2.1 材料的组成、结构和构造对其性质的影响

2.1.1 材料的组成

材料的组成包括化学组成和矿物组成，它是决定材料各种性质的重要因素。

1.化学组成

化学组成是指构成材料的化学成分。不同化学成分组成的材料其性质不同，如碳素钢随含碳量的增加其强度、硬度、冲击韧性将发生变化；碳素钢容易生锈，在钢中加入铬、镍等化学成分就可生产出不锈钢。

2.矿物组成

许多无机非金属材料是由各种矿物组成的，矿物是具有一定化学成分和结构特征的单体和化合物。相同的化学成分，不同的矿物成分，材料的性质不同。

2.1.2 材料的结构和构造

材料的结构可分为宏观结构、细观结构和微观结构，它是决定材料各种性质的最重要因素。

1.宏观结构（构造）

用肉眼或放大镜能够分辨的毫米级以上的粗大组织称为宏观结构。材料的宏观结构可分为下列几种类型：

（1）致密结构。致密结构是指材料的内部基本上无孔隙的结构。这类材料的特点是强度和硬度较高，吸水性小，抗渗和抗冻性较好，如钢材、有色金属、玻璃、塑料、致密的天然石材等。

（2）多孔结构。多孔结构是指材料内部具有粗大孔隙的结构。这类材料的特点是强度较低，吸水性大，抗渗和抗冻性较差，绝热性较好，如加气混凝土、泡沫塑料等。

（3）微孔结构。微孔结构是指材料内部具有微细孔隙的结构。这种微细孔隙是加入大量的拌和水而形成的，其特点与多孔结构材料的特点相同，如烧结普通砖、石膏制品等。

（4）纤维结构。纤维结构是指材料内部组织具有方向性的结构。这类材料的特点是平行纤维方向与垂直纤维方向的各种性质具有明显差异，如木材、竹材、玻璃纤维增强塑料、石棉制品等。

（5）片状或层状结构。片状或层状结构是指材料具有叠合的结构。这类材料是用胶黏剂或其他方法将不同的片材或具有各向异性的片材黏合而成的层状结构，其特点是平面各向同性，同时提高了材料的强度、硬度等，综合性能好，如胶合板、纸面石膏板、各种夹心板等。

（6）散粒结构。散粒结构是指材料呈松散颗粒状的结构。这类材料的特点是颗粒之间存在大量空隙，其空隙率的大小主要取决于颗粒级配、颗粒形状及大小等，如砂子、石子、膨胀珍珠岩等。

2.细观结构

用光学显微镜所观察到的微米级组织结构称为细观结构，又称为亚微观结构或显微观结构。该结构主要研究材料内部的晶粒、颗粒等的大小和形态、境界或界面，孔隙与微裂纹的大小、形状及分布等。例如，可分析金属材料晶粒的粗细及其金相组织；可分辨混凝土的粗细骨料、水泥石及孔隙组织；可观察木材的木纤维、导管、髄线、树脂道等组织。

材料的细观结构对其力学性质、耐久性等影响很大。材料的晶粒细化能提高强度，如在钢材中加入钛、钒、铌等合金元素，能细化晶粒，显著提高强度。

3.微观结构

用电子显微镜、X射线衍射仪等手段来研究材料原子、分子级的微观组织称为微观结构。该结构可分为晶体与非晶体。

（1）晶体。材料的质点（原子、分子或离子）按一定规律在空间重复排列的固体称为晶体。晶体的特点是具有固定几何外形，且各向异性。晶体材料的各种物理力学性质与质点的排列方式及质点间的结合力（化学键）有关。晶体按化学键可分为以下几种：

1）原子晶体，由中性原子构成的晶体。原子间以共价键来联系，结合力大。原子晶体的强度、硬度、熔点都高，密度较大，如金刚石、石英、碳化硅等。

2）离子晶体，由正、负离子构成的晶体。离子间靠静电引力（库仑引力）来联系，一般比较稳定。离子晶体的强度、硬度、熔点都较高，但波动较大；部分可溶，密度中等，如氯化钙、石膏、石灰岩等。

3）分子晶体，由分子构成的晶体。分子间以分子力（范德华力）来联系，结合力较弱。分子晶体的强度、硬度、熔点均较低，大部分可溶，密度较小。如蜡及部分有机化合物。

4）金属晶体，由金属阳离子构成金属晶体。金属离子间靠金属键（库仑引力）联系。金属晶体的强度、硬度变化大，密度也大，由于金属离子具有自由运动的电子，故金属材料具有良好的导热性和导电性，如铁、钢、铝、铜及其合金。

（2）非晶体。将熔融物迅速冷却，质点来不及按一定规律排列而凝固成的固体，称为非晶体，也称玻璃体或无定形体。非晶体的特点是没有固定的几何外形，且各向同性，由于急速冷却，大量的化学能未释放出来，所以非晶体材料具有化学不稳定性，容易与其他物质发生化学反应，如粒化高炉矿渣、火山灰、粉煤灰等。将熔融物慢慢冷却，可凝固成晶体。