《物质的存在状态,受力时的变形性能,界面性能,断裂与强度_建筑材料讲解》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物质的存在状态,受力时的变形性能,界面性能,断裂与强度_建筑材料讲解（83页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 第 1 章 建筑材料科学基础 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：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：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：我们可以做哪些 来改善他们的行为? 本书所涉及的建筑材料： 承受荷载的结构工程材料 主要关心其力学性能、变形性能（ 体积稳定性）、耐久性能、工作性能。 内 容 1
2、.1 物质的存在状态与结合力 1.2 物体受力时的变形性能 1.3 固体的界面行为 1.4 材料的断裂与强度 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 1 章 建筑材料科学基础 1.1 物质的存在状态与结合力 世界上所有物质由100余种元 素组成。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 也可能具有不同性质。 物质的三种单相存在状态： 气体、液体、固体 胶体物质： 复相物质，由气、液、固三种 物质中的两种构成的高分散体系。 1.1.1 固体物质 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 定的几何关系。使质点保持这
3、种几何关系的作 用力即化学键。 固体物质可分为：晶体（如金属）与非晶 体（如玻璃） 包含什么？ 第 1 章 建筑材料科学基础 原子间力 引力fa：原子间异性电荷的相互吸引 力 ，随原子间距的减小而呈指数增长。 斥力fr ：原子间同性电荷的相互排斥 力及电子云相互 重叠所引起的斥力。 第 1 章 建筑材料科学基础 r rr FU 斥力 引力 r0 fa fr ft Ua Ur Ut 原子间相互作用力（F）、能量（U）与原子间 距（r）的关系 dU/dr=0 当 I fa I=I fr I，合力为零，原 子处于稳定状态，体系的能量最 低。此时所对应的能量E0为物质 中原子的结合能。 第 1 章 建
4、筑材料科学基础 第 1 章 建筑材料科学基础 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： 1）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）。 2）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 1 章 建筑材料科学基础 3）原子间引力存在最大值，即材料受拉 应力有极限值。 4）原子间斥力可以无限增大，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。 5）温度升高，原子震动加剧，其间距增 大，因而材
5、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 1 章 建筑材料科学基础 1.1.2 胶体物质 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。 特性： 流变性；聚结不稳定性；触变 性 常见固液两相胶体种类： 溶胶，凝胶 第 1 章 建筑材料科学基础 问题： 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 分散相周围相类型例子 气体液体 固体 泡沫 固体泡沫 肥皂水 引气混凝土 液体气体 液体 气雾 乳状液 烟雾, 喷雾 乳化沥青 固体气体 液体 固体 烟雾 固
6、体 分散的固体 硅灰, 粉煤灰 水泥浆 土悬浮液 氧化钍镍合金 触变性与反触变性 触 变 性 ： 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 。 反 触 变 性 ： 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 1 章 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：
7、 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. 摇动引起饱和的土壤沉淀下来,占有更 小的体积. 土地“液化” ，结构物就处在水层 上. 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, 必须钻深 达30 m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。 土壤液化 日本，新滹,1964 流体能自由变形 固体不能自由变形 理想刚体与实际材料 的差异 第 1 章 建筑材料科学基础 1.2 物体受力时的变形性能 弹模无限大 内部质点相对 位置固定 有限弹模 内部质点相对 位置可变 第 1 章 建筑材料科学基础 1.2.1. 弹性体 1）应力
8、 正应力： 剪切应力： 应力单位：N/m2 (Pa), N/mm2 (MPa) FF A1A2 F A 第 1 章 建筑材料科学基础 2) 应变 正应变: 剪切应变: 应变无量纲 L L L L 第 1 章 建筑材料科学基础 3)应力与应变的关系 E称为杨氏弹性模量 G称为剪切模量 E，G 的量纲：Pa, MPa, GPa 只发生弹性变形的物体称为弹性 体。 0 E 虎克定律 第 1 章 建筑材料科学基础 4)材料的泊松比（Poissons Ratio) ：材料的泊松比 L L L L L 第 1 章 建筑材料科学基础 几种典型 材料的弹 性模量及 泊松比 第 1 章 建筑材料科学基础 5)材
9、料的体积模量 在弹性范围内，固体在各向相同的应 力（）作用下，其自身的体积变化 （V=V2-V1）与所加应力之间服从 如下关系： K 称为材料的体积模量 第 1 章 建筑材料科学基础 6)固体材料常数之间的关系 四个材料常数（E，G，K，）中，只 有两个是独立的，对各向同性材料，有 因为 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。 只有橡胶的泊松比接近0.5。 第 1 章 建筑材料科学基础 一般金属材料的泊松比为0.29 0.33。 大多数无机非金属材料的泊松比为 0.20.25。 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
10、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 1 章 建筑材料科学基础 7)弹性变形能 1.2.2. 理想流体（牛顿流体） 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。 对于理想流体： 第 1 章 建筑材料科学基础 ：粘性系数（粘度） 液体具有体积模量，但没有剪 切模量。 固体既具有体积模量，也有剪 切模量。 是否具有剪切模量，是固体 与液体的区别所在。 1.2.3. 塑性体 剪切应力小于屈服应力时不发生变 形；当剪切应力达到屈服应力时立即发生极 大剪切变形。 这种在瞬间发生的极大变形，称为 塑性流动。 具有这种性质的理想物体称为
11、塑性体 。 第 1 章 建筑材料科学基础 1.2.4. 真实物体 同时具有弹性、粘性和塑 性。 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，是流变学研究的内容。 第 1 章 建筑材料科学基础 第 1 章 建筑材料科学基础 第 1 章 建筑材料科学基础 1.2.5. 粘弹性 应变随时间逐渐增加，趋近极限 徐变 应力松弛 粘性 迄今为止讨论的材料性能均为材 料对应力的短期响应。 如果材料是理想的弹性体，只需 要考虑一种响应。但大多数建筑材料 存在对应力的附加响应成分，它是随 时间变化的。 材料的变形随受力时间延长而 增加，这种性能叫材料的粘性。 第 1 章 建筑材料科学基础
12、混凝土徐变 t t=0 0 t 不可恢复变形-塑性 粘性系数或粘度 第 1 章 建筑材料科学基础 新拌水泥浆剪切变形与时间的关系 t t=0 0 t 粘性系数或 粘度 第 1 章 建筑材料科学基础 粘弹性 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。 问题：如何用流变学模型 来描述材料的粘弹性？ t 0 t 第 1 章 建筑材料科学基础 描述材料粘弹性的基本流变学模型 a)弹性元件 b)粘性元件 c)塑性元件 a b c f 为两滑块间的最大摩擦力 第 1 章 建筑材料科学基础 麦克斯韦（Maxwell）模型（通常用来描述 混凝土徐变及应力松弛） S F因为： 有：
13、第 1 章 建筑材料科学基础 两式相加，得到Maxwell流变方程 Maxwell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。 对恒定荷载： = 0时 E，纯粘性体 ，纯弹性体 第 1 章 建筑材料科学基础 t t=0 0/E 当应力不变时应变逐渐增加的现象称为徐变 问题： 当t 时， ，是否合理？ 例如混凝土徐变 t t=0 0/E 第 1 章 建筑材料科学基础 对恒定变形： = 0时 解此微分方程，并注意当t=0 时 = 0 ，有 t 0 t=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
14、 1 章 建筑材料科学基础 开尔文（Kelvin）模型 = 0时, 解此微分方程，并注 意当t=0时=0，有 当t 时 ，=0/E E t 0/E 开尔文模型推迟模型 如果只有弹性元件，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。 如果开尔文模型在发生应变 0 后突然卸载 ， = 0，有： 即卸载后应变逐渐减小，称为弹性后效。 Maxwell 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
15、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 与 加载速度 Raphael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(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 应用麦克斯韦模型与开尔文 模型模拟徐变现象时的异同。 t 0/E t t=0 0/E 第 1 章 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 1 章 建筑材料科学基础 当
16、 f 时， =0，所以d /dt=0 当 f 时， d /dt f 第 1 章 建筑材料科学基础 2）求解如图所试 体系 的流变方程，并分 析恒定应力及恒定应变 两种特例，做t及t 图。 E1 E2 第 1 章 建筑材料科学基础 1.3 固体界面行为 任何材料都是以各种性质的界面相临接 的。 固 固界面；固 气界面；固 液界 面 （ 表面） 界面：两个相之间的分界面。 表面：界面的一种，固-气界面 表面的特殊性： 化学键不饱和，具有表面能。 纳米材料科学的发展。 第 1 章 建筑材料科学基础 考虑边长分别为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 1 章 建筑材料科
