2.1 材料的組成、結構和構造對其性質的影響

2.1.1 材料的組成

材料的組成包括化學組成和礦物組成，它是決定材料各種性質的重要因素。

1.化學組成

化學組成是指構成材料的化學成分。不同化學成分組成的材料其性質不同，如碳素鋼隨含碳量的增加其強度、硬度、沖擊韌性將發生變化；碳素鋼容易生銹，在鋼中加入鉻、鎳等化學成分就可生產出不銹鋼。

2.礦物組成

許多無機非金屬材料是由各種礦物組成的，礦物是具有一定化學成分和結構特征的單體和化合物。相同的化學成分，不同的礦物成分，材料的性質不同。

2.1.2 材料的結構和構造

材料的結構可分為宏觀結構、細觀結構和微觀結構，它是決定材料各種性質的最重要因素。

1.宏觀結構（構造）

用肉眼或放大鏡能夠分辨的毫米級以上的粗大組織稱為宏觀結構。材料的宏觀結構可分為下列幾種類型：

（1）致密結構。致密結構是指材料的內部基本上無孔隙的結構。這類材料的特點是強度和硬度較高，吸水性小，抗滲和抗凍性較好，如鋼材、有色金屬、玻璃、塑料、致密的天然石材等。

（2）多孔結構。多孔結構是指材料內部具有粗大孔隙的結構。這類材料的特點是強度較低，吸水性大，抗滲和抗凍性較差，絕熱性較好，如加氣混凝土、泡沫塑料等。

（3）微孔結構。微孔結構是指材料內部具有微細孔隙的結構。這種微細孔隙是加入大量的拌和水而形成的，其特點與多孔結構材料的特點相同，如燒結普通磚、石膏制品等。

（4）纖維結構。纖維結構是指材料內部組織具有方向性的結構。這類材料的特點是平行纖維方向與垂直纖維方向的各種性質具有明顯差異，如木材、竹材、玻璃纖維增強塑料、石棉制品等。

（5）片狀或層狀結構。片狀或層狀結構是指材料具有疊合的結構。這類材料是用膠黏劑或其他方法將不同的片材或具有各向異性的片材黏合而成的層狀結構，其特點是平面各向同性，同時提高了材料的強度、硬度等，綜合性能好，如膠合板、紙面石膏板、各種夾心板等。

（6）散粒結構。散粒結構是指材料呈松散顆粒狀的結構。這類材料的特點是顆粒之間存在大量空隙，其空隙率的大小主要取決于顆粒級配、顆粒形狀及大小等，如砂子、石子、膨脹珍珠巖等。

2.細觀結構

用光學顯微鏡所觀察到的微米級組織結構稱為細觀結構，又稱為亞微觀結構或顯微觀結構。該結構主要研究材料內部的晶粒、顆粒等的大小和形態、境界或界面，孔隙與微裂紋的大小、形狀及分布等。例如，可分析金屬材料晶粒的粗細及其金相組織；可分辨混凝土的粗細骨料、水泥石及孔隙組織；可觀察木材的木纖維、導管、髄線、樹脂道等組織。

材料的細觀結構對其力學性質、耐久性等影響很大。材料的晶粒細化能提高強度，如在鋼材中加入鈦、釩、鈮等合金元素，能細化晶粒，顯著提高強度。

3.微觀結構

用電子顯微鏡、X射線衍射儀等手段來研究材料原子、分子級的微觀組織稱為微觀結構。該結構可分為晶體與非晶體。

（1）晶體。材料的質點（原子、分子或離子）按一定規律在空間重復排列的固體稱為晶體。晶體的特點是具有固定幾何外形，且各向異性。晶體材料的各種物理力學性質與質點的排列方式及質點間的結合力（化學鍵）有關。晶體按化學鍵可分為以下幾種：

1）原子晶體，由中性原子構成的晶體。原子間以共價鍵來聯系，結合力大。原子晶體的強度、硬度、熔點都高，密度較大，如金剛石、石英、碳化硅等。

2）離子晶體，由正、負離子構成的晶體。離子間靠靜電引力（庫侖引力）來聯系，一般比較穩定。離子晶體的強度、硬度、熔點都較高，但波動較大；部分可溶，密度中等，如氯化鈣、石膏、石灰巖等。

3）分子晶體，由分子構成的晶體。分子間以分子力（范德華力）來聯系，結合力較弱。分子晶體的強度、硬度、熔點均較低，大部分可溶，密度較小。如蠟及部分有機化合物。

4）金屬晶體，由金屬陽離子構成金屬晶體。金屬離子間靠金屬鍵（庫侖引力）聯系。金屬晶體的強度、硬度變化大，密度也大，由于金屬離子具有自由運動的電子，故金屬材料具有良好的導熱性和導電性，如鐵、鋼、鋁、銅及其合金。

（2）非晶體。將熔融物迅速冷卻，質點來不及按一定規律排列而凝固成的固體，稱為非晶體，也稱玻璃體或無定形體。非晶體的特點是沒有固定的幾何外形，且各向同性，由于急速冷卻，大量的化學能未釋放出來，所以非晶體材料具有化學不穩定性，容易與其他物質發生化學反應，如粒化高爐礦渣、火山灰、粉煤灰等。將熔融物慢慢冷卻，可凝固成晶體。