材料基础知识
土木工程材料基础知识
材料的基本性质：1.密度：是指材料在干燥绝对密实状态下单位体积的质量。
(不随环境而变)公式：ρ=MV，测量方法：磨碎用氏密度瓶测量；2.表观密度:是指材料在自然状态下单位体积的质量。
公式:ρ0=MV0,测量方法：直接测几何尺寸或是在表面涂蜡用排水置换法测量体积；（注：表观密度通常是指在气干状态下，在烘干状态下是干表观密度）3.堆积密度:是指粉状或粒状材料，在自然堆积状态下单位体积的质量。
公式：ρ′0=MV′04.密实度：材料部材料的体积所占总体积的百分比。
公式：D=VV0×100%=ρ0ρ×100%5.孔隙率：指散粒或粉状材料颗粒之间的空隙体积占总体积的百分率.公式：P=V0−VV0=(1−VV0)×100%=(1−ρ0ρ)×100%=1−D6.填充率：颗粒或粉状材料中材料表观密度占堆积密度的比值。
公式：D′=V0V′0×100%=ρ′0ρ0×100%7.空隙率: 颗粒或粉状材料在堆积体积空隙占总体积的比率。
公式：P′=V′0−V0V′0×100%=(1−V0V′0)×100%=(1−ρ′0ρ0)×100%=1−D′8.孔隙率的影响:(1)表观密度的影响：材料孔隙率大，在相同体积下，它的表观密度就小。
而且材料的孔隙在自然状态下可能含水，随着含水量的不同，材料的质量和体积均会发生变化，则表观密度会发生变化。
(2)对强度的影响：孔隙减小了材料承受荷载的有效面积，降低了材料的强度，且应力在孔隙处的分布会发生变化，如：孔隙处的应力集中。
(3)对吸水性的影响：开口大孔，水容易进入但是难以充满；封闭分散的孔隙，水无法进入。
当孔隙率大，且孔隙多为开口、细小、连通时，材料吸水多。
(4)对抗渗性的影响：材料的孔隙率大且孔隙尺寸大，并连通开口时，材料具有较高的渗透性；如果孔隙率小，孔隙封闭不连通，则材料不易被水渗透。
(5)对抗冻性的影响：连通的孔隙多，孔隙容易被水充满时，抗冻性差。
材料基础知识
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(2) 基本性质
a. b. c. d. e. f. g. 共价键，部分范氏键 分子量大，无明显容点，有玻璃化转变温度Tg和粘流温度Tf； 力学状态有三态 玻璃态、高弹态、粘流态 比重小 绝缘性好 优越的化学稳定性 成型方法多
(3) 用途
结构材料：电视机壳体、冰箱壳体、轴承、机械零件 绝缘材料：漆包线、电缆、绝缘版、电器零件 建筑材料：贴面板、地贴 包装材料：塑料袋、薄膜、泡沫塑料 涂 装：涂料 粘 合 剂：粘合剂 日 用：织物（衣服）胶鞋 运 输：轮胎，传送带
如果汽车重量减轻10%，油耗可降低8～10%
德国奔驰公司，研制出以铝合 金为框架的车体，使汽车重量减 少40%
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50年代造 武汉长江大桥 用普 通钢Q235，跨度128m
60年代 南京长江大桥 16Mn钢 (节约钢材15%) 跨度160m
90年代 九江大桥 用15MnVN(节 约钢材20%) 跨度216m
a. 金属键，常规法生产的为晶体结构； b. 常温下固体熔点较高； c. 金属光泽； d. 纯金属范性大、展性、延性大； e. 强度较高； f. 导热、导电性好； g. 空气中移氧化，如钢、铁等生成氧化膜，合金可改性 抗氧化性。
(4) 用途 Application
a. 结构材料:如机床,建筑机械设备、工程交通工具； b. 导体材料，电线芯（铜） c. 工具
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1-2 材料科学与工程概述 Brief Introduction
1-2-1材料的重要作用
Importance of Materials for the Development of Human History and Science &Technology 材料是人类社会发展的巨大推动力，生产工具制造的 物质基础是材料。 石器时代 —— 陶器时代 —— 青铜时代 —— 铁期时 代——复合材料
金属材料基础知识
1、金属材料的机械性能的含义是什么？金属及合金的机械性能是指材料的力学性能，即受外力作用时所反映出来的性能。
它是衡量金属材料的重要指标。
2、金属材料的主要机械性能指标有哪些？金属材料的主要机械性能有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性。
3、什么是弹性和韧性？金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后恢复原来的形状的性能，叫弹性；这种随着外力而消失得变形叫弹性变形，其大小与外力成正比。
金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能，叫塑性。
外力消失时留下的这部分不可恢复得变形叫塑性变形，其大小与外力不成正比。
4、什么叫应力？什么叫应变？材料受到拉伸时单位截面上的拉力叫应力，用σ表示。
材料受到拉伸时单位长度上的伸长量叫应变，用ε表示。
5、什么叫弹性极限？材料所能承受的、不产生永久变形的最大应力叫做弹性极限，用σb表示。
6、什么叫屈服极限？金属材料开始出现明显的塑性变形的应力叫做屈服极限，用示。
有些材料屈服极限很难测定，通常规定产生0.2%塑性变形时的应力作为屈服极限，用σ0.2表示。
7、什么叫刚度？刚度用什么来衡量？金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力叫刚度。
在弹性范围内，应力与应变的比值叫做弹性模数，弹性模数越大，刚度越大。
8、什么叫强度？强度是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。
9、表示材料强度的指标有哪些？表示材料强度的指标有：1)、屈服强度：金属材料发生屈服现象时的屈服极限。
σs=P s/F0 (Pa)P s—试样产生屈服现象时所承受的最大外力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
2）、抗拉强度：金属材料在拉断前所承受的最大应力。
以σb表示。
σb=P b/F0 (Pa) P b—试样在断裂前的最大拉力，N(牛顿)；F0—试样原来的截面积，㎡。
10、什么叫硬度？金属材料抵抗更硬的物体压入其内部的能力叫做硬度。
11、衡量材料的硬度的指标有哪些？衡量硬度的指标有：布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HR）、维氏硬度(HV)。
碳钢材料基础知识
碳钢材料基础知识碳钢是一种主要由铁和碳组成的合金材料。
它是最常用的金属材料之一，具有广泛的应用领域，如建筑、汽车、机械制造等。
以下是关于碳钢材料的基础知识：1.碳含量：碳钢的碳含量通常在0.12%至2.0%之间。
碳含量的变化会对碳钢的强度、硬度和韧性等力学性能产生显著影响。
通常情况下，碳含量越高，强度越高，但韧性相应降低。
2.耐腐蚀性：碳钢具有一定的耐腐蚀性能，但不如不锈钢等特殊合金材料耐腐蚀。
碳钢容易受到氧气和水的作用而发生氧化反应，导致钢材表面生锈。
3.强度：碳钢具有良好的强度和硬度，能够承受较大的荷载和应力。
4.可塑性：碳钢具有较高的可塑性，适合进行各种形状的冷、热加工，如锻造、压制、拉伸等。
5.可焊性：碳钢具有较好的可焊性，能够通过焊接技术将不同工件进行连接。
6.热处理：碳钢可以通过热处理来改善其性能。
常用的热处理方法包括退火、淬火和回火等。
退火可以降低材料的硬度和提高韧性，淬火可以提高材料的硬度和强度，而回火可以减轻淬火后的脆性。
7.类型：碳钢可以根据其含碳量的不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三种类型。
低碳钢通常具有较高的可塑性和韧性，而高碳钢则具有较高的强度和硬度。
8.应用：碳钢广泛应用于建筑、机械、汽车和航空等领域。
例如，在建筑领域，碳钢常用于制造钢梁、钢柱和钢板等结构部件；在机械制造领域，碳钢用于制造轴、齿轮、螺栓等零部件。
9.表面处理：为了增强碳钢的耐腐蚀性和装饰性，常常对其进行表面处理，如电镀、镀锌、喷涂等。
总之，碳钢是一种重要的金属材料，具有良好的强度、可塑性和可焊性等特点。
它在各个领域都有广泛的应用，因此了解碳钢的基础知识对于工程师、制造商和消费者都非常重要。
材料学基础知识
材料学基础知识1. 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。
2. 材料在弹性范围内，应力与应变的比值εσ/称为弹性模量E （单位MPa ）。
E 标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。
3. 强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。
4. 塑性是材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。
5. 韧性是材料在塑性应变和断裂全过程中吸收能量的能力，它是强度和塑性的综合表现。
6. 硬度是指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力。
7. 应力场强度因子I K ，这个I K 的临界值，称为材料的断裂韧度，用C K I 表示。
换言之，断裂韧度C K I 是材料抵抗裂纹失稳扩展能力的力学性能指标。
8. 晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。
9. 非晶体是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。
10. 把原子看成空间的几何点，这些点的空间排列称为空间点阵。
用一些假想的空间直线把这些点连接起来，就构成了三维的几何格架称为晶格。
从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。
11. 体心立方晶格（bcc ）；面心立方晶格（fcc ）；密排六方晶格（hcp ）12. 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。
任意两个原子的连线称为原子列，其所指的方向称为晶向。
立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。
13.在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同，则原子间结合力的大小也不同，因而金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。
14.所谓位错是指晶体中一部分晶体沿一定晶面与晶向相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子某种有规律的错排现象。
位错的基本类型有两种，即刃型位错和螺旋位错。
15.由于塑性变形过程中晶粒的转动，当形变量达到一定程度（70%以上）时，会使绝大部分晶粒的某一位向与外力方向趋于一致，形成特殊的择优取向。
择优取向的结果形成了具有明显方向性的组织，称为织构。
耐火材料基础知识
1.6 硅藻土：海水或淡水中的微生物——硅藻类的遗体骨 骼（硅壳）堆积而成，本质上是含水的非晶质二氧化硅。
第一节 石英原料的主要类型及SiO2变体
2. SiO2变体的种类及性质
α-石英、β-石英
SiO2的种类
α-鳞石英、β-鳞石英、γ-鳞石英 α-方石英、β-方石英 石英玻璃
第一节 石英原料的主要类型及SiO2变体
★ 耐火材料在烧制过程当中的物理化学变化一般都 未达到烧成温度下的平衡状态，当制品在长期使 用中，受高温和时间的作用，会进一步产生物理 化学变化，从而进一步烧结和物相再结晶和玻璃 化，从而初始制品进一步密实，产生重烧收缩。 但是有的如硅质在高温下产生膨胀。
★ 重烧线变化的大小表明制品高温体积稳定性的好 坏，为了降低耐火制品的重烧收缩或膨胀，在工 艺上一般提高砖坯的成型密度，适当提高烧成温 度或延长保温时间，但不宜过高，以免制品变形 或者进一步玻璃化，从而降低了热震稳定性。
热容
★ 热容（又称比热容）是指常压下加热1公 斤样品使之升温一度所需的热量。
★ 影响热容的因素
耐火材料的热容是随它的化学矿物组成和所处的 温度条件而变化的，通常很少测定热容，检验标 准中也没有规定方法。
重烧线变化
★ 重烧线变化是指将耐火材料试样加热到规定温度， 并恒定一定时间，冷却至室温以后，其线性尺寸 的不可逆变化。
(完整版)材料科学基础基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
材料科学基础108个重要知识点
材料科学基础108个重要知识点1.晶体--原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性。
2.中间相--两组元A 和B 组成合金时，除了形成以A 为基或以B 为基的固溶体外，还可能形成晶体结构与A，B 两组元均不相同的新相。
由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相。
3.亚稳相--亚稳相指的是热力学上不能稳定存在，但在快速冷却成加热过程中，由于热力学能垒或动力学的因素造成其未能转变为稳定相而暂时稳定存在的一种相。
4.配位数--晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。
5.再结晶--冷变形后的金属加热到一定温度之后，在原变形组织中重新产生了无畸变的新晶粒，而性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状态，这个过程称为再结晶。
（指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程）6.伪共晶--非平衡凝固条件下，某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织，这种由非共晶成分的合金得到的共晶组织称为伪共晶。
7.交滑移--当某一螺型位错在原滑移面上运动受阻时，有可能从原滑移面转移到与之相交的另一滑移面上去继续滑移，这一过程称为交滑移。
8.过时效--铝合金经固溶处理后，在加热保温过程中将先后析出GP 区，θ”，θ’，和θ。
在开始保温阶段，随保温时间延长，硬度强度上升，当保温时间过长，将析出θ’，这时材料的硬度强度将下降，这种现象称为过时效。
9.形变强化--金属经冷塑性变形后，其强度和硬度上升，塑性和韧性下降，这种现象称为形变强化。
10.固溶强化--由于合金元素（杂质）的加入，导致的以金属为基体的合金的强度得到加强的现象。
11.弥散强化--许多材料由两相或多相构成，如果其中一相为细小的颗粒并弥散分布在材料内，则这种材料的强度往往会增加，称为弥散强化。
12.不全位错--柏氏矢量不等于点阵矢量整数倍的位错称为不全位错。
13.扩展位错--通常指一个全位错分解为两个不全位错，中间夹着一个堆垛层错的整个位错形态。
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铸造铝合金：ZLD101（铝硅系）、ZLD202（铝铜 系）、ZLD302（铝镁系）、ZLD404（铝锌系）， 阿拉伯数第一位表示合金系列,后两位表示顺序号。 铜合金分为：加工铜合金和铸造铜合金
有色金属材料：除钢铁以外的其余金属材料为有色 金属材料，外观大多具有不同的色泽，也称非铁金 属材料。
有色金属材料分类：
有色轻金属材料：比重小于4.5g/cm3，铝、镁、 钠、钾、钙、锶、钡等纯金属及其合金。
有重轻金属材料：比重大于4.5g/cm3，铜、镍、 铅、锡、锌、锑、钴、铬、汞、铋等纯金属及其合 金。
用“03”表示碳量，含碳量
上限为0.01%时，用“01”
表示含碳量
生铁的分类：分为炼钢生铁、铸造生铁、含 钒生铁、球墨铸铁用生铁等。
铸铁：以铸造生铁做原料，重新熔炼严格控 制化学成分而得，用于浇注一定性能的机 器零件，称为铸铁。
铸铁的分类：
按断口颜色分为：灰口铸铁、白口铸铁、 麻口铸铁
按化学成分分为：普通铸铁、合金铸铁
金属材料的分类：分为黑色金属材料和有色 金属材料。
黑色金属材料：指铁、铬、锰及它们的合金， 因外观呈黑色或灰黑色故称黑色金属材料， 通常又称钢铁材料。
钢的分类：钢铁产品牌号的表示和钢铁的分 类方法有着密切的关系。通常钢号的表示 方法大多都是在钢分类的基础上制订出来 的。
钢的分类方法很多，最常见和常用的有五类。
3. 按质量分类：普通钢、优质钢、高级优质 钢
4. 按金相组织分类： 5. 按用途分类：
结构钢：分为建筑及工程用结构钢和机械 制造用结构钢
工具钢按成分分为：碳素工具钢、合金工 具钢、高速工具钢
特殊性能钢：分为耐热钢、耐酸钢、电热 合金、精密合金、高温合金等
钢的牌号表示（GB/T 221-2000）
普通含锰量碳素工具钢，钢号 冠以“T”，阿拉伯数字表示平 均含碳量的千分之几
较高含锰量的表示方法同优质 碳素结构钢
易切削钢 Y12 钢号冠以“Y”，阿拉伯数字表示 Y40Mn 含碳量的万分之几。较高含锰量 者表示方法同上，如Y40Mn
电工用硅 钢ຫໍສະໝຸດ DR18 DW15 DQ14
电工用热轧硅钢、电工用冷轧无
优质碳素钢 08F 20A 45 70Mn
碳素工具钢 T7 T8Mn
普通含锰量优质碳素结构钢， 阿拉伯数字表示平均含碳量的 万分之几。例：平均碳含量为 0.45%的钢，钢号表示为“45”
较高含锰量的优质碳素结构钢， 在阿拉伯数字后标出锰元素符 号，如：70Mn
高级优质碳素结构钢，在牌号 尾部加符号“A”
在牌号头部加符号“G”，但 不标明含碳量。铬含量以千 分之几计，其他合金元素按 合金结构钢的合金含量表示
不锈钢 耐热钢
2Cr13
不锈钢、耐热钢等，一般用
0Cr18Ni9 一位数字表示平均含碳量的
03Cr19Ni10 01Cr19Ni11
千分之几。平均含碳量小于 0.10%时，用“0”表示，含 碳量为0.01~0.03%时，
稀有稀土金属材料：镧、铈等纯金属及其合金。
稀有放射性金属材料：镭、锕系元素纯金属及其合金。
铝合金分类：分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝和铝合金牌号表示方法（GB/T 164741996），此标准规定牌号表示方法采用变形铝和 铝合金国际牌号注册组织推荐的国际四位数字体 系牌号命名方法。以前，我国采用前苏联的牌号 表示方法，一些老牌号化学成分与国际四位数字 体系牌号不完全吻合。例如，老牌号LF21的化学 成分与国际四位体系牌号3003不完全吻合，于是， 用四位字符体系表示的牌号为3A21，以便逐渐与 国际接轨。
1.按冶炼方法分类：按冶炼设备分为平炉钢、 转炉钢、电炉钢等。按脱氧程度和浇注制 度分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。
2.按化学成分分类：分为碳素钢（低碳钢 C≤0.25%、中碳钢C ：0.25～0.60%、 高碳钢C≥0.60%）、合金钢〔低合金钢 （合金元素总量≤5%）、中合金钢（合金 元素总量5～10%）、高合金钢（合金元 素总量＞10%）〕
贵金属材料：金、银、锇、铱、铂、钌、铑、钯纯 金属及其合金。
半金属材料：硅、硒、碲、砷、硼等性质介于金属与 非金属之间。
稀有金属材料分为：
稀有轻金属材料：钛、铍、锂、铷、铯等纯金属及其 合金。
稀有难溶金属材料：钨、钼、钽、铌、锆、钒、铼等 纯金属及其合金。
稀有分散金属材料：镓、铟、铊、锗等纯金属及其合 金。
合金弹簧钢 60Si2Mn 5CrV
合金工具钢 Cr12MoV
采用标准规定的合金
4CrW2Si
元素和阿拉伯数字表 示，一般不标明碳含
量，若平均含碳量小
高速工具钢 W18CrV
于1.00%时，可采用 一位阿拉伯数字表示
W6Mo5Cr4V2 含碳量（以千分之几
计）
滚珠轴承钢 GCr15 GCr1SiMn
取向或取向硅钢，在牌号头部分 别加符号“DR”、“DW”、 “DQ”，阿拉伯数字表示典型产 品最大单位铁损值
低合金钢 合金结构钢
15MnV 16Mn
35CrMoA 40Cr
1、在牌号的头部用两位数 字表示平均含碳量的万分之 几
2、平均合金元素含量小于 1.50%时，钢号中仅标明 元素，一般不标明含量
材料基础知识
材料的分类： 按用途分类：分为结构材料、功能材料、工艺
和辅助材料三大类； 按化学成分分类：分为金属材料、无机非金属
材料、有机高分子材料三大类。 材料的组成：由化学元素组成。 金属材料：指纯金属或合金，经过熔炼和各种
加工后而制成的材料。 纯金属：只有一种金属元素的物质。
合金：由两种或两种以上的金属或金属与非 金属所组成并具有金属特性的物质。
按组织性能分为：普通灰铸铁、可锻铸铁、 球墨铸铁、耐磨铸铁
常用生铁铸铁表示方法举例及说明
名称
牌号举例
炼钢生铁 L08
L10
铸造生铁 Z14 Z30
灰铸铁 HT250
牌号表示方法说明 阿拉伯数字表示Si的千分之 几
阿拉伯数字表示抗拉强度
球墨铸铁 QT400-17 阿拉伯数字表示抗拉强度的 伸长率
可锻铸铁 KT33-8
常用钢号表示方法举例及说明
钢类
钢号举例 钢号表示方法说明
普通碳素 Q235 结构钢
钢的牌号由代表屈服强度的字 母、屈服强度值、质量等级符 号、脱氧方式符号等四个部分 按顺序组成。如：Q235AF
Q—钢材屈服点“屈”字汉语 拼音首位字母。
A、B、C、D—分别为质量等 级代号。
F—沸腾钢“沸”字汉语拼音 首位字母。