材料的基本概念

建筑材料的基本概念和分类土木工程和建筑工程中使用的材料的统称。

可分为结构材料、装饰材料和一些专用材料。

结构材料包括木材、竹材、石材、水泥、混凝土、金属、砖瓦、陶瓷、玻璃、工程塑料、复合材料等；装饰材料包括各种涂料、油漆、镀层、贴面、各色瓷砖、具有特殊效果的玻璃等；专用材料指用于防水、防潮、防腐、防火、阻燃、隔音、隔热、保温、密封等。

建筑材料长期承受风吹、日晒、雨淋、磨损、腐蚀等，性能会逐渐变化，建筑材料的合理选用至关重要，首先应当安全、经久耐用。

建筑材料用量很大，直接影响到工程的造价，通常建材费用占工程总造价的一半以上，因此在考虑技术性能时，必须兼顾经济性。

建筑材料定义分类：1.建筑材料的定义及其分类定义：建筑工程中使用的所有材料通称为建筑材料。

知识点滴：万里成城：（体现我国古代建筑工程的高度成就，表现我国古代劳动人民的聪明才智。

）总长度大约有十万里以上！所用建筑材料：土、石、木料、砖、石灰。

关外有关、城外有城，其材料运输量之浩大、工程之艰巨世所罕见。

知识点滴：河北赵州石桥建于1300多年前（桥长约51m，净跨37m），建造该桥的石材为青白色石灰岩。

比意大利人建石拱桥晚400多年,但在主拱肋与桥面间设计“敞肩拱”，比外国早了1200多年。

分类：（1）按化学组成分类（2）按使用功能分类（3）按用途分2.土木工程与材料的关系（1）材料是保证土木工程质量的基础。

材料是构成土木工程建（构）筑物的物质基础，当然也是其质量基础。

在一般土木建筑工程的总造价中，与材料有关的费用占50%以上（2）在实际工程中，材料的选择、使用及管理，对工程成本影响很大。

比如广东跨海桥，其桥面原来使用的钢纤维混凝土，使用一年以后出现了许多裂纹，后来要铲去重新铺沥青混凝土，从而大大增加了工程的造价。

（3）材料对土木建筑工程技术进步起了一个促进作用。

例如钢材及水泥的大量应用和性能改进，取代了过去的砖、石、土木，使得钢筋混凝土结构已占领了土木工程结构材料的主导地位。

晶体缺陷单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。

多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。

在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。

包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes 等。

线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。

主要为位错dislocations。

面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。

包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。

晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。

弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。

晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。

从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。

热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。

过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。

材料科学基础基本概念-名词解释单晶体：是指在整个晶体内部原子都按照周期性的规则排列。

多晶体：是指在晶体内每个局部区域里原子按周期性的规则排列，但不同局部区域之间原子的排列方向并不相同，因此多晶体也可看成由许多取向不同的小单晶体（晶粒）组成点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。

在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。

包括空位vacancies、间隙原子interstitial atoms、杂质impurities、溶质原子solutes等。

线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。

主要为位错dislocations。

面缺陷（Planar defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。

包括晶界grain boundaries、相界phase boundaries、孪晶界twin boundaries、堆垛层错stacking faults等。

空位：晶体中点阵结点上的原子以其平衡位置为中心作热振动，当振动能足够大时，将克服周围原子的制约，跳离原来的位置，使得点阵中形成空结点，称为空位vacancies肖脱基（Schottky）空位：迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置，使晶体内部留下空位。

弗兰克尔（Frenkel）缺陷：挤入间隙位置，在晶体中形成数目相等的空位和间隙原子。

晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。

从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。

热平衡缺陷：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷称为热平衡缺陷（thermal equilibrium defects），这是晶体内原子的热运动的内部条件决定的。

过饱和的点缺陷：通过改变外部条件形成点缺陷，包括高温淬火、冷变形加工、高能粒子辐照等，这时的点缺陷浓度超过了平衡浓度，称为过饱和的点缺陷(supersaturated point defects) 。

材料物理学中的基本概念及应用1. 引言材料物理学是一门研究材料性质、结构、制备和应用的交叉学科。

它涉及固体物理学、量子力学、热力学、化学、机械工程等多个领域的知识。

本文将介绍材料物理学中的基本概念及其在各个领域的应用。

2. 基本概念2.1 晶体与非晶体晶体是由具有规则排列的原子、分子或离子组成的固体。

晶体具有高度有序的结构，表现出各向异性。

非晶体则是由无规则排列的原子、分子或离子组成的固体，具有各向同性。

2.2 晶格与电子排布晶格是晶体中原子、分子或离子的周期性排列。

晶格常数是描述晶体结构的重要参数。

电子排布则是电子在原子、分子或离子中的分布情况。

它能级结构决定了材料的化学性质和物理性质。

2.3 能带理论能带理论是描述固体材料电子状态的一种理论。

它将电子能级分为导带、价带和禁带。

导带中的电子可以自由移动，是电流的载体。

价带中的电子被束缚在原子周围，不参与导电。

禁带是导带和价带之间的能量区域，电子不能在其中存在。

2.4 半导体与导体半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。

它的导电性能受掺杂和温度等因素的影响。

半导体具有较宽的禁带，可通过掺杂引入杂质原子，改变其电子状态，从而调控其导电性能。

导体是具有高导电性的材料，如金属。

导体中的自由电子可以在外加电场的作用下自由移动，形成电流。

2.5 超导现象超导现象是某些材料在低温下电阻突然降为零的现象。

超导体具有完全抗磁性，可以无损耗地传输电能。

超导现象的机理与电子配对有关。

3. 应用3.1 电子器件材料物理学的原理应用于电子器件的制备，如晶体管、集成电路等。

半导体材料如硅、锗等被广泛应用于电子器件中，实现了信息技术的快速发展。

3.2 光学器件光学器件的制备也离不开材料物理学原理。

例如，激光器、光电池、光纤通信等光学器件的关键材料均基于材料物理学的原理。

3.3 能源材料材料物理学在能源领域具有重要意义。

如太阳能电池、锂离子电池等新能源材料的研发，都离不开材料物理学的原理。

第一章绪论1.基本概念材料化学：化学与材料科学两者结合，从分子水平到宏观尺度认识与控制结构与性能或功能的基本关系；是关于材料制备、加工和分析的化学，它的作用是改进材料的组成、结构以及合成方法，开发具有突出性能或特殊功能的新型材料。

2.材料的分类（1）按组成、结构特点分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料（2）按使用性能分：结构材料（主要利用材料的力学性能）功能材料（主要利用材料的物理和化学性能）（3）按状态分：单晶材料、多晶材料、非晶态材料、复合材料3.材料的构成要素当一种材料被创造、发现和生产出来时，该材料所表现出来的性质和现象是人们关心的中心问题，而材料的性质和现象取决于成分和各种层次上的结构，材料的结构又是合成和加工的结果，最终得到的材料制品必须能够、并且以经济和社会可以接受的方式完成某一指定的任务。

习题：1.什么是材料化学，应该从哪些角度来认识材料？2．你如何认识材料的结构与性能之间的关系？举例说明。

第二章材料化学的理论基础1.晶体的宏观特征：规则的几何外形、晶面角守恒、物理性质的各向异性、有固定的熔点。

2.晶体与非晶体之间的转化a 热力学：非晶态的吉布斯自由能高,是一种亚稳状态。

b 动力学：动力学上难以转化，（势垒高）如金刚石和石墨。

c 转化方法：机械能使晶体非晶化。

3.点阵：按连结任意两点所得向量进行平移后能够复原的一组点。

4.点阵的二个必要条件：（1）点数无限多；（2）各点所处环境完全相同。

5.平面点阵（晶面）指标（h k l）定义：一平面点阵在三个晶轴的倒易截数之比。

意义：用来标记一组互相平行且间距相等的平面点阵面与晶轴的趋向关系。

6.晶面间距d（hkl）定义：晶面指标为（h k l）的一组平面点阵中相邻的两平面点阵面间的垂直距离。

意义：每一种晶体物质都有一套特征d（hkl），是晶体物相分析的重要依据。

7.群：在一非空集合G中，当某种代数运算规定后，若集合同时满足封闭性、单位元素、逆元素、结合规律四个条件，则G构成一个群。

《土木工程材料》重要知识点关注各章习题：选择题、判断题、是非题一、材料基本性质（1）基本概念1.密度：材料在绝对密实状态下单位体积下的质量；2.体积密度：材料在自然状态下单位体积（包括材料实体及开口孔隙、闭口孔隙）的质量，俗称容重；3.表观密度：单位体积（含材料实体及闭口孔隙体积）材料的干质量，也称视密度；4.堆积密度：散粒状材料单位体积（含物质颗粒固体及其闭口孔隙、开口孔隙体积以及颗粒间孔隙体积）物质颗粒的质量；5.孔隙率：材料中的孔隙体积占自然状态下总体积的百分率6.空隙率：散粒状材料在堆积体积状态下颗粒固体物质间空隙体积（开口孔隙与间隙之和）占堆积体积的百分率；7.强度：指材料抵抗外力破坏的能力（材料在外力作用下不被破坏时能承受的最大应力）8.比强度：指材料强度与表观密度之比，材料比强度越大，越轻质高强；9.弹性：指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质；10.塑性：指在外力作用下材料产生变形，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，这种不能恢复的变形称为塑性变形；11.韧性：指在冲击或震动荷载作用下，材料能够吸收较大的能量，同时也能产生一定的变形而不破坏的性质；12.脆性：指材料在外力作用下，无明显塑性变形而突然破坏的性质；13.硬度：指材料表面抵抗其他物体压入或刻划的能力；14.耐磨性：材料表面抵抗磨损的能力；15.亲水性：当湿润角≤90°时，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，这种性质称为材料的亲水性；16.憎水性：当湿润角＞90°时，水分子之间的内聚力大于水分子与材料分子之间的吸引力，这种性质称为材料的憎水性；亲水性材料憎水性材料17.润湿边角：当水与材料接触时，在材料、水和空气三相交点处，沿水表面的切线与水和固体接触面所成的夹角称为湿润边角；18.吸水性：指材料在水中吸收水分的性质；19.吸湿性：指材料在潮湿空气中吸收水分的性质，以含水率表示；20.耐水性：指材料长期在水的作用下不破坏，而且强度也不显著降低的性质；21.抗渗性：指材料抵抗压力水渗透的性质；22.抗冻性：指材料在吸水饱和状态下，能经受多次冻结和融化作用（冻融循环）而不破坏、强度又不显著降低的性质；23.导热性：当材料两侧存在温度差时，热量将由温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料的这种传导热量的能力称为导热性；24.热容量：材料在温度变化时吸收和放出热量的能力。

材料科学与工程的基本概念和应用领域材料科学与工程是一门高度交叉的学科，它涉及材料的制备、性质、结构和应用等方面。

面对日新月异的科学技术发展，强化材料科学与工程的研究与应用，成为各国竞争的重要目标之一。

本文将从材料科学与工程的基本概念、应用领域、发展历程、前沿科技和未来发展方向等角度进行讲述。

一、基本概念材料科学与工程是研究材料结构、性能、制备和应用的一门学科，它是机械、电子、电力、信息、航空、航天、房产、医疗保健、环保、能源等领域的重要支撑。

材料科学和工程的最大特点在于它具有广泛的应用领域和较强的实践性，它的发展不断促进着科技的进步和社会的发展。

二、应用领域材料科学和工程涉及到多种领域，包括材料设计、晶体学与表征、材料制备与处理、多尺度计算、材料物理与化学、材料质量控制、体系工程化及其应用等。

这些领域的应用范围极广，从基础材料如金属和非金属材料，到应用材料如纳米结构材料、高温合金，以及各种功能材料如光催化材料、磁性材料、光电材料、高分子材料等都有涉及。

同时，材料科学和工程在人工智能、大数据和云计算等领域也有着广泛应用。

三、发展历程材料科学和工程的发展历程主要可以分为三个阶段，第一阶段是原始时期，主要是人们运用原始的工具和工艺手艺，从自然环境中开采材料，制作出最基本的器具和设备，创造了各种传统的工艺方法；第二阶段是材料科学和工程的形成阶段，包括从试错和增加新材料这样的经验方法，到材料的应用和离子与电子影响等基础研究；第三阶段是材料科学和工程的发展及创新阶段，物理和化学概念开始被应用于材料设计与制造，新的合成技术被不断发展，大量新材料和功能材料被研发出来，使材料科学和工程发展到了一个更高的层次。

四、前沿科技现代材料科学和工程不断涌现出前沿技术，其中包括高温复合材料、晶须增强陶瓷、金属玻璃、纳米材料等。

其它一些创新技术也是相当重要的，如合金元素协同作用、液晶聚合物、新型半导体材料、光纤材料和光子晶体等。

材料的基本概念
材料的基本概念是指在自然界或人工制造过程中，具有一定物理、化学、力学性质的物质。

材料是由原子或分子组成的，具有一定结构和组织形式。

材料可以被用来制造物体或提供特定的功能。

材料的基本属性包括密度、硬度、强度、热导率、电导率、弹性等，这些属性决定了材料的用途和性能。

材料可以分为金属材料、非金属材料和复合材料等不同类型。

不同的材料有着不同的特点和应用范围，因此在工程设计和制造中需要选择合适的材料。

材料性能基本概念1、抗拉强度（也叫拉伸强度）：是指拉伸试验时，试样拉断过程中最⼤的试验⼒所对应的应⼒，其值等于最⼤拉⼒F b以试样的原始横截⾯积A o抗拉强度⽤σb表⽰，即σb =F b/A o抗拉强度是材料的重要⼒学性能指标之⼀，标志着材料在承受拉伸载荷时的实际承载能⼒。

拉伸强度(tensile strength)是指材料产⽣最⼤均匀塑性变形时的应⼒。

抗拉强度（tensile strength）也叫强度极限指材料在拉断前承受最⼤应⼒值。

当钢材屈服到⼀定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变形能⼒⼜重新进步，此时变形固然发展很快，但却只能随着应⼒的进步⽽进步，直⾄应⼒达最⼤值。

此后，钢材抵抗变形的能⼒明显降低，并在最薄弱处发⽣较⼤的塑性变形，此处试件截⾯迅速缩⼩，出现颈缩现象，直⾄断裂破坏。

钢材受拉断裂前的最⼤应⼒值称为强度极限或抗拉强度。

（1）在拉伸试验中，试样直⾄断裂为⽌所受的最⼤拉伸应⼒即为拉伸强度，其结果以MPa表⽰。

有些错误地称之为抗张强度、抗拉强度等。

（2）⽤仪器测试样拉伸强度时，可以⼀并获得拉伸断裂应⼒、拉伸屈服应⼒、断裂伸长率等数据。

（3）拉伸强度的计算：σt = p /( b×d)式中，σt为拉伸强度（MPa）；p为最⼤负荷（N）；b为试样宽度（mm）；d为试样厚度（mm）。

注意：计算时采⽤的⾯积是断裂处试样的原始截⾯积，⽽不是断裂后端⼝截⾯积。

（4）在应⼒应变曲线中，即使负荷不增加，伸长率也会上升的那⼀点通常称为屈服点，此时的应⼒称为屈服强度，此时的变形率就叫屈服伸长率；同理，在断裂点的应⼒和变形率就分别称为断裂拉伸强度和断裂伸长率。

2、⽐例极限proportional limit符号:σP拉伸曲线中OE段,材料在不偏离应⼒与应变正⽐关系（虎克定律）条件下所能承受的最⼤应⼒。

钢材在弹性阶段分成线弹性和⾮线弹性两个部分，线弹性阶段钢材的应⼒与变形完全为直线关系，其应⼒最⾼点为⽐例极限3、弹性极限σe（elastic limit）材料做拉伸试验时，应⼒与应变将呈现⼀函数关系，⽽当应⼒达到某⼀值，材料将不会⾃⾏恢复原状，此⼀应⼒值，称为弹性限度。