材料物理性能.ppt
讲 师：李 伟E-Mail:Mobile telephone:13793069911,材料物理性能,校级精品课程,绪 论,材料性能定义,在某种环境或条件作用下，为描述材料的行为或结果，按照特定的规范所获得的表征参量。,材料物理性能,材料物理性能,有多少行为，就对应地有多少性能。外界条件不同，相同的材料也会有不同的性能。性能必须量化，多数的性能都有量纲。,从定义可以看出：,材料物理性能,材料性能的划分,物理性能力学性能化学性能 复杂性能,复合性能工艺性能使用性能,抗氧化性耐腐蚀性抗渗入性,强 度 延 性 韧 性 刚 性,热学性能声学性能光学性能电学性能磁学性能辐照性能,材料物理性能,按材料性能（功能）分类,机械性能:高强材料、超硬材料、耐磨材料、韧性材料、摩擦材料等 热学性能:耐火材料、绝热材料（保温材料）、传热材料、防火材料等 化学性能:耐腐蚀材料、防水材料、吸附材料、离子交换材料、催化剂载体、胶凝材料等 光学性能:电光材料、导光材料、透光材料、荧光材料、发光材料、感光材料、分光材料等,材料物理性能,为什么要研究材料的性能,？,材料物理性能,材料性能研究的重要性,1.材料性能的研究，贯穿于整个人类的文明史,材料物理性能,2.材料性能决定了材料用途,高纯度多晶硅，其纯度高达 0.99999999999,材料物理性能,3.材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构 如：根据n=2dsin，利用晶体对X-ray的衍射图象，就可以推知晶体中面网间距d，进而就可以分析晶体的结构。结构决定了性能，而性能则是内部结构某些方面的体现。,材料物理性能,这里有学问吗？青花瓷,材料物理性能,现象与本质：同一材料不同性能只是相同的内部结构，在不同的外界条件下所表现的不同行为。不同的外界条件下，材料的性能是不同的，即一种材料有多种性能。,材料性能研究注意问题,材料物理性能,本课程的特点,重视物理基本概念的描述重视介绍表征材料物理性能的主要参数描述这些物性与材料的成分、组织结构、工艺过程的关系及变化规律。以介绍材料物理性能为主线，把性能、材料和主要测试方法有机地结合起来,材料物理性能,本课程的主线,性能的基本概念,物理本质,影响因素,性能指标的工程意义,指标的测试与评价及应用,材料物理性能,本课程讲授内容,一、力学性能（16学时）二、热学性能（6学时）三、磁学性能（6学时）四、电学性能（10学时）五、压电性能与铁电性能（8学时）六、材料的老化及稳定性能（2学时）,材料物理性能,第一章 材料单向静拉伸的力学性能,单向静拉伸试验是一种重要力学性能测试手段。,拉伸试验，揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式（过量弹性变形、塑性变形和断裂）的特点和规律。,材料物理性能,第一节 力-伸长曲线和应力-应变曲线,1.1 力伸长曲线,材料物理性能,-胡克定律,其中：E-弹性模量，单位为Pa;EA-杆的抗拉（压）刚度。,规定线应变,可得胡克定律的另一种形式,应力：,材料物理性能,1.1 力伸长曲线,弹性变形阶段,屈服塑性变形,均匀塑性变形,不均匀集中塑性变形,材料物理性能,几种典型材料的力-伸长曲线,1为高碳钢2为低合金结构钢3为黄铜4为陶瓷、玻璃类材料5为橡胶类材料6为工程塑料,材料物理性能,明显的四个阶段,1、弹性阶段ob,比例极限,弹性极限,2、屈服阶段bc（失去抵抗变形的能力）,屈服点（极限）,3、强化阶段ce（恢复抵抗变形的能力）,强度极限,4、局部颈缩阶段ef,材料物理性能,1.2 应力应变曲线,真应变与工程应变的关系,L,L+dL,de=dL/L,应变的微分增量,顺时真应力,总的应变量,真应变和工程应变的关系,真应力和工程应力的关系,S=(1+),假定材料的拉伸变形是等体积变化过程,真应变,得出：e,S,材料物理性能,真应力真应变曲线,工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据.,在材料科学研究中，真应力与真应变将具有重要意义.,材料物理性能,材料物理性能,第二节 弹性变形及其性能指标,材料产生弹性变形的本质，概括来说，都是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位置的反映。,2.1 弹性变形的本质,材料物理性能,金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形-处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移。,材料物理性能,橡胶类材料则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段的运动沿受力方向产生的伸展。,材料物理性能,双原子模型,离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形。,材料物理性能,根据此模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系是抛物线的关系。,合力曲线最大值Fmax是材料在弹性状态下的理论断裂抗力。,实际断裂抗力远远小于理论断裂抗力。,材料物理性能,2.2 弹性模数,在弹性范围内，物体受力的作用发生形变，应力与应变之间呈线性关系，即服从虎克定律：,（1）弹性模量E：在单向受力状态下E=/,它反映材 料抵抗应变的能力。,（2）切变模量G：在纯剪受力状态下G=/,它反映材料抵抗切应变的能力。,（3）体积模量K：表示材料在三向压缩（流体静压力）下，压强与体积变化率间的关系。,材料物理性能,在工程中，弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力，即材料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就越小。,用来表征材料的刚度,高弹性模量碳素钛合金球拍,材料物理性能,弹性模量的测量方法,工业上多是利用物理方法测定，如悬挂法、弯曲共振频率测量法、压电石英复合振子法及超声脉冲法等。,详见田莳主编的材料物理性能。,材料物理性能,测试弹性模数的必要性,材料物理性能,几种材料在常温下的弹性模数,材料物理性能,比弹性模数,定义：指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值。,陶瓷的比弹性模数一般都比金属材料的大。,在金属材料中，大多数金属的比弹性模数相差不大。,材料物理性能,材料物理性能,2.3 影响弹性模数的因素,材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志。,键合方式,晶体结构,化学成分,微观结构,温度,主要因素,加载方式和速度,材料物理性能,键合方式和原子结构,共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数。,材料物理性能,金属弹性模数的周期变化,变化的实质与元素的原子结构和原子半径有密切关系原子半径越大，E值越小，反之亦然。过渡族元素都有较高的弹性模数，这是由于原子半径较小，且d层电子引起较大的原子间结合力所致。,材料物理性能,晶体结构,单晶体材料的弹性模量在不同晶体学方向上呈各向异性，沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小。,多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各向同性（伪各向同性）。,非晶态材料弹性模量为各向同性。,材料物理性能,例子：铜板材的弹性各向异性,铜的冷轧织构为（110）112或（112）111，因112方向与111之间夹角很小，故经冷轧的铜板沿扎向和横向弹性模量最高，与轧向成45的方向弹性模量最低。再结晶退火织构是（100）001，故沿轧向和横向弹性模量最低。,材料物理性能,化学成分,材料化学成分的变化将引起原子间距和键合方式的变化，因此也影响材料的弹性模量。,合金的弹性模数随组成元素的质量分数、晶体结构和组织状态变化而变化。,固溶体合金弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构。,材料物理性能,溶质含量对弹性模量的影响,材料物理性能,两相合金中，弹性模数变化复杂，与合金成分，第二相性质、数量、尺寸及分布有关。,材料物理性能,微观结构,金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组织对弹性模数的影响较小，晶粒大小对弹性模数无影响。,作为金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的力学性能指标。,冷加工可以降低金属及合金的弹性模数（5%以下），只有形成强的织构才有明显的影响，并出现弹性各项异性。,材料物理性能,工程陶瓷弹性模数的大小与构成陶瓷的相的种类、粒度、分布、比例及气孔率有关。,气孔率对陶瓷弹性模量的影响大致可用下式表示：,E=E0(1-1.9p+0.9p2)E0 为无气孔时弹性模数，p 为气孔率。,材料物理性能,陶瓷气孔率与弹性模量的关系,实线为最好的拟合直线,材料物理性能,高分子聚合物的弹性模数,高分子聚合物的弹性模量可以通过添加增强性填料而提高。,材料物理性能,复合材料是特殊的多相材料，对于增强相 为粒状的复合材料，其弹性模量随增强相 体积分数的增高而增大。,对于增强相为单向纤维的复合材料，其弹 性模量一般用宏观模量表示。分别为纵向 弹性模量E1、横向弹性模量E2:,E1=EfVf+EmVmE2=Vf/Ef+Vm/Em,材料物理性能,温度,一般来说，随着温度的升高，原子振动加剧，体积膨胀，原子间距增大，结合力减弱，使材料的弹性模量降低。,材料物理性能,随着温度的变化，材料发生固态相变时，弹性模数将发生显著变化。,材料物理性能,不同磁场条件下镍的弹性模数随温度变化关系。,材料物理性能,加载条件和负荷持续时间,加载方式、加载速率和负荷持续时间对金属、陶瓷类材料的弹性模量几乎没有影响。,高分子聚合物材料的弹性模量与时间的关系与其对温度的关系相似，一般来说，随着负荷时间的延长，弹性模量下降。,材料物理性能,高聚物弹性模量与时间的关系,材料物理性能,4.弹性比功,定义：弹性比功是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力。,一般用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示。,材料物理性能,4.1 弹性比功的表示方法,ae=ee/2=e2/2E,e为与弹性极限对应的弹性应变,材料物理性能,4.1 提高材料弹性比功的途径,（1）提高材料弹性极限e,（2）降低材料弹性模数,已知：ae=e2/2E,材料物理性能,例如：弹簧材料需要有较高的弹性比功,
