔点高 熔点范围大
热传导性大
电学性质 导电性一 导电性小 般较小
导电性大
1 土木工程材料的基础知识
1.1 材料的组成、结构与性质 1.2 材料的基本性质
1.1 材料的组成、结构与性质
1.1.1 材料的组成与性质 化学组成 矿物组成 相组成 组成的含义:构成材料的成分及其含量
(1)化学组成
化学组成是指构成材料的化学元素及化合物的种 类与数量。
晶体结构 立方晶系中的点阵常数a 在三个坐标方向上都是 相同的
各种晶系的几何特征
晶系 立方 正方 正交 单斜
三斜 六方 菱方
a1=a2=a3 a1=a2≠c a≠b≠c a≠b≠c
a≠b≠c a1=a2=a3≠c
a1=a2=a3
轴间夹角 所有的夹角都等于900 所有的夹角都等于900 所有的夹角都等于900 其中有两个夹角是900；另一个不等 于900 三夹角都不相同，且都不为900 夹角为900和1200 所有的夹角都相等，但不为900
(1)宏观结构
（3）多孔结构
多孔材料中含有大量的、粗大或 微小的（10-3mm ~ 1mm）、均匀分 布的孔隙，这些孔隙或者连通， 或者封闭。这是加气混凝土、泡 沫混凝土、发泡塑料、石膏制品 等材料所特有的结构。
(4)致密结构
具有致密结构的材料在外观 上和内部结构上都是致密的(无孔 隙的)，金属、玻璃等材料即具有 这种结构特性。这种材料的体积 密度大，导热性强，强度硬度大 ，抗渗性和抗冻性好。
3）玻璃体
玻璃体是由于熔融物冷却较快而形成的。玻璃 是无机非晶态固体中最重要的一族。当达到凝固 温度时，它还具有很大的粘度，致使原子来不及 按照一定的规则排列起来，就已经凝固成固体， 从而形成玻璃体结构。
一般无机玻璃的外部特征是有很高的硬度，较 大的脆性，对可见光具有一定的透明度，并在开 裂时具有贝壳及蜡状断裂面。

材料内部各种组织的性质是各不相同的，这些
组织的特征、数量、分布以及界面之间的结合情况
都对材料的整体性质起着重要的影响作用。
层片状珠光体是一种双相结构的组织，是一 层铁素体和一层渗碳体的混合物
(3)微观结构
微观结构是指材料分子、原子层次的结构。可 用电子显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等 手段分析研究。其尺寸范围为10-6～10-10m。材料的许多
时，便容易形成固溶体。固溶体按其溶剂原子被溶
质原子所取代的情况不同，又分为置换固溶体、有
序固溶体和间隙固溶体。
4）固溶体
(1)置换固溶体
晶体结构中一种原子对另一种原子的无规则 置换所形成的固溶体称为置换固溶体。铜和锌 的溶体就称为置换固溶体。此种固溶体在许多 金属中是相当常见的。置换固溶体溶解度主要 取决于几何上和化学上的限制。如果溶质原子 和溶剂原子具有相近的原子尺寸，则溶解度大。 要得到很高的固溶度，还要求溶剂的化学性质 相似。