湖南大学等四校合编《土木工程材料》(第2版)配套题库-课后习题【圣才出品】

第一部分课后习题

第一章土木工程材料的基本性质

1-1．当某一建筑材料的孔隙率增大时，表1-1内的其他性质将如何变化（用符号填写：↑增大，↓下降，—不变，？不定）？

表1-1

孔隙率密度表观密度强度吸水率抗冻性导热性

↑—↓↑↑↑↓

1-2．烧结普通砖进行抗压试验，测得浸水饱和后的破坏荷载为185kN，干燥状态的破坏荷载为207kN（受压面积为115mm×120mm），问此砖的饱水抗压强度和干燥抗压强度各为多少？是否适宜用于常与水接触的工程结构物？

答：（1）饱和抗压强度：。

（2）干燥抗压强度：

'207

'15

115120

F kN

f MPa

A mm mm

===

?

。

（3）软化系数：。

由于0.89＞0.85，属于耐水性材料，适宜用于常与水接触的工程结构物。

1-3．块体石料的孔隙率和碎石的孔隙率各是如何测试的？了解它们各有何工程意义？

答：（1）为测定块体石料的孔隙体积，可将准备好的干燥试样，放在密封容器内，自试样中抽出空气，在一定真空度下使试样被液体所饱和。完全充满孔隙空间的液体体积等于

试样的孔隙体积。为了精确地测量孔隙体积可利用压缩的氦，它具有超流性，能深入微细的孔中。

（2）碎石的孔隙率可用如前所述可将液态氦或其他介质充入孔隙中，以求得孔隙体积，一般采用试验与计算相结合的方法，先测出干燥材料的密度（ρ）与表观密度（0ρ），然后按下式计算孔隙率：

（3）了解孔隙率对于在不同工程或工程的不同部位选择材料具有重要意义，例如对于保温隔热或吸声材料，材料应具有较大的孔隙率，而对于高强度或不透水的材料，则应具有很低孔隙率，知道了上述特点能够方便指导我们科学合适的选用土木工程材料。

1-4．某岩石的密度为2.75g／cm3，孔隙率为1.5％；今将该岩石破碎为碎石，测得碎石的堆积密度为1560kg／m3。试求此岩石的表观密度和碎石的空隙率。

答：由孔隙率的公式可得：

表观密度为：

ρ=（1-P）×ρ＝(1-1.5%)×2.75＝2.71g/cm3；则碎石空隙率P为：

=1-（1.56/271）=42.4%。

1-5．亲水材料与憎水材料是如何区分的？举例说明怎样改变材料的亲水性和憎水性。

答：（1）亲水性材料是指材料与水接触时能被水润湿的性质；憎水性材料是指材料与水接触时不能被水润湿的性质。

（2）例如：塑料可制成有许多小而连通的孔隙，使其具有亲水性。

（3）例如：钢筋混凝土屋面可涂抹、覆盖、粘贴憎水性材料，使其具有憎水性。

1-6．什么叫材料的耐久性？在工程结构设计时应如何考虑材料的耐久性？

答：（1）耐久性是指材料抵抗各种破坏因素或介质的作用，保持其原有性质的能力。

（2）在工程结构设计时，大多数建筑结构等都是永久性或半永久性的，因此要求材料具有较高或相应的耐久性以保证建筑结构等能长期使用或尽可能减少维修量。

建筑材料的耐久性一般是以在具体气候条件和使用条件下保持工作性能的期限来度量。材料的耐久性因材料组成和结构不同而有所不同。金属材料易被氧化腐蚀；无机非金属材料因氧化、溶蚀、冻融、热应力、干湿交替作用而破坏；有机材料常因腐烂、虫蛀、溶蚀和受紫外线照射面变质。

第二章建筑钢材

2-1．金属晶体结构中的微观缺陷有哪几种？它们对金属的力学性能会有何影响？

答：（1）金属晶体结构中的微观缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷。其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子；线缺陷包括刃型位错、螺型位错；面缺陷包括晶体的表面、晶界、亚晶界、相界。

（2）他们对力学性能的影响是使得金属塑性、硬度以及抗拉压力显著降低等等。

2-2．金属材料有哪些强化方法？并说明其强化机理。

答：为了提高金属材料的屈服强度和其他力学性能。可采用改变微观晶体缺陷的数量和分布状态的方法，例如，引入更多位错或加入其他合金元素等，以使位错运动受到的阻力增加，具体措施有以下几种：

（1）细晶强化。对多晶体而言，位错运动必须克服晶界阻力，由于晶界两侧的晶格取向不同及晶界处晶格的畸变，其中一个晶粒晶格所产生的滑移不能直接进入第二晶粒，位错会在晶界处集结，并激发相邻晶粒中的位错运动，晶格的滑移才能传入第二晶粒，因而增大了位错运动阻力，使宏观屈服强度提高。晶粒越细，单位体积中的晶界越多，因而阻力越大。这种以增加单位体积中晶界面积来提高金属屈服强度的方法，称为细晶强化。某些合金元素的加入，使金属凝固时结晶核心增多，可达到细晶的目的。

（2）固溶强化。在某种金属中加入另一种物质（例如铁中加入碳）而形成固溶体。当固溶体中溶质原子和溶剂原子的直径有一定差异时，会形成众多的缺陷，从而使位错运动阻力增大，使屈服强度提高，称为固溶强化。

（3）弥散强化。在金属材料中，散入第二相质点，构成对位错运动的阻力，因而提高

了屈服强度。在采用弥散强化时，散入的质点的强度愈高、愈细、愈分散、数量愈多，则位错运动阻力愈大，强化作用愈明显。

（4）变形强化。当金属材料受力变形时，晶体内部的缺陷密度将明显增大，导致屈服强度提高，称为变形强化。这种强化作用只能在低于熔点温度40%的条件下产生，因此又称冷加工强化。

2-3．试述钢的主要化学成分，并说明钢中主要元素对性能的影响。

答：钢的主要化学成分及其对性能影响分别如下：

（1）碳。对钢材的强度、塑性、韧性等力学性能有影响，随含碳质量分数的增加，钢的强度和硬度提高、塑性、韧性下降。

（2）硅。我国低合金钢的主加合金元素，其作用主要是提高钢材的强度。

（3）锰。其溶于铁素体中，作用是消减硫和氧所引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善。溶入铁素体的锰，可提高钢材的强度。锰也是我国低合金钢的主加合金元素，其作用主要是溶于铁素体中使其强化，并起到细化珠光体的作用，使强度提高。

（4）磷。是碳钢中的有害物质。主要溶于铁素体中起强化作用。其含量提高，钢材的强度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大。磷在钢中的偏析倾向强烈，一般认为，磷的偏析富集，使铁素体晶格严重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因。磷使钢材变脆的作用，使它显著影响钢材的可焊性。一般来说磷是有害杂质，但磷可提高钢的耐磨性和耐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。

（5）硫。是很有害的元素。呈非金属的硫化物夹杂物存在于钢中，降低各种力学性能。硫化物所造成的低熔点，使钢在焊接时易产生热裂纹，显著降低可焊性。硫也有强烈的偏析作用，增加了危害性。

（6）氧。是钢中的有害杂质。主要存在于非金属夹杂物中，少量溶于铁素体中。非金属夹杂物会降低钢的力学性能，特别是韧性。氧还有促进时效倾向的作用，某些氧化物的低熔点也使钢的可焊性变坏。

（7）氮。氮主要嵌溶于铁素体中，也可呈化合物形式存在。氮对钢材力学性质的影响与碳、磷相似，能使钢材强度提高，使塑性和韧性显著下降。溶于铁素体中的氮，有向晶格缺陷处富集的倾向，故可加剧钢材的时效敏感性和冷脆性、降低可焊性。在用铝或钛补充脱氧的镇静钢中，氮以氮化铝AlN或氮化钛TiN等形式存在，可减少氮的不利影响，并能细化晶粒，改善性能。

（8）钛。强脱氧剂，而且能细化晶粒。钛能显著提高钢的强度，但稍降低塑性；由于晶粒细化，故可改善韧性。钛还能减少时效倾向，改善可焊性，是常用的合金元素。

（9）钒。是强的碳化物和氮化物形成元素。钒能细化晶粒，提高钢的强度，并能减少时效倾向，但会增加焊接时的淬硬倾向。

2-4．钢材中碳原子与铁原子之间的结合的基本方式有哪三种？碳素钢在常温下的铁-碳基本组织有哪三种？它们各自的性质特点如何？

答：（1）钢材中碳原子与铁原子之间的结合的基本方式有固溶体、化合物、机械化合物。

（2）碳素钢在常温下的铁-碳基本组织有铁素体、渗碳体、珠光体。它们各自的性质特点如下：

①铁素体是指碳溶于α-Fe晶格中的固溶体。铁素体晶格原子间的间隙较小，其溶碳能力很低，室温下仅能溶入小于0.005%的碳。由于溶碳少而且晶格中滑移面较多，故其强度低，塑性较好。