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第四章 材料的性能

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材料物理性能-_磁学性能

材料物理性能-_磁学性能
磁化率，反映材料磁化的难易程度，无量纲， 可正可负，是物质磁性分类的主要依据。
7
4. 磁感应强度和磁导率（P133） 材料在磁场强度为 H 的外加磁场（直流、交变或脉冲磁 场）作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为 磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，物质内磁场 强度的大小。 在真空中，磁感应强度为：
26
二、技术磁化（P154）
对未经外磁场磁化的 ( 或处于退磁状态的 ) 铁磁体，它们 在宏观上并不显示磁性，这说明物质内部各部分的自发磁化 强度的取向是杂乱的。因而物质的磁畴决不会是单畴，而是
由许多小磁畴组成的。
技术磁化：在外磁场作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到 饱和的内部变化过程。
27
铁磁体在外磁场中的磁化过程主要为畴壁的 移动和磁畴内磁矩的转向。
因而自发磁化强度降低，铁磁性消失。这一温度称为居里 点Tc。在居里点以上，材料表现为顺磁性。
23
4. 反铁磁性和亚铁磁性（P132、P144） 如果交换积分 A＜0时，则原于磁矩取反向平行排列能量最 低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原
子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为
9
磁学与电学基本物理量的比较 电学物理量 (单位) 磁学物理量 (单位)
J E P 0E
电流强度 I (A)
磁通量 Ф (Wb)
电流密度 J (A/m2)
电场强度 E (V/m)
磁通密度 B (Wb/m2)
磁场强度 H (A/m)
B H M H
r 1
电导率σ (Ω-1· m-1)
B0 0 H
式中μ0为真空磁导率
0 4 107 H / m

第四章 材料的断裂性能

第四章 材料的断裂性能
28பைடு நூலகம்
第四章 材料的断裂韧性
➢对于陶瓷材料和复合材料，目前常利用适当的 第二相提高其断裂韧度，第二相可以是添加的， 也可以是在成型时自蔓延生成的。 ➢如在SiC、SiN陶瓷中添加碳纤维，或加入非晶 碳，烧结时自蔓延生成碳晶须，可以使断裂韧度 提高。
29
第四章 材料的断裂韧性
4．显微组织的影响 ✓显微组织的类型和亚结构将影响材料的断裂韧度。如钢 铁材料中，相同强度条件下，低碳钢中的回火马氏体的断 裂韧度高于贝氏体，而在高碳钢中，回火马氏体的断裂韧 度高于上贝氏体，但低于下贝氏体。 ✓这是由于低碳钢中，回火马氏体呈板条状，而高碳钢中， 回火马氏体呈针状，上贝氏体由贝氏体铁素体和片层间断 续分布的碳化物组成，下贝氏体由贝氏体铁素体和其中弥 散分布的碳化物组成。
3
第四章 材料的断裂韧性
经典的强度理论是在不考虑裂纹的萌生和扩展的条 件下进行强度计算的，认为断裂是瞬时发生的。 实际上无论哪种断裂都有裂纹萌生、扩展直至断裂 的过程，因此，断裂在很大程度上决定于裂纹萌生抗 力和扩展抗力，而不是总决定于用断面尺寸计算的名 义断裂应力和断裂应变。 显然，需要发展新的强度理论，解决低应力脆断的 问题。 断裂力学正是在这种背景下发展起来的一门新兴断 裂强度科学。
33
第四章 材料的断裂韧性
2. 超高温淬火 对于中碳合金结构钢，采用超高温淬火，虽然奥氏
体晶粒显著粗化，塑性和冲击吸收功降低，但断裂韧 度提高。
第四章 材料的断裂韧性
根据应力场强度因子KⅠ和断裂韧度KⅠc的相对大 小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，即
KI≥K1c 裂纹体在受力时，只要满足上述条件，就会发生脆 性断裂。反之，即使存在裂纹，也不会发生断裂，这 种情况称为破损安全。

第四章 材料的光学性能

第四章 材料的光学性能
1/2.
（2）
由于电子极化影响介电常数，而光在介质中传播的速 度与介电常数ε 有关,所以电子极化对光学性能有很大影 响。
光具有波动和微粒二重性，当考虑光与电子之间的能 量转换时，把光当成粒子来看待，称为光子。光子是 最早发现的构成物质的基本粒子之一。光子所具有的 能量不是连续的，而是与其频率v 有关。 当电子与光子间发生能量转换时，或是吸收一个光子 的能量，或是发射出一个光子，而不能只交换一部分 光子的能量； 对于电子来说，从光子处吸收的能量或给光子的能量 也不是任意的，而是要刚好等于材料中电子可能存在 的能级的能量差。正是由于它们彼此间能量交换的这 种“苛刻”条件，所以不同的材料具有完全不同的光 学性能。
磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。 磷光材料一般由二部分组成：基体和激活剂。基 体常是金属硫化物， CaS,BaS,ZnS,CdS等 体常是金属硫化物，如CaS,BaS,ZnS,CdS等; 激活剂 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同( 主要是金属,根据不同的基体, 激活剂有所不同(表317) 发光激发源也可以有多种，如电子激发、 17)。发光激发源也可以有多种，如电子激发、紫外 线激发、 射线激发和红外激发。 线激发、X射线激发和红外激发。发光的颜色也可以 选择。 选择。另外对于磷光材料使用上还要考虑其与附着材 料的结合强度及适当的余辉时间。 料的结合强度及适当的余辉时间。余辉时间指的是发 光后其强度降到原强度的1/10所需时间, 1/10所需时间 光后其强度降到原强度的1/10所需时间,在雷达上就 要求使用长余辉材料。 要求使用长余辉材料。 在此特别要指出的是许多材料加热到高温后也能 发光， 发光，这是由于电子被热激发到较高能级后回到正常 能级发射光子，这种现象称之为热辐射 热辐射。 能级发射光子，这种现象称之为热辐射。热辐射材料 的颜色随温度变化， 的颜色随温度变化，这也就是炼钢工人根据钢水颜色 估计钢水温度的原理所在。 估计钢水温度的原理所在。

材料material的性能property

材料material的性能property
• If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.
D 聚合物分子量很大，T m <
T f ，则在T m 与T f 之间将出现 高弹态。
E 分子量较低，T m > T f ， 则熔融之后即转变成粘流态，
玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度 是橡胶使用的下限温度 熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度
4-1-2 应力和应变 stress-strain
压缩应变 V
F：周围压力p V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0
（4）扭转 Torsional deformation
切应力 切应变 =M / W
实心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1- d 1 4 /d 0 4）/16
=tg= d 0 / (2l 0 ) 100%
简单剪切
均匀压缩 还有扭转和弯曲形变。
tension shear compression
（1）简单拉伸(tensile)
= ( l – l 0) / l 0 = l/ l 0 =F / S 0
F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上

第四章材料结构与磁学性能

第四章材料结构与磁学性能

第4章 材料的结构与磁学性能4.1 固体物质的磁性来源4.2 固体物质的磁性分类4.3磁畴与磁化曲线4.4 铁氧体的结构与性能4.5磁性材料的结构与性能4.6 磁性材料的物理效应第4章 材料的结构与磁学性能进入21世纪以来，新材料的重要性逐步被人们认知，磁性材料的理论、生产及其应用也得到了快速发展，已经成为信息、航空航天、通信、人体健康等领域的重要材料基础。

本章主要介绍固体物质磁性的基本知识，包括磁性来源、磁性分类、磁畴与磁化曲线、铁氧体的结构与性能、磁性材料的物理效应及磁性材料的主要应用等，重点阐述铁氧体磁性材料的结构与性能。

4.1 固体物质的磁性来源物质在不均匀磁场中受到磁力作用的性质，称为磁性，是物质的基本物理属性。

最直观的表现是两个磁体之间的吸引力和排斥力。

物质的磁性来源于原子，原子的磁性来源于核外电子和原子核。

原子结合起来产生宏观物质的磁性，因此任何物质均具有磁性，磁性强的一般称为磁性材料，习惯上的非磁性或者无磁性只是弱磁性不易被人们觉察而已。

具有广泛应用的磁性材料的性能则受到晶体结构和显微结构的显著影响，是理论研究和生产控制的重要内容。

4.1.1磁矩（magnetic moment ）磁体上磁性最强的部分称为磁极，磁极有N 、S 极，以正负对的形式存在，磁极的周围存在磁场。

磁极上带有的磁量叫磁荷或磁极强度，两个磁荷（磁极强度）q 1、q 2之间的相互作用力F 的大小为：221r q q k F = 4.1 式中r 为磁极间距，k 为常数。

紧密结合在一起的正负磁极称为元磁偶极子，尚没有观察到磁单极子的存在。

定义偶极子的磁偶极矩p:qr p = 4.2又称为磁偶极子的力矩，方向由S 极指向N 极。

任何一个封闭的电流都具有磁矩，其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积:S I m ∆= 4.3磁矩m 的单位为安培平方米A ·m 2，磁矩是表示磁体本质的一个物理量，与磁偶极矩的关系为：m p 0μ= 4.4μ0是真空的磁导率，μ0＝4π×10-7（H/m ）。

第四章-材料热学性能(材料科学基础)

第四章-材料热学性能(材料科学基础)

18.1
21.1
PMMA
17.3
15~49
聚碳酸酯
26~22
79.5
环氧树脂
19.3
26.7
氯丁橡胶
26.3
23~40
硅橡胶
26~39
4、高分子材料的阻燃 flame retardancy
聚合物的阻燃性就是它对早期火灾的阻抗特性。 结构和组成
提高热稳定性 引入卤族、磷、氮等元素 阻燃剂：能保护材料不着火或使火焰难以蔓延的药剂 阻燃作用是因其在聚合物燃烧过程中能阻止或抑制其物理 的变化或氧化反应速度。 吸收热量 降低温度 隔离氧 无机阻燃剂（包括填充剂）和有机阻燃剂
A 自由电子的传导（金属） B 晶格振动的传导 (具有离子键和共价键的晶体) C 分子的传导（有机物等）
在固体中任一点上的热流量q正比于温度梯度 即: q＝ (d T / d X)
因此，若两平面保持T1和T2的温度, 则稳态热流量（与时间无关）为: q = A (T1 - T2)/d
式中 A 为平板面积, 为热导率, d为厚度
引燃过程：外部热源分解固体材料的表面层；产生可燃气化物，
与空气混合——致燃烧
燃烧过程：材料不断热分解，始终在表面空气中燃烧，无残渣。
火焰的传播或延燃: 材料着火后, 产生的热量有可能使其周围的可
燃物质或自身未燃部分受热而燃烧.
阻燃、自熄或不延燃：材料着火后其滋生的燃烧热不足以使未燃
部分继续燃烧。
产生燃烧的必要条件：可燃、周围 存在空气和热源
聚合物的燃烧速率与高反应活性的*OH自由基密切相关。
若抑制*OH的产生就能达到阻燃的效果（目前使用的许多阻燃 剂就是基于这一原则。）
3、氧指数 Limiting Oxygen Index (LOI)

材料力学性能_第四章


4.2 裂纹体的应力分析
线弹性断裂力学研究对象是带有裂纹的线弹性体。严格 讲，只有玻璃和陶瓷这样的脆性材料才算理想的弹性体。 为使线弹性断裂力学能够用于金属，必须符合金属材料 裂纹尖端的塑性区尺寸与裂纹长度相比是一很小的数值条 件。 在此条件下，裂纹尖端塑性区尺寸很小，可近似看成理 想弹性体。 在线弹性断裂力学中有以Griffith-Orowan为基础的能量 理论和Irwin为应力强度因子理论。
小，消耗的变形 功也最小，所以
平面应力
裂纹就容易沿x方
向扩展。
4.5 裂纹尖端的塑性区
为了说明塑性区对裂纹在x方向扩展的影响。
当 ＝0（在裂纹面上），其塑性区宽度为：
r0 (r ) 0
1 KI 2 ( ) 2 s
K1 y r ,0 2r
4.5 裂纹尖端的塑性区
由各应力分量公式也可直接求出在裂纹线上的
切应力平行于裂纹 面，而且与裂纹线 垂直，裂纹沿裂纹 面平行滑开扩展。
III型（撕开型）断裂
切应力平行作用于 裂纹面，而且与裂 纹线平行，裂纹沿 裂纹面撕开扩展。
4.2 裂纹体的应力分析
4.2.2 I型裂纹尖端的应力场
裂纹扩展是从其尖端开始向前进行的，所以应该分析裂纹 尖端的应力、应变状态，建立裂纹扩展的力学条件。
4.2 裂纹体的应力分析
4.2.1 裂纹体的基本断裂类型
在断裂力学分析中，为了研究上的方便，通常 把复杂的断裂形式看成是三种基本裂纹体断裂的组 合。 I 型（张开型）断裂 （最常见 ）
拉应力垂直于裂纹面扩展面，裂纹沿作用力方向 张开，沿裂纹面扩展。
4.2 裂纹体的应力分析
II 型（滑开型）断裂
根据应力强度因子和断裂韧性的相对大小，可以建 立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，平面应变断裂最 危险，通常以KIC为标准建立，即： 应用：用以估算裂纹体的最大承载能力、允许的裂 纹尺寸，以及材料的选择、工艺优化等。

第四章材料力学性能



K C / H a

H E
0.4
0.129 c a
3 2
第四章 金属的断裂韧度 §3影响断裂韧性KIC的因素 一、内因（材料因素） 1）晶粒尺寸 晶粒愈细，晶界总面积愈大， 裂纹顶端附近从产生一定尺寸 的塑性区到裂纹扩展所消耗 的 能量也愈大，因此KIC 也愈高。 2）合金化 固溶使得KIC 降低； 弥散分布的第二相数量越多， 其间距越小， KIC 越低； 第二相沿晶界网状分布，晶界 损伤， KIC 降低；
KⅠ越大，则应力场各应力分量 也越大。 Ⅰ型裂纹应力场强度因子的一般 表达式为:
KⅠ Y a
§1线弹性条件下的金属断裂韧度 对于Ⅱ、Ⅲ型裂纹
KⅡ Y a
KⅢ Y a
Y 裂纹形状系数， 一般Y =l-2
当σ和a单独或共同增大时，KI 和裂纹尖端的各应力分量随之增 大,当KI增大到临界值时，也就是 说裂纹尖端足够大的范围内应力 达到了材料的断裂强度，裂纹便 失稳扩展而导致断裂。
1 2 3 2 5 2
W
2 7
W
9 2
§2断裂韧性KⅠC的测试 H、E、a、c分别是材料的维氏硬 度、弹性模量、压痕对角线与裂 纹 的长度； 在正方形压痕的四角，沿辐射方 Ф为约束因子（ Ф ≈3）。 通过压痕法求一系列的c，a值， 向出现 裂纹。 按上式的通式 若选用荷载适当，在压痕对角线 0.4 V K / H a H E u c a C 方向的抛面接近半圆形。一般要 求c≥2.5a。 以lna和lnc为变量进行拟合，求 根据压痕断裂力学理论，处于平 得u、V值； 衡状态的压痕裂纹尖端的残余应 应用所得u、V值于待测的同类材 力强度因子在数值上等于材料的 料上，再测a、c值，并利用已知 断裂韧性。 的H、E，可求得KIC 。

第四章材料的光学性能_材料物理

第四章材料的光学性能_材料物理第四章主要介绍材料的光学性能，包括传统光学性能和现代光学性能。

在本章中，我们将探讨材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，并深入了解这些性能对材料的应用和性能起到的影响。

首先，折射率是一个物质对光的折射能力的度量。

它表示光在通过一种介质时，光线的传播速度相对于真空中的传播速度的比值。

折射率越大，光线在介质中的传播速度越慢，同时也会使光线的传播方向发生变化。

折射率在光学器件的设计和制造中起着至关重要的作用，例如在光纤通信和光学透镜等领域。

透过率是指光线从一个介质传播到另一个介质时的透明程度。

透过率越高，介质光学效果越好。

材料的透过率取决于折射率和吸收率等因素。

在光学器件中，透过率是一个重要的性能指标，它决定了器件的光学传输效率和亮度。

吸收率是材料吸收光的能力。

当光线穿过材料时，一部分能量被材料所吸收，而另一部分则被材料所反射或透射。

吸收率对于材料的应用非常重要，特别是在光电子器件和光热器件中。

高吸收率的材料可以有效地将光能转化为电能或热能，以实现各种功能。

反射率是指光线从介质中的表面反射回来的能力。

反射率取决于入射角度和材料的折射率。

反射率高的材料适用于光学镜面和反射镜等应用，可以将光线有效地反射出去，而不是被吸收或透射。

透射率是指光线通过材料时传输的能力。

透射率在光学器件和材料中起着重要作用，尤其是在光纤传输和光学滤波器等应用中。

高透射率的材料可以有效地传输光线，减少能量损失。

散射率是指光线在碰撞或与材料表面相互作用时发生方向改变的能力。

散射率对于材料的外观和质量也有很大影响，尤其是在透明材料和杂质掺杂材料中。

控制散射率可以改善材料的光学性能，使其更适用于各种应用。

总之，材料的光学性能对于很多应用至关重要。

通过理解和控制材料的折射率、透过率、吸收率、反射率、透射率和散射率等光学性能，我们可以设计和制造出更好的光学器件和材料，满足不同领域的需求。

自编教材第四章_材料的导电性能

第四章 材料的导电性能材料的导电性能是材料物理性能的重要组成部分，导体材料在电子及电力工业中得到广泛的应用，同时，表征材料导电性的电阻率是一种对组织结构敏感的参量，所以，可通过电阻分析来研究材料的相变。

本章主要讨论材料的导电机理，影响材料导电因素以及导电性能参数的测量和应用。

还对材料的超导电性能、热电性能以及半导体性能等作简要介绍。

第一节 材料的导电性一、 电阻与导电的基本概念当在材料的两端施加电压V 时，材料中有电流I 流过，这种现象称为导电，电流I 值可用欧姆定律表示，即I = RV (4-1) 式中：R 为材料电阻，其值不仅与材料的性质有关，而且还与其长度L 及截面积S 有关，因此R = ρSL (4-2) 式中：ρ称为电阻率，它在数值上等于单位长度和单位面积上导电体的电阻值，可写为 ρ = R L S(4-3)由于电阻率只与材料本性有关，而与导体的几何尺寸无关，因此评定材料导电性的基本参数是ρ而不是R 。

电阻率的单位为Ω· m (欧·米)。

在研究材料的导电性能时，还常用电导率σ，电导率σ为电阻率的倒数，即σ =1 (4-4) 电导率的单位为Ω-1· m -1。

式（4-3）和式（4-4）表明，ρ 愈小，σ 愈大，材料导电性能就越好。

根据导电性能的好坏，常把材料分为导体、半导体和绝缘体。

导体的ρ 值小于10-2 Ω· m ；绝缘体的ρ值大于1010Ω· m ；半导体的ρ值介于10-2 ~ 1010Ω· m 之间。

虽然物质都是由原子所构成的，但其导电能力相差很大，这种现象与是物质的结构与导电本质有关。

二、导电的物理特性1、载流子电流是电荷在空间的定向运动。

任何一种物质，只要有电流就意味着有带电粒子的定向运动，这些带电粒子称为载流子。

金属导体中的载流子是自由电子，无机材料中的载流子可以是电子（负电子、空穴）、离子（正、负离子，空位）。

载流子为离子或离子空穴的电导称为离子式电导，载流子为电子或电子空穴的电导称为电子式电导。

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–这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移 的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。
• 固溶体或合金的强度高于纯金属；
–杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。
• 多数无机非金属材料延展性很差，屈服强度高。
–源于共价键的方向性
35
(MPa)
900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 锰钢 硬铝 低碳钢
– 例如，作为结晶性聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难 溶，因而具有很好的耐溶剂性。
16
4.1.4 耐老化性
• 光照下形成自由基：
(3) Chemical stability of polymers
——高分子材料面临的问题
CH3 CH2C CHCH2 h -H+ CH3 CH2C CH CH
• 氧气的参与：
压痕面积大
•
优点 – 硬度值能反映材料在较大区域内各组成相的平均性； – 试验数据稳定，重复性高。
•
缺点 – 不宜在成品件上直接进行检验； – 硬度不同的材料需要更换压头直径D 和载荷F；
– 压痕直径的测量较麻烦。
40
洛氏硬度（Rockwell Hardness）
• 原理:用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径为1.588mm的 淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸 载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出 硬度值。
Ps s A0
屈服极限：σs ；
条件屈服强度：
σ0.2
屈服强度是工程技术上最重要的力学性能指标之一：
31
作为防止因材料过量塑性变形而导致机件失效的设计和选 材依据； 根据屈强比（σ s /σ b）的大小，衡量进一步塑性变形的倾 向，作为金属材料冷变形加工的参考依据。 根据使用条件下要求不同，规定条件屈服强度，如一般机 器结构件用 为屈服强度；高压窗口用的坚固螺栓采用 或 。
金属氧化反应的 主要过程示意图
缝隙 孔洞 微裂纹
宏观裂纹
5
几种金属的表面氧化膜对比
多孔氧化膜
致密氧化膜
松散氧化膜
6
（2）电化学腐蚀
Electrochemistry corrosion
simple electrochemical cell
corrosion cell between a steel water pipe and a copper fitting
20
耐老化性测试
——把测试样品放在老化试验箱中，辐照一定时间后 观察性能变化 氙灯
可仿制全部的太阳光谱
辐射源
紫外光
只是模仿太阳光的破坏效果
21
4.2 力学性能 Mechanical Property
——材料抵受外力作用的能力
F F
F
F
F 拉伸
F 压缩 弯折 剪切
22
3.2.1 材料的强度(Strength)
11
思考：
• 为什么有的金属（如铝）比较活泼，但在 空气中很稳定？ • 为什么在潮湿环境下金属材料容易生锈？ • 材料应用中有哪些防锈方法？
12
4.1.2 耐酸碱性
(2) Chemical stability of non-metal materials
耐酸材料
以酸性氧化物SiO2为主
耐 碱 材 大多数金属氧化物都是碱性氧化物， 料
18
耐老化性的提高
(3) Chemical stability of polymers
• 改进聚合物分子结构 • 加入适当助剂
–抗氧化剂 –光屏蔽剂 –紫外线吸收剂 –淬灭剂
19
抗氧化剂：提高高分子的抗氧化能力 光屏蔽剂：在聚合物与光辐射源之间 起屏障作用的物质。如：聚乙烯的铝 粉涂层及分散于橡胶中的炭黑 紫外线吸收剂：吸收并消散能引发聚 合物降解的紫外线辐射 猝灭剂：消散聚合物分子上的激发态 的能量
(1) RH + O－O R + O－OH
RH (2) R + O－O R－O－O RO－OH+R
(3) RO－OH+RH RO + OH (4) RO + OH ROH + R (5) HO + RH R + H 2O
7
三个条件 ① 存在电位差
② 有电解质溶液
③ 具有不同电位的两部分金属 之间必须有导线连接或直接接触
8
（2）电化学腐蚀
Electrochemistry corrosion
SO2气体对铁的侵蚀过程
9
Example
海水对金属的侵蚀示意图
10
电化学防锈——牺牲阳极法
Cathodic protection of a buried steel pipeline
可直接计数
41
洛氏硬度标尺
42
• 优点 –操作简便、迅速； –压痕小，可对工件直接检验； –硬度测试范围大。 • 缺点 –分散性大，重复性差； –不同标尺的硬度值既不能直接比较，也不能互相换算。
Chapter 4 Properties of Materrs of Materials
2
本章主要内容
材料的几类主要性能：
化学性能 力学性能 热性能 电性能 磁性 光学性能
学习目的：
1. 了解材料的各类性能； 2. 学习一些材料性能的表征及测试方法； 3. 加深理解材料结构与性能的关系。
相应的材料表现出较强的耐碱性， 而易受酸侵蚀或溶解。
13
金属的耐酸碱性
• 主要是高温下浓碱液的腐蚀问题 • 镍铬铸铁中加入稀土，降低镍含量，可以降低材料成本， 又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。
耐蚀机理：碱蚀后稀土高镍铬铸铁表 面生成完整、致密的-(Fe, Cr)2O3氧 化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，使 材料本体受到保护。
• 自由基形成后导致 链的断裂（降解）：
CH3 CH2 C O CH3 O C
CH3 CH2 CH2 + C O O CH3
CH3 C O C O CH3
CH3 CH2 C O O CH3
CH C
CH C
17
结构与耐老化性
(3) Chemical stability of polymers
• 羰基容易吸收紫外光，因此含羰基的聚合物在太阳光照 射下容易被氧化降解。 • 聚四氟乙烯有极好的耐老化性能 –氟原子与碳原子形成牢固的化学键； –氟原子的尺寸大小适中，一个紧挨一个，能把碳链紧紧 包围住。 • 分子链中含有不饱和双键、聚酰氨的酰氨键、聚碳酸酯 的酯键、聚砜的碳硫键、聚苯醚的苯环上的甲基等等， 都会降低高分子材料的耐老化性。
27
弹性变形 的来源
原子间距离的小量改变或 原子间化学键的有限拉伸
不同材料具有不同的弹性模量 ——金属材料具有较高的弹性模量，如不锈钢 为204GPa，钨为407GPa ——无机非金属材料的杨氏模量通常也较高， 如玻璃为120GPa ——典型高分子材料的弹性模量为2，弹性较 差，但一些合成纤维有较高的杨氏模量。
退火球墨铸铁
(%)
10 20 30
36
4.2.2 材料的硬度（hardness) ——材料局部抵抗硬物压入其表面的能力的量度
材料弹性、塑性、 强度和韧性等力学 性能的综合指标
F ( / 2) D ( D D 2 Di2 )
• 布氏硬度（Brinell hardness）

• 洛氏硬度（Rockwell hardness） HR=(K-h)/0.002 • 维氏硬度（Vickers hardness） HV=0.189F/d2
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高分子材料：
化学稳定性好，耐酸耐碱
(3) Chemical stability of polymers
• 主链原子以共价键结合 • 长分子链对反应基团的保护 • 电绝缘性，无电化学腐蚀
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4.1.3 耐有机溶剂性
(3) Chemical stability of polymers
• 金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能； • 热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶 剂都可以将其溶解； • 交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料 体积膨胀，性能变差； • 不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有 机溶剂表现出不同的耐受性； • 组织结构对耐溶剂性也有较大影响。
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弹性极限σe（Elastic limit）－材料发生可逆的弹性变形的上限
应力值。应力超过此值，则材料开始发生塑性变形
Pe e A0
对工作条件不允许产生微量塑性变形的零件，其设 计或选材的依据应是弹性极限。
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弹性比功
单位体积材料在塑性变形前（弹性变形过程中）吸收 的最大弹性变形功称为弹性比功。
• 压头有两种：
– 120°圆锥金刚石； – 淬火钢球，d=1.588mm
d=3.175mm。
• 加载方式为两步加载：
– 初载P0； –主载P1； 卸去主载P1后，实际压入深度为e， 为了适应数值越大硬度越高的概念，人为规定一常数k，则：
k e HR 0.002
对金刚石压头，k=0.2；
对淬火钢球压头， k=0.26
3
4.1 化学性能 Chemical Performance
——材料抵抗各种介质作用的能力 溶蚀性 耐腐蚀性 抗渗透性 抗氧化性
4
化学稳定性
4.1.1 耐氧化性 （1）化学锈蚀
吸附
氧化物成核 生长 氧溶解 氧化膜生长 内氧化
(1) Chemical stability of metal materials
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J. AM. CHEM. SOC. 2004, 126, 10226-10227