土木工程材料重点知识概括

土木工程材料第一章1.土木工程材料：指土木工程中使用的各种材料及制品2.土木工程材料的分类：按来源：天然材料及人造材料；按部位：屋面、墙体和地面材料等；按功能：结构材料和功能材料；按组成物质：无机材料、有机材料和复合材料无机材料：金属材料黑色金属、有色金属非金属材料天然石材、烧土制品、胶凝材料、混凝土及砂浆有机材料：植物材料、沥青材料、合成高分子材料复合材料：无机非金属材料与有机材料复合、金属材料与无机非金属材料复合金属材料与有机材料复合3.材料的组成化学组成：化学组成是指构成材料的化学成分(元素或化合物)。物相组成：物相是具有相同物理、化学性质，一定化学成分和结构特征的物质。4.材料的结构和构造：泛指材料各组成部分之间的结合方式及其在空间排列分布的规律。材料的结构按尺度范围可分为:宏观结构：是指用肉眼或放大镜可分辨出的结构状况，其尺度范围在10-3m级以上。介观结构(显微结构、纳米结构）：是指用光学显微镜和一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构，是介于宏观和微观之间的结构。尺度范围在10-3m~10-9m。按尺度范围，还可分为显微结构和纳米结构。显微结构是指用光学显微镜所能观察到的结构，其尺度范围在10-3m~10-7m。纳米结构是指一般扫描透射电子显微镜所能观察到的结构。其尺度范围在10-7m~10-9m。微观结构指原子或分子层次的结构。分为晶体和玻璃体。晶体是质点（原子、分子、离子）按一定规律在空间重复排列的固体，具有一定的几何形状和物理性质。晶体质点间结合键的特性决定晶体材料的特性。玻璃体是熔融物在急冷时，质点来不及按一定规律排列而形成的内部质点无序排列的固体或固态液体。材料的构造：是指具有特定性质的材料结构单元的相互搭配情况。5.密度：指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。mpv近似密度：指材料在包含闭口孔隙条件下，单位体积的质量。'mpv表观密度（容重）：指材料在自然状态下，单位体积的质量。00mpv堆积密度：指散粒状或纤维状材料在堆积状态下，单位体积的质量。'0'0mpv6.密实度：材料体积（自然状态）内固体物质的充实程度，称为材料的密实度(D)。0VD=100%V孔隙率：材料内部孔隙体积占材料在自然状态下体积的百分率00VρP=(1-)100%(1)100%Vρ，分为总孔隙率（简称孔隙率）、开口孔隙率和闭口孔隙率。开口孔隙率：材料内部开口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的开口孔隙率(Pk)。0kk0aρVP100%(1)100%Vρ闭口孔隙率：材料内部闭口孔隙的体积占材料在自然状态下体积的百分率，称为材料的闭口孔隙率(Pb)。bbk0VP=100%P-PV7.填充率：散粒材料在堆积状态下，颗粒填充的体积占堆积体积的百分率，称为填充率。0000VρD100%Vρ空隙率：散粒材料在堆积状态下，颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率，称为空隙率。00aρVP1(1)100%Vρ间隙率：散粒材料在堆积状态下颗粒间空隙体积占堆积体积的百分率，称为间隙率。00000VρP=1=(1)100%Vρ8.亲水性与憎水性：当材料与水接触时，如果材料表面可以被水所润湿，则称材料具有亲水性；这种材料称为亲水性材料。若材料表面不能被水所润湿，则称材料具有憎水性。此种材料称为憎水性材料。9.含水率（质量）：材料中所含的水分与材料干燥状态下的质量之比。1m-mW=100m含水率（体积）：材料中所含的水分的与材料自然状态下的体积之比。100m-mW=100V吸水性：材料在水中吸收水分的能力称为材料的吸水性，常用吸水率表示。材料吸水饱和时的含水率称为吸水率。吸湿性：材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性，常用含水率表示。材料吸收的水分与释放的水分达到平衡时的含水率称为平衡含水率。耐水性：材料抵抗水的破坏作用的能力称为材料的耐水性。结构材料的耐水性用软化系数来表示：=材料在吸水饱和状态下的抗压强度软化系数材料在干燥状态下的抗压强度抗渗性：抗渗性是指材料抵抗压力水或其它液体渗透的性质。抗渗性可用渗透系数和抗渗等级表示。根据达西定律，渗透系数K为：QdKAtH渗透系数越小，材料的抗渗性越好。10.材料的理论强度：指材料在理想状态（无缺陷）下应具有的强度。材料在理想状态下受力破坏的原因：拉力造成结合健断裂剪力造成质点间滑移材料的理论抗拉强度：tEfd材料的强度：材料抵抗外力破坏的能力称为强度。按外力施加的方式分为：静力强度动力强度按外力作用的方式分为：抗压强度抗拉强度及抗弯强度抗剪强度影响材料强度的因素:组成和结构外力作用方式测试条件11.弹性与塑性：材料在外力作用下产生变形，当外力除去后，能够完全恢复原来形状的性能称为弹性。这种能完全恢复的变形称为弹性变形。材料在外力作用下产生显著变形，但不断裂破坏，外力取消后，仍保持变形后的形状的性质称为塑性。这种不可恢复的残余变形称为塑性变形。12.脆性与韧性：材料在外力作用下，在破坏前无明显的塑性变形而突然破坏的性质称为脆性。材料在外力的作用下，能够吸收较大的能量，同时产生一定的变形而不致破坏的性能称为韧性。材料在冲击、震动荷载作用下，能够吸收较大能量，产生一定的变形而不致破坏的性质称为冲击韧性。13.脆性材料：指塑性变形很小，且抗压强度与抗拉强度的比值较大（5~50倍）的材料，无机非金属材料多属于脆性材料。韧性材料：指变形大，特别是塑性变形大，抗拉强度与抗压强度接近的材料，木材、建筑钢材、橡胶等属于韧性材料。14.材料的耐久性：材料在使用过程中，抵抗其自身和环境的长期破坏作用，保持其原有性能，不破坏、不变质的性质称为耐久性。土木工程材料在使用过程中，材料自身和环境的各种因素破坏作用可归纳为:物理作用:光、热、电、温度变化、干湿变化、冻融循环等化学作用:各种酸、碱、盐及其水溶液、各种腐蚀性气体的作用生物作用:菌类、昆虫等的侵害作用等15.材料的安全性：是指材料在生产和使用过程中是否对人类或环境造成危害的性能。土木工程材料的安全性可划分为：灾害安全性：指在发生灾害时，材料是否对人或结构造成危害的性能卫生安全性：指材料在生产和使用的过程中，是否对人的健康造成危害的性能。环境安全性：指材料在生产和使用过程中，是否对环境造成危害的性能。第二章1.固体金属：是晶体或晶粒的聚集体.金属的晶体结构：结合力为金属键.按等径球体最紧密堆积的规律排列晶格:将原子抽象化成一个点，将相邻原子中心用假想的直线联接起来所形成的按一定规律排列的空间格子。晶胞:晶格中反应排列规律的基本几何单元。金属晶体结构中的缺陷：有点缺陷、线缺陷和面缺陷。缺陷对金属性能的影响：空位和位错使金属晶体在切应力下更易滑移，使金属的实际屈服强度远低于理论强度。而间隙原子和晶界能阻抑实际金属中晶体的滑移，提高实际金属的强度。2.细晶强化：通过增加单位体积中的晶界面积以增加位错运动的阻力来提高金属屈服强度的方法。固溶强化：通过加入另一物质而形成固溶体，从而使位错运动的阻力增加，提高金属屈服强度的方法。弥散强化：通过散入第二类质点，从而使位错运动的阻力增加，提高金属屈服强度的方法。变形强化：使金属材料受力变形，晶体内部产生众多的滑移面，从而使缺陷密度增大，位错运动的阻力增加，提高金属屈服强度的方法。这种强化只能在低于熔点40%的温度条件下产生，又称冷加工强化。3.钢材的化学组成：钢:含碳量2%的铁;基本成份有铁、碳、合金元素、杂质元素。按化学成分分为碳素钢和合金钢。碳素钢:低碳钢（C0.25%)中碳钢(C:0.25%~0.6%)高碳钢(C0.6%)合金钢:低合金钢(合金元素5%)中合金钢(合金元素:5%~10%)高合金钢(合金元素10%)碳素钢的基本组织：根据铁与碳之间的结合方式(固溶体、化合物和机械混合物），碳素钢的基本组织有：铁素体、奥氏体、渗碳体和珠光体。铁素体（Ferrite）：碳在α-Fe中的间隙固溶体；它的溶碳量很小，最多只有0.0218%(727℃时)，室温时几乎为0，因此，其性能与纯铁相似，其力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。奥氏体（Austenite）：碳在γ-Fe中的间隙固溶体，它的溶碳量较大，最多有2.11%(1148℃时)，727℃时为0.77%。在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394℃，故奥氏体的硬度低、塑性较高。渗碳体（Cementite）：是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物（Fe3C)。碳的质量分数为6.69％，熔点为1227℃，其质硬而脆，硬度很高(HB=800)，塑性和韧性很差，δ、Ak接近于零，脆性很大。珠光体(Pearlite)：由铁素体和渗碳体以层片状结构组成的机械混合物，平均含碳量为0.77%，是钢中的重要组织。珠光体的力学性能介于铁素体和渗碳体之间，其强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。4.合金元素：硅：在钢中除少量呈非金属夹杂物外,大部分溶于铁素体,当含量较低（1%）时,可提高强度，而对塑性和韧性影响不明显。是我国低合金钢的主加合金元素，作用主要是提高强度。锰：锰溶于铁素体中。它的作用主要是消减硫和氧引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善，并能提高强度。是我国低合金钢的主加合金元素，含锰量一般在1%～2%范围内，其作用主要是固溶强化，并细化珠光体，使强度提高。钛：是强脱氧剂，而且能细化晶粒。因而能显著提高强度，并可改善韧性，但稍降低塑性。钛还能减少时效倾向，改善可焊性。钒：是强的碳化物和氮化物形成元素。能细化晶粒，提高强度，减少时效倾向，但会增加焊接时的淬硬倾向。铌：是强的碳化物和氮化物形成元素。能细化晶粒，提高强度。有害元素：磷：是碳钢中的有害元素。主要溶于铁素体中起强化作用。其含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降，特别是温度愈低，对韧性和塑性的影响愈大，磷在钢中的偏析作用强烈，使钢材冷脆性增大，并显著降低钢材的可焊性。磷可提高钢的耐磨性和耐腐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。硫：是很有害的元素。呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，具有强烈的偏析作用，降低各种机械性能。硫化物造成的低熔点使钢在焊接时易于产生热裂纹，显著降低可焊性。氧：为有害元素。主要存在于非金属夹杂物内，少量溶于铁素体中，非金属夹杂物会降低钢的力学性能，特别是韧性，氧有促进时效倾向的作用，氧化物造成的低熔点亦使钢的可焊性变差。根据脱氧程度钢分为：镇静钢、沸腾钢、半镇静钢。氮：氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著下降。氮可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。5.钢材抗拉性能的主要技术指标:屈服强度(ReL,Rτ0.2)抗拉强度(Rm)强曲比(Rm/ReL)＞1.2伸长率(A):100100%lll冷弯性能：是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力.冲击韧性：指钢材抵抗冲击荷载的能力。用钢材的冲击韧性值ak表示：kkAF影响钢材冲击韧性的因素：化学成份内部组织状态冶炼和轧制质量温度（冷脆性）：指钢材冲击韧性随温度的降低而下降，开始较平缓，当达到某一温度范围时，突然下降很多而呈脆性的现象。这时的温度称为脆性临界温度。时间（时效）：随时间的延长而表现出的强度提高，塑性和冲击韧性下降的现象。因时效而导致性能改变的程度称为时效敏感性。硬度：指钢材表面局部体积内抵抗外物压入产生塑性变形的能力。测定的方法有：布氏法、洛氏法、维氏法常用布氏法和洛氏法。材料的硬度是其弹性、塑性、变形强化率、强度和韧性的综合反映耐疲劳性：在交变应力作用下，钢材在远低于抗拉强度是发生断裂的现象称为钢材的疲劳破坏。6.钢材的冷加工强化及时效强化：在常温下，将钢材进行冷拉、冷拔或冷轧，产生塑性变形，从而提高屈服强度，称为冷加工强化。将冷加工后的钢材于常温下存放15~20天，或在100~200。C下保持一定时间，称为时效（自然时效和人工时效）处理。7.钢材的热处理：指将钢材按一定的规则加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要的性能