关于材料性能总结.docx

1、关于材料性能总结第1章 绪 论金属材料的根本特性：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根本特性：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根本特性：结合键主要是离子键、共价键以及它们的的混合键硬而脆、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

2、、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：熔点的上下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

3、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，离子结合那么要满足正、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那

4、么在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。2.力学性能：3.5GPa 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，不能无视的是：尽管一种材料的根本性质取决于它的原子或分子结构，但其本体性质那么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

5、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根底。高分子材料中不同范德华力的作用：范德华键包括：静电力、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

6、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

7、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，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，处于玻璃态的塑料假设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

8、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那么成为塑料，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

9、形时，其内局部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，到达平衡时，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。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

10、化，某一瞬时拉伸试样的长为l ，载荷增量dF ，伸长d l ，那么该瞬时应变率为d l / l，那么试样自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假设假设拉伸过程中体积不变： 假设拉伸变形是等体积变化，那么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

11、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到达规定值时的应力， 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

12、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

13、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，硬度是指材料外表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

14、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固有形状和尺寸的能力。拉伸曲线每个阶段的含义：1OA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

15、内曲线根本平坦，“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：到达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。应力应变曲线宏观力学性能与微观结构关系：待定1硬而脆型 此类材料弹性模量

16、高OA段斜率大而断裂伸长率很小 105次循环，且随循环应力降低而大大延长。在此区内，试件的疲劳寿命长，故可将高循环疲劳称为长寿命疲劳。试件在最终断裂前，整体上无可测的塑性变形，因而在宏观上表现为脆性断裂。不管在低循环疲劳区或高循环疲劳区，试件的疲劳寿命总是有限的，故可将上述两个合称为有限寿命区。无限寿命区或平安区，试件在低于某一临界值幅ac下，可以经受无数次应力循环而不发生断裂，疲劳寿命趋于无限：即a ac，N=。故可将ac称为材料的理论疲劳极限或耐久限。假设 -N曲线存在一条水平渐进线，其高度即为ac，又称为疲劳极限。磨损过程大致可分为以下三个阶段： A. 跑合(磨合)阶段：由于机械加工的外

17、表具有一定的不平度存在；运转初期，摩擦副的实际接触面积较小，单位面积上的实际载荷较大，因此，磨损速度较快。经跑合后尖峰高度降低，峰顶半径增大，实际接触面积增加，磨损速度降低。B.稳定磨损阶段：机件以平稳缓慢的速度磨损，这个阶段的长短就代表机件使用寿命的长短。该段的斜率就是磨损速率。实验室的磨损试验就是根据该段经历的时间、磨损速率或磨损量来评定材料耐磨性能的。多数工件均在此阶段服役，磨合的越好，该阶段磨损速率就越低。C.剧烈磨损阶段：经过长时间的稳定磨损后，由于摩擦副对偶外表间的间隙和外表形貌的改变以及表层的疲劳，其磨损率急剧增大，使机械效率下降、精度丧失、产生异常振动和噪声、摩擦副温度迅速升高

18、，最终导致摩擦副完全失效。摩擦的转移方向：聚合物自身的剪切强度(内聚能)决定了材料的转移特性与其粘着磨损特性。材料转移也是按从内聚能较小的一方向内聚能大的一方转移这个顺序。降低磨粒磨损的方法：假设是低应力磨粒磨损，那么应设法提高外表硬度。假设遇重载荷，甚至大冲击载荷下磨损，那么基体材料组织最好是高硬度、良好韧性的塑料为减轻磨粒磨损，除注重满足润滑条件外，还应合理地选择摩擦副的材料，降低外表粗糙度值以及加装防护密封装置等。高分子材料的耐磨性及其表征方法：材料抵抗磨损的性能。常用磨损量或磨损系数表征。第7章 聚合物的热性能和燃烧性质线性热膨胀系数:a 线性热膨胀系数的定义为每度温度升高产生的应变。

19、材料的热膨胀系数一般为数十到数百10-6 K-1。聚合物大分子之间主要是范德华力，所以热膨胀系数最高。键能越强，热膨胀系数越小。体积热膨胀系数:=V/(VT) 式中V为所给温度变化T下物体体积的改变，V为物体体积。强度：材料在经受外力或其他作用时抵抗破坏的能力。单位：模量：材料在受力状态下应力与应变之比。单位：Pa。聚合物热膨胀系数大，常导致成型加工尺寸稳定性差。减少聚合物热膨胀系数是提高其耐热性能的一个重要方面。热塑性塑料的线膨胀系数比热固性塑料大，这是因为交联网络聚合物为三维共价键结合，所以膨胀系数低。对线性长链聚合物，由于其分子间弱的范氏力结合，膨胀系数较高；但它的聚集状态以及其晶态结构

20、与玻璃态结构的相对数量，都对热膨胀特征有影响。由于线性长链聚合物的聚集状态取决于加工历史以及熔体的冷去速度等，其膨胀系数具有较大幅度的可变性。另外，对聚合物而言,长链分子中的原子沿链方向是共价键相连的,而在垂直于链的方向上,邻近分子间的相互作用是弱的范德华力,因此结晶聚合物和取向聚合物的热膨胀有很大的各向异性。在各向同性聚合物中,分子链是杂乱取向的,其热膨胀在很大程度上取决于微弱的链间相互作用。热变形温度Heat deflection temperature，HDT：对非结晶塑料，HDT比Tg小1020；对结晶塑料，HDT那么接近于Tm。聚合物长期耐热性的表征：用温度-时间极限热寿命表征聚合物

21、长期耐热性。定义：聚合物材料某种性能在给定的贮存时间老化到一定程度时的内保持某一极限值的最高温度。热老化实验涉及三个参数：性能，时间，温度。固定性能失效标准，考察温度和时间的关系，即热寿命曲线。聚合物老化是指在时间进程中聚合物材料所经受的不可逆化学过程和物理过程的总和。表现在其物理性能或特殊功能上的相应变坏，如发硬、发粘、脆化、变色、强度降低或丧失，以及功能高分子的原有功能衰减、丧失等等。老化的主要化学反响是降解 ，有时也可能伴有交联。 老化可分为：内老化internal aging:由聚合物材料自身热力学不稳定状态引起的老化，如内应力松弛、后结晶、多相材料的相别离、增塑剂的迁移等。外老化external aging：由聚合物材料所处外界环境的物理或化学相互作用引起的，比方材料的应力开裂、疲劳开裂、热氧化降解、辐射降解、膨胀等。物理老化：非