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1、,第2章 材料的基本性能,2.1 材料的力学性能 2.2 材料的物理性能 2.3 材料的耐环境性能,在线教务辅导网：http:/,教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网,QQ:349134187 或者直接输入下面地址：,http:/,材料分为天然材料和人工材料两大类。自然界赋予了天然材料特有的组成、结构和天然属性(性能)。,2.1 材料的力学性能 2.1.1 弹性、塑性及强度 材料的弹性、塑性及强度一般通过材料单向静拉伸试验来测定。,图2-1 退火低碳钢拉伸曲线示意图 (a) 载荷 - 伸长曲线；(b) 工程应力 - 应变曲线,图2-2 退火纯铜拉伸曲线示意图,图2-3 典型材料拉伸曲线示
2、意图,1弹性和弹性模量 物体在外力作用下其形状和尺寸发生了改变，当外力卸除后，物体又回复到原始形状和尺寸，这种特性称为弹性。 (1) 弹性极限。材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值即为弹性极限。也就是应力-应变曲线中e点所对应的应力值，用se表示。 (2) 弹性模量。材料在弹性状态下应力与应变的比值即为弹性模量，也称杨氏模量(Youngs Modulus)。用字母E表示。 (2-1),2塑性 断裂前材料发生不可逆永久变形的能力称为塑性。常用的塑性判据是材料断裂时最大相对塑性变形，如拉伸时的断后伸长率和断面收缩率。 (1) 断后伸长率。断后伸长率是指试样拉断后标距的伸长与原始标距之比，即 (
3、2-2),3强度 强度是材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。 (1) 比例极限。比例极限是指在拉伸过程中材料保持应力与应变成正比例关系的最大应力，以 sp表示，单位为MPa，即 (2-4),(2) 弹性极限。弹性极限是指在拉伸过程中材料发生弹性变形的最大应力，以se表示，单位为MPa，即 (2-5),(3) 屈服极限(屈服强度)。如前所述，在拉伸过程中出现载荷不增加而材料还继续伸长的现象称为屈服，那么在材料开始屈服时所对应的应力称为屈服强度，以ss表示，单位为MPa，即 (2-6),(4) 抗拉强度。抗拉强度指材料在试样拉断前所承受的最大应力值，即 (2-7),2.1.2 硬度 硬度是衡量材
4、料软硬程度的指标。它是表征材料的弹性、塑性、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性能指标。硬度试验设备简单，操作迅速方便，又可直接、非破坏性地在零件或工具上进行试验。根据所测硬度值可近似估计出材料的抗拉强度和耐磨性。此外，硬度与材料的切削加工性、焊接性、冷成型性间存在着一定联系，可作为选择加工工艺时的参考。,图2-4 硬度实验方法分类,1布氏硬度 布氏硬度试验是1900年由瑞典工程师J.B.Brinell提出的，是目前最常用的硬度试验方法之一。,图2-5 布氏硬度试验测试原理 (a) 压头压入试样表面；(b) 卸载后测量压痕直径,2洛氏硬度 洛氏硬度试验是由美国的S.P.Rockwell
5、和H.M.Rockwell兄弟于1919年提出的，它也是最常用的硬度试验方法之一。洛氏硬度也属于压痕法，但与布氏硬度不同的是，它是以残余压痕的深度而非面积来表征硬度的，用HR表示。,图2-6 洛氏硬度试验原理,3维氏硬度 维氏硬度是为了克服洛氏硬度只能测定硬度小于450的较软材料和其标尺太多且不能直接换算的缺点而提出的另一种硬度测试法。,图2-7 维氏硬度试验原理示意,2.1.3 疲劳极限与蠕变极限 1疲劳极限 疲劳是指材料或构件在循环应力或应变作用下，经一定循环次数后发生损伤和断裂的现象。在诸如轴、齿轮、弹簧等机械零件以及飞机、铁轨、桥梁、锅炉等大型构件中，疲劳断裂是最常见的破坏形式。与静载
6、荷下的失效不同，疲劳失效具有以下基本特点： (1) 疲劳断裂是在低应力下的脆性断裂。 (2) 疲劳断裂属于延时断裂。 (3) 疲劳过程是一个损伤累积的过程。,2蠕变极限 对于在高温下长时间工作的构件，如高压锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机以及化工炼油设备的一些高温高压管道等，虽然所承受的载荷小于工作温度下材料的屈服强度，但在长期使用过程中，则会产生缓慢而连续的塑性变形，使其形状尺寸日益增大以致最终破裂。 常用的蠕变性能指标包括蠕变极限和持久强度。,2.1.4 韧度 韧度是衡量材料韧性大小的力学性能指标，是指材料断裂前吸收变形功和断裂功的能力。韧性和脆性是相反的概念，韧性愈小，意味着材
7、料断裂所消耗的能量愈小，材料的脆性也就愈大。 根据试样的状态以及试验方法，材料的韧度一般分为三类，即静力韧度、冲击韧度和断裂韧度。,图2-8 摆锤冲击试验装置及试验原理,3断裂韧度 一般认为零件在屈服强度下工作是安全可靠的，既不会发生塑性变形，更不会断裂。但有些工程材料和构件，特别是由高强度钢制成的构件或中、低强度钢制成的大型构件，常常在工作应力远低于屈服强度时发生脆性断裂。,2.1.5 摩擦与磨损 摩擦是两个相互接触的物体相对运动(滑动、滚动、滑动和滚动同时进行)时产生阻碍运动的现象。由于摩擦而造成材料表面质量损失、尺寸变化的现象称为磨损。磨损是摩擦的结果。根据运动状态不同，摩擦可分为滑动摩
8、擦和滚动摩擦；根据润滑状态不同，摩擦又可分为润滑摩擦和干摩擦。,2.2 材料的物理性能 2.2.1 材料的电学性能 1电阻率与电导率 电阻率是表征材料导电性的基本参数，用符号表示。电阻率值等于单位长度和单位面积的导电体的电阻值，它只与材料的本性有关，与其几何尺寸无关，单位为m。其值越大，材料导电性就越差。,2超导电性 超导体(或超导态)有两个基本特性，一个是完全导电性，另一个是完全抗磁性。,2.2.2 材料的磁学性能 1磁感应强度和磁导率 在外加磁场H的作用下，材料内部会产生一定的磁通量密度，称为磁感应强度B，即在强度为H的磁场中被磁化后，材料内磁感应强度B的大小是指通过磁场中某点，垂直于磁场
9、方向单位面积的磁力线数，单位为T或Wb/m2。磁感应强度B与磁场强度H的关系是 (2-8),2原子固有磁矩、磁化强度和磁化率 材料磁化的程度可用所用原子的固有磁矩矢量Pm的总和来表示。由于材料的总磁矩与尺寸因素有关，为了便于比较材料磁化的强弱程度，一般用单位体积的磁矩大小M来表示，其单位为A/m，即 (2-9),磁化强度M即前面所述的附加磁场强度H ，它不 仅与外加磁场强度H有关，还与物体本身的磁化特性有关，即 (2-10),当磁场中存在被磁化物质(磁性介质)时，磁感应强 度为 (2-11),将式(2-10)代入式(2-11)，可得 (2-12),3物质磁性的分类 所有物质相对于磁场都会产生磁
10、化现象，只是其磁化强度M的大小不同而已。按照物质对磁场反应的大小可以把磁性大致分为三类：铁磁性、顺磁性和抗磁性。,4磁化曲线和磁滞回线 磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。,图2-9 抗磁性和顺磁性材料的磁化曲线,图2-10 铁磁性材料的磁化曲线,图2-11 铁磁合金的磁滞回线,图2-12 温度对磁性的影响 (a) 磁滞回线；(b) 磁饱和强度,5磁致伸缩 铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩。磁化会引起机械应变，反过来应力也将影响铁磁材料的磁化强度，故也称为“压磁效应”。广义上说，磁致伸缩包括一切有关磁化强度和应力相互作用的效应。 磁致
11、伸缩的大小可以用磁致伸缩系数表示，线磁致伸缩系数l 定义为 (2-13),体积磁致伸缩系数定义为 (2-14),2.2.3 材料的热学性能 1热容 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1或1 K时所需的热量Q称为该材料的热容，用C表示，单位为J/K。为便于不同材料之间的比较，通常定义单位质量材料的热容称为比热容或质量热容，用c表示，单位为J/(kgK)或J/(gK)。,图2-13 金属与陶瓷的摩尔热容与温度的关系,2热膨胀 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。通常用热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)来表征材料的热膨胀性能。
12、,3热传导 当固体材料两端存在温差时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个现象就称为热传导。在热能工程、制冷技术、工业炉设计、工件加热和冷却、房屋采暖与空调、燃气轮机叶片以及航天器返回大气层的隔热等一系列技术领域中，都需要考虑材料的导热性能。 实验证明，一根两端温度分别为T1和T2的均匀的金属棒，当各点温度不随时间而变化时(稳态)，单位时间内流过垂直截面上的热量正比于该棒的温度梯度，其数学式为 (2-15),2.2.4 材料的光学性能 1光的透射、吸收和反射 光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线三个波段。当光束照射到材料上时，有一部分被材料表面反射；另一部分经折射进入材
13、料中，这其中有一部分被吸收为热能，剩下的部分则透过材料。光波在材料中的传播速度v与在真空中的传播速度v0的比值即为材料的折射率n(n = v0/v)。光学透明材料的反射率R可表示为,2荧光性 当价带与导带间的能隙为Eg时，外界激发源使价带中的电子跃迁到导带，但电子在高能级的导带中是不稳定的(它们在那里停的时间很短，只有10-8 s左右)，会自发地返回低能级的价带中，并相应地放出光子(其波长为 = hC/Eg)，若将外界激发源去除，则发光现象即很快消失，通常将这种发光现象称为荧火。许多稀土化合物本身就是荧光体。,2.3 材料的耐环境性能 2.3.1 金属材料的腐蚀 1腐蚀现象 腐蚀是材料表面在周围介质的作用下，由于化学反应、电化学或物理溶解而产生的变质、破坏和性能恶化的现象。,2腐蚀的机理 由于材料的腐蚀现象与机理比较复杂，因此腐蚀的分类方法也多种多样，根据材料腐蚀的机理不同，可将其分为化学腐蚀和电化学腐蚀。,
