1、材料的定义为了达到特定的目的，而为人类所使用的物质。材料是由一定配比的若干相互作用的元素所构成，具有一定的结构层次和确定的性质，并能用于制造工具、器件、设备和建筑物等的系统。土木工程师需要具有的材料知识材料的使用性能材料的使用性能：它们在使用中的行为它们在使用中的行为?材料对外界作用的反应。强度、体积稳定性、耐久性、工作性材料性能的本质材料性能的本质：它们为什么有这么行为它们为什么有这么行为?材料组成、结构与性能的关系材料性能的利用和改善材料性能的利用和改善：我们可以做哪些我们可以做哪些来改善他们的行为来改善他们的行为?v本书所涉及的建筑材料：v承受荷载的结构工程材料v主要关心其力学性能、变形
2、性能（体积稳定性）、耐久性能、工作性能。内 容v1.1 物质的存在状态与结合力v1.2 物体受力时的变形性能v1.3 固体的界面行为v1.4 材料的断裂与强度v本章不系统教授材料科学理论，只讨论涉及建筑材料性能的几个方面。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.1 物质的存在状态与结合力物质的存在状态与结合力v 世界上所有物质由世界上所有物质由100余种元素余种元素组成。不同化学组成的物质具有不组成。不同化学组成的物质具有不同的性质，同样化学组成的物质也同的性质，同样化学组成的物质也可能具有不同性质。可能具有不同性质。v v物质的三种单相存在状态：物质的三种单相存在状态：v气
3、体气体、液体液体、固体固体v 胶体物质：胶体物质：v复相物质，由气、液、固三种复相物质，由气、液、固三种物质中的两种构成的高分散体系。物质中的两种构成的高分散体系。v1.1.1 固体物质固体物质v具有确定的宏观外形（不可自由变形）的具有确定的宏观外形（不可自由变形）的物质。组成固体的内部质点彼此之间有相对固物质。组成固体的内部质点彼此之间有相对固定的几何关系。使质点保持这种几何关系的作定的几何关系。使质点保持这种几何关系的作用力即化学键。用力即化学键。v固体物质可分为：晶体（如金属）与非晶固体物质可分为：晶体（如金属）与非晶体（如玻璃）体（如玻璃）包含什么包含什么？第第 1 1 章章 建筑材料
4、科学基础建筑材料科学基础v 原原子子间间力力v引引力力fa：原原子子间间异异性性电电荷荷的的相相互互吸吸引引力力，随随原原子子间间距距的的减减小小而而呈呈指指数数增增长。长。v斥斥力力fr：原原子子间间同同性性电电荷荷的的相相互互排排斥斥力力及及电电子子云云相相互互 重重叠叠所所引引起起的的斥斥力。力。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础rrrFU斥力引力r0fafrftUaUrUt原子间相互作用力（F）、能量（U）与原子间距（r）的关系dU/dr=0v当当 I fa I=I fr I，合力为零，原合力为零，原子处于稳定状态，体系的能量最子处于稳定状态，体系的能量最低。此时所对
5、应的能量低。此时所对应的能量E0为物质为物质中原子的结合能。中原子的结合能。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v从物质内部原子间作用力与间距，原子间结合能与间距的关系，可得出如下结论：v1）当材料受拉或受压时，外力和材料长度成正比，即著名的虎克定律（F=kr），Fr曲线在r=r0时的斜率即为通常定义的材料弹性模量（刚度）。v2）Fr曲线在平衡位置两侧是对称的，所以材料的刚度在拉伸和压缩时相同。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v3）原子间引力存在最大值，即材料受拉应力有极限值。v4）原子间斥力可以无限增大，
6、所以材料不会受压破坏，在压力作用下材料破坏仍由材料内拉应力或剪切应力达到其极限值而引起。v5）温度升高，原子震动加剧，其间距增大，因而材料受热时向各向膨胀；由于原子震动将削弱原子间的结合强度，因此温度升高，材料抗拉强度降低。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.1.2 胶体物质胶体物质v由具有物质三态(固、液、气）中某种状态的高分散粒子作为分散相，分散于另一相（分散介质）中所形成的系统。v v特特性：性：v流变性；聚结不稳定性；触变性v常常见见固固液液两两相相胶胶体体种种类：类：v溶胶，凝胶 第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v问题：问题：v试举出生活中常
7、见胶体的例子？试举出生活中常见胶体的例子？沥青，果冻，水泥浆，泥浆胶体的例子触变性与反触变性v触变性：触变性：v 泥浆在静置以后变稠和凝固，但再次搅拌则可恢复原来的流动状态。即泥浆的粘度随剪切变形速率增大而减小。v反触变性：反触变性：v 泥浆在搅拌时变稠和凝固，静止以后又可恢复原来的流动状态。即泥浆的粘度随剪切变形速率增大而增大。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础混凝土路面摊铺钻井泥浆结构基础下的流砂和土壤液化触变性的应用：滑模摊铺滑模摊铺土壤液化液化就是饱和砂质土壤由地震导致突然失去强度液化就是饱和砂质土壤由地震导致突然失去强度.摇动引起饱和的土壤沉淀下来摇动引起饱和的土壤
8、沉淀下来,占有更小的体积占有更小的体积.土地土地“液化液化”，结构物就处在水层上，结构物就处在水层上.引起建筑物沉降，倾斜，土坝失效引起建筑物沉降，倾斜，土坝失效.为了探测一个地区是否易于液化为了探测一个地区是否易于液化,必须钻深达必须钻深达30 m的孔洞分析土壤的地质概况的孔洞分析土壤的地质概况。费用的原因，这项工作很少去做。费用的原因，这项工作很少去做。土壤液化日本，新滹新滹,1964v流体能自由变形流体能自由变形v固体不能自由变形固体不能自由变形v理想刚体理想刚体与与实际材料实际材料的差异的差异第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础1.2 物体受力时的变形性能物体受力时的变
9、形性能弹模无限大弹模无限大内部质点相对内部质点相对位置固定位置固定有限弹模有限弹模内部质点相对内部质点相对位置可变位置可变第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.2.1.弹性体弹性体v1）应力）应力v正应力：正应力：v剪切应力：剪切应力：v应力单位：应力单位：N/m2(Pa),N/mm2(MPa)FFAFA1A2AFFA第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v2)应变应变v正正应变应变:v剪切剪切应变应变:v应变无量纲应变无量纲LLLLLLLL第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v3)3)应力与应变的关系应力与应变的关系vE称为杨氏弹性模量vG称
10、为剪切模量vE，G 的量纲：Pa,MPa,GPav只发生弹性变形的物体称为弹性体。0EEG虎克定律第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v4)4)材料的泊松比（材料的泊松比（Poissons Ratio)v ：材料的泊松比材料的泊松比LLLLLLLLL第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v几种典型几种典型v材料的弹材料的弹v性模量及性模量及v泊松比泊松比材料种类弹性模量(1010N/m2)泊松比金刚石1140.07氧化镁310.19混凝土2.0-4.00.20石英玻璃70.20氧化铝400.23铁20.70.29铝6.90.33铜110.33聚乙烯0.020.39
11、硬橡胶0.40.4天然橡胶10-4-10-30.49第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v5)5)材料的体积模量材料的体积模量v在弹性范围内，固体在各向相同的应在弹性范围内，固体在各向相同的应v力（力（）作用下，其自身的体积变化作用下，其自身的体积变化v（V=V2-V1）与所加应力之间服从与所加应力之间服从v如下关系：如下关系：vK 称为称为材料的体积模量材料的体积模量VVK第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v6)6)固体材料常数之间的关系固体材料常数之间的关系v四个材料常数（四个材料常数（E E，G G，K K，）中，只中，只有两个是独立的，对各向同性材料，
12、有有两个是独立的，对各向同性材料，有)1(2EG)21(3EKv因为因为v为了在变形过程中使物体体积不变，应有=0.5，此为理想流体。v只有橡胶的泊松比泊松比接近0.5。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础)1(2)21(3KGv一般金属材料的泊松比泊松比为0.290.33。v大多数无机非金属材料的泊松比泊松比为 0.20.25。v这些材料在单向拉伸时体积增大这些材料在单向拉伸时体积增大。因为拉应力作用方向上原子间距地增加会促使侧向收缩，但原子之间的排斥力又会限制这种收缩，使其达不到维持体积不变所必需的收缩量。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v7)7)弹性变
13、形能弹性变形能20211EALdVUv1.2.2.理想流体（牛顿流体）理想流体（牛顿流体）v 组成流体的微粒可以自由运动，所以即使很小的外力也可以引起流体的不可逆流动。v对于理想流体理想流体：第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础t dd：粘性系数（粘度）v液液体体具有体积模量，但没有剪切模量。v固固体体既具有体积模量，也有剪切模量。v 是否具有剪切模量，是固体与液体的区别所在。v1.2.3.塑性体塑性体v 剪切应力小于屈服应力屈服应力时不发生变形；当剪切应力达到屈服应力屈服应力时立即发生极大剪切变形。v 这种在瞬间发生的极大变形，称为塑性流动。v 具有这种性质的理想物体称为塑性
14、体塑性体。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.2.4.真实物体真实物体v 同时具有弹性、粘性和塑性。vv真实物体在外力的作用下产生的变形，特别是与作用时间有关的变形，是流变学流变学研究的内容。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.2.5.粘弹性粘弹性(d)(C)(b)应力t=0加载(a)时间时间时间时间卸载应力应变应变应变随时间逐渐增加，趋近极限徐变应力松弛粘粘性性迄迄今今为为止止讨讨论论的的材材料料性性能能均均为为材材料料对对应应力力的的短短期期响
15、响应应。如如果果材材料料是是理理想想的的弹弹性性体，体，只只需需要要考考虑虑一一种种响响应。应。但但大大多多数数建建筑筑材材料料存存在在对对应应力力的的附附加加响响应应成成分，分，它它是是随随时时间间变变化化的。的。材材料料的的变变形形随随受受力力时时间间延延长长而而增增加，加，这这种种性性能能叫叫材材料料的的粘粘性性。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v混凝土徐变混凝土徐变tt=00t不可恢复变形-塑性dtd粘性系数或粘度第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v新拌水泥浆剪切变形与时间的关系新拌水泥浆剪切变形与时间的关系tt=00tdtd粘性系数或粘度第第 1
16、 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v粘弹性粘弹性v材料既具有弹性性质，又具有粘性性质，材料既具有弹性性质，又具有粘性性质，我们称该材料为具有粘弹性的材料。我们称该材料为具有粘弹性的材料。v问题：如何用流变学模型问题：如何用流变学模型v来描述材料的粘弹性？来描述材料的粘弹性？t0t第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v描述材料粘弹性的基本流变学模型描述材料粘弹性的基本流变学模型va)弹性元件弹性元件vb)粘性元件粘性元件vc)塑性元件塑性元件abcEdtddtdff任意值0f 为两滑块间的最大摩擦力第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v麦克斯韦（麦克斯韦
17、（Maxwell）模型（通常用来描述混模型（通常用来描述混凝土徐变及应力松弛）凝土徐变及应力松弛）dtEtFS0 SFSE因为：dtdFv有：第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础tttEFSdd1dddd1两式相加，得到Maxwell流变方程ttttEFSdddddd1dd1Maxwell模型同时具有弹性和粘性。由于串联粘性元件，在微小外力作用下，变形将持续增加。Maxwell模型本质上是液体。模型本质上是液体。v对恒定荷载：对恒定荷载：=0时时vE，纯粘性体纯粘性体v ，纯弹性体纯弹性体第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础)1(0tEtt=00/E当应力不变时
18、应变逐渐增加的现象称为徐变徐变问题：当t 时，是否合理？例如混凝土徐变tt=00/E第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v对恒定变形：对恒定变形：=0时时v 解此微分方程，并注意当解此微分方程，并注意当t=0时时v =0，有有v EdtdtEexp0t0t=0应力松弛公式在一定时间内，应力松弛程度取决于材料参数E与的比值。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v开尔文（开尔文（Kelvin）模型模型v=0时时,解此微分方程，并注解此微分方程，并注v意当意当t=0时时=0，有有v当当t 时时，=0/E EdtdEEtEEexp10t0/E开尔文模型推迟模型v如果只有
19、弹性元件，当应力作用时，应变立即达到最大值。当并联粘性元件后，应变被推迟了。v如果开尔文模型在发生应变 0 后突然卸载，=0，有，有：v即卸载后应变逐渐减小，称为弹性后效。即卸载后应变逐渐减小，称为弹性后效。tEe)/(0Maxwell 模型 -松弛时间理想固体:能够无限的承受应力,即 =。理想流体:松弛与加载同时完成,例如水的松弛时间为=10-11s。短长理想固体理想流体Maxwell 模型 -松弛时间松弛时间 恒定，如果加载速度足够快,t ,那么材料呈现流动性。例如，许多聚合物如沥青。徐变徐变 与 加载速度加载速度vRaphael在大坝混凝土的试验研究中认为，提高压应力的加载速率3个数量级
20、(地震中可能出现的情况)强度提高大约30%。相对于加载速度为0.2 MPa/s时的百分比v应用麦克斯韦应用麦克斯韦模型与开尔文模型与开尔文模型模拟徐变现象时的异同。模型模拟徐变现象时的异同。t0/Ett=00/E第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础f宾汉姆（Bingham）模型:某些材料，如油漆，从流动性方面看似乎是粘性液体；但将其刷在垂直墙面，却可以承受一定的剪应力而不流走，又具有固体的性质。可用右图所示模型表示：第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v当 f 时，=0，所以d/dt=0v当 f 时，dtdffdtdd/dtf第第 1 1 章章 建筑材料科学基础
21、建筑材料科学基础v2）求解如图所试体系求解如图所试体系v的流变方程，并分析的流变方程，并分析恒定应力及恒定应变两恒定应力及恒定应变两种特例，做种特例，做t及及t图图。E1E2第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.3 固体界面行为固体界面行为v任何材料都是以各种性质的界面相临接的。任何材料都是以各种性质的界面相临接的。v 固固 固界面；固界面；固固 气界面；气界面；固固 液界面液界面v（表面）v界面界面：两个相之间的分界面。v表面表面：界面的一种，固-气界面v表面的特殊性：v化学键不饱和，具有表面能。v纳米材料科学的发展。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础考
22、虑边长分别为1000个和10个原子的立方体，表面原子数占总原子数的比例。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.3.1 1.3.1 表面能与表面张力表面能与表面张力v1 1）表面张力：液体或固体）表面张力：液体或固体v表面上存在着一种力图缩小表面上存在着一种力图缩小v表面的张力，我们称这种张表面的张力，我们称这种张v力为材料的表面张力。通常力为材料的表面张力。通常v用单位长度上的力来表示用单位长度上的力来表示(N/mN/m）。）。v2 2）表面能：把材料内部的原）表面能：把材料内部的原v子移到表面，需要克服原子间子移到表面，需要克服原子间v的引力而做功。形成单位表面的引力而做
23、功。形成单位表面v所做的功即为材料的表面能所做的功即为材料的表面能(J/mJ/m2 2)。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v3)3)表面能与表面张力的关系表面能与表面张力的关系v在液体状态下，表面能与表面张力等值。在液体状态下，表面能与表面张力等值。v可扩展框中的肥皂膜实验可扩展框中的肥皂膜实验xLWxLxfW22表面能，U肥皂膜肥皂膜 xfL固体表面能与表面张力不等第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.3.2 1.3.2 吸附、湿润与粘附吸附、湿润与粘附 v1 1）吸附）吸附v由于固体或液体表面存在着大由于固体或液体表面存在着大v量具有不饱和键的原子或
24、离子，量具有不饱和键的原子或离子，v它们都能吸引外来的原子或分它们都能吸引外来的原子或分v子而产生吸附。子而产生吸附。v吸附的作用：可改变固体表面的结构和性质，吸附的作用：可改变固体表面的结构和性质，如如v降低材料的表面能及强度（由于吸附使微裂纹降低材料的表面能及强度（由于吸附使微裂纹表表v面能下降。面能下降。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v2 2）润湿）润湿v当液体与固体表面相结触时，能使固体的表面能当液体与固体表面相结触时，能使固体的表面能降低，这种现象称为润湿。润湿的程度与两相之降低，这种现象称为润湿。润湿的程度与两相之间的表面张力有关。间的表面张力有关。A lv
25、sl sv蒸气液体固体 lvslsvcos（1）0sv-sl lv 则 90o,固体能被液体润湿（2）sv-sl=lv 则 =0，固体完全被液体润湿（3）sv 90o，固体不能被液体润湿v毛细作用：毛细作用：v毛细管半径为毛细管半径为r，表面张力为表面张力为LV，则有：则有：第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础rhhrrLVLVcos21cos22所以，水柱高度由于第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.4 材料的断裂与强度材料的断裂与强度v材料抵抗外力破坏的能力称为材材料抵抗外力破坏的能力称为材料的强度，通常用材料所受极限应力料的强度，通常用材料所受极限应力
26、来表达。来表达。v1.4.1 材材料料的的实实际际强强度度与与理理论论强强度度v(1)定定义义:v理理论论强强度度：克克服服固固体体内内部部质质点点间间的的结结合合力，力，形形成成两两个个新新表表面面时时所所需需应应力力的的大大小。小。v实实际际强强度度：通通过过试试验验测测得得的的强强度度为为材材料料的的实实际际强强度。度。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础0.000.501.001.502.00Strain(%)0.001.002.003.004.00Tensile stress(M P a)W ater curing 28 days第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建
27、筑材料科学基础v(2)理论强度的推算理论强度的推算vOrowan原子间力与原子间距的关系模型原子间力与原子间距的关系模型 v th为理论结合强度为理论结合强度,为正为正v弦曲线的波长。弦曲线的波长。分开单位面分开单位面v积原子平面所做的功积原子平面所做的功W为为xoa0/2xth2sinthththdxxW2/02sinv设材料表面能为设材料表面能为U（形成单位表面积所需（形成单位表面积所需要的能量），则要的能量），则W2U。v有：有：Uth2Uth22thU第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v如何求解如何求解？由虎克定律：由虎克定律：v va为晶格间距为晶格间距v v ax
28、EEaxExxthth22sin2thaEaEUth100aEU 10Eth第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v实际材料中只有一些极细的纤维和晶须，实际材料中只有一些极细的纤维和晶须，其实际强度接近理论强度，例如：熔融的其实际强度接近理论强度，例如：熔融的石英玻璃纤维的强度可达石英玻璃纤维的强度可达24.1GPa，约为约为E/4。实际尺寸较大的材料的实际强度远实际尺寸较大的材料的实际强度远比理论强度低。比理论强度低。v那么，这是为什么？那么，这是为什么？10Eth第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v1.4.2 微微裂纹理论裂纹理论v1）应力集中）应力集中vI
29、nglis 结果：结果：2a2b x y x y,max x,maxyxabay22/1max21第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v2）断裂模式（裂纹尖端过程区的概念）断裂模式（裂纹尖端过程区的概念）小中大脆性亚脆性塑性第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v3）Griffith 能量理论（适用于脆性材料）能量理论（适用于脆性材料）v设有一块无限大的单位厚度的薄板，v在均匀外力作用下产生一条长度为v2a的微裂纹，生成微裂纹时，其周v围材料弹性应变能减少量为：v形成裂纹所需的表面能：2aEaEVU22221aT4 第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学
30、基础v3）Griffith 能量理论（适用于脆性材料）能量理论（适用于脆性材料）v裂纹扩展所需的能量为：v当dW/da=0时，裂纹将自动扩展v相应的应力为临界应力，裂纹长v度为临界裂纹长度，即EaaUTW224能量能量aTUWa00242EadadWccccaE2断裂强度判据v如果脆性材料中有一些尺寸不等裂纹，则断裂强度由最严重点裂纹，也就是最长的裂纹决定。第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v3）Griffith 能量理论（用于塑性材料）能量理论（用于塑性材料）v必需引入扩展裂纹所需的塑性功，vP，即v通常P，如高强钢P103，v普通强度钢P=104106）v结论：1）对塑性材料，P控制断裂过程；v 2）塑性是阻止裂纹扩展的重要因素之一2a塑性区塑性区cPcaE)(2第第 1 1 章章 建筑材料科学基础建筑材料科学基础v断裂韧性断裂韧性 k1C：判断材料是否容易发生脆性断裂的依据。1CckYaY：几何因子。可以由理论计算得到，也可以实验测定。k1C反映材料内部微裂纹尖端附近区域局部应力的极限状态。材料的应力因子k1不能大于k1C，材料在使用时才是安全的。
