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1、第一讲 绪论无机材料物理性能：研究对象、研究内容？ （课程简单介绍）本次课程主要内容（对每一部分进行简单说明）：v 一、材料性能的基本概述v 二、无机非金属材料的特性和应用v 三、材料性能研究的五方面v 四、材料性能的研究方法v 五、基本要求v 六、考核方式v 七、参考文献一、材料性能的基本概述1. 材料的定义：v 材料：具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。材料学的研究内容：材料科学与工程的四要素：材料设计的工作思路：材料与物理性质、现象、用途间的关系： 以材料为中心，从物性 现象 用途周转循环，巧妙地应用此表征方法能容易做到逐步地改进材料，不断创造出性能更好、更稳定的制品。
2、2. 材料性能的定义：v 材料性能是一种用于表征材料在给定的外界条件下的行为的参量。 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。3. 材料性能的划分4. 材料按性能（功能）分类二、无机非金属材料的特点和应用v 不同的化学组成和材料结构决定其具有不同的特殊性质和功能。v 例如：如高强，高硬，耐温，耐腐，绝缘和各种电，磁，光及生物相容性等，材料的这些性能，可以广泛应用于机械，电子，宇航，医学工程等各个方面，成为近代尖端科学技术的重要组成部分。三、材料性能研究的五方面：从以下5个方面对材料进行研究1. 材料性能的概念v 材料性能的
3、两层含义： 第一层含义表征材料在给定外界物理场刺激下产生的响应行为或表现； 第二层含义表征材料响应行为发生程度的参数，常称为性能指标，简称性能。 表12. 材料性能的宏观表征v 用外界物理场的某一参量（外参量）与材料内部某一参量（内参量）之间的变化联系描述行为。v 外参量的变化导致了内参量的相应变化，两者之间的关系由实验给出，其中一部分还能由理论描述。v 表23. 材料性能的微观本质v 材料的宏观行为和性能是材料内部因素在一定外界因素作用下的综合反映。v 表34. 材料性能的影响因素v 外部因素：温度、介质气氛、载荷形式、试样尺寸和形状等；v 内部因素：结构的影响 原子结构：电子结构和化学键性
4、质； 凝聚态结构：晶体或非晶体结构、晶体点缺陷和线缺陷。 组织结构：多晶体晶界、形态、大小、分布、组织缺陷和裂纹等。5. 材料性能的测试方法（要求以后学生自己学习、总结）四、材料性能的研究方法 v 经验方法在大量占有实验数据的基础上，对数据的分析处理，整理为经验方程，用以表示它们的函数关系。例如：强度与晶粒尺寸之间的关系v 理论方法从机理着手，即从反映本质的基本关系出发，按照性能的有关规律、建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。例如德拜模型五、基本要求 v 授课内容：见授课计划v 课堂要求： 课前预习，包括一些普通物理知识； 要认真作笔记这也是一种能力； 及时复习、归纳总结，交总结
5、报告； 掌握材料性能的概念、意义、宏观表征、微观本质、影响因素和测试方法。v 作业：及时交作业v 考勤六、考核方式 v 考核方式为闭卷笔试。v 题型：计算题、简答题？v 成绩由平时成绩（20%）和期末成绩（80%）构成。v 平时成绩评分标准为作业完成情况、考勤、课堂提问。 表1 材料使用性能划分性能大类基本性能响应行为性能指标力学性能弹性弹性变形弹性模量、弹性比功、比例极限、弹性极限等塑性塑性变形伸长率、断面收缩率、应变硬化指数、屈服强度等硬度表面局部塑性变形硬度韧性静态断裂抗拉强度、断裂强度、静力韧度、断裂韧度等强度磨损稳定磨损速率、耐磨性等冲击冲击韧度、冲击功、多冲寿命等疲劳疲劳极限、疲劳
6、寿命、疲劳裂纹扩展速率等高温变形及断裂蠕变速率、蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等低温变形及断裂韧脆转变温度、低温强度等应力腐蚀应力腐蚀抗力、应力腐蚀裂纹扩展速率等物理性能热学性能吸热、放热比热容热胀冷缩线膨胀系数、体膨胀系数热传导导热系数、导温系数急冷、急热及热循环抗热震断裂因子、抗热震损伤因子等磁学性能磁化磁化率、磁导率、剩磁、矫顽力、居里温度等磁各向异性磁各向异性常数等磁致伸缩磁致伸缩系数、磁弹性能等电学性能导电电阻率、电阻温度系数等介电（极化）介电常数、介电损耗、介电强度等热电热电系数、热电优值等压电压电常数、机电耦合系数等铁电极化率、自发极化强度等热释电热释电系数光学性能折射折射率、色
7、散系数等反射反射系数吸收吸收系数散射散射系数发光发光寿命、发光效率等声学性能吸收吸收因子反射反射因子、声波阻抗等耐环境性能耐腐蚀性表面腐蚀标准电极电位、腐蚀速率、腐蚀强度、耐蚀性等老化性能随时间下降各种性能随时间变化的稳定性，如老化时间、脆点时间等抗辐照性高能离子轰击中子吸收截面积、中子散射系数等表2 材料行为描述及性能表征类型的一些例子行为行为亚类行为描述性能表征实验关系理论描述中间值终态值联系值变形弹性变形应力-应变（弹性段）虎克定律弹性极限杨氏模量塑性变形应力-应变（屈服至最高点）Hollomon方程屈服强度抗拉强度硬化指数蠕变变形变形-时间（蠕变曲线）蠕变速率表面变形压力-压痕深度或面
8、积硬度断裂静态断裂应力-裂纹长度格里菲斯方程断裂强度断裂韧度冲击断裂高速应力-应变（曲线）冲击韧度多冲断裂冲击功-冲击寿命多冲抗力蠕变断裂应力-时间持久强度疲劳断裂应力-寿命（疲劳曲线）疲劳强度热吸热升温热量-温度比热容热膨胀长度-温度膨胀系数热传导热量（变化）-温度梯度傅立叶定律热导率磁磁化磁化（磁感应）强度-磁场强度（磁化曲线、磁滞回线）剩磁、矫顽力饱和磁化强度磁导率、磁化率、磁能积电导电电压-电流安倍定律电阻率介电电位移-电场强度介电常数极化强度-电场强度极化率热电热电势-温度热电系数压电电位移-压力压电方程压电常数热释电电位移-温度热释电常数光折射入射角-折射角折射定律折射率色散折射率
9、-入射光波长色散系数反射入射波能量-反射波能量反射定律反射系数吸收光强-入射深度朗伯定律吸收系数散射光强-入射深度散射系数发光发光强度-发光波长反射光谱发光强度-激发光波长激发光谱发光强度-时间发光寿命发光功率-输入功率发光效率表3 材料性能的微观本质性能微观本质弹性变形键合在不破坏条件下的伸缩或旋转（可逆）塑性变形晶体的滑移、孪生、扭折；非晶体的黏性流动（不可逆）黏弹性变形高分子链段的伸展+黏性流动蠕变晶体滑移、晶界滑移、原子扩散断裂裂纹萌生+裂纹扩展磨损表面局部塑性变形+断裂吸热（热容）晶格热震动加剧热膨胀晶格热震动加剧导致晶格平衡间距加大热传导晶格热震动传播+自由电子传热磁化（磁性）磁矩
10、转向导电性（包括热电性）载流子定向流动介电性（包括压电、铁电、热释电）电极化（电荷中心短程分离）；电偶极距转向光的折射极化导致光速减慢光的吸收光子能量被电子吸收，导致光子湮灭光的散射光子与固体中的粒子碰撞，改变方向固体发光电子由高能级向低能级跃迁，发射光子非线性光学效应在强光作用下产生非线性极化第三讲 无机材料的受力形变复习、总结：2. 滞弹性（1）标准线性固体（曾纳）：由弹簧及黏性系统组成的力学模型（解释该模型组成）。根据此模型有以下关系： e=e2=e1+e3 s3= he3 s=s1+s2 s1=E1 e 1 s1=s3 s2=E2e2 消去各元件的应力和应变，得（h/E1)(E1+E2
11、)/ E2 + e= (h/E1)/ E2 +s/ E2设：te = h/E1 ，ts = te (E1+E2)/ E2 = h (E1+E2)/ E2 E1 则有 E2(ts e+e)=tes+s定义： te - 恒定应变下的应力弛豫时间； ts - 恒定应力下的应变蠕变时间。 标准线性固体形变速率：整理得应力-应变关系：（2）应变松弛和应力松弛v 应变松弛：固体材料在恒定荷载下，变形随时间延续而缓慢增加的不平衡过程，或材料受力后内部原子由不平衡到平衡的过程，也叫蠕变或徐变。v 应力松弛：在持续外力作用下，发生变形着的物体，在总的变形值保持不变的情况下，由于徐变变形的渐增，弹性变形相应减小，
12、由此使物体内部应力随时间延续而逐渐减小的过程。v 从热力学观点分析应力弛豫： 物体受外力作用而产生一定的变形； 如果变形保持不变，则储存在物体中的弹性势能将逐渐转变为热能； 从势能转变为热能的过程，即能量消耗的过程应力松弛现象。v 松弛过程的机理 松弛过程有以下机理：原子的振动、弹性变形波、热消散、间隙原子的扩散、晶界的移动等。（3）松弛时间（4）无弛豫模量与弛豫模量 无弛豫模量：测量时间小于松弛时间，随时间的形变还没有机会发生时的弹性模量。 弛豫模量：测量时间大于松弛时间，随时间的形变已发生的弹性模量。2.4 无机材料中晶相的塑性形变v 塑性形变是指一种在外力移去后不能恢复的形变。材料经受此
13、种形变而不破坏的能力叫延展性。此种性能在材料加工和使用中都很有用，是一种很重要的力学性能。v 无机非金属材料的致命弱点就是在常温时大都缺乏这种性能，使得材料的应用大大受到限制。v 能否将陶瓷做成延性材料？对此，多年来进行了大量的研究，但至今在常温下，除很少例外，大多数无机非金属材料都不具有延性，也就是说，没有或只有很小的塑性形变。v 为什么常温下，大多数无机非金属材料不能产生塑性变形？首先要研究塑性形变的机理，我们先从比较简单的单晶入手，这样可以不考虑晶界的影响。1、晶格滑移v 晶体中的塑性形变有两种基本方式：滑移和孪晶。由于滑移现象在晶体中最为常见，所以主要讨论晶体的滑移。v 晶体受力时，晶体的一部分相对另一部分发生平移，叫做滑移。晶体形变后，表面上出现一些条纹，在显微镜下可以看到这些条纹组成一些滑移带，如图1.10(a)所示。图
