关于材料性能总结

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第1页 共1页第1章 绪 论金属材料的基本特性：结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构金属在常温下一般为固体，熔点较高具有金属光泽纯金属范性大，展性、延性也大强度较高自由电子的存在，金属的导热和导电性好多数金属在空气中易被氧化高分子材料的基本特性：结合键主要为共价键和范德华键分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；并有热塑性和热固性两类力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高质量轻良好的绝缘性优越的化学稳定性成型方法较多有长的分子链无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性：结合键主要是离子键、共价键以及它们的的混

2、合键硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能自由电子数目少、导热性和导电性较小耐化学腐蚀性好耐磨损成型方式为粉末制坯、烧结成型材料科学与工程四要素:材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份/结构、制备/合成、性能/组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。第2章材料结构简述结合键的类型与材料的物理性能和力学性能的关系： 1.物理性能 ：熔点：熔点的高低代表了材料稳定性的程度。熔点与键能值有较好的对应关系。共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡族

3、金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，这可能起因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比例的共价键混合所致。具有分子间力结合的材料，它们的熔点一定偏低，如聚合物等。材料的密度与结合键类型有关：大多数金属有高的密度 ：金属元素有较高的相对原子量；金属键的结合方式没有方向性，总是趋于密集排列。陶瓷材料的密度较低 ：原子排列不可能致密，共价结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子结合则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多。聚合物密度最低：次价键结合，分子链堆垛不紧密，并且组成原子（C、H、O等）质量较小材料的导电性和导热性与结合键类型有关： 金属

4、键使金属材料具有良好的导电性和导热性， 而由非金属键结合的陶瓷物或聚合物则在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。2.力学性能：结合键能与弹性模量E：弹性模量意义：即E相当于发生单位弹性变形所需的应力。 结合键能与弹性模量两者间有很好的对应关系。 金刚石具有最高的弹性模量值，E1000GPa。 其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化物、氯化物等结合键能也较高，弹性模量为250一600GPa。 常用金属材料的弹性模量约为70一350GPa。 聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.73.5GPa 结合键能与强度：一般来说，结合键能高的，强度也高一些。然而强度在很大程度上还取决于材料的其他

5、结构因素，如材料的组织，因此强度与键能之间的对应关系不如弹性模量明显。结合键能与塑性：金属键赋予材料良好的塑性，而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。 但是高分子材料由于次价键结合，表现良好的塑性。我们在研究影响材料性能的各种因素时，不能忽视的是：尽管一种材料的基本性质取决于它的原子或分子结构，但其本体性质则是由原子或分子的排列状态所控制的。如果把物质的成分看作是砖的话，那么决定一座房子的最终性能和特征的是用怎样的方式把砖垒起来。所以，研究聚集态结构特征、形成条件及其对制品性能的影响是控制产品质量和设计材料的重要基础。高分子材料中不同范德华力的作用：范德华键包括：静电力

6、、诱导力和色散力，属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质。静电力发生在具有永久偶极的分子之间，键合强度大约是共价键的1/50到1/200。永久偶极是由于共价键所结合的原子具有不同的电负性引起的，电负性表示的是原子核吸引价电子的强度大小。原子核的质子数目越多，被填充的电子壳层离核越近，原子核的电负性就越大。随着温度的升高，大分子的热运动增加会使偶极作用降低。在偶极矩相等且偶极对称排列的情况下其偶极可相互抵消，如聚四氟乙烯。具有偶极-偶极结合力的聚合物可以溶解在许多极性液体中。诱导力是极性分子的永久偶极与它在其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力，例如带负电荷的永久偶极排

7、斥另一个分子中呈电中性原子的电子，因此在另一个分子上诱导产生一个偶极，这个诱导偶极又导致一个偶极偶极键的强度增加。诱导力强度是永久偶极强度的1/10,但与温度无关。色散力是电子运动引起电子云变形而产生瞬时偶极之间的相互作用力，占所有分子间作用力的-由色散力产生的强度是主价键或共价键的1/500到1/1000，与温度有关。非极性高聚物中的分子间作用力主要是色散力。第3章 高分子材料简介温度/时间依赖性：所谓粘弹性，是指具有类似于粘性液体和纯弹性固体两者的性质，粘性液体具有作用力与变形速率成比例的性质，纯弹性固体具有作用力和变形成比例的性质。对粘性系统所作的功是完全转化成热能而消耗掉的；与之相反，

8、对弹性系统作功，所有的功以势能形式贮存起来。高分子材料具有这样的两重性，以致它的力学性能是非常复杂而又有趣的。高分子材料对温度和时间强烈的依赖关系是由于高分子具有粘弹性的结果。粘弹性是与“时间”相关的概念！实际上，多数物质对外力作用的响应表现为弹性和粘性双重特性。对于高分子材料，这种粘弹特性特别突出。 时间也能改变塑料和橡胶。同在室温下，处于玻璃态的塑料若在几百年的时间尺度上可以看成象橡胶一般易于变形。虽然塑料的历史还没这么久，我们无法用实验证明这一点，但欧洲有几百年历史的教堂上的窗玻璃能观察到上薄下厚的变化。另一方面橡胶在极短时间内观察则成为塑料，例如飞机上的橡胶轮胎在高速下遇到外来物体的撞

9、击会像玻璃一样碎掉，原因就是如此。 密度和支链化程的区别：对同一种高分子材料，密度大小表示支化的程度，支链化程度越小，密度越大，材料硬度强度越好，而韧性降低。对于高分子材料来说，密度大小表示高分子链之间接近的程度，或者说密堆的程度。第4章 静载载荷作用下的力学性能应变 (strain)：当材料受到外力作用而又不产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变或形变。应力( stress)：材料发生宏观变形时，其内部分子及原子间发生相对位移，产生分子及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，定义单位面积上的附加内力为应力。平衡时，其值与单位面积上所受的外力相等。

10、模量（modulus） ：对于理想的弹性固体，应力与应变的关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量，简称模量。弹性模量的单位与应力的单位相同 。拉伸应变：材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率。 拉伸应力：这种拉伸应变和拉伸应力的定义在工程上被广泛运用，称为工程应变和工程应力或习用应变和习用应力。真应力：用真实的瞬时截面积A代替A0除其相应的拉伸力得到的应力。真应变：因试样长度在不断变化，某一瞬时拉伸试样的长为l ，载荷增量dF ，伸长d l ，则该瞬时应变率为d l / l，则试样自l0伸长至l后，总应变率为真应变，记为t真应变与工程应变之间的关系（若假设拉

11、伸过程中体积不变）： 若拉伸变形是等体积变化，则真应力总是大于工程应力，真应变总是小于工程应变。弹性：是指材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力。拉伸强度 Tensile strength：在规定的实验温度、湿度和实验速度下，在标准试样上沿轴向施加拉伸载荷直至断裂前试样承受的最大载荷P与试样横截面的比值。屈服强度（yield strength）：又称为屈服极限 ，是材料屈服的临界应力值，定义为材料开始产生宏观塑性变形时的应力。对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是屈服点的应力（屈服值）； 如果材料的应力应变曲线不能明确表示屈服应力而且试样在较高的应变值发生断裂时，x%补偿屈服应力可作为材

12、料的一个特征值来使用。x%补偿屈服应力x%：应力应变曲线偏离线性响应至应变的x%时的应力，即从应变轴x %处作斜率为E的直线。或者说是与应力-应变的直线关系的极限偏差达到规定值时的应力， 通常为0.2%的永久形变.有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的塑性变形(0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈服强度。应变硬化： 继续拉伸时，由于分子链取向排列，使硬度提高，从而需要更大的力才能形变。 比弹性模量E/：材料的弹性模量与其单位体积质量(密度)的比值，也称为比模量或比刚度，单位为m或cm。强迫高弹形变：玻璃态聚合物本来被冻结的链段开始运动，高分子链的伸展提供了材料大的形

13、变。这种运动本质上与橡胶的高弹形变一样，只不过是在外力作用下发生的，是链段的运动。为了与普通的高弹形变相区别，通常称为强迫高弹形变。压缩模量：物体在受单向或单轴压缩时应力与应变的比值。实验上可由应力-应变曲线起始段的斜率确定。径向同性材料的压缩模量值常与其杨氏模量值近似相等。 压缩强度：在压缩试验中，试样直至破裂(脆性材料)或产生屈服(非脆性材料)时所承受的最大压缩应力。压缩强度以试验过程中最大破坏力除以受压面积表示（在温度和其它条件不变时）。计算时采用的面积是试样的原始横截面积。弯曲强度：弯曲强度是在规定实验条件下对标准试样施加静弯曲力矩，直到试样断裂为止。剪切强度:是指材料在断裂前能够承受

14、的最大剪应力。f =0.5st高分子材料的强度可以按以下顺序排列：剪切强度拉伸强度压缩强度 弯曲强度硬度值的含义：硬度值的物理意义随试验方法的不同，其含义不同。一般可以认为，硬度是指材料表面上不大的体积内抵抗变形或破裂的能力。从这个意义来讲，硬度的大小与材料的拉伸强度和弹性模量有关，而硬度实验又不破坏材料且方法简单。HB代表的是布氏硬度值，HV表示维氏硬度，HK表示努氏硬度，KS表示肖氏硬度弹性模量和弹性的区别：弹性模量表征材料抵抗变形能力，模量越大，愈不容易变形，表示材料刚度越大。 三大高分子材料在模量上有很大区别，橡胶的模量较低，纤维的模量较高，塑料居中。弹性是指材料在外力作用下保持和恢复

15、固有形状和尺寸的能力。拉伸曲线每个阶段的含义：（1）OA段，应力应变呈直线关系变化，为符合虎克定律的弹性形变区，直线斜率相当于材料弹性模量。 （2）屈服应力：越过A点，应力应变曲线偏离直线，说明材料开始发生塑性形变，极大值Y点称材料的屈服点，其对应的应力、应变分别称屈服应力（或屈服强度） 和屈服应变 。发生屈服时，试样上某一局部会出现“细颈”现象，材料应力略有下降，发生“应力软化”。 （3）大形变区（又称强迫高弹形变）：随着应变增加，在很长一个范围内曲线基本平坦，“细颈”区越来越大。拉伸时细颈不会变细拉断，而是向两端扩展，直至整个试样完全变细为止，外力几乎不增加，应变却大幅度增加，可达百分之几百。这一阶段加热可以恢复。（4）应变硬化： 继续拉伸时，由于分子链取向排列，使硬度提高，从而需要更大的力才能形变。 （5）断裂：达到B点时材料断裂，与B点对应的应力、应变分别称材料的拉伸强度（或断裂强度）b 和断裂伸长率 b，它们是材料发生破坏的极限强度和极限伸长率。 （6）曲线下的面积等于相当于拉伸试样直至断裂所消耗的能量，单位为Jm-3，称断裂能或断裂功，反映材料的拉伸断裂韧性大小的物理量。