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1、工程材料学,天津科技大学 包装与印刷工程学院 韩 永 生 2015. 8,课 程 介 绍,课程名称： 工程材料学 课程性质： 选修课 教 材: 工程材料性能与选用 课 程 号： 0604060106 学 时： 56 考试方式： 平时成绩30%(作业、考勤、 课程论文) 期末考核： 70% 任课教师： 韩永生 教授 联系方式： 13163195537 ,绪 论,绪论,材料是工业技术发展的基础，也是各种产品组成的基本单元。人们所使用的材料是否先进，能直接反映出当时社会的生产水平。人类社会的从落后到先进的发展进程，实际上也可以看做是材料发展的历程。典型的例子可以从人类社会发展的标志看出：石器时代、青
2、铜时代、铁器时代，直到现在的以新材料为代表的新技术革命时代。,20世纪以来，随着科学技术的迅速发展，各种适应高科技的新型材料不断涌现，为新技术划时代的突破创造了条件。可以说，没有高分子合成材料就没有现代的塑料工业，也就没有如此众多的塑料制品、合成纤维制品。而若没有这些，光靠天然材料是远远无法满足人们现代生活的基本需要的。材料科学、信息技术、能源科学是现代文明的三大支柱，其中材料科学更是关键。,现在，各种新型的材料正在不断地开发出来，新材料的特点是高性能化、功能化、复合化。传统的金属材料、无机材料、有机材料的界线正在模糊。材料科学已成为多学科互相交叉、相互渗透的科学。因此，我们很有必要全面了解传
3、统材料与新材料的知识，对材料科学有基本的了解，扩大在材料领域的知识面，并掌握有关材料的发展规律。了解并掌握材料的性能和它们的变化规律并能够合理选择使用。,第一章,材 料 概 述,材料是物质的一部分，是人类用来制造器件、构件或其它可供使用的物质的总称。一般是经过加工的天然物质。如金属、水泥、塑料等。早在上个世纪70年代；一些国家就已把材料、能源和信息称为现代化文明的三大支柱，而材料又是后二者的物质基础。因此，材料的品种、数量和质量成了衡量一个国家科学技术和国民经济水平以及国防实力的重要标志之一。,工程材料的分类,工程材料的品种非常繁杂。要想全面了解和掌握各种工程材料的性能、特点和用途，首先需要对
4、其进行合理的分类。 详见P2表1-1,表1-1 工程材料按化学成分分类表,工程材料的基本性质,工程材料在保管和使用过程中，要承受各种介质(如水、蒸汽、腐蚀性气体和流体等)的作用以及各种物理作用(如温度差、湿度差、摩擦等)，而且工程材料在运输及使用过程中不可避免的会受到碰撞或遭到一定外力的作用，因此，工程材料必须具有抵抗上述各种作用的能力。为保证工程材料的正常使用，对许多工程材料还要求具有一定的防水、防腐、耐热、防火、声学、光学等性质。因此，掌握工程材料的基本性质是正确保管、选择与合理使用工程材料的基础。 工程材料所具有的各项性质是由于材料的组成、结构与构造等内部因素所决定的，所以了解其性质和组
5、成是非常必要的。,工程材料的物理性质 1.1与质量有关的性质 1.1.1密度,密度是指材料在绝对密实状态下，单位体积的质量。密度()可用下式表示： 式中 材料的密度(gcm3)； m材料在干燥状态下的质量(g)； V材料在绝对密实状态下的体积(不包括内部任何孔隙的体积，cm3)。 材料的密度大小取决于材料的组成与材料的内部结构。 由于绝大多数材料都含有一些孔隙，因此在测定有孔材料的密度时应把材料磨成粉末(通过900孔cm2)、干燥、称其质量。然后用李氏瓶测定其绝对体积。对于少数接近绝对密实材料如钢、玻璃、和塑料等，可根据其外形尺寸计算体积，称出干燥时质量，便可求得。,材料的密度,密度是材料的状
6、态参数，用以表示材料物理状态的特征。不同组成的材料(金属材料、有机材料、无机非金属材料)的密度相差颇大；同属无机非金属材料由于结晶状态不同(如金刚石与石墨)，密度也不同；组成相同的材料，因结构状态不同(如玻璃体与晶体)，密度也不相同。因此，材料密度在这里也同时说明了固体材料的结构特征。密度又是衡量材料轻重的一个指标，同时它还反映材料与强度、硬度、熔点、吸水性、导热性及耐久性等性质的大小。密度可作为材料质量评定和选用的依据之。在产品的设计和制造过程中，如何减少自重，增加承载能力，密度是重点考虑的对象。,体积密度（表观密度) 材料的体积密度是指材料在自然状态下，单位体积的质量。 堆积密度 材料的堆
7、积密度是指粒状(粉状)材料，在堆积状态下。单位体积的质量。 测定松散材料的堆积密度时，材料的质量是指填充在一定容器内的材料质量，其堆积体积是指所用容器的容积而言。因此，材料的堆积体积包含了颗粒之间的空隙和颗粒内部的孔隙。 在生产实际中，材料用量的计算、堆放空间确定以及材料自重和体积的计算，经常要用到材料的密度、表观密度和堆积密度等物理常数。常用非金属材料的这些数据见P4表1-2。,密实度与孔隙率,密实度是指材料体积内被固体物质所充实的程度。 材料的孔隙结构包括孔隙率、孔径分布、孔形貌与排列等。目前孔隙学的研究在材料工程应用中受到一定重视。 （1）孔隙率 孔隙率是指材料中，孔隙体积所占整个体积的
8、比例。即材料中孔隙体积与总体积的百分率。,（2）空隙率,空隙率，是指散粒材料在某堆积体积中，颗粒之间的空隙体积所占的比例。或指松散材料中颗粒之间的空隙体积与总体积的百分率。如对于砂石散粒材料，可用空隙率来表示颗粒之间紧密程度。 一般情况下，材料内部的孔隙率越大，则材料的体积密度、强度越小，耐磨性、抗冻性、抗渗性、耐腐蚀性、耐水性及其它耐久性越差，而保温性、吸声性、吸水性与吸湿性越强。上述性质不仅与材料的孔隙率大小有关，还与孔隙特征(如开口孔隙、闭口的孔隙、球型孔隙等)有关。,（3）开口孔隙率 又称显孔隙率，是指被水饱和的孔隙体积与材料总体积的百分率。 材料的开口孔隙与周围介质相通，孔隙之间也相
9、通，一般在浸水条件下，可被水所饱和。开口孔隙率降低了材料的强度、抗冻性和耐水性等。 （4）闭口孔隙率 材料闭口孔隙率(PB)是其总孔隙率(P)与开口孔隙率（PK）之差。 闭口孔隙是指不能被水所饱和的孔隙。多孔材料中既含有开口孔隙。也含有闭口孔隙。减少开口孔隙，增加闭口孔隙，可以提高材料的耐久性等。,在多孔材料的孔结构测定中，目前有气体吸收法、水银压入法和光学显微镜法等，其中水银压入法的测孔范围较宽，应用广泛。此法是基于水银对固体表面的不可润湿性，在借助压力的作用下，水银才能被挤入多孔材料的孔隙中。孔径越小所需的压力就越大，通过逐级加压，求出不同压力下的水银压入量，便可测出多孔材料的孔径大小、孔
10、隙体积，从而计算出分孔隙率、总孔隙率及孔径分布等。一般认为材料(水泥石、混凝土)中的孔径小于20nm是无害孔。孔径越大，为害越烈。常用材料的孔隙率见P6表1-3,材料与水有关的性质,亲水性与憎水性 固体材料在空气中与水接触时，其表面是否能够被水所润湿，是和材料的表面性质有关。材料的表面都具有表面能，即单位面积所具有的自由能(Jm2)，为研究方便，可把材料表面能近似为表面张力()，其物理意义是作用界面单位长度上使界面收缩的力(Nm)。对于指定体系，其表面张力和表面能的数值是相同的只是物理涵义不同。依据热力学第二定律，固体材料都力图使这种表层分子多余的能(或功)降低至最小，因此材料表面都自发通过对
11、水分的吸附而处于稳定状态。当固体材料在空气中与水接触达到平衡时，可能出现P6图1-1中(a)或(b)所示的状态。,当材料与水接触时，有些材料能被水润湿；有些材料，则不能被水润湿。前者称材料具有亲水性，后者称材料具有憎水性。如果气-固 液-固 ，则060，材料表现为亲水性，即这种材料的表面可以被水润湿，水分子之间的内聚力小于水分子与材料分子之间的相互吸引力。通常称为亲水材料。如果气-固 液-固 ， 则90180，材料表现为憎水性，即这种材料的表面不可被水润湿，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子之间的相互吸引力，通常称为憎水性材料。当0时，表明材料完全被水润湿。亲水性材料是通过毛细管作用，将水
12、分吸入毛细管内部；憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管内。常见的僧水性材料有沥青、石蜡、大多数的塑料树脂和橡胶等，它们不仅可用作防水材料、防腐材料。还可用于亲水性材料(混凝土、石材、砖瓦和木材等)的表面处理，以提高材料的防水性和防腐性。,通常，表面张力小的物质能够很好地润湿表面张力大的物质，反之则不行。例如，油能很好地铺展在水或冰的表面，而水却不能铺展在油或带油物体的表面。 金属及无机物的表面张力远大于水和许多液体溶剂的表面张力，如果金属及无机物的表面是干净的，则很容易被它们润湿。也正因为如此，他们也容易被表面张力小的物质如油等污染。因此，对这些材料在加工和使用时要加以注意。,吸水性与吸湿性,（1
13、）吸水性 多数材料由于亲水性和存在开口孔隙，都具有吸收水分的性质。材料吸水的能力称为吸水性。材料的吸水性用吸水率表示、即材料吸入水的质量占材料干燥质量或材料体积的百分率。前者称质量吸水率，后者称体积吸水率。 多孔材料的吸水率一般用体积吸水率来表示。材料的吸水性还与孔隙结构有关，如具微细的开口孔隙，则其吸水性较强；若是闭口孔隙则水分不易渗入、粗大孔隙水分虽然容易渗入，但仅能润湿孔壁表面，而不易在孔隙内存留。所以粗大孔隙或闭口孔隙的材料，其吸水性较弱。各种材料的吸水率常在很大范围内变化，如普通混凝土为2%4，砖为815，花岗岩为0.020.7，木材和其它轻质材料的吸水率常大于100%。,（2）吸湿
14、性,材料在潮湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。材料的吸湿性大小用含水率表示，即材料孔隙中所含水的质量占材料干燥时质量的百分数。材料的吸湿性是由于其孔隙内表面多分子吸附和毛细管被润湿的结果。材料的吸湿性随着空气湿度大小变化。最终将使材料中所含水分与空气湿度相平衡，此时的含水率称为平衡含水率。材料在正常使用状态下，均处于平衡含水状态。材料的吸湿性主要与材料的组成、孔隙含量，特别是毛细孔的特征有关，还与周围环境温湿度有关。 材料的平衡含水率随地区和季节而不同。木材、隔热材料及其它多孔材料都具有很大的内表面，表现很强的吸湿性，这类材料在选用和储运时应考虑吸湿后对材料体积、尺寸、强度及隔热等性能的影响。
15、,耐水性,耐水性是指材料长期在饱和水作用下，保持其原有的功能的能力。也就是材料长期在饱和水作用下而不被破坏，其强度也不显著降低的性质。对于结构材料，耐水性主要指强度变化，材料不同，耐水性的表示方法也不同。如建筑用涂料的耐水性常以是否起泡、脱落等来表示，而结构材料的耐水性用材料在吸水饱和状态下的抗压强度与材料在干燥状态下的抗压强度之比即软化系数Kp来表示。,软化系数(Kp)表明材料的耐水性，其值在01之间，软化系数的大小是选用材料的依据之一。通常认为Kp0.85的材料是耐水的可用在浸水或潮湿环境的重要结构物中。干燥环境可不考虑材料的Kp值的大小。 经常受到潮湿或水作用的结构，须选用Kp0.75的
16、材料，重要结构须选用Kp0.85的材料。一般材料随着含水量的增加，会减弱其内部结合力，强度都有不同程度的降低，即使致密的石材也不能完全避免这种影响，花岗石长期浸泡在水中，强度将下降3，烧结普通砖和木材所受影响更为显著。,抗渗性,材料抵抗压力水渗透的性质称为抗渗性。多孔材料的抗渗性可用渗透系数K表示： 多孔材料的渗透系数与其孔径大小成平方关系，而与总孔隙率成线性关系。这表明在其它条件相同的情况下改善多孔材料的孔径分布对提高其抗渗性更为有效。 在建筑工程建设中的隧道、涵洞、基础、桥墩及水泥压力管等，经常承受水压的作用在选材时其抗渗性是一个重要的技术指标。,抗冻性,抗冻性是指材料在吸水饱和状态下，在多次冻融循环的作用下，保持其原有的性能，抵抗破坏的能力。对于多孔材料而言，当其处于饱和水状态下。一且冻结、则由于水的相变而导致体积膨胀，所产生的冻胀应力将造成材料的冻害。
