工程材料的特性：一般、物理和机械
在本文中，我们将讨论： 1. 工程材料的一般特性 2. 工程材料的物理特性 3. 机械特性。
常规 工程材料的属性：
主要关注制造工程材料行业的经济学家感兴趣的是找出工程材料可以以最佳经济方式使用或应用的方法。经济师应具备各种工程材料的特性和制造工艺的工作知识。
这种经济学家的服务对于在特定条件下选择工程材料或决定使用当地可用原材料生产工程材料的路线非常有用。
特定工程材料的应用领域由该工程材料的特性和各种属性决定。
此类属性可分为以下各种类别：
(1) 化学性质：
材料的化学性质表明材料与其他物质结合的趋势、其反应性、溶解性以及腐蚀、化学成分、酸度、碱度等影响。腐蚀是其中之一由于金属的化学性质，工程师在选择工程材料时面临的严重问题。
在金属中，价电子与其原子松散结合，在化学反应过程中很容易被去除。因此，当金属暴露在大气中并与氧气、氯气等气体接触时，就会发生化学反应。当铁与氧气反应时，会形成红色的氧化铁，并覆盖在铁金属上。这称为腐蚀。
(2) 电气特性：
这些属性表示材料抵抗电流流动的能力，包括导电性、介电强度和电阻率。
(3) 磁性：
当用于发电机、变压器等时，需要研究材料的磁性能，如磁导率、磁滞和矫顽力。
(4) 机械性能：
在施加外力时控制材料行为的特性包含在这些属性中。一些重要的机械性能是弹性、硬度、塑性、强度等。
(5) 光学特性：
当材料用于光学工作时，必须了解其光学特性，如颜色、透光率、折射率、反射率等。当光照射到任何材料时，它会与其原子相互作用并产生各种类型的效果。光可以被反射、折射、散射或吸收。研究材料中的光以及如何利用这种行为来控制各种光效果的研究称为光学。
(6) 物理性质：
需要评估材料在没有任何外力作用下的状态，包括堆积密度、耐久性、孔隙率等。
(7) 热性能：
了解材料的热特性（例如比热、热膨胀和传导率）有助于了解材料对热变化的响应。因此可以选择合适的材料来承受波动和高温。
(8) 技术特性：
与加工或应用有关的金属和合金的特性称为技术特性。铸造性、机械加工性、焊接性和可加工性是金属和合金的一些重要技术特性。
在所有这些特性中，物理特性和机械特性对建筑工程师来说尤为重要。
物理属性 工程材料：
定义和解释了以下与工程材料物理特性相关的术语：
(1) 体积密度
(2) 耐化学性
(3) 软化系数
(4) 密度
(5) 密度指数
(6) 耐久性
(7) 耐火性
(8) 抗冻性
(9) 吸湿性
(10) 孔隙率
(11) 耐火度
(12) 抗剥落性
(13) 比热
(14) 热容量
(15) 导热率
(16) 吸水率
(17) 透水性
(18) 耐候性。
(1) 体积密度：
术语体积密度用于表示自然状态下单位体积材料的质量，即包括孔隙和空隙。它是通过求出试样的质量与试样在自然状态下的体积之比而获得的。
材料的强度、热量、导电性等技术性能受其体积密度的影响很大，因此材料的性能效率将取决于其体积密度。
对于大多数材料，除了致密材料、液体和从熔融物质中获得的材料外，体积密度都小于其密度。
表 1-1 显示了一些重要建筑材料的体积密度。
(2) 耐化学性：
材料承受酸、碱、气体和盐溶液作用的能力被称为其耐化学性。
在为下水道管道、水利工程装置、卫生设施等选择材料时，会仔细检查此属性。
(3) 软化系数：
用水饱和的材料的抗压强度与干燥状态的材料的抗压强度之比称为软化系数。玻璃和金属等材料不受水的影响，它们的软化系数是统一的。另一方面，粘土等材料浸泡在水中时很容易失去强度，因此它们的软化系数为零。
软化系数等于或大于0.8的材料被称为防水材料。建议避免使用软化系数小于 0.8 的材料，用于可能永久暴露于湿气作用的情况。
(4) 密度：
术语材料的密度定义为单位体积的均质材料的质量。它是通过计算均质状态下材料的质量与材料的体积之比而获得的。材料的物理性质受其密度影响很大。
(5) 密度指数：
材料的体积密度与其密度之比称为密度指数，因此它表示其体积被固体物质填充的程度。
由于自然界中几乎没有致密物质，大多数建筑材料的密度指数都小于1。
(6) 耐用性：
材料抵抗大气和其他因素共同作用的特性被称为耐久性。
建筑物的运行或维护成本自然取决于构成它的材料的耐用性。
(7) 耐火性：
耐火性一词用于表示材料抵抗高温作用而不失去其承载能力的能力，即强度没有实质性损失或形状变形。
材料的这种特性在发生火灾时非常重要，并且由于灭火操作通常伴随着水，因此材料的这种特性需要通过高温度和水。材料应具有足够的防火性，以在发生火灾时提供安全性和稳定性。
(8) 抗冻性：
水饱和材料抵抗反复冷冻和解冻而不显着降低机械强度或明显的失效迹象的能力被称为抗冻性。材料的抗冻性取决于材料的密度及其与水的饱和程度。
一般来说，致密的材料是抗冻的。孔隙封闭或充满水至其体积的90%以下的多孔材料具有抗冻性。
(9) 吸湿性：
材料从空气中吸收水蒸气的特性被称为吸湿性，它受所涉及物质的性质、孔隙数量、空气温度、相对湿度等控制。水- 保留或亲水性物质容易溶于水。
(10) 孔隙度：
孔隙率一词用于表示材料体积被孔隙占据的程度。它表示为孔隙体积与试样体积的比值。材料的孔隙率表示其各种性质，例如强度、堆积密度、吸水率、导热性、耐久性等，因此需要对其进行仔细研究和分析。
(11) 耐火度：
材料承受高温长时间作用而不熔化或失去形状的能力被称为耐火度。
(12) 抗剥落性：
材料承受一定数量的急剧温度变化循环而不失效的能力被称为其抗剥落性，它主要取决于其成分的线性膨胀系数。
(13) 比热：
术语比热定义为将 1 N 材料加热 1°C 所需的热量，以千卡表示。当考虑热量积累时，应考虑材料的比热。
钢、石、木的具体热度如下：
钢 – 0.046 x 10 3 J/N °C
石头 – 0.075 到 0.09 x 10 3 J/N °C
木材 – 0.239 到 0.27 x 10 3 J/N°C。
(14) 热容量：
材料吸收热量的特性被称为它的热容量，它由以下等式计算得出 –
T =H / M (T2 – T1)
其中，T =热容量，单位为 J/N °C
H =将材料的温度从 T1 提高到 T2 所需的热量，单位为 J M =材料的质量，单位为 N
T1 =加热前材料的温度（°C）
T2 =加热后材料的温度，单位为°C。
(15) 热导率：
材料的热导率是单位时间内单位厚度材料单位面积上的热量，单位为千卡，当材料表面的温差也为1时。导热系数的单位是 J/m hr °C，通常用 K 表示。材料的导热系数取决于其密度、孔隙率、水分含量和温度。
材料的热阻率一词用于表示其热导率的倒数。材料的热阻等于热阻乘以其厚度。
(16) 吸水率：
材料吸收和保留水分的能力被称为吸水率。将干燥材料完全浸入水中，然后以干燥材料的重量百分比或体积百分比计算吸水率。它主要取决于材料中存在的孔隙的体积、大小和形状。
(17) 透水性：
材料在压力下允许水通过的能力称为透水性，它被描述为在恒压下在一小时内通过材料的水量, 试样的横截面积为 1 cm。玻璃、钢等致密材料防水或不透水。
(18) 耐候性：
耐候性一词用于表示材料在不严重影响其形状和机械强度的情况下抵抗干湿交替条件的能力。因此，它表明材料在暴露于不断变化的湿度条件下时的行为。
工程材料的力学性能：
材料的机械性能，如刚性、延展性和强度，对于确定它们的制造和可能的实际应用至关重要。
建筑材料表现出广泛的机械性能，从金刚石的硬度到纯铜的延展性和橡胶的惊人弹性。同样，许多材料在以不同方式受压时表现也大不相同。例如，铸铁、水泥和砖的抗压性更强，而木材和钢的抗拉性更强。
定义和解释了以下与建筑材料常见力学性能相关的术语：
(1) 磨损
(2) 蠕变
(3) 弹性
(4) 疲劳
(5) 硬度
(6) 冲击强度
(7) 可塑性和脆性
(8) 实力
(9) 磨损。
(5) 硬度
(1) 磨损：
材料的耐磨性是通过用磨损前后试样的重量差除以磨损面积得出的。
(2) 蠕变：
在许多应用中，建筑材料需要长时间承受稳定的负载。在这种情况下，材料可能会继续变形，直到其实用性严重降低。结构的这种与时间相关的变形会变得很大，甚至可能导致最终断裂，而不会增加任何载荷。如果即使载荷恒定，变形仍继续，这种额外的变形被称为蠕变。
大多数建筑材料在所有温度下都会发生一定程度的蠕变。然而，钢、铝和铜等工程金属在室温下蠕变很小。高温导致快速蠕变，这通常伴随着微观结构的变化。蠕变现象在室温下的聚合物、100°C 的铝合金和 300°C 以上的钢中很重要。
(3) 弹性：
当对材料施加载荷时，其形状和尺寸会发生变化。术语弹性用于表示材料在去除负载后恢复其初始形状和尺寸的能力。
应注意以下两个术语的区别：
(i) 弹性变形：
当实体在加载时变形但在卸载时返回到其原始位置时，这种变形被称为弹性变形。压力的变化或载荷的施加导致弹性变形。术语“理想变形”用于表示在施加力时立即发生并在去除力时完全消失的变形。
这种变形遵循虎克定律，金属的弹性应变与施加的力成正比。理想的变形发生在相对较小的变形力下，可以将工作应力保持在弹性极限内。
(ii) 塑性变形：
当移除负载后固体完全或部分保留形状变化时，这种变形被称为塑性变形。当应力超过弹性极限时观察到塑性变形，其变形速率受应变速率、外加应力和温度的控制。它可以在拉伸、压缩和扭转应力下发生。它是在轧制、锻造等过程中有意进行的，以制造有用的产品。
(4) 疲劳：
当材料承受重复或波动的应力时，它们将在远低于在稳定载荷下引起断裂所需的应力下失效。
这种行为被称为疲劳，它具有以下三个特征：
(i) 强度和使用寿命的不确定性增加；
(ii) 延展性损失；和
(iii) 失去力量。
疲劳失效的原因如下：
(i) 腐蚀环境导致疲劳强度降低；
(ii) 应力集中点；
(iii) 表面缺陷，如加工痕迹和表面不规则；和
(iv) 温度，低温下疲劳强度高，随温度升高逐渐降低。
(5) 硬度：
材料抵抗较硬物体穿透的能力称为硬度。它是决定地板和路面材料的可加工性和用途的主要因素。硬度不是基本特性。但它是相对于穿透方式、穿透器形状等的压缩、弹性和塑性特性的综合作用。
硬度与给定材料的抗拉强度具有相当恒定的关系。因此，它可以用作实用的无损测试，以大致了解材料的抗拉强度和表面附近金属的状态。
石材的硬度可以借助莫氏硬度标度来确定。它是按硬度增加的顺序排列的十种材料的列表。一种材料的硬度介于两种材料的硬度之间，即一种被测试材料划伤的硬度。
表 1-2 显示了莫氏硬度标度。
(6) 冲击强度：
材料的冲击强度是指每单位体积导致其失效所需的工作量。因此，它表示材料的韧性，并且在冲击试验机中测试材料以确定它们的冲击强度。
冲击强度是一个复杂的特性，它同时考虑了材料的韧性和强度。
受以下因素影响：
(i) 如果试样尺寸增加，冲击强度也会增加。
(ii) 如果缺口的锐度增加，则导致失效所需的冲击强度降低。
(iii) 缺口的角度在一定值后也提高了冲击强度。
(iv) 冲击强度也受到冲击速度的一定影响。
(v) 被测样品的温度表明了可能发生的断裂类型，即韧性、脆性或韧性到脆性转变。
(7) 可塑性和脆性：
术语“材料的可塑性”被定义为在载荷作用下改变其形状而不开裂并在去除载荷后保持其形状的能力。
材料大致可分为两类，即塑料材料和脆性材料。钢、铜、热沥青等为塑料材料。脆性材料在压力下突然失效，在失效之前没有明显的变形。岩石材料、陶瓷材料、玻璃、铸铁、混凝土和其他一些材料都很脆，它们的抗弯曲、抗冲击和抗拉能力很差。
(8) 强度：
材料在载荷引起的应力作用下抵抗破坏的能力称为强度。材料通常承受的载荷是压缩、拉伸和弯曲。用极限载荷除以试样的截面积，得到相应的强度。
建筑材料中的应力不允许超过其极限强度的一定百分比。因此，提供了安全裕度，并且术语安全系数用于表示极限应力与安全应力的比率。例如，如果安全系数为 2，则用于设计目的的应力将是极限应力的二分之一。
安全系数的值由设计标准规定，并综合考虑工作性质、材料质量、服务条件、经济考虑等各种因素而制定。
(9) 磨损：
材料在磨损和冲击的共同作用下的失效称为磨损。耐磨性通常表示为重量损失的百分比，它对于决定材料是否适用于路面、铁路道碴等具有重要意义。
复合材料