材料的物理性能
材料的物理性能：密度、相对密度、弹性、塑性、韧性、刚性、脆性、缺口敏感性、各向同性、各向异性、吸水率和模塑收缩率等。
?弹性：是材料在变形后部分或全部恢复到初始尺寸和形状的能力。
?塑性：是材料受力变形后保持变形的形状和尺寸的能力。
?韧性：是聚合物材料通过弹性变形或塑性变形吸收机械能而不发生破坏的能力。
?延展性：材料受到拉伸或压延而未受到破坏的延伸性称为延展性。
?脆性：是聚合物材料在吸收机械能时易发生断裂的性质。
?缺口敏感性：材料从已存在的缺口、裂纹或锐角部位发生开裂，裂纹很快贯穿整个材料的性质称为缺口敏感性。
?各向同性：各向同性的材料为在任何方向上物理性能相同的热塑性或热固性材料。
?各向异性：各向异性材料的性质与测试方向有关，增强塑料在纤维增强材料的排列方向上有较高的性能。
?吸水性：吸水性是材料吸水后质量增加的百分比表示。
模塑收缩性：模塑收缩性是指零件从模具中取出冷却至室温后，其尺寸相对于模具尺寸发生的收缩。
冲击性能：是材料承受高速冲击载荷而不被破坏的一种能力，反应了材料的韧性。
塑料材料在经受高冲击力而不被破坏，必须满足两个条件：①能迅速通过形变来分散和冲击能量；②材料内部产生的内应力不超过材料的断裂强度。
疲劳性能：塑料制品受到周期性反复作用的应力，包括拉伸、弯曲、压缩或扭曲等不同类型的应力，而发生交替变形的现象，称为疲劳。
抗撕裂性：抗撕裂性是薄膜、片材、带材一类薄型瓣重要力学性能。
蠕变性：指材料在恒定的外力（在弹性极限内，包括拉伸、压缩、弯曲等）作用下，变形随时间慢慢增加的现象。
应力松弛：指塑料制品维持恒定应变所需要的应力随时间延长而慢慢松弛的现象。
塑胶材料
●塑胶材料可分为两大类：热塑性塑料、热固性塑料。
●热塑性塑料从构象（形态不同）可分为三种类型：无定型聚合物(PS、PC、PMMA)、
半结晶聚合物(PE、PP、PA)、液晶聚合物(LCP)。
●热塑性塑料受热后会软化，并发生流动，冷却后凝固变硬，成为固态。热塑性塑料
由曲线状高分子组成，在加热时仅仅发生物理变化，其分子链上的基团稳定，分子间不发生化学反应。在多数热塑性塑料能被化学溶剂溶解，它对化学品的耐蚀性较热固性塑料差，其使用温度比热固性塑料低，机械性能和硬度也相对偏低。由于它的生产工艺成熟，来源广泛及可回收再利用，目前得到广泛的使用。
●通用的工程塑料：PA 聚酰胺、POM 聚甲醛、PC 聚碳酸酯、PPO改性聚苯醚、PET/PBT
聚酯。
塑胶材料的分类
一、按树脂的受热变化分类
1.热固性塑料：酚醛树脂、氨基树脂、环氧树脂、不饱和树脂、氰酸酯树脂、
呋喃树脂、烯丙基树脂、醇酸树脂等。
2.热塑性塑料：目前的使用达95%以上。
二、按树脂的应用分类
1.通用塑料:产量大、应用范围广、成型加工性好、成本低的一类树脂。
2.工程塑料：力学性能较好，尺寸稳定性高、抗蠕变性好、可在较高温度下使用（增强后热变形温度大于150℃）
3.一般塑料：指用量大、应用范围广、性能一般的一类塑料。产量占整个树脂的
90%以上。
4.特种塑料：指具有独特性能、价格高、产量少、应用范围窄的一类塑料。
5.热塑性弹性体：性能介于塑料和橡胶之间。Thermoplastic elastomer（TPE），或Thermoplastic rubber（TPR）。有SBS、SEBS、SIS、SEPS、POE、TPV、TPU、TPVC、TPEE、TPA等。
三、按树脂的结构分类
1.聚烯烃类
2.乙烯基类
3.聚酰胺类
4.聚脂类
5.其他种类还有纤维素类、聚胺酯类、酚醛类、氨基树脂类及环氧树脂等
四、按所含树脂的种类分类
1.单一树脂
2.塑料合金
塑料从工程应用上来分：
1.工程塑料
2.一般用途类塑料
3.特殊用途类塑料
通用热塑性塑料包括聚乙烯类、聚丙烯类、聚氯乙烯类、聚苯乙烯类和ABS类五种，占整个树脂的80%以上。
塑料中通常添加的助剂种类
●机械强度和耐磨性很好，但没有自润滑作用。低温性能好，在－40度下
仍表现较好的韧性,易着色。还具有超强的易加工性（加工工艺性好），
外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度
●材料湿度应保证小于0.1%。熔化温度：210~280C；模具温度：25～70C。
建议温度：45C。
●ABS的热变形温度为65～70度。
●使用温度：-40~100度。
●收缩率：0.4～0.7％，通常取0.6％。
设计注意：耐候性不佳，长期暴露在阳光下，易变色、降低强度；易燃烟量大。
PC 聚碳酸酯(防弹胶）
●透明度可达到90%，刚硬且韧性好，抗冲击强度高，使用温度可在-120
—130℃之间长期使用，但耐应力、开裂性差。
●典型应用范围:电气和商业设备（计算机元件、连接器等），器具（食品
加工机、电冰箱抽屉等），交通运输行业（车辆的前后灯、仪表板等）。
●熔化温度：260~340C。
模具温度：70~120C。
注射压力：尽可能地使用高注射压力。
注射速度：对于较小的浇口使用低速注射，对其它类型的浇口使用高速
注射。
●收缩率一般为0.5%~0.7% 通常取0.6%
设计注意：耐疲劳强度较低，易产生应力开裂，在制品中尽量少用金属嵌件；不耐碱；耐磨性较差。
PC/ABS 聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物和混合物
●PC/ABS具有PC和ABS两者的综合特性。例如ABS的易加工特性和PC的
优良机械特性和热稳定性。
●二者的比率将影响PC/ABS材料的热稳定性。PC/ABS这种混合材料还显示
了优异的流动特性。可改善应力开裂性，提高耐冲击性、耐磨损性、耐
热水老化性。
PC/PBT 聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯的混合物
●典型应用范围:齿轮箱、汽车保险杠以及要求具有抗化学反应和耐腐蚀
性、热稳定性、抗冲击性以及几何稳定性的产品。
●注塑模工艺条件:干燥处理：建议110~135C,约4小时的干燥处理。熔化
温度：235~300C。模具温度：37~93C。
●化学和物理特性: PC/PBT具有PC和PBT二者的综合特性，例如PC的高
韧性和几何稳定性以及PBT的化学稳定性、热稳定性和润滑特性等。收
缩率在0.5%左右。
PE 聚乙烯（俗称为软胶）
聚乙烯的主要品种有：低密度聚乙烯（LDPE）、高密度聚乙烯（HDPE）、线型低密度聚乙烯LLDPE、高分子量聚乙烯（UHMWPE）及茂金属聚乙烯。改性品种肯乙烯-乙酸乙烯脂（EVA）和氯化聚乙烯（CPE）。
一般性能：在常温下呈白色蜡状，为半透明颗粒，柔而韧，易变形，比水轻，无味无毒；耐化学品性好又脆化温度可达-70度；防潮性和电气绝缘性良好。HDPE 高密度聚乙烯
●在常温下呈白色蜡状，为半透明颗粒，柔而韧，易变形，比水轻，无味
无毒；耐化学品性好又脆化温度可达-70度；防潮性和电气绝缘性良好。
●典型应用范围:电冰箱容器、存储容器、家用厨具、密封盖等。
●熔化温度：220~260C。对于分子较大的材料，建议熔化温度范围在
200~250C之间。
模具温度：50~95C。
●HDPE的收缩率在1.5%~3%之间
LDPE 低密度聚乙烯
●典型应用范围:装饰塑料花，箱柜，管道联接器
●熔化温度：180~280C
模具温度：20~40C
为了实现冷却均匀以及较为经济的去热，建议冷却腔道直径至少为8mm，并且从冷却腔道到模具表面的距离不要超过冷却腔道直径的1.5倍。
注射压力：最大可到1500bar。
保压压力：最大可到750bar。
●PE-LD的收缩率在1.5%~5%之间
设计注意：表面印刷着色困难；耐候性不佳；动植物油、矿物油能使PE溶
PE要好，有特别高的抗弯曲疲劳强度，可制作铰链，耐热性好，低温使用只能达－15度，但低于－35度时会脆裂。易老化，不吸水（高频绝缘性能好）。
●熔化温度：220~275C，注意不要超过275C。
模具温度：40~80C，建议使用50度。结晶程度主要由模具温度决定。
●收缩率相当高，一般为1.0~2.5%，
设计注意：耐日光性差，易发生热氧老化；低温耐冲击性差；氧化酸能促使PP降解；避免与铜接触，铜盐溶液对PP有特殊的破坏作用；PP成型收缩率较高，热胀系数高，要防热应力脆化的发生；不易表面着色。
PA6 聚酰胺6或尼龙6
●耐磨、高强、韧性好、有自润滑，可在－40～100度下长期使用。吸水性
大，使得制品尺寸变化大，成型前要在热空气中干燥。
●熔化温度：230~280C，对于增强品种为250~280C。
模具温度：80~90C。
●PA6的收缩率在1%到1.5%之间
PA66聚酰胺66或尼龙66
●典型应用范围:同PA6相比，PA66更广泛应用于汽车工业、仪器壳体以及
其它需要有抗冲击性和高强度要求的产品。熔化温度： 225~275C 。对
玻璃添加剂的产品为275~280C。熔化温度应避免高于300C。
●模具温度：建议80C。
●PA66的收缩率在1%~2%之间
设计注意：吸湿性大，在酸性介质里易发生溶胀和增塑倾向；吸水性会影响材料的电性能，因此在电性能要求高和环境湿度较大的环境不适宜；由于吸水性强，不宜用来设计高尺寸精度的零件。
POM聚甲醛(赛钢）
●POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性，特别适合于制作齿轮和轴
承。由于它还具有耐高温特性，因此还用于管道器件（管道阀门、泵壳体），草坪设备等。
●POM是一种坚韧有弹性的材料，即使在低温下仍有很好的抗蠕变特性、几
何稳定性和抗冲击。可在-120—100℃之间长期使用。
●熔化温度：均聚物材料为190~230C；共聚物材料为190~210C。
●模具温度：80~105C。为了减小成型后收缩率可选用高一些的模具温度。
●注射速度：中等或偏高的注射速度。
●POM的高结晶程度导致它有相当高的收缩率，可高达到2%~3.5%。对于各
种不同的增强型材料有不同的收缩率。
设计注意：对缺口比较敏感；在热水的长期作用下，会发生一定程度的湿热老化；户外产品要添加抗紫外线剂、抗氧化剂；耐辐射性不好
PS聚苯乙烯（硬胶）
●有良好的电气性能，耐电弧性能好，不吸潮，有较好的成型工艺性；属
于硬质塑料，有较高的刚度和表面硬度；吸湿性小，是最耐辐射的聚合材料之一；常用于仪表外壳、接线盒、玩具等。
●熔化温度：180~280C。对于阻燃型材料其上限为250C。
模具温度：40~50C。
注射压力：200~600bar。
●收缩率在0.2~0.7%之间,常取0.4％
设计注意：耐热性低，连续使用温度60-70度，易燃烧；抗冲击性差，性脆、易开裂；大部分植物油和芳香油能使制品溶胀和产生开裂。
HIPS聚苯乙烯（不碎胶或高抗冲）
●是在GPPS中加入适量（5%~20%）丁二烯橡胶改性，从而改善硬胶的抗冲
击性能。
PVC（聚氯乙烯）
●耐化学品性好；具有阻燃性（有氯原子）；有良好的电绝缘性，使用温度
不能超过80度。
●典型应用范围:电线护套，供水管道，家用管道，房屋墙板，商用机器壳
体，电子产品包装，医疗器械，食品包装等。
●熔化温度：185~205C
模具温度：20~50C
●PVC的收缩率相当低，一般为0.2~0.6%（硬）
软质PVC收缩率 >0.5 %
设计注意：对光和热不稳定，使用温度在－10~50度。
PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯俗称“有机玻璃”
●PMMA具有室温蠕变特性。随着负荷加大、时间增长，可导致应力开裂现
象。PMMA具有较好的抗冲击特性。
●注塑模工艺条件:干燥处理：PMMA具有吸湿性因此加工前的干燥处理是必
须的。建议干燥条件为90C、2~4小时。熔化温度：240~270C。模具温度：35~70C
●白光的穿透性高达92%,可制件透明件。
●收缩率在0.2~0.9%之间（收缩率在0.5%左右）
设计注意：表面硬度低，耐磨性差，表面易划伤和磨毛；
可在-60~65度范围内长期使用，短期不能超过80度；抗银纹性，线膨胀稳定性及耐辐射不好；
聚四氟乙烯又名（F4，PTFE，Teflon,塑料王，四氟，铁氟龙）
●PTFE是由四氟乙烯单体聚合而成的聚合物，是一种类似于PE的透明或不
透明的蜡状物，其密度为2.2g/cm3,吸水率小于0.01%。它的化学结构与PE相似，只是聚乙烯中的全部氢原子都被氟原子所取代，阀座密封材料●聚四氟乙烯具有一些特殊性能：
●卓越的耐腐蚀性---能够承受除了熔融的碱金属，氟化介质以及高于
300℃氢氧化钠之外的所有强酸（包括王水）、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂的作用。
●极强的耐绝缘性---不受环境及频率的影响，体积电阻可达1018欧姆?厘
米，介质损耗小，穿电压高。
●优异的耐高低温性---对温度的影响变化不大，温域范围广，可使用温
度―190℃和+260℃。
●独特的自润滑性---具有塑料中最小的摩擦系数，是理想的无油润滑材
料。
●突出的表面不粘性---已知的固体材料都不能粘附在表面上，是一种表面
能最小的固体材料。
●优异的耐大气老化性，耐辐照性能和较低的渗透性---长期暴露于大气
中，表面及性能保持不变。
●可贵的不燃性---限氧指数在90以下。
1.EPS，俗名称“发泡胶”或“拿普龙”，具体成型过程如下：
①预发泡②熟化处理③模压成型
2.PU
3. 聚烯烃（PP、PE）
主要用途为防震包装材料、隔热保温材料、隔音材料、漂浮材料、绝缘材料、水过滤介质和轻质混凝土填料等。
特种工程塑料
特种工程塑料也叫高性能工程塑料是指综合性能更高，长期使用温度在150℃以上的工程塑料,主要用于高科技,军事和宇航、航空等工业。特种工程塑料主要包括聚苯硫醚(PPS)，聚砜(PSF),聚酰亚胺(PI), 聚芳酯(PAR)，液晶聚合物(LCP),聚醚醚酮(PEEK)，含氟聚合物等，特种工程塑料种类多，性能优异价格昂贵。
聚苯硫醚（PPS）: 聚苯硫醚全称为聚苯基硫醚，是分子主链中带有苯硫基的热塑性树脂，英文名为polyphenylene snlfide（简称PPS）。
●PPS是结晶型（结晶度55%-65%）的高刚性白色粉末聚合物，耐热性高（连
续使用温度达240℃）、机械强度、刚性、难燃性、耐化学药品性，电气特性、尺寸稳定性都优良的树脂，耐磨、抗蠕变性优，阻燃性优。有自熄性。达UL94V-0级，高温、高湿下仍保持良好的电性能。流动性好，易成型，成型时几乎没有缩孔凹斑。与各种无机填料有良好的亲和性。
增强改性后可提高其物理机械机械性能和耐热性（热变形温度），增强材料有玻璃纤维、碳纤维、聚芳酰胺纤维、金属纤维等，以玻璃纤维为主。
无机填充料有滑石、高岭土、碳酸钙、二氧化硅、二硫化钼等。PPS/PTFE、PPS/PA、PPS/PPO等合金已商品化，PPS/PTFE合金改进了PPS的脆性，润滑性和耐腐蚀性，PPS/PA合金为高韧性合金。
玻纤增强PPS具有优异的热稳定性、耐磨性、抗蠕变性、在宽范围（温度、湿度、频率）内有极佳的机械性能和电性能，介电量数小、介电损耗低。作为耐高温，防腐涂料，涂层可以在180℃下长期使用；电子电器工业上作连接器，绝缘隔板，端子，开关；机械和粘密机械在做泵、齿轮、活塞环贮槽、叶片阀件，钟表零部件，照相机部件；汽车工业上汽化器。分配器部件，电子电气组等零件，批气阀气，传感器部伯件；家电部件有磁带录相机结构部件、品体二极管、各种零件；另个还用于宇航、航空工业， PPS/PTFE可做
按其化学结构可分为脂族聚砜和芳族聚砜。脂族聚砜不耐碱，不耐热，无实用价值，而芳族聚砜中的双酚A聚砜及其改性产品--非双酚A的聚芳砜，以及聚醚砜，则有较广泛的用途，是业已商业化生产的高分子量聚砜树脂。双酚A聚砜树脂是美国联碳公司（UCC）于1965年开发成功的，商品名为Udel polysuifone；聚芳砜是美国3M公司在1967年开发成功的，商品名为Astrel；聚醚砜由英国卜内门公司（ICI）于1972年开发成功的，商品名为Victrex。聚砜类树脂结构中的氧都具有高度共振二芳基砜集团，硫原子处于完全氧化状态，砜基的高共振使聚砜类树脂具有极其出色的耐氧化性能和耐热性能，具有出色的熔融稳定性，这些都是高温模塑和挤出成型必须具备的加工性能
聚砜简称PSF或PSU ：聚砜是分子主链中含有链节的热塑性树脂，英文名Polysalfone（简称PSF或PSU）有普通双酚A型PSF（即通常所说的
耐磨、高强度，即使在高温下也保持优良的机械性能是其突出的优点，其范围为为-100~150℃, 长期使用温度为160℃,短期使用温度为 190℃,热稳定性高,耐水解,尺寸稳定性好,成型收缩率小, 无毒,耐辐射,耐燃,有熄性。在宽广的温度和频率范围内有优良的电性能。化学稳定性好，除浓硝酸、浓硫酸、卤代烃外，能耐一般酸、碱、盐、在酮，酯中溶胀。耐紫外线和耐候性较差。耐疲劳强度差是主要缺点。 PSF成型前要预干燥至水份含量小于0.05%。PSF可进行注塑、模压、挤出、热成型、吹塑等成型加工，熔体粘度高，控制粘度是加工关键，加工后宜进行热处理，消除内应力。可做成精密尺寸制品。
门，制作各种接触器、接插件、变压器绝缘件、可控硅帽，绝缘套管、线圈骨架、接线柱，印刷电路板、轴套、罩、电视系统零件、电容器薄膜，电刷座，碱性蓄电池盒、电线电缆包覆。PSF还可做防护罩元件、电动齿轮、蓄电池盖、飞机内外部零配件、宇航器外部防护罩，照相器档板，灯具部件、传感器。代替玻璃和不锈钢做蒸汽餐盘，咖啡盛器，微波烹调器、牛奶盛器、挤奶器部件、饮料和食品分配器。卫生及医疗器械方面有外科手术盘、喷雾器、加湿器、牙科器械、流量控制器、起槽器和实验室器械，还可用于镶牙，粘接强度高，还可做化工设备（泵外罩、塔外保护层、耐酸喷嘴、管道、阀门容器）、食品加工设备，奶制品加工设备、环保控制传染设备。聚芳砜（PASF）
2.易于模塑成复杂的异型制件
3.低的相对密度
4.一定程度的透光性
5.着色一整体性
6.较低的加工能量要求
7.耐化学品性
8.机械性能塑料材料可以是弹性材料，也可以是坚硬的刚性材料，其机
械性能有一定的变化范围。
9.良好的绝缘性
10.易燃性
11.低劣的耐候性
12.较高的热膨胀系数（CTE）
容易产生应力破裂的聚合物
容易产生应力破裂的聚合物有：ABS、丙烯酸、聚碳酸酯、聚苯乙烯、SAN、
设计通用产品，则应综合考虑性能和成本。下面是一个典型的选材程序：
(1)零部件的构思：进行初步的功能设计，即部件的形状及其功能元件的形状，并考虑选择基本加工方法。
(2)选材：根据在应力下与使用性能相关的塑料的工程性能和加工性来筛选候选材料，这些应力是部件工作时施加在制品上的。
(3)初步分析设计：利用工程设计性能计算壁厚和零件的其它尺寸。并根据塑料的特点进行制品设计和模具设计。
(4)试制样品：在部件实际使用条件下或模拟零部件的使用条件下进行考验、考核。
(5)重新设计和重新试验：当发现性能不能满足使用要求时，要重新筛选材料或重新设计并试验。
(6)根据试制样品的试验情况和加工零部件的成本，确定最终设计和选材。
差别很小的时候。然而，有时选材步骤更为复杂，特别是在开发新应用时，或在塑料所承受的应力很复杂的情况下。系统、综合的分析法不仅是可靠的成功办法，而且是节省开发费用的途径。
塑料一般选材按以下三个步骤进行
一、根据应用目的，列出部件的全部功能要求(并不是材料的性能)，并尽可能定量化。例如：
①在额定的连续载荷下允许的最大变形量；
②使用和运输过程中所受的应力种类和大小；是否长期受力，是动态或是静态应力；
③最高工作温度；
④在工作温度下允许的尺寸变化；
⑤零部件允许的尺寸公差；
⑥零部件的使用性能要求；
⑦部件是否要求着色、粘接、电镀等；
⑧要求贮存期多长，是否在户外使用；
⑨有无耐燃性（阻燃）要求，等等。
二、根据部件的功能要求，考虑使用性能数值(工程性能)和设计数据，提出目标材料(部件材料)的性能数值，并通过这些性能要求来选定材料，即使这些性能估计是粗略的，也会大大方便候选材料的筛选，为最终材料的选定提供有益的依据。
选择恰当材料性能是很关键而又复杂的，因为零部件的某一功能常常包含几种性能，例如在尺寸稳定性的要求中除尺寸精度外，还要考虑线胀系数、模塑收缩率、吸水性、蠕变性等等。零件的强度和刚度，除了从材料性能上考虑以外，还要从制品结构设计上(如厚度和加强筋等)加以考虑。材料的成型工艺性、耐久性、经济性等也都是选材时应考虑的因素。有时候，某些使用要求不一定能明确对材料性能的定量要求，如电镀性往往要通过实际试验或已有的经验来筛选。又如塑料炮弹弹带，要求材料经受高速冲击、压缩、扭拧、剪切等复杂的外力作用和高速高温高压气流的影响，很难直接提出材料的定量性能要求，因此，除了通过力学计算外，还可通过模拟试验和探索试验来推算受力情况，提出粗略的性能要求。
三、最后通过部件工程性能要求与材料性能的比较来确定候选材料。
选择塑料时应注意下面几个问题：
①必须对选用塑料的性能有较全面的了解，然后根据使用条件去考虑配方、工艺和制品设计等。
②塑料一般导热性低，选用和设计时要充分注意。
③塑料的线胀系数一般比金属大，有的易吸水，因此尺寸变化较大，选用和设计时要考虑恰当的配合间隙和公差范围。
④有的塑料有应力开裂的倾向，选用和设计时要尽量减少应力，制品设计要避免应力集中，或作适当的后处理，并要严格控制加工工艺。
⑤有的塑料有蠕变和后收缩或变形的倾向，选用和设计时应充分注意。
⑥各种塑料有一定的使用强度范围和允许接触的介质以及能承受的压力和速度极限，选用和设计时应该考虑
（1）根据应用目的,如产品的受载情况，使用环境、温度，电气性能等。
（2）根据部件的功能要求，如制品的尺寸稳定性，收缩率（造成的表面缺陷），吸水性，蠕变性，耐温，动件还是不动件，受外力情况等。
（3）最后通过部件工程性能要求与材料性能的比较来确定候选材料。（4）成本：产品在市场上价格优势，企业利润。
选材必须遵循安规标准。
1. 影响弹性模量的因素包括:原子结构、温度、相变。 2. 随有温度升高弹性模量不一定会下降。如低碳钢温度一直升到铁素体转变为 奥氏体相变点，弹性模量单调下降，但超过相变点，弹性校模量会突然上升，然后又呈单调下降趋势。这是在由于在相变点因为相变的发生，膨胀系数急剧减小，使得弹性模量突然降低所致。 3. 不同材料的弹性模量差别很大，主要是因为材料具有不同的结合键和键能。 4. 弹性系数Ks 的大小实质上代表了对原子间弹性位移的抵抗力，即原子结合 力。对于一定的材料它是个常数。 弹性系数Ks 和弹性模量E 之间的关系:它们都代表原子之间的结合力。因为建立的模型不同，没有定量关系。（☆） 5. 材料的断裂强度：a E th /γσ= 材料断裂强度的粗略估计：10/E th =σ 6. 杜隆-珀替定律局限性:不能说明低温下，热容随温度的降低而减小，在接近 绝对零度时，热容按T 的三次方趋近与零的试验结果。 7. 德拜温度意义: ① 原子热振动的特征在两个温度区域存在着本质差别，就是由德拜温 度θD 来划分这两个温度区域: 在低θD 的温度区间，电阻率与温度的5次方成正比。 在高于θD 的温度区间，电阻率与温度成正比。 ② 德拜温度------晶体具有的固定特征值。 ③ 德拜理论表明:当把热容视为(T/θD )的两数时，对所有的物质都具有 相同的关系曲线。德拜温度表征了热容对温度的依赖性。本质上， 徳拜温度反应物质内部原子间结合力的物理量。 8. 固体材料热膨胀机理： （1） 固体材料的热膨胀本质，归结为点阵结构中质点间平均距离随温度升 高而增大。 （2） 晶体中各种热缺陷的形成造成局部点阵的畸变和膨胀。随着温度升 高，热缺陷浓度呈指数增加，这方面影响较重要。 9. 导热系数与导温系数的含义: 材料最终稳定的温度梯度分布取决于热导率，热导率越高，温度梯度越小;而趋向于稳定的速度,则取决于热扩散率,热扩散率越高，趋向于稳定的速度越快。 即:热导率大，稳定后的温度梯度小，热扩散率大，更快的达到“稳定后的温度梯度”（☆） 10. 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，故又称为抗热震 性。 热稳定性破坏(即抗热振性)的类型有两种：抗热冲击断裂性和抗热冲击损伤性。 11. 提高材料抗热冲击断裂性能的措施 ①提高材料强度σ，减小弹性模量E ，σ/E 增大，即提高了材料柔韧性，这样可吸收较多的应变能而不致于开裂。晶粒较细，晶界缺陷小，气孔少且分散者，强度较高，抗热冲击断裂性较好。
第一章 1、应力：单位面积上所受的内力ζ=F/A 2、应变：描述物体内部质点之间的相对运动ε=△L/Lo 3、晶格滑移：晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移滑动。条件：①移动较小 的距离即可恢复、②静电作用上移动中无大的斥力 4、塑性形变过程：①理论上剪切强度：克服化学键所产生的强度。当η>ηo时，发生滑移 （临界剪切应力），η=ηm sin(2πx/λ),x<<λ时，η=ηm（2πx/λ）。由虎克定律η0=Gx/λ.则Gx/λ=ηm（2πx/λ）→ηm=G/2π;②位错运动理论：实际晶体中存在错位缺陷，当受剪应力作用时，并不是晶体内两部分整体相互错动，而是位错在滑移面上沿滑移方向运动，使位错运动所需的力比是晶体两部分整体相互华东所需的力小的多，故实际晶体的滑移是位错运动的结果。位错是一种缺陷，位错的运动是接力式的；③位错增值理论：在时间t内不但比N个位错通过试样边界，而且还会引起位错增值，使通过便捷的位错数量增加到NS个，其中S位位错增值系数。过程机理画图 5、高温蠕变：在高温、恒定应力的作用下，随着时间的延长，应变不断增加。⑴起始阶段 0-a：在外力作用下瞬时发生弹性形变，与时间无关。⑵蠕变减速阶段a-b：应变速率随时间递减，即a-b段的斜率dε/dt随时间的增加而愈小，曲线愈来愈平缓。原因：受阻碍较小，容易运动的位错解放出来后，蠕变速率就会降低；⑶稳态蠕变阶段b-c：入编速率几乎保持不变，即dε/dt=K（常数）原因：容易运动的位错解放后，而受阻较大的位错未被解放。⑷加速入编阶段c-d:应变绿随时间增加而增加，曲线变陡。原因：继续增加温度或延长时间，受阻碍较大的位错也能进一步解放出来。影响入编的因素：⒈温度，温度升高，入编增加。⒉应力，拉应力增加，蠕变增加，压应力增加，蠕变减小⒊气孔率增加，蠕变增加，晶粒愈小，蠕变率愈小。⒋组成。⒌晶体结构。 6、弹性形变：外力移去后可以恢复的形变。塑性形变：外力移去后不可恢复的形变 第二章 7、突发性断裂（快速扩展）：在临界状态下，断裂源处的裂纹尖端所受的横向拉应力正好 等于结合强度时，裂纹产生突发性扩展。（一旦扩展，引起周围盈利的再分配，导致裂纹的加速扩展，出现突出性断裂） 8、裂纹缓慢生长：当裂纹尖端处的横向拉应力尚不足以引起扩展，但在长期受应力的情况 下，特别是同时处于高温环境中时，还会出现裂纹的缓慢生长。 9、理论结合强度：无机材料的抗压强度大约是抗拉强度的10倍。δth=(EΥ/a)0.5→(Υ=aE/100) →δth=E/10(a：晶格常数，Υ：断裂表面能断裂表面能Υ比自由表面能大。这是因为储存的弹性应变能除消耗于形成新表面外，还有一部分要消耗在塑性形变、声能、热能等方面。 10、Griffith微裂纹理论：⑴Inglis尖端分析：孔洞两个端部的应力取决于孔洞的长度和 端部的曲率半径而与孔洞的形状无关。应用：修玻璃通过打孔增加曲率来减慢裂纹扩展。 ⑵Griffith能量分析：物体内储存的弹性应变能的降低大于等于开裂形成两个新表面所需 的表面能。（产生一条长度2C的裂纹，应变能降低为We，形成两个新断面所需表面能为Ws）。裂纹进一步扩展（2dc，单位面积所释放的能量为dWe/2dc，形成新的单位表面积所需的表面能为dWs/2dc。）当dWe/2dc 金属材料的物理特性 一、教学设计思路 金属材料是与我们的生活密切联系的教学内容，本课题围绕学生熟悉的生活用品开展学习，通过学生分组实验、讨论、归纳总结得出金属的一些共同的物理性质和各自的特性，通过阅读课文了解常见金属与合金的主要成分性能和用途，让学生体会到化学就在我们的生活中，增强学生发现生活、感受生活的意识，从而实现“教学生活化”的教学理念。 教学过程围绕课程目标的三个维度（知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观），注意培养学生从化学视角观察生活的习惯，教会学会将化学知识应用于生活实践的方法，使他们能对化学有关的生活问题做出合理的解释，感受学习化学的乐趣，体会学习化学的价值。 教学目标 知识技能：使学生了解金属的物理性质，了解常见合金的成分性能和用途。 能力培养：通过情景设置，使学生具有较强的问题意识，能够发现和提出有探究价值的化学问题。通过学生动手实验，培养学生的实验能力和分析问题的能力。 科学品质：通过实验激发学生学习化学的兴趣，培养学生实事求是的科学态度。培养学生将化学知识应用于生活实践的意识，能够对与化学有关的社会问题和生活问题做出合理的解释。 科学方法：指导学生用实验的方法认识事物的性质，培养学生科学的认知方法。 美育渗透：从生活中的金属制品，感受其丰富多彩的形状、颜色美。 重点 1、金属材料的物理性质 2、物质性质与用途的关系 3、合金的物理性质 难点 1、培养学生运用探究方法得出相关结论的能力 2、提高学生综合分析问题的能力 教学方法 采用实验探究法：按照问题—实验—观察—分析—结论的程序实行探究式讨论教学。 仪器、药品 铁片、铜片、铝片、干电池、小灯泡、导线、酒精灯、火柴、砂纸、黄铜、铜，与钛有关的资料和新型的合金的资料。 材料物理性能习题与解答 目录 1 材料的力学性能 (2) 2 材料的热学性能 (12) 3 材料的光学性能 (17) 4 材料的电导性能 (20) 5 材料的磁学性能 (29) 6 材料的功能转换性能 (37) 1材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm、长度为25cm并受到4500N的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解：根据题意可得下表 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-2一试样长40cm,宽10cm,厚1cm，受到应力为1000N拉力，其氏模量为3.5×109 N/m2，能伸长多少厘米? 解： 拉伸前后圆杆相关参数表 ) ( 0114 .0 10 5.3 10 10 1 40 1000 9 4 0cm E A l F l E l l= ? ? ? ? ? = ? ? = ? = ? = ? - σ ε 10 909 .4 0? 0851 .0 1 = - = ? = A A l l ε 名义应变 1-3一材料在室温时的氏模量为3.5×108 N/m 2,泊松比为0.35，计算其剪切模量和体积模量。 解：根据 可知： 1-4试证明应力-应变曲线下的面积正比于拉伸试样所做的功。 证： 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： Voigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： )21(3)1(2μμ-=+=B G E ) (130)(103.1)35.01(2105.3)1(288MPa Pa E G ≈?=+?=+=μ剪切模量) (390)(109.3) 7.01(3105.3)21(388 MPa Pa E B ≈?=-?=-=μ体积模量. ,.,1 1 2 1 212 12 1 2 1 21 S W VS d V ld A Fdl W W S W V Fdl V l dl A F d S l l l l l l ∝====∝= ===???? ? ?亦即做功或者： 亦即面积εεεεεεεσεσεσ)(2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量). 1()()(0)0() 1)(()1()(10 //0 ----= = ∞=-∞=-=e e e E t t t στεσεεεσεττ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为 1、 ?拉伸曲线： ?拉伸力F－绝对伸长△L的关系曲线。 ?在拉伸力的作用下，退火低碳钢的变形过程四个阶段： ?1）弹性变形：O～e ?2）不均匀屈服塑性变形：A～C ?3）均匀塑性变形：C～B ?4）不均匀集中塑性变形：B～k ?5）最后发生断裂。k～ 2、弹性变形定义： ?当外力去除后，能恢复到原形状或尺寸的变形－弹性变形。 ?弹性变形的可逆性特点： ?金属、陶瓷或结晶态的高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间具有单值线性 关系，且弹性变形量都较小。 ?橡胶态高分子聚合物：在弹性变形内，应力－应变间不呈线性关系，且变形量较大。 ?无论变形量大小和应力－应变是否呈线性关系，凡弹性形变都是可逆变形。 3、弹性比功：（弹性比能、应变比能），用a e 表示， ?表示材料在弹性变形过程中吸收弹性变形功的能力。 ?一般用材料开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。 ?物理意义：吸收弹性变形功的能力。 ?几何意义：应力σ-应变ε曲线上弹性阶段下的面积。 4、理想弹性材料：在外载荷作用下，应力-应变服从虎克定律，即σ＝Eε，并同时满足3个条件，即： ?①应变对于应力的响应是线性的； ?②应力和应变同相位； ?③应变是应力的单值函数。 ?材料的非理想弹性行为： ?可分为滞弹性、伪弹性及包申格效应等几种类型 5、滞弹性(弹性后效) ?滞弹性：是指材料在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间的延长而产生的附加弹 性应变的现象。 6、实际金属材料具有滞弹性。 ?1）单向加载弹性滞后环 ?在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载线与卸载线会不重合（应力和应变不同步）， 形成一封闭回线，称为弹性滞后环。 ?2）交变加载弹性滞后环 ?交变载荷时，若最大应力＜宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环(图 b)。 ?3）交变加载塑性滞后环 ?交变载荷时，若最大应力＞宏观弹性极限，则得到塑性滞后环（图c）。 7、材料存在弹性滞后环的现象说明：材料加载时吸收的变形功> 卸载时释放的变形功，有一部分加载变形功被材料所吸收。 ?这部分在变形过程中被吸收的功，称为材料的内耗。 ?内耗的大小：可用滞后环面积度量。 8、金属材料在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，称为金属的循环韧性，也叫金属的“内耗”。 ?严格说，循环韧性与内耗是有区别的，但有时常混用。 ?循环韧性： ?指材料在塑性区内加载时吸收不可逆变形功的能力。 ?内耗： ?指材料在弹性区内加载时吸收不可逆变形功的能力 9、循环韧性：也是金属材料的力学性能，因它表示在交变载荷(振动)下吸收不可逆变形功的能力，故又称为消振性。 ?材料循环韧性越高，则自身的消振能力就越好。 ?高的循环韧性可减振：如汽轮机叶片（1Cr13），机床材料、发动机缸体、底座等选 用灰铸铁制造。 ?低循环韧性可提高其灵敏度：如仪表和精密机械、重要的传感元件。 ?乐器所用材料的循环韧性越低，则音质越好。 10、伪弹性有些合金如（Au金-Cd镉，In铟-Tl铊等）在受一定应力时会诱发形成马氏体，相应地产生应变，应力去除后马氏体立即逆变为母相，应变回复 11、当材料所受应力超过弹性极限后，开始发生不可逆的永久变形，又称塑性变形。 12、单晶体受力后，外力在任何晶面上都可分解为正应力和切应力。 ?正应力：只能引起弹性变形及解理断裂。 ?只有在切应力的作用下，金属晶体才能产生塑性变形。 13、金属材料常见的塑性变形方式：滑移和孪生两种。 14、滑移现象： ?表面经抛光的金属单晶体在拉伸时，当应力超过屈服强度时，在表面会出现一些与 应力轴成一定角度的平行细线。 ?在显微镜下，此平行细线是一些较大的台阶（滑移带）。 ?滑移带：又是由许多小台阶组成，此小台阶称为滑移线 材料物理性能 第一章、材料的热学性能 一、基本概念 1.热容：物体温度升高1K 所需要增加的能量。（热容是分子热运动的能量随温度变化的一个物理量）T Q c ??= 2.比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。[ 与 物质的本性有关，用c 表示，单位J/(kg ·K)]T Q m c ??=1 3.摩尔热容：1mol 的物质在没有相变和化学反应的条件下升高1K 所需要的热量。用Cm 表示。 4.定容热容：加热过程中，体积不变，则所供给的热量只需满足升高1K 时物体内能的增加，不必再以做功的形式传输，该条件下的热容： 5.定压热容：假定在加热过程中保持压力不变，而体积则自由向外膨胀，这时升高1K 时供 给 物体的能量，除满足内能的增加，还必须补充对外做功的损耗。 6.热膨胀：物质的体积或长度随温度的升高而增大的现象。 7.线膨胀系数αl ：温度升高1K 时，物体的相对伸长。t l l l ?=?α0 8.体膨胀系数αv ：温度升高1K 时，物体体积相对增长值。t V V t t V ??= 1α 9.热导率（导热系数）λ：在 单位温度梯度下，单位时间内通过单位截面积的热量。（标志 材 料热传导能力，适用于稳态各点温度不随时间变化。)q=-λ△T/△X 。 10.热扩散率（导温系数）α：单位面积上，温度随时间的变化率。α=λ/ρc 。α表示温度变化的速率（材料内部温度趋于一致的能力。α越大的材料各处的温度差越小。适用于非稳态不稳定的热传导过程。本质仍是材料传热能力。）。 二、基本理论 1.德拜理论及热容和温度变化关系。 答：⑴爱因斯坦没有考虑低频振动对热容的贡献。 ⑵模型假设：①固体中的原子振动频率不同；处于不同频率的振子数有确定的分布函数； ②固体可看做连续介质，能传播弹性振动波； ③固体中传播的弹性波分为纵波和横波两类； ④假定弹性波的振动能级量子化，振动能量只能是最小能量单位hν的整数倍。 ⑶结论：①当T》θD时，Cv,m=3R；在高温区，德拜理论的结果与杜隆-珀蒂定律相符。 ②当T《θD时，Cv,m∝3T。 ③当T→0时，Cv,m→0，与实验大体相符。 ⑷不足：①由于德拜把晶体看成连续介质，对于原子振动频率较高的部分不适用； ②晶体不是连续介质，德拜理论在低温下也不符； ③金属类的晶体，没有考虑自由电子的贡献。 2.热容的物理本质。 答：温度一定时，原子虽然振动，但它的平衡位置不变，物体体积就没变化。物体温度升高了，原子的振动激烈了，但如果每个原子的平均距离保持不变，物体也就不会因为温度升高而发生膨胀。 【⑴反映晶体受热后激发出的晶格波和温度的关系； ⑵对于N个原子构成的晶体，在热振动时形成3N个振子，各个振子的频率不同，激发出的声子能力也不同； ⑶温度升高，晶格的振幅增大，该频率的声子数目也增大； ⑷温度升高，在宏观上表现为吸热或放热，实质上是各个频率声子数发生变化。材料物理的解释】 3.热膨胀的物理本质。 答：由于原子之间存在着相互作用力，吸引力与斥力。力大小和原子之间的距离有关（是非线性关系，引力、斥力的变化是非对称的），两原子相互作用是不对称变化，当温度上升，势能增高，由于势能曲线的不对称性必然导致振动中心右移。即原子间距增大。 ⑴T↑原子间的平均距离↑r＞r0吸引合力变化较慢 ⑵T↑晶体中热缺陷密度↑r＜r0排斥合力变化较快 【材料质点间的平均距离随温度的升高而增大（微观），宏观表现为体积、线长的增大】 4.固体材料的导热机制。 答：⑴固体的导热包括：电子导热、声子导热和光子导热。 ①纯金属：电子导热是主要机制； ②合金：声子导热的作用增强； ③半金属或半导体：声子导热、电子导热； ④绝缘体：几乎只有声子导热一种形式，只有在极高温度下才可能有光子导热存在。 ⑵气体：分子间碰撞，可忽略彼此之间的相互作用力。 固体：质点间有很强的相互作用。 5.焓和热容与加热温度的关系。P11。图1.8 ⑴①有潜热，热容趋于无穷大；⑵①无潜热，热容有突变 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2)可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和t = τ时的纵坐标表达式。 解：Maxwell 模型可以较好地模拟应力松弛过程： V oigt 模型可以较好地模拟应变蠕变过程： ) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量 ) (1.323)84 05.038095.0()(112211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 ). 1()()(0)0() 1)(()1()(1 //0 ----= = ∞=-∞=-=e E E e e E t t t στεσεεεσετ τ ；；则有：其蠕变曲线方程为：. /)0()(;0)();0()0((0)e (t)-t/e στσσσσσστ ==∞==则有：：其应力松弛曲线方程为1.0 1.0 0816.04.25 .2ln ln ln 2 2 001====A A l l T ε真应变)(91710 909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .0100 =-=?=A A l l ε名义应变)(99510 524.445006MPa A F T =?==-σ真应力 第一章电学性能 1.1 材料的导电性 ，ρ称为电阻率或比电阻，只与材料特性有关，而与导体的几何尺寸无关，是评定材料导电性的基本参数。ρ的倒数σ称为电导率。 一、金属导电理论 1、经典自由电子理论 在金属晶体中，正离子构成了晶体点阵，并形成一个均匀的电场，价电子是完全自由的，称为自由电子，它们弥散分布于整个点阵之中，就像气体分子充满整个容器一样，因此又称为“电子气”。它们的运动遵循理想气体的运动规律，自由电子之间及它们与正离子之间的相互作用类似于机械碰撞。当对金属施加外电场时，自由电子沿电场方向作定向加速运动，从而形成了电流。在自由电子定向运动过程中，要不断与正离子发生碰撞，使电子受阻，这就是产生电阻的原因。 2、量子自由电子理论 金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，可以在整个金属中自由运动。但金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，而所有价电子却按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能级。 0K时电子所具有最高能态称为费密能E F。 不是所有的自由电子都参与导电，只有处于高能态的自由电子才参与导电。另外，电子波在传播的过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。 马基申定则：′，总的电阻包括金属的基本电阻和溶质（杂质）浓度引起的电阻（与温度无关）；从马基申定则可以看出，在高温时金属的电阻基本取决于，而在低温时则决定于残余电阻′。 3、能带理论 能带：由于电子能级间隙很小，所以能级的分布可看成是准连续的，称为能带。 图1-1(a)、(b)、(c)，如果允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级上去而产生电流，具有这种能带结构的材料就是导体。 图1-1(d)，若一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的余地，即便是禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带，具有这种能带结构的材料是绝缘体。 ※ 材料的导电性能 1、 霍尔效应 电子电导的特征是具有霍尔效应。 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两 个面之间产生电动势差，这种现象称霍尔效应。 形成的电场E H ，称为霍尔场。表征霍尔场的物理参数称为霍尔系数，定义为： 霍尔系数R H 有如下表达式：e n R i H 1 ± = 表示霍尔效应的强弱。霍尔系数只与金属中自由电子密度有关 2、 金属的导电机制 只有在费密面附近能级的电子才能对导电做出贡献。 利用能带理论严格导出电导率表达式： 式中： nef 表示单位体积内实际参加传导过程的电子数； m *为电子的有效质量，它是考虑晶体点阵对电场作用的结果。 此式不仅适用于金属，也适用于非金属。能完整地反映晶体导电的物理本质。 量子力学可以证明，当电子波在绝对零度下通过一个完整的晶体点阵时，它将不受散射而无阻碍的传播，这时 电阻为零。只有在晶体点阵完整性遭到破坏的地方，电子波才受到散射(不相干散射)，这就会产生电阻——金属产生电阻的根本原因。由于温度引起的离子运动(热振动)振幅的变化(通常用振幅的均方值表示)，以及晶体中异类原子、位错、点缺陷等都会使理想晶体点阵的周期性遭到破坏。这样，电子波在这些地方发生散射而产生电阻，降低导电性。 3、 马西森定律 （P94题11） 试说明用电阻法研究金属的晶体缺陷（冷加工或高温淬火）时威慑年电阻测量要在低温下进行。 马西森（Matthissen ）和沃格特（V ogt ）早期根据对金属固溶体中的溶质原子的浓度较小，以致于可以略去它们 之间的相互影响，把金属的电阻看成由金属的基本电阻ρL(T)和残余电阻ρ?组成，这就是马西森定律（ Matthissen Rule ），用下式表示： ρ?是与杂质的浓度、电缺陷和位错有关的电阻率。 ρL(T)是与温度有关的电阻率。 4、 电阻率与温度的关系 金属的温度愈高，电阻也愈大。 若以ρ0和ρt 表示金属在0 ℃和T ℃温度下的电阻率，则电阻与温度关系为: 在t 温度下金属的电阻温度系数： 5、 电阻率与压力的关系 在流体静压压缩时，大多数金属的电阻率降低。 在流体静压下金属的电阻率可用下式计算 式中：ρ0表示在真空条件下的电阻率；p 表示压力；φ是压力系数(负值10-5~10-6 )。 正常金属（铁、钴、镍、钯、铂等），压力增大，金属电阻率下降；反常金属（碱土金属和稀土金属的大部分） 6、 缺陷对电阻率的影响：不同类型的缺陷对电阻率的影响程度不同，空位和间隙原子对剩余电阻率的影响和金属 杂质原子的影响相似。点缺陷所引起的剩余电阻率变化远比线缺陷的影响大。 材料物理性能思考题 第一章：材料电学性能 1如何评价材料的导电能力？如何界定超导、导体、半导体和绝缘体材料？ 2 经典导电理论的主要内容是什么？它如何解释欧姆定律？它有哪些局限性？ 3 自由电子近似下的量子导电理论如何看待自由电子的能量和运动行为？ 4 根据自由电子近似下的量子导电理论解释：准连续能级、能级的简并状态、 简并度、能态密度、k空间、等幅平面波和能级密度函数。 5 自由电子近似下的等能面为什么是球面？倒易空间的倒易节点数与不含自旋 的能态数是何关系？为什么自由电子的波矢量是一个倒易矢量？ 6 自由电子在允许能级的分布遵循何种分布规律？何为费米面和费米能级？何 为有效电子？价电子与有效电子有何关系？如何根据价电子浓度确定原子的费米半径？ 7 自由电子的平均能量与温度有何种关系？温度如何影响费米能级？根据自由 电子近似下的量子导电理论，试分析温度如何影响材料的导电性。 8 自由电子近似下的量子导电理论与经典导电理论在欧姆定律的微观解释方面 有何异同点？ 9 何为能带理论？它与近自由电子近似和紧束缚近似下的量子导电理论有何关 系？ 10 孤立原子相互靠近时，为什么会发生能级分裂和形成能带？禁带的形成规律 是什么？何为材料的能带结构？ 11 在布里渊区的界面附近，费米面和能级密度函数有何变化规律？哪些条件下 会发生禁带重叠或禁带消失现象？试分析禁带的产生原因。 12 在能带理论中，自由电子的能量和运动行为与自由电子近似下有何不同？ 13 自由电子的能态或能量与其运动速度和加速度有何关系？何为电子的有效质 量？其物理本质是什么？ 14 试分析、阐述导体、半导体（本征、掺杂）和绝缘体的能带结构特点。 15 能带论对欧姆定律的微观解释与自由电子近似下的量子导电理论有何异同 点？ 16 解释原胞、基矢、基元和布里渊区的含义 《材料物理性能》测试题 1、利用热膨胀曲线确定组织转变临界点通常采取的两种方法是： 、 2、列举三种你所知道的热分析方法： 、 、 3、磁各向异性一般包括 、 、 等。 4、热电效应包括 效应、 效应、 效应，半导体制冷利用的是 效应。 5、产生非线性光学现象的三个条件是 、 、 。 6、激光材料由 和 组成，前者的主要作用是为后者提供一个合适的晶格场。 7、压电功能材料一般利用压电材料的 功能、 功能、 功能、 功能或 功能。 8、拉伸时弹性比功的计算式为 ，从该式看，提高弹性比功的途径有二： 或 ，作为减振或储能元件，应具有 弹性比功。 9、粘着磨损的形貌特征是 ，磨粒磨损的形貌特征是 。 10、材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐 的现象称为应力松弛，材料抵抗应力松弛的能力称为 。 1、导温系数反映的是温度变化过程中材料各部分温度趋于一致的能力。 （ ） 2、只有在高温且材料透明、半透明时，才有必要考虑光子热导的贡献。 （ ） 3、原子磁距不为零的必要条件是存在未排满的电子层。 （ ） 4、量子自由电子理论和能带理论均认为电子随能量的分布服从FD 分布。 （ ） 5、由于晶格热振动的加剧，金属和半导体的电阻率均随温度的升高而增大。 （ ） 6、直流电位差计法和四点探针法测量电阻率均可以消除接触电阻的影响。 （ ） 7、 由于严格的对应关系，材料的发射光谱等于其吸收光谱。 （ ） 8、 凡是铁电体一定同时具备压电效应和热释电效应。 （ ） 9、 硬度数值的物理意义取决于所采用的硬度实验方法。 （ ） 10、对于高温力学性能，所谓温度高低仅具有相对的意义。 （ ） 1、关于材料热容的影响因素，下列说法中不正确的是 （ ） A 热容是一个与温度相关的物理量，因此需要用微分来精确定义。 B 实验证明，高温下化合物的热容可由柯普定律描述。 C 德拜热容模型已经能够精确描述材料热容随温度的变化。 D 材料热容与温度的精确关系一般由实验来确定。 2、 关于热膨胀，下列说法中不正确的是 （ ） A 各向同性材料的体膨胀系数是线膨胀系数的三倍。 B 各向异性材料的体膨胀系数等于三个晶轴方向热膨胀系数的加和。 C 热膨胀的微观机理是由于温度升高，点缺陷密度增高引起晶格膨胀。 D 由于本质相同，热膨胀与热容随温度变化的趋势相同。 3、下面列举的磁性中属于强磁性的是 （ ） A 顺磁性 B 亚铁磁性 C 反铁磁性 D 抗磁性 4、关于影响材料铁磁性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 温度升高使得M S 、 B R 、H C 均降低。 B 温度升高使得M S 、B R 降低，H C 升高。 C 冷塑性变形使得C H μ和均升高。 D 冷塑性变形使得C H μ和均降低。 5、下面哪种效应不属于半导体敏感效应。 （ ） A 磁敏效应 B 热敏效应 C 巴克豪森效应 D 压敏效应 6、关于影响材料导电性的因素，下列说法中正确的是 （ ） A 由于晶格振动加剧散射增大，金属和半导体电阻率均随温度上升而升高。 B 冷塑性变形对金属电阻率的影响没有一定规律。 C “热塑性变形＋退火态的电阻率”的电阻率高于“热塑性变形＋淬火态” D 一般情况下，固溶体的电阻率高于组元的电阻率。 7、下面哪种器件利用了压电材料的热释电功能 （ ） A 电控光闸 B 红外探测器 C 铁电显示器件 D 晶体振荡器 8、下关于铁磁性和铁电性，下面说法中不正确的是 （ ） A 都以存在畴结构为必要条件 B 都存在矫顽场 C 都以存在畴结构为充分条件 D 都存在居里点 9、下列硬度实验方法中不属于静载压入法的是 （ ） 金属的物理性能测试 金属材料的性能一般可分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能，它包括物理性能、化学性能和力学性能。物理性能是指金属材料在各种物理条件任用下所表现出的性能。包括：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。化学性能是指金属在室温或高温条件下抵抗外界介质化学侵蚀的能力。包括：耐蚀性和抗氧化性。力学性能是金属材料最主要的使用性能，所谓金属力学性能是指金属在力学作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能。它包括：强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 1密度：密度就是某种物质单位体积的质量。 2热性能：熔点：金属材料固态转变为液态时的熔化温度。 比热容：单位质量的某种物质，在温度升高1℃时吸收的热量或温度降低1℃时所放出的热量。 热导率：在单位时间内，当沿着热流方向的单位长度上温度降低1℃时，单位面积容许导过的热量。 热胀系数：金属温度每升高1℃所增加的长度与原来长度的比值。 3电性能： 电阻率：是表示物体导电性能的一个参数。它等于1m长，横截面积为1mm2的导线两端间的电阻。也可用一个单位立方体的两平行端面间的电阻表示。 电阻温度系数：温度每升降1℃，材料电阻的改变量与原电阻率之比，称为电阻温度系数。 电导率：电阻率的倒数叫电导率。在数值上它等于导体维持单位电位梯度时，流过单位面积的电流。 4磁性能： 磁导率：是衡量磁性材料磁化难易程度的性能指标，它是磁性材料中的磁感应 强度（B）和磁场强度（H）的比值。磁性材料通常分为：软磁材料（μ值甚高，可达数万）和硬磁材料（μ值在1左右）两大类。 磁感应强度：在磁介质中的磁化过程，可以看作在原先的磁场强度（H）上再 加上一个由磁化强度（J）所决定的，数量等于4πJ的新磁场，因而在磁介质中的磁场B=H+4πJ的新磁场，叫做磁感应强度。 磁场强度：导体中通过电流，其周围就产生磁场。磁场对原磁矩或电流产生作 用力的大小为磁场强度的表征。 矫顽力：样品磁化到饱和后，由于有磁滞现象，欲使磁感应强度减为零，须施 加一定的负磁场Hc，Hc就称为矫顽力。 铁损：铁磁材料在动态磁化条件下，由于磁滞和涡流效应所消耗的能量。 其它如力学性能，工艺性能，使用性能等。 《材料物理性能》 第一章材料的力学性能 1-1一圆杆的直径为2.5 mm 、长度为25cm 并受到4500N 的轴向拉力，若直径拉细至 2.4mm ，且拉伸变形后圆杆的体积不变,求在此拉力下的真应力、真应变、名义应力和名义应变，并比较讨论这些计算结果。 解： 由计算结果可知：真应力大于名义应力，真应变小于名义应变。 1-5一陶瓷含体积百分比为95%的Al 2O 3 (E = 380 GPa)和5%的玻璃相(E = 84 GPa)，试计算其上限和下限弹性模量。若该陶瓷含有5 %的气孔，再估算其上限和下限弹性模量。 解：令E 1=380GPa,E 2=84GPa,V 1=0.95,V 2=0.05。则有 当该陶瓷含有5%的气孔时，将P=0.05代入经验计算公式E=E 0(1-1.9P+0.9P 2) 可得，其上、下限弹性模量分别变为331.3 GPa 和293.1 GPa 。 1-6试分别画出应力松弛和应变蠕变与时间的关系示意图，并算出t = 0,t = ∞ 和 0816 .04.25.2ln ln ln 22 001====A A l l T ε真应变) (91710909.44500 60MPa A F =?==-σ名义应力0851 .010 0=-=?=A A l l ε名义应变) (99510524.445006MPa A F T =?== -σ真应力) (2.36505.08495.03802211GPa V E V E E H =?+?=+=上限弹性模量) (1.323)84 05.038095.0()(1 12211GPa E V E V E L =+=+=--下限弹性模量 1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。 a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度M b、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。 c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。 d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。 e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。 M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。 f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度） g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（J/m3） h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。 i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。 2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩？Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么？ Gd3+有7个未成对电子,Cr3+ 3个未成对电子. 所以, Gd3+的离子磁矩为7μB, Cr3+的离子磁矩为3μB. 3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子磁矩低的原因是什么？ 4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。 教学案例 学校名称：乌丹五中 课程名称：化学 内容主题：6、1金属材料的物理特性教材版本：科学粤教版 教师姓名： 456 教龄： 26年 《6、1金属材料的物理特性》问题导读——评价单 班级：姓名：学号：设计者：审核者： 1、通读教材，勾划知识点 2、精读课文，完成填空。 金属共有并区别于非金属的物理性质是、、、。金属还具有各自的特性：最难熔的金属是，最易熔的金属是，最重的金属是，最轻的金属是，最硬的金属是。 3、金属之最： 最早被人类广泛利用的金属——铜 目前世界年产量最高的金属——铁 地壳含量最高的金属元素——铝 人体中含量最高的金属元素——钙 导电、导热性最好的金属——银 延性最好的金属——铂 展性最好的金属——金 4、什么是合金 5、合金有什么特性 我的问题是： 《6、1金属材料的物理特性》问题训练——评价单： 一：填空题 1、金属共有并区别于非金属的物理性质是、、 、。 2、最难熔的金属是，最易熔的金属是，最重的金属是，最轻的金属是，最硬的金属是。 二、选择题 1、下列物质属于金属单质的是（） A、水 B、木炭 C、氮气 D、铜 2、钨用来制造灯丝，因为钨具有导电性且（） A、密度大 B、熔点高 C、硬度大 D、延展性好 3、铁是一种应用广泛的金属，下列有关铁的说法中，正确的是（） A、铁丝在氧气中燃烧生成氧化铁 B、钢是一种纯净物 C、铁是地壳里含量最多的金属元素 D、用铁锅炒菜可使食物中增加微量的铁元素 4、钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料，它们具有很多优良的性能，如 熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，钛合金与人体有很好的“相容性”。 根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是（） A、用来作保险丝 B、用来制造航天飞机 C 、用来制造人造骨 D、用于制造船舶 三、简答题 1、为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铜制或铅制 2、银的导电性比铜好，为什么导线一般用铜制而不用银制 第二章材料的热学性能 热容：热容是分子或原子热运动的能量随温度而变化的物理量，其定义是物体温度升高1K所需要增加的能量。 不同温度下，物体的热容不一定相同，所以在温度T时物体的热容为： 物理意义：吸收的热量用来使点阵振动能量升高，改变点阵运动状态，或者还有可能产生对外做功；或加剧电子运动。 晶态固体热容的经验定律： 一是元素的热容定律—杜隆-珀替定律：恒压下元素的原子热容为25J/（K?mol）； 二是化合物的热容定律—奈曼-柯普定律：化合物分子热容等于构成此化合物各元素原子热容之和。 热差分析：是在程序控制温度下，将被测材料与参比物在相同条件下加热或冷却，测量试样与参比物之间温差(ΔT)随温度(T)时间(t)的变化关系。 参比物要求：应为热惰性物质，即在整个测试的温度范围内它本身不发生分解、相变、破坏，也不与被测物质产生化学反应同时参比物的比热容，热传导系数等应尽量与试样接近。 第三章材料的光学性能 四、选择吸收：同一物质对各种波长的光吸收程度不一样，有的波长的光吸收系数可以非常大，而对另一波长 的吸收系数又可以非常小。 均匀吸收：介质在可见光范围对各种波长的吸收程度相同。 金属材料、半导体、电介质产生吸收峰的原因 （1）金属对光能吸收很强烈，这是因为金属的价电子 处于未满带，吸收光子后即呈激发态，用不着跃迁到导 带即能发生碰撞而发热。（2）半导体的禁带比较窄， 吸收可见光的能量就足以跃迁。（3）电介质的禁带宽， 可见光的能量不足以使它跃迁，所以可见光区没有吸收 峰。紫外光区能量高于禁带宽度，可以使电介质发生跃 迁，从而出现吸收峰。电介质在红外区也有一个吸收峰， 这是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致。 第六章材料的磁学性能 一、固有磁矩产生的原因 原子固有磁矩由电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成，电子绕原子核运动，产生轨道磁矩；电子的自旋也产生自旋磁矩。当电子层的各个轨道电子都排满时，其电子磁矩相互抵消，这个电子层的磁矩总和为零。原子中如果有未被填满的电子壳层，其电子的自旋磁矩未被抵消(方向相反的电子自旋磁矩可以互相抵消)，原子就具有“永久磁矩”。 二、抗磁性与顺磁性 抗磁性：轨道运动的电子在外磁场作用下产生附加的且与外磁场反向的磁矩。 产生原因：外加磁场作用下电子绕核运动所感应的附加磁矩造成的。 顺磁性：材科的顺磁性来源于原子的固有磁矩。 产生原因：因为存在未填满的电子层，原子存在固有磁矩，当加上外磁场 时，为了降低静磁能，原子磁矩要转向外磁场方向，结果使总磁矩不为零而表 现出磁性。 三、强顺磁性：过渡族金属在高温都属于顺磁体，这些金属的顺磁性主要是由 于3d, 4d, 5d电子壳层未填满，而d和f态电子未抵消的磁矩形成晶体离子 构架的固有磁矩，因此产生强烈的顺磁性。 四、磁化曲线、磁滞回线 一、填空20*1 1.控制或改造材料性能的路线是工艺→结构→性能，即工艺决定结构，结构改变性能。 2.材料在外力作用下发生形状和尺寸的变化，称为形变。 3.弹性模量影响的因素：原子结构、温度、相变。 4.材料的各种热学性能均与晶格热振动有关。 5.可见光的波长390-770nm。 6.光的频率、波长和辐射能都是由光子源决定的。 7.欧姆定律的两种表达形式：均匀导体，I=V/R，非均匀导J=óE。 8.物质的磁性是电流产生的。 9.磁性材料的磁化曲线和磁滞回线是材料在外加磁场时表现出来的宏观特性。 10.影响材料的击穿强度的因素：介质结构的不均匀性、材料中气泡的作用、材料表面状态和边缘电场。 8.智能材料的功能和生命特征：传感功能、反馈功能、学习能力和预见性功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力、自调节能力。 二、名词解释5*3 1.塑性形变和弹性形变 塑性形变：在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外力移去后不能恢复的形变。 弹性形变：在超过材料的屈服应力作用下产生形变，外力移去后不能恢复的形变。 2.声频支振动和光频支振动 声频支振动：振动着的质点中包含中包含频率甚低的格波，质点间的位相差不大，则格波类似于弹性体中的应变波，称为声频支振动。 光频支振动：可以看成是相邻原子振动方向相反，形成一个范围很小、频率很高的振动。 3.反射、折射、双折射 反射：光线入射到界面时，一部分光从界面上反射，形成反射线。 折射：光线入射到界面时，其余部分进入第二种介质，形成折射线。 双折射：由一束折射光入射后分成两束光的现象。 4.压电效应、压敏效应、光电效应、热释电效应、电热效应、西贝尔效应 压电效应：在晶体的特定方向上施加压力或拉力，晶体的一些对应的表面上分别出现正负束缚电荷，其电荷密度与外施力的大小成正比例，也即正压电效应具有对称中心的点群晶体不会具有压电性。 压敏效应：对电压变化敏感的非线性电阻效应，即在某一临界电压下，电阻值非常之高，几乎无电流通过，超过该临界电压，电阻迅速降低，让电流通过。 光电效应：某些物质受到光照后，引起物质电性发生变化，这种光致电变的现象称为光电效应。 热释电效应：由于温度的变化而引起的晶体表面荷电现象。 电热效应：热电体在绝热条件下，当外加电场引起永久极化强度改变是时，其温度将发生变化的现象。 西贝尔效应:半导体材料的两端如果有温差，那么在较高的温度区有更多的电子被激发到导带中去，但热电子趋向于扩散到较冷的区域。当这两种效应引起的化学势梯度和电场梯度相等且方向相反时，就达到稳定状态。多数载流子扩散到冷端，结果在半导体两端就产生温差电动势，这种现象被称为温差电动势效应，也被称为西贝尔效应。 5.居里点 居里点：是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电相转变成顺电相引的相变温度。《金属材料的物理特性》参考教案
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