精品材料化学课件第4章.ppt

1、知识要点知识要点掌握程度掌握程度相关知识相关知识材料的化学性能材料的化学性能掌握材料的耐氧化性、耐酸碱性和耐掌握材料的耐氧化性、耐酸碱性和耐老化性老化性，了解，了解材料的耐有机溶剂性材料的耐有机溶剂性化学腐蚀、电化学腐蚀、腐蚀电化学腐蚀、电化学腐蚀、腐蚀电池池、光稳定剂、光稳定剂、老化、老化材料的力学性能材料的力学性能掌握材料的强度、硬度及疲劳性能的掌握材料的强度、硬度及疲劳性能的测试方法，掌握应力测试方法，掌握应力-应变曲线，了解应变曲线，了解疲劳试验的疲劳试验的S-N曲线曲线应力、应变、弹性模量、弹性极应力、应变、弹性模量、弹性极限、屈服强度、拉伸强度、布氏限、屈服强度、拉伸强度、布氏硬度

2、、洛氏硬度硬度、洛氏硬度、维氏硬度、维氏硬度、疲、疲劳劳材料的热学性能、材料的热学性能、电学性能、电学性能、掌握材料的导热性、热膨胀性等热学掌握材料的导热性、热膨胀性等热学性能，掌握材料导电性、介电性能等性能，掌握材料导电性、介电性能等电学性能，电学性能，了解超导现象和了解超导现象和压电效应压电效应的本质的本质导热性、热膨胀性、热容、热稳导热性、热膨胀性、热容、热稳定性、热防护、导电性、介电性定性、热防护、导电性、介电性能、超导现象能、超导现象、压电性、压电性材料的磁学性能、材料的磁学性能、光学性能光学性能掌握常见的磁性参数，了解磁性材料掌握常见的磁性参数，了解磁性材料的种类及性能；掌握光的吸

3、收和透过，的种类及性能；掌握光的吸收和透过，掌握光的折射与反射，了解光的散射掌握光的折射与反射，了解光的散射和物质颜色产生的原因和物质颜色产生的原因饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力、饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力、居里温度、抗磁性、顺磁性、铁居里温度、抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性磁性、反铁磁性、亚铁磁性、亚铁磁性、镜、镜反射、漫反射反射、漫反射材料的工艺性能材料的工艺性能了解材料的工艺性能了解材料的工艺性能铸造性能、塑性加工性能、热处铸造性能、塑性加工性能、热处理性能理性能、焊接、焊接性能、切削性能性能、切削性能本章学习要点本章学习要点 4.1材料的化学性能材料的化学性能 4.2材料的力学性能材

4、料的力学性能 4.3热学性能热学性能 4.4电学性能电学性能 4.5磁学性能磁学性能 4.6光学性能光学性能 4.7 材料的工艺性能材料的工艺性能本章学习要点本章学习要点【引例引例】随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进。例随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进。例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机，利用红外探测器可如，用雷达发射电磁波可以探测飞机，利用红外探测器可以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了提高在军以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了提高在军事对抗中的竞争实力，将隐身材料作为重要的研究对象。事对抗中的竞争实力，将隐身材料作为重要的研究对象。1991年海湾战争中，美国

5、第一天出动的战斗机就躲过了伊年海湾战争中，美国第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，直接拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标。在历时摧毁了电报大楼和其他军事目标。在历时42天的战斗中，天的战斗中，执行任务的飞机达执行任务的飞机达1270架次，使伊军架次，使伊军95%的重要军事目标的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损。这场高技术的战争一被毁，而美国战斗机却无一架受损。这场高技术的战争一度使世界震惊。度使世界震惊。为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策，为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策，重要

6、的原因就是美国重要的原因就是美国F-1l7A型战斗机表面包覆了含有多种型战斗机表面包覆了含有多种超微粒子的红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微超微粒子的红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。而伊拉克的军事目标波吸收能力，可以逃避雷达的监视。而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏的红外线探测器所发现，通过先进的激美国战斗机上灵敏的红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。光制导武器很准确地击中目标。图图4-1 F-1l7A型隐形战斗机型隐形战斗机

7、超微粒子对红外和电磁波有隐身作用是因为：超微粒子对红外和电磁波有隐身作用是因为：1）纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微）纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透光率比常规材料要强得多，大大减少粒材料对这种波的透光率比常规材料要强得多，大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，达到隐身变得很微弱，达到隐身的目的。的目的。（2）纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大）纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，个数量级，对红外光和电磁波的对红外光和电磁波的吸收率吸收率也比常规材料大得多

8、，使红外也比常规材料大得多，使红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标。目前，隐身材料虽在很多方面都有广阔的现被探测目标。目前，隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但真正发挥作用的隐身材料大多使用在航空航应用前景，但真正发挥作用的隐身材料大多使用在航空航天与军事有密切关系的部件上。纳米级的硼化物、碳化物，天与军事有密切关系的部件上。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及碳纳米管在隐身材料方面的应用将大有作包括纳米纤维及碳纳米管在隐身材料方面的应用将大有作为。为。材料材料的性能包括的性能包括使用性能和工艺性能使用性能

9、和工艺性能，使用性能是指，使用性能是指材料的物理、化学、力学性能等；工艺性能指加工过程中材料的物理、化学、力学性能等；工艺性能指加工过程中所反映出来的所反映出来的性能。性能。材料材料的用途取决于其性能，不同的应用场合对材料的的用途取决于其性能，不同的应用场合对材料的性能有不同的要求。例如，结构材料首先关注材料的力学性能有不同的要求。例如，结构材料首先关注材料的力学性能、电子材料关注其电性能、光学材料则关注其光学性性能、电子材料关注其电性能、光学材料则关注其光学性能等。本章介绍材料各种性能与其组成、结构的关系，以能等。本章介绍材料各种性能与其组成、结构的关系，以及性能的测试表征方法。及性能的测试

10、表征方法。4.1 材料材料的化学性能的化学性能 材料材料的化学性能指材料抵抗各种化学作用的能力，的化学性能指材料抵抗各种化学作用的能力，即化学稳定性。由于组成和结构的差异，不同材料化学性即化学稳定性。由于组成和结构的差异，不同材料化学性能的特点能的特点不同。不同。金属材料金属材料主主要是氧要是氧化、腐蚀问题，即生化、腐蚀问题，即生锈；锈；无无机非金属材料主机非金属材料主要是其要是其耐酸碱耐酸碱性；性；高高分子材料则主要是耐有机溶剂性以及老化问题。分子材料则主要是耐有机溶剂性以及老化问题。4.1.1 耐氧化性耐氧化性除少数贵金属除少数贵金属(如金、铂如金、铂)外，多数金属在空气中都会外，多数金属

11、在空气中都会被氧化而形成金属氧化物，例如铁或钢铁会生锈，铜会形被氧化而形成金属氧化物，例如铁或钢铁会生锈，铜会形成铜绿等。腐蚀对于金属材料和制品有严重的破坏作用，成铜绿等。腐蚀对于金属材料和制品有严重的破坏作用，钢材如果腐蚀钢材如果腐蚀1%，其强度就要降低，其强度就要降低5%10%。在在不同的使用环境中，金属的腐蚀情况也会有所不同，不同的使用环境中，金属的腐蚀情况也会有所不同，例如例如铁在干燥空气中则相对稳定，而在潮湿的空气中或泡铁在干燥空气中则相对稳定，而在潮湿的空气中或泡在水里在水里(特别是海水特别是海水)很容易生锈。很容易生锈。这是因为存在不同的腐这是因为存在不同的腐蚀机理，即化学腐蚀和

12、电化学腐蚀。蚀机理，即化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀化学腐蚀指金属直接与周围非电解质接触发生的纯指金属直接与周围非电解质接触发生的纯化学作用。以空气中的金属为例，首先是金属吸附空气中化学作用。以空气中的金属为例，首先是金属吸附空气中的氧气分子，发生氧化还原反应形成金属氧化物，氧化物的氧气分子，发生氧化还原反应形成金属氧化物，氧化物成核、生长并形成氧化膜。当生成的氧化膜很致密时，氧成核、生长并形成氧化膜。当生成的氧化膜很致密时，氧分子不能穿过氧化膜，阻止了金属进一步被氧分子不能穿过氧化膜，阻止了金属进一步被氧化。化。由由于致密氧化膜本身很薄，一般情况下并不影响金属于致密氧化膜本身很薄，一般情况下

13、并不影响金属的使用性能，并使金属具有良好的耐腐蚀性。例如在钢中的使用性能，并使金属具有良好的耐腐蚀性。例如在钢中加入对氧的亲和力比铁强的加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可以优先形成等，可以优先形成稳定、致密的稳定、致密的Cr2O3、Al2O3、SiO2等氧化物保护膜，提高等氧化物保护膜，提高钢的高温抗腐蚀性能。钢的高温抗腐蚀性能。电化学腐蚀电化学腐蚀指金属在电解质溶液中由于原电池作用而指金属在电解质溶液中由于原电池作用而引起的腐蚀。包括金属在潮湿空气中的大气腐蚀，在酸、引起的腐蚀。包括金属在潮湿空气中的大气腐蚀，在酸、碱、盐溶液和海水中发生的腐蚀，在地下土壤中的碱、盐溶液和海水中发

14、生的腐蚀，在地下土壤中的腐蚀及腐蚀及在不同金属的接触处的腐蚀在不同金属的接触处的腐蚀等。等。电化学腐蚀电化学腐蚀的原理是原电池作用，即当两种金属材料的原理是原电池作用，即当两种金属材料在电解质溶液中构成原电池时，作为阳极的金属被会腐蚀。在电解质溶液中构成原电池时，作为阳极的金属被会腐蚀。这种能导致金属腐蚀的原电池为腐蚀电池，只要形成腐蚀这种能导致金属腐蚀的原电池为腐蚀电池，只要形成腐蚀电池，阳极金属就电池，阳极金属就会遭会遭到到电化学腐蚀。电化学腐蚀。例如铁的电化学腐蚀过程如下例如铁的电化学腐蚀过程如下：阳极阳极:FeFe2+2e 阴极阴极:H2O+O2+2e2OH-由电极反应产生：由电极反应

15、产生：Fe2+2OH-Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O22(Fe2O3H2O)+2H2O 形成腐蚀电池必须具备三个基本条件：形成腐蚀电池必须具备三个基本条件：（1）不同金属或同种金属的不同区域间）不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存有电位差存在在，且电位差越大，腐蚀越剧烈。较活泼金属的电位较低，且电位差越大，腐蚀越剧烈。较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极起传递电子的作用，不受腐蚀。起传递电子的作用，不受腐蚀。（2）两极材料共处于相连通的）两极材料共处于相连通的电解质溶液电解质溶液中。潮湿中。潮湿的空

16、气因溶解了的空气因溶解了SO2等酸性气体，构成电解质溶液。等酸性气体，构成电解质溶液。（3）具有不同电位的金属之间必须有）具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直导线连接或直接接触。接接触。由于空气中存在大量的水蒸气、酸性气体，所以电化由于空气中存在大量的水蒸气、酸性气体，所以电化学腐蚀要比化学腐蚀更普遍，危害性也更学腐蚀要比化学腐蚀更普遍，危害性也更大。大。为为防止金属发生电化学腐蚀，可通过抑制上述三防止金属发生电化学腐蚀，可通过抑制上述三个腐个腐蚀电池的形成条件。蚀电池的形成条件。例如，在金属涂料底漆中加入缓蚀剂例如，在金属涂料底漆中加入缓蚀剂，借助借助界面吸附作用将金属表面吸附的水置换出

17、来；底漆中界面吸附作用将金属表面吸附的水置换出来；底漆中所含的水分，可被缓蚀剂的胶粒或界面膜稳定在油中，不所含的水分，可被缓蚀剂的胶粒或界面膜稳定在油中，不与金属直接接触。还可采用牺牲阳极保护法，在金属材料与金属直接接触。还可采用牺牲阳极保护法，在金属材料上外加较活泼的金属作阳极，而被保护金属作阴极，发生上外加较活泼的金属作阳极，而被保护金属作阴极，发生电化学腐蚀时阳极被腐蚀，金属材料则得以保护。电化学腐蚀时阳极被腐蚀，金属材料则得以保护。4.1.2 耐酸碱性耐酸碱性 除了金刚石、石墨、单质硅等少数单质材料外，无机非除了金刚石、石墨、单质硅等少数单质材料外，无机非金属材料大多数为化合物，价态较

18、稳定、不易发生氧化还原金属材料大多数为化合物，价态较稳定、不易发生氧化还原反应，但接触碱或酸时可能被侵蚀。反应，但接触碱或酸时可能被侵蚀。根据无机非金属材料对酸碱的耐受性不同，将其分为根据无机非金属材料对酸碱的耐受性不同，将其分为耐耐酸材料和耐碱材料酸材料和耐碱材料。二氧化硅是酸性氧化物，以其为主要成分的材料在酸性二氧化硅是酸性氧化物，以其为主要成分的材料在酸性环境下稳定，而在碱液中将会被溶解或侵蚀，如盛碱液的玻环境下稳定，而在碱液中将会被溶解或侵蚀，如盛碱液的玻璃瓶不能用玻璃盖、碱式滴定管有别于酸式滴定管等。璃瓶不能用玻璃盖、碱式滴定管有别于酸式滴定管等。其反应为：其反应为：SiO2+2Na

19、OHNa2SiO3+H2O 另外，硅酸盐材料会被氢氟酸所腐蚀，其反应为：另外，硅酸盐材料会被氢氟酸所腐蚀，其反应为：SiO2+4HFSiF4+2H2O SiF4+2HFH2SiF6 大多数金属氧化物都是碱性氧化物，以其为主要成分大多数金属氧化物都是碱性氧化物，以其为主要成分的材料具有较强的耐碱性，的材料具有较强的耐碱性，但但易受酸侵蚀或溶解。易受酸侵蚀或溶解。在一些应用领域，金属材料的耐酸碱性必须考虑。如在一些应用领域，金属材料的耐酸碱性必须考虑。如在氯碱工业中，使用很多的不锈钢、碳钢和灰铸铁需直接在氯碱工业中，使用很多的不锈钢、碳钢和灰铸铁需直接接触碱液，耐碱性是重要问题。接触碱液，耐碱性是

20、重要问题。为此，人们不断研究开发耐碱蚀的金属材料，如高镍为此，人们不断研究开发耐碱蚀的金属材料，如高镍奥氏体铸铁是一种发展较早、用途广泛的耐碱蚀合金铸铁。奥氏体铸铁是一种发展较早、用途广泛的耐碱蚀合金铸铁。此外，铸铁中加入适量的此外，铸铁中加入适量的Mn、Cr、Cu，通过热处理得到，通过热处理得到奥氏体奥氏体+碳化物的白口组织，这种合金铸铁在海水中的耐碳化物的白口组织，这种合金铸铁在海水中的耐蚀性可以与高镍耐蚀合金铸铁相比，并且没有高镍耐蚀合蚀性可以与高镍耐蚀合金铸铁相比，并且没有高镍耐蚀合金铸铁的点蚀及石墨腐蚀现象。金铸铁的点蚀及石墨腐蚀现象。镍铬铸铁中加入稀土，可以降低材料成本，同时保证镍

21、铬铸铁中加入稀土，可以降低材料成本，同时保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。其耐蚀机理是，碱蚀后稀土高合金铸铁良好的耐碱蚀性。其耐蚀机理是，碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的镍铬铸铁表面生成完整、致密的-(Fe,Cr)2O3氧化膜和氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，使材料本体受到保护。等附着物，使材料本体受到保护。对于高分子材料来说，其主链原子以共价键结合，化对于高分子材料来说，其主链原子以共价键结合，化学稳定性较好，一般对酸和碱都有较好耐受性。学稳定性较好，一般对酸和碱都有较好耐受性。4.1.3耐有机溶剂性耐有机溶剂性 金属材料和无机非金属材料有良好的耐有机溶剂性金属材料和无机非金属材

22、料有良好的耐有机溶剂性能，而高分子材料则要考虑对其有机溶剂的耐受性。能，而高分子材料则要考虑对其有机溶剂的耐受性。热塑性热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机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；溶剂都可以将其溶解；热固性热固性高分子在有机溶剂中不溶解，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。但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差。高分子材料的高分子材料的分子链分子链、侧基、组织结构不同，对有机、侧基、组织结构不同，对有机溶剂的耐受性也不同。例如，结晶性聚乙烯在大多数有机溶剂的耐受性也不同。例如，结晶性聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，具有很好的耐

23、溶剂性溶剂中都难溶，具有很好的耐溶剂性。4.1.4耐老化性耐老化性 高分子材料在使用过程中面临的重要问题是老化，即高分子材料在使用过程中面临的重要问题是老化，即性质、状态发生变化、力学性能下降等。很多高分子材料性质、状态发生变化、力学性能下降等。很多高分子材料在太阳光照射下容易老化，这主要因为聚合物分子链吸收在太阳光照射下容易老化，这主要因为聚合物分子链吸收太阳光中的紫外线能量而发生光化学降解反应。太阳光中的紫外线能量而发生光化学降解反应。例如含不饱和结构的聚合物，如聚异戊二烯等能直接例如含不饱和结构的聚合物，如聚异戊二烯等能直接吸收紫外光，在消除氢原子后生成共吸收紫外光，在消除氢原子后生成共

24、轭轭的烯丙基自由基的烯丙基自由基:空气中的氧气可参与光降解过程，在紫外线空气中的氧气可参与光降解过程，在紫外线(太阳光太阳光)的照射下，与高分子材料进行自由基反应。自由基形成后的照射下，与高分子材料进行自由基反应。自由基形成后容易导致高分子链的断裂，使高分子材料被降容易导致高分子链的断裂，使高分子材料被降解。解。例例如，聚氯乙烯氧化腐蚀时，首先氧化生如，聚氯乙烯氧化腐蚀时，首先氧化生成容易吸收成容易吸收紫外光羰紫外光羰基，接着进行氧基，接着进行氧化裂解。化裂解。由于氧化降低了相对分由于氧化降低了相对分子质量，并引入了其他官能团，使聚氯乙烯的渗透和溶解子质量，并引入了其他官能团，使聚氯乙烯的渗透

25、和溶解能力大大增加，造成腐蚀破坏。能力大大增加，造成腐蚀破坏。高分子的化学结构和物理状高分子的化学结构和物理状态对其老化变质有着极其重要的态对其老化变质有着极其重要的影响。例如聚四氟乙烯有极好的影响。例如聚四氟乙烯有极好的耐老化性能，如图耐老化性能，如图4-2所所示，示，这这是因为电负性最大的氟原是因为电负性最大的氟原子与碳原子形成牢固的化学键。子与碳原子形成牢固的化学键。同时，氟原子的尺寸大小适中，同时，氟原子的尺寸大小适中，能把碳链紧紧包围住，如同形成能把碳链紧紧包围住，如同形成了一道坚固的了一道坚固的“围墙围墙”，保护碳，保护碳链免受外界链免受外界攻击。攻击。图图4-2 聚四氟乙烯板材聚

26、四氟乙烯板材 聚四氟乙烯（PTFE，F4），被称“塑料王”，被氟树脂之父罗伊普朗克特于1936 年发现。中文商品名“特氟龙”、“特氟隆”、“特氟龙等。它由四氟乙烯经聚合而成，结构简式为-CF2-CF2-n-，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化，广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的场合。有密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化能力、耐温优异（能在+250至-180的温度下长期工作）。聚四氟乙烯本身对人没有毒性。聚丙烯分子的每一个链节中都有一个甲基支链（含有聚丙烯分子的每一个链节中都有一个甲基

27、支链（含有叔碳原子），其上的氢原子容易脱掉而成为活性中心，引叔碳原子），其上的氢原子容易脱掉而成为活性中心，引起迅速老化。所以，聚丙烯的耐老化性能还不如聚乙烯。起迅速老化。所以，聚丙烯的耐老化性能还不如聚乙烯。此外，分子链中含有不饱和双键、酰氨键、酯键等，都会此外，分子链中含有不饱和双键、酰氨键、酯键等，都会降低高分子材料的耐老化性降低高分子材料的耐老化性。聚乙烯聚乙烯相当于把聚四氟乙烯的所有氟换成氢，而相当于把聚四氟乙烯的所有氟换成氢，而C-H键不如键不如C-F键结合牢固，且氢原子的尺寸很小，在聚乙烯键结合牢固，且氢原子的尺寸很小，在聚乙烯分子中不像氟原子那样能把碳链包围住。分子中不像氟原子

28、那样能把碳链包围住。因此，聚乙烯因此，聚乙烯的耐老化性能比聚四氟乙烯差。的耐老化性能比聚四氟乙烯差。为了防止或减轻高分子材料的老化，在制造成品时通常为了防止或减轻高分子材料的老化，在制造成品时通常加入适当的加入适当的抗氧化剂和抗氧化剂和光稳定剂光稳定剂。其中其中光稳定剂主要有光光稳定剂主要有光屏蔽剂、紫外线吸收剂、猝灭剂屏蔽剂、紫外线吸收剂、猝灭剂等。等。光光屏蔽剂屏蔽剂指能在聚合物与光辐射源之间起屏障作用的物指能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以及分散于橡胶中的炭质，如聚乙烯的铝粉涂层以及分散于橡胶中的炭黑；黑；紫紫外线吸收剂外线吸收剂可吸收并消散能引发聚合物降解的

29、紫外线可吸收并消散能引发聚合物降解的紫外线辐射，其能透可见光，但吸收紫外辐射，其能透可见光，但吸收紫外线；线；猝猝灭剂灭剂能消散聚合物分子激发态的能量，是很有效的光能消散聚合物分子激发态的能量，是很有效的光稳定剂。稳定剂。4.2 材料材料的力学性能的力学性能材料在实际应用中要受到外界各种力的作用，力对材材料在实际应用中要受到外界各种力的作用，力对材料的作用方式有料的作用方式有拉伸拉伸(tensile)、压缩压缩(compressive)、弯折弯折(bending)、剪切剪切(shear)等，如图等，如图4-3所示。材料受到外力所示。材料受到外力作用时，表现出一定程度的形变，当受力足够大时，则发

30、作用时，表现出一定程度的形变，当受力足够大时，则发生破坏生破坏(如断裂如断裂)。材料的力学性能，就是材料抵受外力作。材料的力学性能，就是材料抵受外力作用的能力，其表征方法包括用的能力，其表征方法包括强度强度(strength)、韧性韧性(toughness)以及以及硬度硬度(hardness)等。等。拉伸拉伸 压缩压缩 弯曲弯曲 剪切剪切图图4-3 材料受力方式材料受力方式4.2.1 材料的强度材料的强度 通过测量材料受力时的形变情况，可以获得材料强度的数据。通过测量材料受力时的形变情况，可以获得材料强度的数据。在工程学上，材料受力用在工程学上，材料受力用应力应力(stress)表示，表示，等

31、于样品在单位横等于样品在单位横截面积上所承受的负荷截面积上所承受的负荷F。若样品的原始横截面积为。若样品的原始横截面积为A0，则应力，则应力为：为：=F/A0 (4-1)等于样品受力时相对长度的变化等于样品受力时相对长度的变化，可表示如下：，可表示如下：材料受力发生的形变为材料受力发生的形变为应变应变(strain)，符号为，符号为=(l-l0)/l0 (4-2)式中，式中，l0为试样的原始长度；为试样的原始长度；l为试样受力变形后的长度。为试样受力变形后的长度。图图4-4 应力应力-应变曲线测量装置图应变曲线测量装置图 图图4-5 应力应力-应变曲线应变曲线 利用如图利用如图4-4所示的装置

32、可以测量材料应变随应力变所示的装置可以测量材料应变随应力变化的情况，测量时，施加恒定而缓慢的拉力，得到化的情况，测量时，施加恒定而缓慢的拉力，得到的曲的曲线线称为应力称为应力-应变曲线。典型的应力应变曲线。典型的应力-应变曲线如图应变曲线如图4-5所示。所示。不同力学性能的材料，不同力学性能的材料，其曲其曲线有所不同，曲线线有所不同，曲线A对应于韧对应于韧性较大的材料，曲线性较大的材料，曲线B对应于韧性较低对应于韧性较低(即脆性即脆性)的材料。的材料。以曲线以曲线A为例，在起始阶段，为例，在起始阶段，材料受力作用而发生变形，当外材料受力作用而发生变形，当外力撤去后，可以恢复原状，这称力撤去后，

33、可以恢复原状，这称为为弹性形变弹性形变，属于非永久性形变。，属于非永久性形变。在该阶段中，应力与应变呈线性在该阶段中，应力与应变呈线性关系，关系，即即 =E (4-3)该式是虎克定律该式是虎克定律(Hookes law)的表达式，的表达式，图图4-5 应力应力-应变曲线应变曲线 其中其中E称为称为弹性模量弹性模量(modulus of elasticity)或杨氏模量或杨氏模量(Youngs modulus)，反映材料的坚硬程度或抵抗弹性形变反映材料的坚硬程度或抵抗弹性形变的能力。的能力。金属材料具有较高的杨氏模量，如不锈钢为金属材料具有较高的杨氏模量，如不锈钢为204GPa，钨为钨为407G

34、Pa，镁为，镁为45GPa。无机非金属材料的杨氏模量。无机非金属材料的杨氏模量通常也较高，如玻璃为通常也较高，如玻璃为120GPa，混凝土为，混凝土为2537GPa。典。典型高分子材料的杨氏模量为型高分子材料的杨氏模量为2GPa，弹性较差。，弹性较差。在弹性变形阶段，在弹性变形阶段，弹性变形的最大值所对应的应力弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限，称为弹性极限，用用e e表示。表示。超过弹性极限后，应力超过弹性极限后，应力与应变之间的直线关系被破与应变之间的直线关系被破坏，当撤去应力，试样的变坏，当撤去应力，试样的变形只能部分恢复，即材料进形只能部分恢复，即材料进入塑性变形阶段。应力随应入

35、塑性变形阶段。应力随应变增加而继续增大，但达到变增加而继续增大，但达到某一个值后反而下降，该值某一个值后反而下降，该值为材料的为材料的屈服强度屈服强度(yield strength,)，表示材料开始发，表示材料开始发生明显塑性变形的生明显塑性变形的抗力。抗力。图图4-5 应力应力-应变曲线应变曲线 对于没有明显屈服点的材料，对于没有明显屈服点的材料，规定以产生规定以产生0.2%残余变形的应力值残余变形的应力值 s(或或 0.2)为其为其屈服强度屈服强度。可以把应。可以把应力力-应变曲线的弹性形变段直线向右应变曲线的弹性形变段直线向右平移平移0.002应变量，其延长线与应力应变量，其延长线与应力

36、-应变曲线的交点所对应的应力，即应变曲线的交点所对应的应力，即为为屈服强度屈服强度，如图，如图4-5曲线曲线B所示所示。因为塑性形变意味着材料尺寸因为塑性形变意味着材料尺寸发生不可恢复的改变，所以屈服强发生不可恢复的改变，所以屈服强度往往是材料选择的主要依据度往往是材料选择的主要依据。图图4-5 应力应力-应变曲线应变曲线 从结构上讲，塑性形变的产生，对于晶体材料是由于从结构上讲，塑性形变的产生，对于晶体材料是由于位错的滑移，或者原子面通过位错的形成和移动而依次的位错的滑移，或者原子面通过位错的形成和移动而依次的滑移。而非晶体材料则是基于黏性流滑移。而非晶体材料则是基于黏性流(viscous

37、flow)。影响。影响材料屈服强度的内在因素主要有结合键、组织和结构等。材料屈服强度的内在因素主要有结合键、组织和结构等。无机非金属材料是共价键或离子键结合，故具有很高的屈无机非金属材料是共价键或离子键结合，故具有很高的屈服强度；高分子材料分子链间的结合力弱，故屈服强度很服强度；高分子材料分子链间的结合力弱，故屈服强度很低。低。固溶强化固溶强化、形变强化、弥散强化等是提高材料屈服强、形变强化、弥散强化等是提高材料屈服强度的常用手段。度的常用手段。过了屈服点，应力有时会过了屈服点，应力有时会稍降，然后继续增大，试样发稍降，然后继续增大，试样发生明显而均匀的塑性变形。当生明显而均匀的塑性变形。当应

38、力达到最大值应力达到最大值 b 时，试样的时，试样的均匀变形中止，值称为材料的均匀变形中止，值称为材料的拉伸强度拉伸强度(tensile strength)或或极极限强度限强度，表示材料在载荷作用，表示材料在载荷作用下发生断裂前的最大应力。下发生断裂前的最大应力。金属材料中，铝的金属材料中，铝的 b 为为50MPa，高强度钢的，高强度钢的 b 为为3000MPa。图图4-5 应力应力-应变曲线应变曲线 在在 b 以后，试样开始以后，试样开始发生不均匀塑性变形并形发生不均匀塑性变形并形成颈缩成颈缩(necking)，应力下，应力下降，当应力达降，当应力达 k时，试样时，试样断裂。断裂。k 称为材

39、料的称为材料的断裂应断裂应力力(fracture stress)，表示表示材料对塑性变形的极限抗材料对塑性变形的极限抗力。力。图图4-5 应力应力-应变曲线应变曲线 上述的上述的 e 弹性极限、弹性极限、s屈服强度屈服强度(或或 0.2)、b 极限强度极限强度和和 k断裂应力断裂应力 为材料的为材料的强度强度指标指标.材料的延展性或塑性材料的延展性或塑性(ductility)则与材料断裂时的伸长程度则与材料断裂时的伸长程度有关，可以用有关，可以用伸长率伸长率(elongation,)和和断面收缩率断面收缩率(reduction of area，)表示。伸长率是试样拉断后长度的相对伸长量，计算公

40、表示。伸长率是试样拉断后长度的相对伸长量，计算公式为式为:%lllf10000 (4-4)式中，式中，lf为试样拉断后的长度。为试样拉断后的长度。将将5%的材料称为塑的材料称为塑性材料性材料，5%的材料称为脆性材料。的材料称为脆性材料。试样试样拉伸后其截面积减小，断面收缩率是试样拉断后横截拉伸后其截面积减小，断面收缩率是试样拉断后横截面的相对收缩值，如下式表示，面的相对收缩值，如下式表示，%AAAf10000 (4-5)式中，式中，A0为试样原始横截面积，为试样原始横截面积，Af为断口处的横截积。为断口处的横截积。很多金属材料既有高强度，又有良好的延展性。多很多金属材料既有高强度，又有良好的延

41、展性。多晶材料的强度高于单晶材料，这是因为多晶材料中的晶界晶材料的强度高于单晶材料，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。长，可以达到强化材料的目的。此外，固溶体或合金的强度高于纯金属，简单来说此外，固溶体或合金的强度高于纯金属，简单来说是因为杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。是因为杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。无机非金属材料中的原子以离子键和共价键结合，无机非金属材料中的原子以离子键和共价键结合，由于共价键的方向性，晶体中的位错很难运动，所以多数由于共价键的方向性，晶

42、体中的位错很难运动，所以多数无机非金属材料的延展性很差，屈服强度高。例如，无机非金属材料的延展性很差，屈服强度高。例如，SiC的屈服强度为的屈服强度为l0GPa，NbC为为6GPa。除了拉伸试验，材料的强度还可用弯折试验、冲击试除了拉伸试验，材料的强度还可用弯折试验、冲击试验等方法表征。验等方法表征。4.2.2材料的硬度材料的硬度硬度是材料局部抵抗硬物压入其表面的性能。材硬度是材料局部抵抗硬物压入其表面的性能。材料的硬度越大，其他物体压入其表面越困难。硬度是料的硬度越大，其他物体压入其表面越困难。硬度是材料的重要力学性能之一，表示材料表面抵抗局部塑材料的重要力学性能之一，表示材料表面抵抗局部塑

43、性变形和破坏的能力，是材料弹性、塑性、强度和韧性变形和破坏的能力，是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合性等力学性能的综合指标。指标。常用的硬度表示方法有：常用的硬度表示方法有：（1）布氏硬度）布氏硬度(Brinell hardness)测试测试如如图图4-6.a所所示，在直径为示，在直径为D(一般为一般为l0mm)的硬钢球上施加负荷的硬钢球上施加负荷F，压，压入被测金属表面，保持规定时间后卸载，根据被测金属表入被测金属表面，保持规定时间后卸载，根据被测金属表面压痕直径面压痕直径Di，使用公式，使用公式(4-6)计算布氏硬度计算布氏硬度HB。)()2(HB2i2DDDD/F (4-6)图

44、图4-6.a 布氏硬度测量示意图布氏硬度测量示意图 布式硬度压痕较大，测量值准，适用于测定未经淬布式硬度压痕较大，测量值准，适用于测定未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻柔的轴承合金等，不适火的钢、铸铁、有色金属或质地轻柔的轴承合金等，不适用于测定硬度较高的材料。用于测定硬度较高的材料。（2）洛氏硬度）洛氏硬度(Rockwell hardness)洛氏硬度测量如图洛氏硬度测量如图4-6.b所示。用一个顶角所示。用一个顶角120的金的金刚石圆锥体或直径为刚石圆锥体或直径为1.59mm、3.18mm的钢球，在一定载荷的钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕下压入被测材料表面，由压痕的深度的深

45、度h求出材料的硬度。求出材料的硬度。压入深度压入深度h越大，硬度越低；越大，硬度越低；反之，则硬度越高。反之，则硬度越高。图图4-6.b 洛氏硬度的测量示意图洛氏硬度的测量示意图 计算中为了使数值越大硬度越高，采用一个计算中为了使数值越大硬度越高，采用一个常数常数K减去减去h来表示硬度的高低，并用每来表示硬度的高低，并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度称的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度称为洛氏硬度，用符号为洛氏硬度，用符号HR表示，表示，即即:HR=(K-h)/0.002。根据试验材料硬度的不同，分根据试验材料硬度的不同，分HRA、HRB和和HRC三三种不同的标

46、度，其中种不同的标度，其中HRC和和HRA的的K值取值取0.2；HRB的的K值取值取0.26。HRA是采用是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料于硬度极高的材料(如硬质合金等如硬质合金等)；HRB是采用是采用100kg载荷和直径载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等如退火钢、铸铁等)；HRC是采用是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料用于硬度很高的材料(如淬火钢等如淬火钢等)。洛式硬度压痕很小，。洛式硬

47、度压痕很小，测量值有局部性，需测数点求平均值，适用于成品和薄片测量值有局部性，需测数点求平均值，适用于成品和薄片（3）维氏硬度）维氏硬度(Vickers hardness)维氏硬度是以维氏硬度是以49.03980.7N的负荷，将相对面夹角为的负荷，将相对面夹角为136的方锥形金刚石压入器压在材料表面，保持规定时的方锥形金刚石压入器压在材料表面，保持规定时间后卸载，测量压痕对角线长度，再按公式间后卸载，测量压痕对角线长度，再按公式(4-7)计算硬计算硬度。度。HV=0.189F/d2 (4-7)式中：式中：F为作用在压头上的载荷，为作用在压头上的载荷，N；d为压痕两对角为压痕两对角线长度的平均值

48、，线长度的平均值，mm；HV值的单位为值的单位为N/m，但习惯上只，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。写出硬度值而不标出单位。维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。还有小负荷维氏硬度，试验负荷为定。还有小负荷维氏硬度，试验负荷为1.96149.03N，适用于较薄工件、工具表面或镀层硬度的测定；适用于较薄工件、工具表面或镀层硬度的测定；显微维氏硬度，试验负荷显微维氏硬度，试验负荷3.leV，将不能通过电子跃迁吸收可见，将不能通过电子跃迁吸收可见光，材料是无色透明的；光，材料是无色透明的；Eg1.59eV，则所有可见光都可，则所有可见光都可以被吸收

49、，材料不透明。当以被吸收，材料不透明。当1.59eV Eg3.26eV时，部分时，部分光波被吸收，材料呈现不同的颜色。此外，晶格热振动对光波被吸收，材料呈现不同的颜色。此外，晶格热振动对可见光和红外光产生吸收，使无机非金属晶体可见光和红外光产生吸收，使无机非金属晶体(陶瓷陶瓷)材料材料都可以吸收红外波段的光波。都可以吸收红外波段的光波。图图4-16为一些无机材料的透光特性。一般玻璃在紫外为一些无机材料的透光特性。一般玻璃在紫外光区光区(320nm以下以下)有较强吸收，而石英和蓝宝石则可以较有较强吸收，而石英和蓝宝石则可以较好地透过紫外线，因此紫外线波段的应用中常使用石英或好地透过紫外线，因此紫

50、外线波段的应用中常使用石英或蓝宝石作为材料，例如紫外光谱测量必须使用石英比色蓝宝石作为材料，例如紫外光谱测量必须使用石英比色皿。皿。硅在硅在红外波段有大约红外波段有大约50%的透过率，且没有杂峰，可的透过率，且没有杂峰，可用作红外光谱测量的样品基片。用作红外光谱测量的样品基片。隐身飞机所使用的隐身材料就是采用具有吸波功能的隐身飞机所使用的隐身材料就是采用具有吸波功能的复合材料、涂料等。吸波材料的机理是使入射电磁波能量复合材料、涂料等。吸波材料的机理是使入射电磁波能量在分子水平上产生振荡，转化为热能，有效地衰减雷达回在分子水平上产生振荡，转化为热能，有效地衰减雷达回波波强度。强度。按按吸收机理不