2015年结构工程师考试重点辅导:材料的结构与构造

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    材料的结构与构造

　　建筑材料的性质与其结构、构造有着密切关系。也可以说材料的结构、构造是决定建筑材料性质的极其重要因素。因此,要掌握建筑材料性质,合理使用材料并能解决某些工程问题的话,就需要具备材料结构、构造的有关知识。 研究材料的结构大体上可以划分为:宏观结构、亚微观结构和微观结构三个

　　1.材料的微观结构

　　这里所指的结构是指物质的原子、分子层次的微观结构。一般要借助于电子显微镜、X射线衍射仪等具有高分辨率的设备进行观察、分析,其分析程度是以"埃" (1A=10-10m)为单位表示的。材料的许多物理性质,如强度、硬度、弹塑性、导热性等都有密切的关系。材料的结构可以分为晶体、玻璃体和胶体。

　　晶体是指材料的内部质点(原子、分子或离子)呈现规则排列的、具有一定结晶形状的固体。因其各个方向的质点排列情况和数量不同,故晶体具有各向异性的性质。然而,晶体材料又是由大量排列不规则的晶粒组成,因此,所形成的材料整体又具有各向同性的性质例如:石英、金属等均属于晶体结构。

　　按晶体质点及结合键的特性,可将晶体分成:原子晶体、离子晶体、分子晶体和金属晶体。不同种类的晶体所构成的材料表现出的性质不同。

　　(1)原子晶体是由中性原子构成的晶体,其原子之间由共价键来联系。原子之间靠数个共用电子结合,具有很大的结合能,结合比较牢固,因而这种晶体的强度、硬度与熔点都是比较高的。石英、金刚石、碳化硅等属于原子晶体。

　　(2)离子晶体是由正、负离子所构成的晶体。因为离子是带电荷的,它们之间靠得失电子,产生所形成的离子键来结合。离子晶体一般比较稳定,其强度、硬度熔点较高,但在溶液中要离解成离子,如NaCl、KCl、MgCl等。

　　(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。因为这种结合力较弱,故其硬度小,熔点也低。一般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列成一定形式的晶格,如体心立方晶格、面心立方晶格和紧密六方晶格。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。

　　在金属材料中,晶粒的形状和大小也会影响材料的性质。常采用热处理的办法,使金属晶粒产生变化,以收到调节和控制金属材料机械性能(强度、韧性、硬度等)的效果。金属晶体在外力作用下具有弹性变形的特点。当外力达到一定程度时,由于某一晶面上的剪应力达到一定限度,沿该晶面发生相对的滑动,因而材料产生塑性变形。软钢和一些有色金属(铜、铝等)都是具有塑性的材料。

　　玻璃体是熔融的物质经急冷而形成的无定形体,是非晶体。熔融物经慢冷,内部质子可以进行规则地排列而形成晶体;若是冷却速度较快,达到凝固温度时,它还具有很大的粘度,致使质点来不及按一定的规则进行排列,就已经凝固成为固体,此时得到的就是玻璃体结构。因其质点排列无规律,具有各向同性,而且没有固定的熔点,熔融时只出现软化现象。

　　由于在急冷过程中,质点间的能量以内能的形式储存起来,使玻璃体具有化学不稳定性,即具有潜在的化学活性,在一定条件下容易与其他物质发生化学反应。如:火山灰、粒化高炉矿渣等。

　　胶体是指一些细小的固体粒子(直径约1 ~100μm)分散在介质中所组成的结构。一般属于非晶体。由于胶体的质点很微小,表面积很大,所以表面能很大,吸附能力很强,使胶体具有很强的粘结力。

　　胶体由于脱水或质点凝聚作用,而逐渐产生凝胶。凝胶体具有固体性质,在长期应力作用下又具有粘性液体的流动性质。这是由于固体微粒表面有一层吸附膜,膜层越厚,流 动性越大。如:混凝土的强度及变形性质与水泥水化形成的凝胶体有很大的关系。

　　非晶体材料在外力作用下,其弹性变形和塑性变形没有明显的界限,一般会同时产生 弹性变形和塑性变形。

　　2.亚微观结构

　　亚微观结构也称为细观结构。一般是指用光学显微镜所能观察到的材料结构。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,可分析材料的结构组织分析天然岩石的矿物组织;分析金属材料品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;观察木材的木纤维、导管、髓线、树脂道等显微组织;分析组成混凝土材料的粗细骨粒、水泥石(包括水泥的水化产物及未水化颗粒)以及孔隙等。

　　材料内部各种组织的性质各不相同,这些组织的特征、数量、分布,以及界面之间的结合情况都对建筑材料的整体性质起着重要的影响作用。因此,研究分析材料的亚微观结构是有其非常重要意义的。

　　3.材料的宏观结构

　　建筑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。

　　建筑材料的宏观结构(构造) ,按孔隙尺寸可以分为:

　　(1)致密结构基本上是无孔隙存在的材料。例如钢铁、有色金属、致密天然石材、玻璃、玻璃钢、塑料等。

　　(2)多孔结构是指具有粗大孔隙的结构。如加气混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料、人造轻质材料等。

　　(3)微孔结构是指微细的孔隙结构。在生产材料时,增加拌和水量或掺入可燃性掺料,由于水分蒸发或烧掉某些可燃物而形成微孔结构。如石膏制品、黏土砖瓦等。

　　按构成形态可分为:

　　(1)聚集结构是由骨料与胶凝材料结合而成的材料。它所包括的范围很广,如水泥混凝土、砂浆、沥青混凝土、石棉水泥制品、木纤维(或刨花)水泥板,以及烧土制品、陶瓷、增强塑料等材料均可属于这类结构。

　　(2)纤维结构是指木材纤维、玻璃纤维及矿物棉等纤维材料所具有的结构。其特点是平行纤维方向与垂直纤维方向的强度及导热性等性质都具有明显的方向差异,即各 性性质。其使用方式有散铺、制成毡片或织物,以及胶结成板材等。

　　(3)层状结构采用粘结或其他方法将材料叠合成层状的结构。如胶合板、木质叠合人造板、纸面石膏板、蜂窝夹芯板、隔热芯料金属板和层状填料塑料板等。

　　(4)散粒结构是指松散颗粒状结构。如混凝土骨料、用做绝热材料的粉状或粒状的填充料等。

　　从宏观、亚微观和微观三个不同层次的结构上来研究建筑材料的性质才能深入其本质,对改进与提高材料性能以及开发新型材料都有着重要意义。