1、材料性能与检测材料性能与检测中国地质大学（武汉）中国地质大学（武汉） 材料与化学学院材料与化学学院课程安排课程安排 总学时：总学时：40学时学时l考查方式：考查方式：笔试笔试50% + 平时作业、考勤平时作业、考勤50% 参考教材：参考教材： 材料物理性能材料物理性能 邱成军等邱成军等 哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社 材料性能检测实习讲义材料性能检测实习讲义 校内教材校内教材 材料性能检测材料性能检测在在材料研究材料研究中的作用中的作用研究目标研究目标设计设计基础数据基础数据合成合成评价检测评价检测设计设计依据依据性能验证性能验证组织表征组织表征供供测测试试样样性能测试性能测试微组织
2、调节控制微组织调节控制课课 程程 结结 构构 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 材料的化学性能与检测材料的化学性能与检测 第三章第三章 材料的力学性能与检测材料的力学性能与检测 第四章第四章 材料的热学性能与检测材料的热学性能与检测 第五章第五章 材料的光学性能与检测材料的光学性能与检测 第六章第六章 材料的电学性能与检测材料的电学性能与检测 第七章第七章 材料的磁学性能与检测材料的磁学性能与检测p基本概念基本概念 材料、分类、性能、检测、实验规范和标准材料、分类、性能、检测、实验规范和标准 p材料性能与检测研究内容、目的材料性能与检测研究内容、目的p材料性能研究方法材料性能研究方法p本课
3、程在材料科学研究中的地位及特点本课程在材料科学研究中的地位及特点 第一章第一章 绪论绪论1、 一、基本概念一、基本概念 材料材料是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件的物质。是人类社会所能接受的、经济地制造有用器件的物质。（l）“人类社会所能接受的人类社会所能接受的”包含包含资源资源、能源能源和和环境保护环境保护三个判据。三个判据。（2）“经济地经济地”包含经济性判据，即生产和加工成器件的花费至少能被包含经济性判据，即生产和加工成器件的花费至少能被器件所带来的效益所补偿。器件所带来的效益所补偿。（3）“制造有用器件的制造有用器件的”包含质量判据，包括材料的包含质量判据，包括材料的工艺性能工艺
4、性能（制造）（制造）和和使用性能使用性能（有用）。（有用）。u化学成分化学成分u化学性能化学性能u晶体结构晶体结构u材料功能材料功能u成分、显微结构、性质成分、显微结构、性质u性能性能 2、 材料分类材料分类 （1 1）按化学成分分类）按化学成分分类（2 2）按晶体结构分类）按晶体结构分类（2 2）按晶体结构分类）按晶体结构分类（3 3）按功能分类）按功能分类（4 4）成分、显微结构、性质）成分、显微结构、性质（5 5）依据性能的分类：）依据性能的分类： a. 结构材料：结构材料：材料的结构性以材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征原子尺度内部不发生变化为特征，即，即坚固坚固并有一定的耐用
5、性，键能大的材料坚固并有一定的耐用性，键能大的材料坚固。如：。如：玻璃、水泥、陶瓷。玻璃、水泥、陶瓷。 b. 功能材料：功能材料：电子或离子在内部运动而引起其特性的称为它的第一特征，电子或离子在内部运动而引起其特性的称为它的第一特征，一般由于掺杂和晶格缺陷而造成的敏感性也作为功能材料的特征之一。一般由于掺杂和晶格缺陷而造成的敏感性也作为功能材料的特征之一。具有特定物理（光学玻璃）、化学（催化剂）或生物特性（生物陶瓷）具有特定物理（光学玻璃）、化学（催化剂）或生物特性（生物陶瓷）的材料。的材料。可以作为一种将输入能量传递或转换成其它能量的功能元件。可以作为一种将输入能量传递或转换成其它能量的功能
6、元件。 如：如：电子能带结构的不同决定了材料的导电性差异；电子能带结构的不同决定了材料的导电性差异； 材料在材料在“非平衡非平衡”情况下能够发光。情况下能够发光。 材料所具有的材料所具有的属性和功能属性和功能，同时是一种，同时是一种参量参量，用，用于表征材料在给定的外界条件下的于表征材料在给定的外界条件下的行为行为。 （l）行为有多少行为，就对应有多少性能。例如，用表征材料在外例如，用表征材料在外力作用下拉伸行为的力作用下拉伸行为的载荷载荷-位移位移曲线或曲线或应力应力-应变应变曲线，采用屈服、伸缩、曲线，采用屈服、伸缩、断裂等行为判据，便分别有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。断裂等行
7、为判据，便分别有屈服强度、抗拉强度、断裂强度等力学性能。（2）参量性能是对材料行为的量化表示，具有量纲和数值。通过量通过量纲，可以理解某项性能的属性，通过性能的数值，可以有助于器件设计时的选材纲，可以理解某项性能的属性，通过性能的数值，可以有助于器件设计时的选材与用材，实现结构优化，也为材料的研究和评价提供了目标和标准。与用材，实现结构优化，也为材料的研究和评价提供了目标和标准。 （3）外界条件在不同的外界条件下，同一种材料会有不同的性能。故当表征材料的某一性能时，必须同时指明所对应的的外界条件。如未故当表征材料的某一性能时，必须同时指明所对应的的外界条件。如未专门指明，则会认为它是处于地球表
8、面（海平面高度）和标准气候下专门指明，则会认为它是处于地球表面（海平面高度）和标准气候下（空气温度（空气温度（20士士2），相对湿度（，相对湿度（75土土2），大气压），大气压 93106kPa）。）。 材料性能包括两方面：材料性能包括两方面： 使用性能：使用性能：材料在使用条件下表现出来的性能。如力学性能、光学性材料在使用条件下表现出来的性能。如力学性能、光学性能、化学性能等。能、化学性能等。 工艺性能：工艺性能：材料在加工过程中反映出的性能。如切削加工性能、热处材料在加工过程中反映出的性能。如切削加工性能、热处理性能等。理性能等。材料性能研究需注意问题材料性能研究需注意问题 现象与本质统一
9、现象与本质统一 性能的复合与转换性能的复合与转换 性能的发展与改造性能的发展与改造 材料不同性能是材料在材料不同性能是材料在不同不同的外界条件下所表现的外界条件下所表现出的出的不同不同行为。行为。在研究材料性能时，既要在研究材料性能时，既要总结个别性总结个别性能的特殊规律能的特殊规律，也应该要从，也应该要从材料的内部结构去理解材材料的内部结构去理解材料为什么会有这些性能料为什么会有这些性能。a) a) 现象与本质统一现象与本质统一b) b) 性能的复合与转换性能的复合与转换 物理现象之间的物理现象之间的转换转换是相当普遍的，人们利用这些现象，制备了很是相当普遍的，人们利用这些现象，制备了很多功
10、能元件与控制元件。多功能元件与控制元件。 例如，热电偶、光电管、电阻应变片、压电晶体等。例如，热电偶、光电管、电阻应变片、压电晶体等。 相乘效应相乘效应：若对材料：若对材料A A施加施加X X作用，可得到作用，可得到Y Y效果，则这个材料具有效果，则这个材料具有X/YX/Y性能，如：压电性能中性能，如：压电性能中 X X 为压力，为压力，Y Y为电位差。若材料为电位差。若材料B B具有具有Y/ZY/Z性能，性能，则则A A与与B B复合之后具有复合之后具有X/ZX/Z新性能：新性能： (X/Y)(X/Y)(Y/Z)=(X/Z)(Y/Z)=(X/Z) 功能复合材料的相乘性表功能复合材料的相乘性表
11、 A A组元性能组元性能(X/Y(X/Y）B B组元性能组元性能(Y/Z)(Y/Z)ABAB复合材料性能复合材料性能(X/Z)(X/Z)压电性压电性磁阻性磁阻性压阻效应压阻效应压磁性压磁性法拉弟效应法拉弟效应( (电磁转变电磁转变) )压致电极性变化压致电极性变化压电性压电性场致发光场致发光压力发光压力发光压电性压电性凯尔光电效应凯尔光电效应力致发光力致发光磁致伸缩磁致伸缩压阻性压阻性磁阻效应磁阻效应磁致伸缩磁致伸缩压电性压电性磁电效应磁电效应光导性光导性电致伸缩电致伸缩光致伸缩光致伸缩光导性光导性场致发光场致发光光波转变光波转变( (红外红外/ /可见光可见光) )闪烁现象闪烁现象光导性光导
12、性辐照诱致导电辐照诱致导电闪烁现象闪烁现象荧光荧光辐射荧光辐射荧光热胀变形热胀变形性敏电阻性敏电阻热阻控制效应热阻控制效应c)c) 注意性能的发展与改造注意性能的发展与改造 一般都用一般都用“工艺工艺结构结构性能性能”去控制或改造性能，改变去控制或改造性能，改变结构时，应考虑可变性以及这种改变对于性能改变的敏感性。结构时，应考虑可变性以及这种改变对于性能改变的敏感性。 有些结构是难于改变的，如原子结构；有些组织虽然可以通有些结构是难于改变的，如原子结构；有些组织虽然可以通过工艺来改变，但性能对于结构却有不同的敏感性。过工艺来改变，但性能对于结构却有不同的敏感性。 某些性能主要取决于成分，当成分
13、固定了，性能也就随之而某些性能主要取决于成分，当成分固定了，性能也就随之而固定，这称为固定，这称为非结构敏感性性能。非结构敏感性性能。如：弹性模量、磁饱和等。如：弹性模量、磁饱和等。 由于晶体的缺陷、畸变、第二相的数量、大小和分布等的改由于晶体的缺陷、畸变、第二相的数量、大小和分布等的改变而可能有很大的变化，这则称为变而可能有很大的变化，这则称为结构敏感性的性能结构敏感性的性能，例如：，例如：电导率、屈服强度、矫顽力等。电导率、屈服强度、矫顽力等。 i) i) 成分固定时，企图用工艺去改变非结构敏感性性能，是徒成分固定时，企图用工艺去改变非结构敏感性性能，是徒劳无功的。劳无功的。 ii) ii
14、) 对于结构敏感性性能，当组织不变时，有可能列出状态对于结构敏感性性能，当组织不变时，有可能列出状态方程，表示各种变量之间的关系。方程，表示各种变量之间的关系。 在材料性能研究中，研究材料的另一重要领域是在材料性能研究中，研究材料的另一重要领域是材料性能检测方材料性能检测方法法，即通过各种状态下所测得的材料参数，取得固体微观结构组态的，即通过各种状态下所测得的材料参数，取得固体微观结构组态的信息，以阐明材料的信息，以阐明材料的纯度、状态、相组成纯度、状态、相组成、精确判断相变过程的精确判断相变过程的性质、性质、数量和限度数量和限度。检测与测量检测与测量：检测检测是意义更为广泛的测量。是意义更为
15、广泛的测量。 4、检 测测量测量是以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。是以确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作。检测过程：检测过程： 信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理。信息提取、信号转换存储与传输、显示记录、分析处理。检测技术：检测技术： 检测方法、检测结构、检测信号处理。（综合性技术）检测方法、检测结构、检测信号处理。（综合性技术）规范：规范：测量材料（原材料或半成品）性能参数时所应遵守的技术测量材料（原材料或半成品）性能参数时所应遵守的技术文件。是对要求、量纲、材料等的详细说明。文件。是对要求、量纲、材料等的详细说明。 通常规定通常规定实验条件实验条件（如温度、
16、湿度等），（如温度、湿度等），实验方法实验方法（包括样品准（包括样品准备、操作程序和结果处理）和备、操作程序和结果处理）和实验用仪器、试剂实验用仪器、试剂等。等。根据规范所规定的条件进行实验，所得结果可与原定标准相互比根据规范所规定的条件进行实验，所得结果可与原定标准相互比较，以评定材料（试件）的质量和性能。较，以评定材料（试件）的质量和性能。 5、规范和标准检检 测测 标标 准准标准（化）：标准（化）： 对材料或工业产品对材料或工业产品类型、性能、尺寸、技术文件的符号与代码等的类型、性能、尺寸、技术文件的符号与代码等的统一规定统一规定，并予以，并予以实施实施的的一项技术措施一项技术措施。或者
17、说，标准是在测量或鉴定。或者说，标准是在测量或鉴定容量、数量、含量、程度、数值、质量等方面，作为一种法则或比较基容量、数量、含量、程度、数值、质量等方面，作为一种法则或比较基础而建立。础而建立。 标准的最终目的是标准的最终目的是建立一种共同的语言建立一种共同的语言，这样使在开发者、设计者、，这样使在开发者、设计者、制造者和最终使用者和其它有关方面之间不致造成混乱或发生语言不通。制造者和最终使用者和其它有关方面之间不致造成混乱或发生语言不通。建立标准的优点：建立标准的优点：（1）标准化给工业（自动化）带来的好处是能够）标准化给工业（自动化）带来的好处是能够提高效率，提高质量提高效率，提高质量，保
18、证均一的高质量商品和提出新的问题。保证均一的高质量商品和提出新的问题。（2）标准化为国际贸易、技术交流、共同市场的建立打开门户。标准化为国际贸易、技术交流、共同市场的建立打开门户。人们人们可以想象，如果工业上没有距离、质量和时间等基本单位的定义，如果可以想象，如果工业上没有距离、质量和时间等基本单位的定义，如果没有国家规定的度量衡标准，将会造成怎样的混乱局面。没有国家规定的度量衡标准，将会造成怎样的混乱局面。 p国标国标(GB)：国家技术监督局国家技术监督局p地方标准地方标准(DG)：地方技术监督局地方技术监督局 p（建材）行业标准（建材）行业标准(JC)： 国家建筑材料工业局国家建筑材料工业
19、局p 企标企标(QB)：标准的种类：标准的种类： 研究内容：研究内容：研究研究材料的性能材料的性能及及性能检测方法性能检测方法。所研究的性能是各个领域。所研究的性能是各个领域在研制和应用这些材料中，对它们提出来的一系列要求，即材料的特在研制和应用这些材料中，对它们提出来的一系列要求，即材料的特（本）征参数。（本）征参数。 （1）掌握这些参数的）掌握这些参数的物理意义物理意义、单位单位和和检测方法检测方法及在实际问题中所及在实际问题中所处的地位；处的地位； （2）研究性能参数的来源，（既性能与材料组成、结构与构造的关）研究性能参数的来源，（既性能与材料组成、结构与构造的关系）、物质规律，从而系）
20、、物质规律，从而判断材料的优劣判断材料的优劣，正确发挥和使用材料正确发挥和使用材料，改变材改变材料性能，探索新材料、新性能、新工艺料性能，探索新材料、新性能、新工艺。 二、材料性能与检测二、材料性能与检测研究内容与目的研究内容与目的材料性能研究目的：材料性能研究目的：1 材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也材料性能的研究，既是材料开发的出发点，也是其重要归属；是其重要归属；2 材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材料性能的研究，有助于研究材料的内部结构。材材 料料 检检 测测 目目 的的 材料性能检测材料性能检测是对各种原材料、成品和半成品，用工具仪器是对各种原材料、成品和半成品，用
21、工具仪器或其它分析方法（物理的和化学的）以或其它分析方法（物理的和化学的）以检查它是否合乎标准检查它是否合乎标准的过的过程。程。 检检 测测 的的 目目 的：的： 1. 选材要求选材要求 2. 研究新材料要求研究新材料要求 3. 产品产品质量要求质量要求 4. 加工工艺要求加工工艺要求 5. 生产控制要求生产控制要求 6. 安全运行要求安全运行要求 7. 失效预防要求失效预防要求 8.标准规范要求标准规范要求 9. 评价竞争者的产品评价竞争者的产品 三、材料性能研究三、材料性能研究的的方法方法研究方法大体上可分为两大类：研究方法大体上可分为两大类：1 1、经验方法：经验方法：在大量占有在大量占
22、有实验数据实验数据的基础上，对数据的的基础上，对数据的分析处理分析处理，整理为，整理为经验方程，用以表示它们的经验方程，用以表示它们的函数函数关系。关系。2 2、 理论方法：理论方法：从机理着手从机理着手，即从反映本质的基本关系，即从反映本质的基本关系(如原子间的相互作用、如原子间的相互作用、点阵的波形方程等点阵的波形方程等)出发，出发，按照性能的有关规律按照性能的有关规律，建立物理模型，用数学，建立物理模型，用数学方法求解，得到有关理论方程式。方法求解，得到有关理论方程式。 黑箱法黑箱法 相关法相关法 过程法过程法黑箱法黑箱法对材料的对材料的内部结构内部结构不作探究，认为材料是一个看不见内容
23、的不作探究，认为材料是一个看不见内容的“黑箱黑箱”（black box）或）或“闭箱闭箱”（closed box），只从它的），只从它的输入输入和和输出输出的实验的实验关系，关系，来定义或理解其性能来定义或理解其性能。（1）黑箱法）黑箱法材料材料输入输入输出输出环境影响环境影响黑箱法只能提供输入与输出之间的黑箱法只能提供输入与输出之间的定量定量关系，关系，表象地回答表象地回答“是什么是什么”，不能解释不能解释“为什么为什么”，即，即不能提出改变性能的措施不能提出改变性能的措施。 用自然暴露法研究复合材料在大气环境的老化性能，就是采用用自然暴露法研究复合材料在大气环境的老化性能，就是采用“黑箱法
24、黑箱法”的例子。的例子。n若输入为若输入为X，输出为，输出为Y，从实验确定，从实验确定： Y KX K传递函数传递函数，定义与表达弹性模量定义与表达弹性模量E、电阻、电阻R和热膨胀系数和热膨胀系数a等性能。等性能。 现象现象输入输入（X）输出输出（Y）关系式关系式K性能性能弹性变量弹性变量 = （1/）1/EE导电导电VII= （1/ R ）V1/RR热膨胀热膨胀TLL =（ L0 ）TL0 对所研究的性能对所研究的性能P，在已有，在已有理论的指导理论的指导或或大量实验数据大量实验数据的启示下，寻的启示下，寻求与求与P有关的有关的结构参数结构参数Si，然后建立，然后建立P与与Si之间的经验关系
25、式：之间的经验关系式： P=f（S I） il，2，n 可以用可以用Si计算计算P，并，并可通过工艺与选材改变可通过工艺与选材改变Si，从而，从而控制控制P，即按，即按工艺、工艺、 结构、性能结构、性能的思路。的思路。 相关法的目的是找出相关法的目的是找出性能与结构性能与结构之间的之间的相关性关系相关性关系。 相关法属于相关法属于归纳法归纳法，主要解决性能的现象问题，回答，主要解决性能的现象问题，回答“是什么是什么”，对，对于现象的本质性无法解释，相关法常用于材料工程领域。于现象的本质性无法解释，相关法常用于材料工程领域。（2）相关法）相关法 过程法用于深入了解现象的本质，回答过程法用于深入了
26、解现象的本质，回答“为什么为什么”和和“怎么办怎么办”的问题。的问题。 材料的材料的“性能性能”是对于它的是对于它的“行为行为”的表述，行为当然是一种的表述，行为当然是一种“变化变化”，过程法从过程法从“内因内因”和和“外因外因”的辩证关系去理解变化、行为和性能，找寻作的辩证关系去理解变化、行为和性能，找寻作为变化根据的为变化根据的“内因内因”，探究外因如何通过内因而起作用。，探究外因如何通过内因而起作用。也就是说，要找也就是说，要找出出P=f（ S i ）中中影响或决定结构参数影响或决定结构参数S i的化学性质、微观结构与能量关系，的化学性质、微观结构与能量关系，以及它们对行为过程的影响，以
27、及它们对行为过程的影响，从而发现通过控制这些因素来改变结构参数以从而发现通过控制这些因素来改变结构参数以调节性能调节性能P的途径。的途径。 （3）过程法）过程法三种方法分别代表了材料研究的不同层次，区别主要在对材料结构（即三种方法分别代表了材料研究的不同层次，区别主要在对材料结构（即材质、性能的内因）的态度和揭示程度。材质、性能的内因）的态度和揭示程度。黑箱法黑箱法不考虑结构；不考虑结构；相关法相关法是建立性能与结构之间的相关性方程；是建立性能与结构之间的相关性方程；过程法过程法是从性能所涉及的过程去探究结构与性能的关系，从而寻找控制是从性能所涉及的过程去探究结构与性能的关系，从而寻找控制与调
28、节性能的途径。与调节性能的途径。 1.1.地位地位p 人们通过检测（测试）可以对事物进行客观的分析和评价。回顾人们通过检测（测试）可以对事物进行客观的分析和评价。回顾科学技术的发展历程，无论是新元素的发现，还是一种新效应的证科学技术的发展历程，无论是新元素的发现，还是一种新效应的证实；无论是对材料性能的认识，还是利用和开发，都离不开检测实；无论是对材料性能的认识，还是利用和开发，都离不开检测（测试）。因此检测渗入到材料各个研究部门。（测试）。因此检测渗入到材料各个研究部门。对一个新课题的研对一个新课题的研究，往往需要进行大量复杂多样的测试工作。究，往往需要进行大量复杂多样的测试工作。因此性能检
29、测在材料因此性能检测在材料科学研究中的地位越来越重要。科学研究中的地位越来越重要。p 一个研究部门的研究成果如何？一个研究部门的研究成果如何？第一是设计思路，第二就是如何第一是设计思路，第二就是如何对设计思路进行检测分析。对设计思路进行检测分析。一个企业，其产品是否有市场，重要的一个企业，其产品是否有市场，重要的是质量如何，而质量必须通过检测而确定。因此，是质量如何，而质量必须通过检测而确定。因此，材料性能及检测材料性能及检测贯穿于材料的各个环节中，它是各个环节研究的基础。贯穿于材料的各个环节中，它是各个环节研究的基础。同时，重大同时，重大的技术进步几乎总是与材料的性能改良或新材料的发展和使用
30、紧密的技术进步几乎总是与材料的性能改良或新材料的发展和使用紧密相连。相连。四、在材料科学研究中的地位及特点四、在材料科学研究中的地位及特点2、特点、特点 （1）复杂性：）复杂性：从前面的分类可以看出，材料的种类繁多，不同材料性从前面的分类可以看出，材料的种类繁多，不同材料性能不同，其测试的手段也不同，即使同种材料用于不同的行业，其所需能不同，其测试的手段也不同，即使同种材料用于不同的行业，其所需性能测试方法手段也不同。因而检测所涉及面很广，也很复杂；性能测试方法手段也不同。因而检测所涉及面很广，也很复杂；（2）多样性：）多样性：对同一种性能的检测有不同的检测方法、手段和标准。对同一种性能的检测
31、有不同的检测方法、手段和标准。如粒度如粒度，有显微镜法、重力沉降法、激光粒度测定法、库尔特计数粒度，有显微镜法、重力沉降法、激光粒度测定法、库尔特计数粒度测定法、吸附法等。测定法、吸附法等。（3）整体效应：）整体效应：结果反映材料的整体效应，避免局部微观区域观察或结果反映材料的整体效应，避免局部微观区域观察或测量可能造成的错觉；测量可能造成的错觉； （4）动态过程：）动态过程：进行进行材料试验的动态过程研究，较精确地判断材料中材料试验的动态过程研究，较精确地判断材料中发生相变的温度、时间、数量和限度；发生相变的温度、时间、数量和限度；（5）灵敏性：）灵敏性：灵敏地地确定一些灵敏地地确定一些微量元素微量元素对材料对材料结构与性能结构与性能的影响。的影响。
