材料的结构和组成
材料的组成和结构材料的组成通常包括化学组成、矿物组成
#材料的组成和结构#材料的组成通常包括化学组成、矿物组成和相组成；材料的结构包括微观结构、细观结构和宏观结构。
#密度、表观密度、堆积密度、密实度、孔隙率、填充率、空隙率#材料的密度等是材料的结构特征参数，属于材料的物理性质，本课程讨论的相关内容包括密度、表观密度、堆积密度、密实度、孔隙率、填充率、空隙率的的概念、计算公式、测试方法及相互关系。
密度指的是材料在绝对密实状态下单位体积的质量；公式为m vρ=（ρ—密度，m —质量，v —绝对密实状态下的体积）；测定方法：李氏比重瓶法；表观密度指材料在自然状态下单位体积的质量，公式为00mv ρ=（0ρ—表观密度，m —质量，0v —在自然状态下的体积），测定方法：量积法；堆积密度指粉状或粒状材料，在堆积状态下，单位体积的质量，公式为mv ρ=，，（ρ，—堆积密度，v ，—材料的堆积体积）。
密实度是指材料体积内，固体物质所充实的程度，以D 表示，公式为00100%=100%v D v ρρ=⨯⨯；孔隙率指材料体积内，孔隙体积所占的比例，以P 表示，公式为00(1)100%=(1-)100%v P v ρρ=-⨯⨯；P +D =1。
填充率是指堆积体积中，被散粒材料的颗粒所填充的程度，以D ，表示，公式为00100%v D v =⨯，，；空隙率指散粒材料在某容器的堆积体积中,颗粒之间的空隙体积所占的比例，以P ，表示，公式为0000(1)100%=(1)100%v P v ρρ=-⨯-⨯，，，;P ，+D ，=1。
#材料亲水性、憎水性、吸水性、吸湿性、耐水性等与水有关的性质#属于材料的基本物理性质。
亲水性和憎水性与材料在空气中与水接触时被水润湿的程度有关，当0°≤θ（润湿边角）≤90°材料遇水后其表面性能降低，水在材料表面易于扩散，这种与水的亲和性成为亲水性，与此相反，θ＞90°，材料与水接触时不与水亲和，称为憎水性。
吸水性是指材料在水中能吸收水分的性质，用吸水率表示，有两种表示方法，质量吸水率：%m m m W 100221⨯-=m （m W —材料的质量吸水率，1m —材料在吸水饱和后的质量，2m —材料在干燥状态下的质量），体积吸水率：1200wv m m 1W ==100%v v W v ρ-⨯⨯（W v —材料的体积吸水率，v W —材料吸水饱和时，水的体积，1m —材料在吸水饱和后的质量，2m —材料在干燥状态下的质量，0v —材料在自然状态下的体积，w ρ—水的密度）；吸湿性是指材料在环境中能自发地吸收空气中水分的性质，用含水率表示，公式为100%m m m W 221h ⨯-=（W h —材料的含水率，1m —材料含水时的质量，m 2—材料在干燥状态下的质量）。
材料概论材料的组成、结构与性能各...
材料概论材料的组成、结构与性能各种材料金属、高分子和无机非金属不论其形状大小如何,其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。
材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：第二章材料的组成、结构与性能2.1 材料的组成2.2 材料的结构2.3 材料的性能只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目的、有选择地制备和使用选用材料。
化学组成工艺过程本征性能显微结构材料性能2.1 材料的组成材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由≥1种元素组成的。
按原子or分子的结合与结构分布状态的不同，可分成3类：第二章材料的组成、结构与性能组元、相和组织固溶体聚集体复合体2.1.2 材料的化学组成2.1.1 材料组元的结合形式固溶体、聚集体和复合体第二章材料的组成、结构与性能材料的组元:金属材料多为纯元素，如普通碳钢? Fe&C；陶瓷材料多为化合物，如Y2O3?ZrO2 ?Y2O3&ZrO2组成材料最基本、独立的物质，或称组分。
可以是纯元素or稳定化合物。
相: 具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分。
1?m图2-150%ZrO2/Al2O3复合材料的SEM照片* 相与相之间有明显的分界面，可用机械的方法将其分离开。
第二章材料的组成、结构与性能ZrO2Al2O3*各晶粒间有界面隔开，但它们是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的材料，仍属于同一相。
*在相界面上，性质的改变是突变的。
*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有1种物质。
例如：纯金属是单相材料，钢非纯金属在室温下由铁素体含碳的??Fe和渗碳体Fe3C为化合物组成；普通陶瓷：由晶相1种/几种与非晶相玻璃相组成。
*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，则它们属于几种不同的相。
材料的组织第二章材料的组成、结构与性能材料内部的微观形貌。
实际上是指由各个晶粒or各种相所形成的图案。
材料科学四要素
材料科学四要素材料科学是一门研究材料的组成、结构、性能和加工制备的学科，它涉及到多个学科领域，如物理学、化学、工程学等。
在材料科学中，有四个重要的要素，它们是材料的组成、结构、性能和加工制备。
这四个要素相互作用，共同决定了材料的特性和用途。
下面将分别对这四个要素进行详细介绍。
首先是材料的组成。
材料的组成是指材料的化学成分和相对含量。
不同种类的材料由不同的元素或化合物组成，这些成分的种类和比例决定了材料的基本性质。
例如，金属材料的主要成分是金属元素，而陶瓷材料的主要成分是氧化物、硼化物等。
材料的组成直接影响着材料的化学性质和稳定性，因此在材料设计和选择时，要根据具体的使用要求来确定材料的组成。
其次是材料的结构。
材料的结构是指材料内部原子、分子或离子的排列方式和相互作用。
不同的结构形式决定了材料的晶体结构、晶粒大小、晶界、缺陷等特征，从而影响了材料的力学性能、热学性能和电磁性能。
材料的结构可以通过各种分析手段来确定，如X射线衍射、电子显微镜等，这些结构信息对于材料的性能预测和改进具有重要意义。
第三是材料的性能。
材料的性能是指材料在特定条件下所表现出的物理、化学和力学特性。
材料的性能包括力学性能（如强度、硬度、韧性）、热学性能（如导热性、热膨胀系数）、电磁性能（如导电性、磁性）等。
不同的材料具有不同的性能特点，这些性能特点直接关系到材料的使用范围和条件。
因此，对材料的性能进行全面、准确的评价是材料科学研究的重要内容之一。
最后是材料的加工制备。
材料的加工制备是指通过物理或化学方法将原始材料转化为具有一定形状和性能的成品材料的过程。
材料的加工制备包括原料的提取、精炼、合金化、成型、热处理等多个环节，每个环节都会对材料的组织结构和性能产生影响。
因此，合理的加工工艺和工艺参数选择对于获得优质材料至关重要。
综上所述，材料科学的四要素——组成、结构、性能和加工制备，相互联系、相互影响，共同决定了材料的特性和用途。
复合材料的组成和结构
复合材料的组成和结构随着科技的不断发展，复合材料已经成为了现代工业领域不可或缺的一部分。
它们可以广泛应用于飞机、汽车、船舶、建筑、电子设备和医学器械等领域。
那么，什么是复合材料呢？复合材料的组成和结构是什么？下面将为您详细解答。
一、何为复合材料？复合材料（Composite Materials）是指由两种或两种以上不同材料组合而成的新型材料。
它的特点在于不同材料之间有更强的结合力，这种结合力可以使复合材料具有独特的性质和优良的性能。
二、复合材料的组成1. 基体材料基体材料通常是具有良好强度和刚度的聚合材料（如环氧树脂），金属（如铝、钛等）或陶瓷（如氧化铝）等。
基体材料形成了复合材料的主要骨架结构。
2. 增强材料增强材料通常是一种纤维材料，如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等。
这些纤维具有高强度和高模量特性，经过加工可以将它们布置在基体材料的表面上，形成所谓的增强材料。
3. 界面材料由于基体材料和增强材料的化学和物理性质有很大的差异，所以界面材料的作用是防止它们之间的层间剥离，保证复合材料整体强度。
目前，界面改性技术已经成为大量研究的主要方向之一。
三、复合材料的结构复合材料结构是由增强材料和基体材料的交替叠加形成的。
正常情况下，复合材料的厚度都很小，只有几毫米到几十厘米不等。
其结构特点主要包括以下几个方面：1. 纤维结构复合材料中的纤维结构通常是由排列有序的纤维复合体构成的。
这样的排列方式可以使纤维之间相互贯通，在应力作用下相互支撑，提高复合材料的抗拉强度和抗剪强度。
2. 层间结构层间结构是由交替叠加的增强材料和基体材料构成的。
由于增强材料比基体材料更硬，所以在外力作用下，增强材料首先承受应力，从而优化整个结构的抗振性能。
3. 裂纹结构相对于单一材料的均质结构而言，复合材料内部有很多不同性质的材料组合而成，因此对外部应力有更强的韧性和耐久性。
裂纹结构是在复合材料发生破裂时形成的，通过层间叠加的结构来缓解应力并防止破碎。
材料的结构包括
材料的结构包括
材料的结构是指材料内部的有序排列方式，包括原子、分子、晶格和晶体等层次结构。
材料的最基本结构单位是原子，原子是构成材料的最基本的微观粒子。
不同材料的原子种类和排列方式不同，决定了材料在宏观上的性质。
例如金属材料的结构由紧密堆积的金属原子组成，而非晶态材料的结构则没有明确的晶体结构，原子排列无规则。
原子通过化学键成为分子，分子是由多个原子以化学键相连而成的结构单位。
分子可以是同种元素的原子组成的，也可以是不同元素的原子组成的。
例如水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。
分子的排列方式决定了物质的宏观性质。
例如，固体材料中的分子排列为有序的三维网络结构，形成晶格。
晶格可以被理解为一种有规则的排列方式，包括立方晶系、六方晶系等不同的对称性。
晶格结构可以通过X射线衍射等方法进行表征。
不同的晶体结构决定了材料的硬度、熔点和电导率等性质。
晶体是由整齐排列的原子、离子或分子组成的具有规则几何形态的物质。
晶体结构是由晶格和原子、离子或分子之间的相互作用力共同决定的。
晶体结构可以具有多种形态，例如立方晶系、六方晶系、正交晶系等。
除了原子、分子和晶体，材料的结构还可以包括更高层次的结
构，例如晶体的堆叠方式形成晶体面、晶体中的缺陷和位错等。
这些结构单位的有序排列和相互作用共同决定了材料的性质和行为。
总之，材料的结构从微观到宏观层次，包括原子、分子、晶格和晶体等层次结构。
这些结构单位的有序排列和相互作用决定了材料的性质和行为，是研究和理解材料的基础。
金属材料的结构与组织
金属材料的结构与组织金属材料是指由金属元素组成的材料，具有优良的电导和热传导性能，因此广泛应用于工业制造和建筑领域。
金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响，以下将从晶体结构、晶粒大小、晶界和位错等方面介绍金属材料的结构与组织。
首先是金属材料的晶体结构。
金属是由多个金属原子组成的晶格结构，具有高度的有序性。
常见的金属结构包括面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP）。
FCC结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，原子间的距离相等，如铝和铜。
BCC结构中，每个原子周围有8个最近邻原子，原子间的距离比FCC结构略大，如铁和钒。
HCP结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，但原子间的距离比其他两种结构大，如钛和锆。
金属的晶体结构对材料的硬度、延展性和导电性能等有着重要影响。
其次是金属材料的晶粒大小。
晶粒是金属中具有相同晶体结构的晶胞的集合体。
金属材料的晶粒大小对其性能有着重要影响。
晶粒越小，材料的强度和硬度越高，延展性和塑性则较差；晶粒越大，材料的延展性和塑性越好，但强度和硬度相对较低。
晶粒大小的控制通常通过热处理、变形加工和再结晶等方法实现。
金属材料的结构还与晶界有关。
晶界是相邻两个晶粒之间的界面。
晶界具有比晶粒内部更高的活动性，容易成为材料中的非晶区域、孔隙和裂纹的起点。
晶粒内部原子排列有序，而晶界则是原子排列的不规则区域，原子间的距离不够紧密，因此晶界对材料的力学性能和耐腐蚀性能等有着重要影响。
晶界的稳定性和结构特点常通过电子显微镜和X射线衍射等技术进行研究。
最后是金属材料中的位错。
位错是指晶体中原子排列的缺陷或错位。
位错可以增加金属材料的塑性和韧性，使其具有较好的变形能力。
在金属中，位错的形成和移动是塑性变形的主要机制。
位错的种类包括直线位错、螺旋位错和平面位错等，其特点和形成机制各不相同。
位错的存在对金属材料的断裂和疲劳性能有重要影响。
综上所述，金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响。
材料的组成、结构、构造及其对性能的影响
化学组成不同的两种石材性能对比
大理石
花岗岩
• 同一栋楼外墙所用的两种不同材质的装饰石材， 使用时间相同。大理石石材颜色已变暗且出现裂 缝，而花岗岩石材完好如新
化学组成相同但矿物组成不同的两 种钢材的金相照片
A
B
• Ａ具有较好的冷、热变形等工艺性能，但强度较 低，而Ｂ则强度较高
1.1.3 材料的结构和构造
Chapter 1 土木工程材料的基本性质
• 了解土木工程材料的基本组成、结构和构造， 并了解材料结构和构造与材料基本性质的关 系；
• 熟练掌握土木工程材料的基本力学性质； • 掌握土木工程材料的基本物理性质； • 掌握土木工程材料耐久性的基本概念。
1.1 材料科学的基本理论
• 1.1.1 材料科学与工程 • 1.1.2 材料的组成 • 1.1.3 材料的结构和构造
1、宏观结构(构造) • 按孔隙特征分为：密实结构、多孔结构和
微孔结构 • 按组织构造特征分为：堆聚结构、纤维结
构、层状结构、散粒结构、纹理结构
1.1.3 材料的结构和构造
2、微观结构 • 材料的微观结构与材料的强度、硬度、弹
塑性、熔点、导电性、导热性等重要性质 有着密切的关系。 • 材料的微观结构基本上可分为晶体、玻璃 体、胶体三类 • 材料的化学组成相同，微观结构的差别将 导致材料性能的差异。
1.1.1 材料科学与工程
• 材料科学与工程是研究材料的组成、结构、 生产制造工艺与其性能及使用关系的科学 和实践
• 土木工程材料学是材料科学与工程的一个 组成部分
1.1.2 材料的组成
• 化学组成 化学组成不同的两种石材性能对比
• 矿物组成 化学组成相同但矿物组成不同的两种钢材 性能对比• 相组成大理岩的源自密结构加气混凝土砌块的多孔结构
材料的组成、结构与构造及对材料性质的影响
胶合板的层状构造
散粒状构造指呈松散颗粒状的材料，有密实颗粒
与轻质多孔颗粒之分。前者如砂子、石子等，因其 致密，强度高，适合做承重的混凝土骨料。后者如 陶粒、膨胀珍珠岩等，因具多孔结构，适合做绝热 材料。粒状构造的材料颗
粒间存在大量的空隙， 其空隙率主要取决于颗 粒大小的搭配。用作混 凝土骨料时，要求紧密 堆积，轻质多孔粒状材
布朗运动自由移动时，称为凝胶，凝胶具有触变性，
即将凝胶搅拌或振动，又能变成溶胶。水泥浆、新
拌混凝土、胶 粘剂等均表现有触变性。 当凝胶完全脱水则成干 凝胶体，它具有固体的 性质，即产生强度。硅 酸盐水泥主要水化产物 的最后形式就是凝胶体。
水泥凝胶体
小结：材料基本性质间关系
孔隙率增加，密度不变，表观密度降低，强度降低， 吸水率增加，抗渗性降低，抗冻性降低，导热系数减 小。 孔隙率降低，密度不变，表观密度增加，强度增加， 吸水率降低，抗渗性提高，抗冻性提高，导热系数增 加。
规则在空间呈有规律的排列，因此晶体具有一定的
几何外形，显示各向异性，但实际应用的晶体材料，
通常是由许多细小的晶粒杂乱排列组成，故晶体材 料在宏观上显示为各向同性。
晶体内质点的相对密集程度和质点间的结合力，对 晶体材料的性质有着重要的影响。例如在硅酸盐矿
物材料（如陶瓷）的复杂晶体结构（基本单元为硅
氧四面体）中，质点的相对密集程度不高，且质点
间大多是以共价键联结，变形能力小，呈现脆性。
材料的化学成分相同，但形成的晶体结构可以不同，
其性能也就大有差异。如石英和硅藻土，化学成分
同为SiO2，但各自性能颇不相同。另外，晶体结构 的缺陷，对材料性质的影响很大。
将熔融的物质进行迅速冷却（急冷），使其内部
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元素
晶体结构
点阵常数
最近的原子间距
a
c
铝 铍 镉 铬 钴 铜 金 铁 铅 锂 镁 钼 镍 铌 铂 钾 铑 铷 银 钠 钽 钍 钛 钨 铀 钒 锌 锆
面心立方 密排六方 密排六方 体心立方 密排六方 面心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 密排立方 体心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 面心立方 体心立方 体心立方 面心立方 密排六方 体心立方 正交 体心立方 密排六方 密排六方
第三章 材料的组成和结构
Compositions and Structures of Materials
材料的结构和组成是决定材料性能的 基础。是合理地设计、制造和选用材料 的基础。本章是物质结构理论的应用。
第二章基本原理的具体化和深入理解
• 3-1 材料组成和结构的基本内容 Principal Contents of Materials Composition and Structures 3-1-1材料的组成和主要结构形式
3.5832 5.6167 4.069
5.2105
4.6788
4.9468 5.1477
2.863 2.225 2.979 2.498 2.497 2.556 2.884 2.481 3.500 3.039 3.197 2.725 2.492 2.858 2.775 4.627 2.690 4.88 2.889 3.716 2.860 3.595 2.890 2.741 2.77 2.622 2.665 3.172
4.0496 2.2856 2.9788 2.8846 2.506 3.6147 4.0788 2.8664 4.9502 3.5092 3.2094 3.1468 3.5236 3.3007 3.9239 5.3444 3.8044 5.6985 4.0857 4.2906 3.3026 5.0843 2.9506 3.1650 3.0282 2.6649 3.2312
3-1-2 材料的结构缺陷
Structural Imperfection of Materials
空隙：本身排列不均匀 空穴 vacancy（晶体） 自由体积 free volume（非金属） 界面：晶界 grain boundary（晶体） 界面 interphase （多组分等混体系）。 blends
• 组成 单组份 one component 多组份 组成材料的元素包括原子或分子等。 • 主要结构形式： 材料结构的涵义是指组成某种材料的各组份物质之 间的关系（同种，异种）。 • 聚集状态（亚微观） 单晶体 多晶体 晶体 • 均相固溶体——均匀的混合物， • 多相共混体 （微观 显微） • 复合体——(宏观组织）两种或两种以上物理性质和化学性质 或物理状态不同的材料，按一定的规律组合而成一种具有新的 性能的团体，亦称复合材料。
由电子。 Metallic bonding: ion cores electron cloud(sea of electrons)
2. 金属晶体结构 Clystal Structures of Metals （1）随温度变化 （2）室温下有三种：
体心立方结构 面心立方 密堆六方 较高强度、硬度和熔 具有良好塑性 强度低，塑 点但塑性和韧性差 和韧性 性和韧性差 Li, Na, K(S1) Au, Ag, Cu(d10s1) Mg, Ti, Zr(d2s2) Ni,Pd, Pt (d8s2) Cr, Mo, W (d5s1) 晶胞内 原子数 2 4 6 点阵常数 4R/3 4R/2 ——
• crystal unit cells and electronic structures of metal atoms • Calculation of the crystal structure parameters and densities of metals, • metallic alloy and its main structural types: Solid solution, intermetallic compound, mechanical blends • Iron-Carbon Alloy Texture Ferrite, austenite, cementite , pearlitic • Iron-iron carbide phase diagram : development of microstructures in alloy, eutectoid steel , eutectic steel • Steel and Cast Iron • Copper and its Alloys • Noncrystalline metallic alloy , • Recrystalliny of Metals
3-2金属材料的结构和组成 3-2-1金属材料
1． 原子结构 Atomic structure of metals
轨道上价电子，价电子 数少（1—2个），且与原 子核的结合的结合力弱， 很容易脱离核，而成为自
Chapter 3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Composition and Structure of Metallic Materials
3-2 金属材料的结构和组成 Composition and Structure of Metallic Materials
•What is the relationship between crystal unit cells and electronic structures of metal atoms •How to calculate the crystal structure parameters and densities of metals •What is metal alloy and its main structural types •What is the iron-iron carbide phase diagram