2014年結構工程師考試重點輔導:材料的結構與構造

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    材料的結構與構造

　　建筑材料的性質與其結構、構造有著密切關系。也可以說材料的結構、構造是決定建筑材料性質的極其重要因素。因此,要掌握建筑材料性質,合理使用材料并能解決某些工程問題的話,就需要具備材料結構、構造的有關知識。 研究材料的結構大體上可以劃分為:宏觀結構、亞微觀結構和微觀結構三個

　　1.材料的微觀結構

　　這里所指的結構是指物質的原子、分子層次的微觀結構。一般要借助于電子顯微鏡、X射線衍射儀等具有高分辨率的設備進行觀察、分析,其分析程度是以"埃" (1A=10-10m)為單位表示的。材料的許多物理性質,如強度、硬度、彈塑性、導熱性等都有密切的關系。材料的結構可以分為晶體、玻璃體和膠體。

　　晶體是指材料的內部質點(原子、分子或離子)呈現(xiàn)規(guī)則排列的、具有一定結晶形狀的固體。因其各個方向的質點排列情況和數(shù)量不同,故晶體具有各向異性的性質。然而,晶體材料又是由大量排列不規(guī)則的晶粒組成,因此,所形成的材料整體又具有各向同性的性質例如:石英、金屬等均屬于晶體結構。

　　按晶體質點及結合鍵的特性,可將晶體分成:原子晶體、離子晶體、分子晶體和金屬晶體。不同種類的晶體所構成的材料表現(xiàn)出的性質不同。

　　(1)原子晶體是由中性原子構成的晶體,其原子之間由共價鍵來聯(lián)系。原子之間靠數(shù)個共用電子結合,具有很大的結合能,結合比較牢固,因而這種晶體的強度、硬度與熔點都是比較高的。石英、金剛石、碳化硅等屬于原子晶體。

　　(2)離子晶體是由正、負離子所構成的晶體。因為離子是帶電荷的,它們之間靠得失電子,產(chǎn)生所形成的離子鍵來結合。離子晶體一般比較穩(wěn)定,其強度、硬度熔點較高,但在溶液中要離解成離子,如NaCl、KCl、MgCl等。

　　(3)分子晶體中性的分子由于電荷的非對稱分布而產(chǎn)生的分子極化,或是由于電子運動而發(fā)生的短暫極化所形成的一種結合力,即范德華力。因為這種結合力較弱,故其硬度小,熔點也低。一般分子晶體大部分屬于有機化合物。

　　(4)金屬晶體 金屬晶體是由金屬陽離子排列成一定形式的晶格,如體心立方晶格、面心立方晶格和緊密六方晶格。在晶格間隙中有自由運動的電子,這些電子稱為自由電子。金屬鍵是通過自由電子的庫侖引力而結合的。自由電子可使金屬具有良好的導熱性及導電性。

　　在金屬材料中,晶粒的形狀和大小也會影響材料的性質。常采用熱處理的辦法,使金屬晶粒產(chǎn)生變化,以收到調節(jié)和控制金屬材料機械性能(強度、韌性、硬度等)的效果。金屬晶體在外力作用下具有彈性變形的特點。當外力達到一定程度時,由于某一晶面上的剪應力達到一定限度,沿該晶面發(fā)生相對的滑動,因而材料產(chǎn)生塑性變形。軟鋼和一些有色金屬(銅、鋁等)都是具有塑性的材料。

　　玻璃體是熔融的物質經(jīng)急冷而形成的無定形體,是非晶體。熔融物經(jīng)慢冷,內部質子可以進行規(guī)則地排列而形成晶體;若是冷卻速度較快,達到凝固溫度時,它還具有很大的粘度,致使質點來不及按一定的規(guī)則進行排列,就已經(jīng)凝固成為固體,此時得到的就是玻璃體結構。因其質點排列無規(guī)律,具有各向同性,而且沒有固定的熔點,熔融時只出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

　　由于在急冷過程中,質點間的能量以內能的形式儲存起來,使玻璃體具有化學不穩(wěn)定性,即具有潛在的化學活性,在一定條件下容易與其他物質發(fā)生化學反應。如:火山灰、?；郀t礦渣等。

　　膠體是指一些細小的固體粒子(直徑約1 ~100μm)分散在介質中所組成的結構。一般屬于非晶體。由于膠體的質點很微小,表面積很大,所以表面能很大,吸附能力很強,使膠體具有很強的粘結力。

　　膠體由于脫水或質點凝聚作用,而逐漸產(chǎn)生凝膠。凝膠體具有固體性質,在長期應力作用下又具有粘性液體的流動性質。這是由于固體微粒表面有一層吸附膜,膜層越厚,流 動性越大。如:混凝土的強度及變形性質與水泥水化形成的凝膠體有很大的關系。

　　非晶體材料在外力作用下,其彈性變形和塑性變形沒有明顯的界限,一般會同時產(chǎn)生 彈性變形和塑性變形。

　　2.亞微觀結構

　　亞微觀結構也稱為細觀結構。一般是指用光學顯微鏡所能觀察到的材料結構。儀器的放大倍數(shù)可達一千倍左右,能有幾千分之一毫米的分辨能力,可分析材料的結構組織分析天然巖石的礦物組織;分析金屬材料品粒的粗細及其金相組織,如鋼材中的鐵素體、珠光體、滲碳體等組織;觀察木材的木纖維、導管、髓線、樹脂道等顯微組織;分析組成混凝土材料的粗細骨粒、水泥石(包括水泥的水化產(chǎn)物及未水化顆粒)以及孔隙等。

　　材料內部各種組織的性質各不相同,這些組織的特征、數(shù)量、分布,以及界面之間的結合情況都對建筑材料的整體性質起著重要的影響作用。因此,研究分析材料的亞微觀結構是有其非常重要意義的。

　　3.材料的宏觀結構

　　建筑材料的宏觀結構是指用肉眼或放大鏡能夠分辨的粗大組織。其尺寸約為毫米級大小,以及更大尺寸的構造情況。因此,這個層次的結構也可以稱為宏觀構造。

　　建筑材料的宏觀結構(構造) ,按孔隙尺寸可以分為:

　　(1)致密結構基本上是無孔隙存在的材料。例如鋼鐵、有色金屬、致密天然石材、玻璃、玻璃鋼、塑料等。

　　(2)多孔結構是指具有粗大孔隙的結構。如加氣混凝土、泡沫混凝土、泡沫塑料、人造輕質材料等。

　　(3)微孔結構是指微細的孔隙結構。在生產(chǎn)材料時,增加拌和水量或摻入可燃性摻料,由于水分蒸發(fā)或燒掉某些可燃物而形成微孔結構。如石膏制品、黏土磚瓦等。

　　按構成形態(tài)可分為:

　　(1)聚集結構是由骨料與膠凝材料結合而成的材料。它所包括的范圍很廣,如水泥混凝土、砂漿、瀝青混凝土、石棉水泥制品、木纖維(或刨花)水泥板,以及燒土制品、陶瓷、增強塑料等材料均可屬于這類結構。

　　(2)纖維結構是指木材纖維、玻璃纖維及礦物棉等纖維材料所具有的結構。其特點是平行纖維方向與垂直纖維方向的強度及導熱性等性質都具有明顯的方向差異,即各 性性質。其使用方式有散鋪、制成氈片或織物,以及膠結成板材等。

　　(3)層狀結構采用粘結或其他方法將材料疊合成層狀的結構。如膠合板、木質疊合人造板、紙面石膏板、蜂窩夾芯板、隔熱芯料金屬板和層狀填料塑料板等。

　　(4)散粒結構是指松散顆粒狀結構。如混凝土骨料、用做絕熱材料的粉狀或粒狀的填充料等。

　　從宏觀、亞微觀和微觀三個不同層次的結構上來研究建筑材料的性質才能深入其本質,對改進與提高材料性能以及開發(fā)新型材料都有著重要意義。