材料物理性能及测试
材料的物理性能是指材料在物理方面的性质和行为，包括材料的力学性能、热学性能、电学性能以及光学性能等。这些性能对于材料的使用和应用起着重要的作用。为了准确地评估和测试材料的物理性能，科学家和工程师使用了各种测试方法和仪器设备。
一、力学性能
力学性能是衡量材料在外力作用下的行为的一种性能。主要指材料的强度、韧性、硬度、延展性等。常用的测试方法包括拉伸测试、压缩测试、剪切测试和弯曲测试等。
1.拉伸测试
拉伸测试是一种常见的方法，用来评估材料的强度和延展性。在拉伸测试中，材料样品被施加拉伸力，通常通过测量载荷和伸长量来计算拉伸应力和应变。拉伸强度是指材料在拉伸过程中承受的最大应力，屈服强度是指材料开始产生可观察的塑性变形的应力。
2.压缩测试
压缩测试用于测量材料在受压力下的性能。将材料样品放入压力装置中，施加压力使其受到压缩，通过测量载荷和位移来计算压缩应力和应变。压缩强度是指材料在压缩过程中承受的最大应力。
3.剪切测试
剪切测试用于评估材料的抗剪切能力。将材料样品放入剪切装置中，施加剪切力使其发生剪切变形，通过测量载荷和位移来计算剪切应力和应变。剪切强度是指材料在剪切过程中承受的最大应力。 4.弯曲测试
弯曲测试用于评估材料在弯曲载荷下的行为。将材料样品放入弯曲装置中，施加弯曲力使其发生弯曲变形，通过测量载荷和位移来计算弯曲应力和应变。弯曲强度是指材料在弯曲过程中承受的最大应力。
二、热学性能
热学性能是指材料在温度变化下的行为。主要包括热膨胀性、热导率、比热容等性能。常用的测试方法包括热膨胀测试、热导率测试和比热容测试等。
1.热膨胀测试
热膨胀测试用于测量材料随温度变化而发生的膨胀或收缩。在热膨胀测试中，材料样品被加热或冷却，通过测量长度变化来计算热膨胀系数。
2.热导率测试
热导率测试用于测量材料传导热的能力。在热导率测试中，材料样品的一侧被加热，另一侧被保持在恒定温度，测量两侧温度差来计算热导率。
146 第六节 高分子材料的电学性能
高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。
种类繁多的高分子材料的电学性能是丰富多彩的。就导电性而言，高分子材料可以是绝缘体、半导体、导体和超导体。多数聚合物材料具有卓越的电绝缘性能，其电阻率高、介电损耗小，电击穿强度高，加之又具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性及易成型加工性能，使它比其他绝缘材料具有更大实用价值，已成为电气工业不可或缺的材料。另一方面，导电高分子的研究和应用近年来取得突飞猛进的发展。以MacDiarmid、Heeger、白川英树等人为代表高分子科学家发现，一大批分子链具有共轭π-电子结构的聚合物，如聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺等，通过不同的方式掺杂，可以具有半导体（电导率σ=10-10-102 S•cm-1）甚至导体（σ=102-106 S•cm-1）的电导率。通过结构修饰（衍生物、接枝、共聚）、掺杂诱导、乳液聚合、化学复合等方法人们又克服了导电高分子不溶不熔的缺点，获得可溶性或水分散性导电高分子，大大改善了加工性，使导电高分子进入实用领域。白川英树等人因其开创性和富有成效的工作获得2000年度诺贝尔化学奖。
研究聚合物电学性能的另一缘由是因为聚合物的电学性质非常灵敏地反映材料内部的结构特征和分子运动状况，因此如同力学性质的测量一样，电学性质的测量也成为研究聚合物结构与分子运动的一种有效手段。
一、聚合物的极化和介电性能
（一）聚合物电介质在外电场中的极化
在外电场作用下，电介质分子中电荷分布发生变化，使材料出现宏观偶极矩，这种现象称电介质的极化。极化方式有两种：感应极化和取向极化。根据分子本身是否具有永久偶极矩，物质分子可分为极性分子和非极性分子两大类，其极化方式不同。
非极性分子本身无偶极矩，在外电场作用下，原子内部价电子云相对于原子核发生位移，使正负电荷中心分离，分子带上偶极矩；或者在外电场作用下，电负性不同的原子之间发生相对位移，使分子带上偶极矩。这种极化称感应极化，又称诱导极化或变形极化。其中由价电子云位移引起的极化称电子极化；由原子间发生相对位移引起的极化称原子极化。原子极化比电子极化弱得多，极化过程所需的时间略长。
11第五章材料的疲劳性能
21998年6月3日，一辆德国慕尼黑开往汉堡的
ICE1型高速列车，在埃舍德镇脱轨并以200公里时
速撞断一座立交桥后解体，造成101人死亡，88人
重伤，酿成世界高速铁路历史上最为惨重的事故。
经调查：事故因列车第一节车厢后部一个车轮
轮箍金属疲劳断裂引起，轮箍在断裂后变形成一根
弧形钢条，与钢轨产生剧烈摩擦，巨大的冲击力导
致第一节车厢后轮脱轨，并与车头脱钩。就这样，
一个并不起眼的轮箍夺走了上百条人命。§引言
31850-1860，Wöhler先生用试验方法研究了
车轴的断裂事故，提出了应力-寿命图（S-
N)和疲劳极限概念。
1870-1890，Gerber研究了平均应力对寿命的
影响，Goodman提出了完整的平均应力影
响理论。
1920，Griffith用能量法研究了含裂纹体的有
关材料强度理论，初步奠定了事隔20年后
由Irwin发展起来的断裂力学理论基础。疲劳研究史
41945年，Miner提出线性累计损伤理论。
1960年，Manson-Coffin提出塑性应变与疲劳寿
命的关系。
1961年，Paris提出了疲劳裂纹扩展速率概念。
1974年美国军方采用了损伤容损设计方法。
目前，材料的疲劳研究方兴未艾，断裂力
学、损伤力学和材料物理学结合，已从宏
观、细观和微观领域对疲劳问题进行着广泛
的研究。
5在变动载荷下工件（如曲轴、连杆、齿轮、弹
簧、辊子、叶片及桥梁等），失效形式主要是疲劳
断裂。据统计，疲劳破坏在整个失效中约占80%。
疲劳破坏
的形式机械疲劳—外加应力/应变波动造
成的。
蠕变疲劳—循环载荷与高温联合
作用下的疲劳。
热机械疲劳—循环受载部件的温
度变动时材料的疲劳。
腐蚀疲劳、接触疲劳、微动疲
劳、电致疲劳等。疲劳破坏的形式
6§5.1 疲劳破坏的一般规律
§5.2 疲劳破坏的机理
§5.3 疲劳性能指标和测试
§5.4 影响疲劳断裂的因素§目录
§5.5 热疲劳
27工件在变动载荷和应变长期作用下，因
累计损伤而引起的断裂现象。
《材料性能学》课程教学大纲
课程名称（英文）： 材料性能学（Properties of Materials）
课程类型：学科基础课
总 学 时： 72 理论学时： 60 实验（或上机）学时： 12
学 分：4.5
适用对象：金属材料工程
一、课程的性质、目的和任务
本课程为金属材料工程专业的一门专业基础课，内容包括材料的力学性能和物理性能两大部分。力学性能以金属材料为主，系统介绍材料的静载拉伸力学性能；其它载荷下的力学性能，包括扭转、弯曲、压缩、缺口、冲击及硬度等；断裂韧性；变动载荷下、环境条件下、高温条件下的力学性能；摩擦、磨损性能以及其它先进材料的力学性能等。物理性能概括介绍常用物理性能如热学、电学、磁学等的基本参数及物理本质，各种影响因素，测试方法及应用。通过本课程的学习，使学生掌握材料各种主要性能指标的宏观规律、物理本质及工程意义，了解影响材料性能的主要因素，了解材料性能测试的原理、方法和相关仪器设备，基本掌握改善或提高材料性能指标、充分发挥材料潜能的主要途径，初步具备合理的选材和设计，开发新型材料所必备的基础知识和基本技能。
在学习本课程之前，学生应学完物理化学、材料力学、材料科学基础、钢的热处理等课程。
二、课程基本要求
根据课程的性质与任务，对本课程提出下列基本要求：
1．要求学生在学习过程中打通与前期材料力学、材料科学基础等课程的联系，并注重建立与同期和后续其它专业课程之间联系以及在生产实际中的应用。
2．能够从各种机器零件最常见的服役条件和失效现象出发，了解不同失效现象的微观机理，掌握工程材料（金属材料为主）各种力学性能指标的宏观规律、物理本质、工程意义和测试方法，明确它们之间的相互关系，并能大致分析出各种内外因素对性能指标的影响。
3．掌握工程材料常用物理性能的基本概念及影响各种物性的因素，熟悉其测试方法及其分析方法，初步具备有合理选择物性分析方法，设计其实验方案的能力。
