1、材料性能学 An Introduction to Materials Properties 课程介绍 课程性质课程性质 专业（指定）选修课专业（指定）选修课 学时数学时数：54 学分数学分数：3 授课方式授课方式： 课堂授课（为主） 实验（电镜断口观察） 课堂讨论（每一位学生选择一个专题，写一篇综述论文， 并且在课堂上讲解和讨论，并作为平时成绩之一） 考核方式考核方式：期末考试50；课堂论文成绩35；考 勤作业15 绪绪 论论 信息、能源和材料是现代社会发展的三大支柱，而信息技术 和新能源产业的提高和发展都离不开各种新材料作为支撑和 基础。 材料科学与技术的发展水平已经成为衡量一个国家国防力量
2、、 经济发展水平和综合实力的重要指标之一，是21世纪优先发 展的重要领域。 长期以来，材料科学研究一直受到国家、地区、高校和研究 机构等不同层面上的广泛重视，一些发达国家更是投入大量 的人力、物力和财力抢占21世纪材料科学发展的制高点。 从2008年开始，我校在新的发展规划中，又将建设“新材料 研究平台”做为4个重点建设平台项目之一。 联合和交叉研究是当前发展新材料，取得重大 创新成果的重要手段。 材料科学与工程学科的核心是研究材料科学与 工程学科四面体的四要素之间关系： 材料合成和过程材料合成和过程成分结构成分结构性能性能服役应服役应 用等之间的关系用等之间的关系 具有多学科交叉特征。具有多
3、学科交叉特征。 制备与合成 成分结构 性 能 服役应用 除了材料专业研究者在材料科学规律、制备工 艺技术、计算模拟和实验技术等四大方面对材 料科学与工程学科四面体的四个要素进行全面 的研究以外 其他学科如，物理、化学、机械、生物、医学、 电子等借助其学科基础和优势，近年来不断向 材料科学延伸与渗透 通过不断的交叉进一步推动了材料科学的发展， 建立了电子半导体材料、纳米材料和器件、生 物材料和先进工程材料等新的交叉学科。 这种不同学科的交叉已经成为新材料的发现、 发展和创新的重要源泉。 材料科学领域涵盖：金属材料、无机非金属材料、高 分子材料、复合材料、纳米材料，工程材料等各种材 料在制备、加工
4、、处理、服役和使用过程中的组织、 性能演变与失效，以及材料微结构表征和性能测试技 术等内容。 材料研究如何由实验室向产业化过渡也是材料科学发 展中的另一个重要问题。 另外，材料学科的许多开拓性的发展和原始性创新都 与实验技术及仪器装备的发展紧密相关。（性能测试、 结构表征等） 目前，国内外许多有条件的高校和实验室都把实验技 术及仪器水平提高当作占领材料学科发展制高点的首 要问题来解决。 纵观国内外材料学科水平最高和发展最快的地方无不 与其拥有一流的仪器设备和硬件设施有关。 教学目的与要求教学目的与要求 本课程是“材料科学与工程”一级学科的专业课 程之一（其它有材料物理学、材料分析测试） 目的在
5、于使学生了解材料常见力学性能和物理性 能的本质及其变化规律 初步熟悉有关力学性能和物理性能的测试方法和 在材料科学研究中的运用 掌握材料韧性、脆性、疲劳性能、热性、电性、 磁性、弹性、内耗等的本质、基本变化规律、以 及与组织结构的关系 掌握测试的基本原理和分析方法 了解在材料研究及实际工业生产中的运用 课程主要内容课程主要内容 专业指定选修课 课程涉及知识面宽，信息量大，基础性强 主要讲授材料各种性能的基本概念、物理(化学)本质、影 响材料性能的因素及性能指标的测试原理与工程应用等 材料性能涉及到材料科学和工程两部分内容 性能的物理本质部分告诉我们“为什么” 工艺、结构、性能及其测试分析技术告
6、诉我们“如何做”， 其载体和桥梁就是具体的材料 学习过程中把这两部分有机地结合起来，有利于学生掌握 材料各种性能研究领域的整体，促进积极思维和创造精神 课堂讲授部分主要内容课堂讲授部分主要内容 材料的力学性能材料的力学性能：材料在静载条件下的 力学性能、冲击韧性、断裂韧性、疲劳 性能、磨损性能，以及高温力学性能等； 材料的物理性能材料的物理性能：材料的热学性能、磁 学性能、电学性能、光学性能、压电及 铁电性能等； 材料的腐蚀及老化性能，等 教材与参考书教材与参考书 教教 材材： 材料性能学王从曾主编，刘会亭主审，北京工业大学出版社， 2001年 参考书参考书： 材料物理性能，吴其胜主编，蔡安兰
7、杨亚群副主编，华东理 工大学出版社，2006年。 工程材料力学性能刘瑞堂、刘文博、刘锦云编，哈尔滨工业 大学出版社，2001年 材料物理性能田莳编著，北京航空航天大学出版社，2001年 材料物理导论熊兆贤编著，科学出版社，2001年 具体教学内容具体教学内容 第一章第一章 绪言绪言 “材料性能学”课程的学习意义、学习任务、学习方法、主要内容等 第二章第二章 材料单向静拉伸的力学性能材料单向静拉伸的力学性能 应力应变曲线应力应变曲线 拉伸性能指标拉伸性能指标。材料的强度：屈服强度、抗拉强度；材料的塑性：延伸率、短面收缩等。 弹性变形弹性变形。弹性的本质：双原子模型、Hooke定律；弹性模量；影响
8、弹性模量的因素； 非理想弹性与内耗非理想弹性与内耗。理想弹性材料；滞弹性材料；内耗的定义；内耗的产生机理：点阵 中原子有序排列引起的内耗、晶界内耗、与位错有关的内耗等；内耗的测量；内耗的应用 塑性变形塑性变形。塑性变形机理：金属材料的塑性变形（滑移、孪生）、多晶体材料的塑性变形 的特点、陶瓷材料的塑性变形、高分子材料的塑性变形；屈服现象及其本质：物理屈服现 象、屈服现象的本质、影响屈服强度的因素；应变硬化（学生自学）；超塑性 材料断裂与断口分析材料断裂与断口分析（多媒体讲座和电镜实验观察）。断裂分析的意义；断裂的分类； 断口分析法；韧性（延性）断裂：定义、特点、典型材料、韧性断裂的宏观特征、韧
9、性断 口的微观特征；脆性（包括：解理和沿晶）断裂：定义、特点、主要材料、脆性断裂的宏 观特征、解理断裂的微观特征、沿晶断裂的微观特征、疲劳断裂、焊接断口。 第三章第三章 材料在其它静载荷下的力学性能材料在其它静载荷下的力学性能 应力状态软性系数 扭转的力学性能 弯曲的力学性能 压缩的力学性能 缺口试样的力学性能。缺口处的应力分布及三向应力；缺口形式； 缺口敏感度；影响因素 布氏硬度：测量原理、特点 洛氏硬度：测量原理、特点 维氏硬度：测量原理、特点 第四章第四章 材料的冲击韧性及低温脆性材料的冲击韧性及低温脆性 冲击试样与冲击韧性。冲击试样与冲击韧性。冲击实验的种类；冲击载荷的特点；一次 冲击
10、试验原理；冲击韧性Ak的意义；冲击试样的断裂过程；冲击 试验的应用 低温脆性。低温脆性。低温脆性的评价：能量原则、断口形貌原则、断口变 形特征原则；影响低温脆性的因素 第五章第五章 材料的断裂韧性基础材料的断裂韧性基础 Griffith断裂理论。完整晶体的理论断裂强度；Griffith 断裂理论；Orowan的修正； 裂纹扩展的能量判据 裂纹顶端的应力场。三种断裂类型；I型裂纹顶端的应 力场；应力强度因子KI； 裂纹顶端的塑性区。 应力强度因子的塑性区修正。 影响断裂韧性的因素。内部因素；外部因素； 断裂韧性的工程应用。 第六章第六章 固体电子理论简介固体电子理论简介 电子的波动性。电子的波动
11、性。 2 原子结构。原子结构。原子结构模型，量子力学的基本原理，原子中的电 子结构，分子和金属键。 金属电子论。金属电子论。经典自由电子理论，量子自由电子论，能带理论。 第七章第七章 材料的电学性能材料的电学性能 电子类载流子导电。电子类载流子导电。金属的导电机制：经典理论、能带理论；影 响材料导电性的因素：温度、应力、范性变形、热处理的影响。 离子类载流子导电。离子类载流子导电。定义；理论；离子导电与扩散；离子导电的 影响因素。 电阻的测量。电阻的测量。 与电性有关的材料。与电性有关的材料。 电阻分析的应用。电阻分析的应用。研究合金的时效，合金的有序-无序转变，测量 固溶体溶解度曲线等； 第
12、八章第八章 材料的热学性能材料的热学性能 热学性能的物理基础。热学性能的物理基础。 热容。热容。基本概念；经典热容理论：杜隆珀替定律、柯普定律；固体热 容的量子理论：爱因思坦模型、德拜模型；自由电子对热容的贡献。 合金的热容。合金的热容。 陶瓷材料的热容。陶瓷材料的热容。 相变对热容的影响。相变对热容的影响。 热分析。热分析。差热分析（DTA）；示差扫描量热法（DSC）。 热容的应用。热容的应用。 第九章第九章 材料的膨胀分析材料的膨胀分析 热膨胀的物理本质。热膨胀的物理本质。 双原子模型。双原子模型。 膨胀系数膨胀系数 异常膨胀。相变因素；原子系数因素；熔点因素异常膨胀。相变因素；原子系数因
13、素；熔点因素。 热膨胀的影响因素。热膨胀的影响因素。合金成分和相变，晶体结构，晶体的各向异性，铁 磁性。 膨胀的测量。膨胀的测量。光学膨胀仪，电磁膨胀仪。 膨胀分析的应用。膨胀分析的应用。 第十章第十章 材料的磁学性质材料的磁学性质 磁介质及其分类磁介质及其分类 磁性的物理本质。磁性的物理本质。电子轨道磁矩；电子自旋磁矩；原子核磁矩；原子总磁矩。 表征磁性的物理量。表征磁性的物理量。磁化与外场的关系；总磁场与外场的关系。 磁性的分类。磁性的分类。抗磁体；顺磁体；铁磁体。 抗磁性与顺磁性。抗磁性与顺磁性。正离子的抗磁性；正离子的顺磁性；自由电子的顺磁性；自由电子的抗磁性；顺磁 性和抗磁性在材料研
14、究中的应用。 铁磁性。铁磁性。磁化曲线；磁滞回线；铁磁性理论：自发磁化理论、磁畴理论、技术磁化理论。 铁磁性的测量。铁磁性的测量。 铁磁性分析的应用。铁磁性分析的应用。 第十一章第十一章 材料的介电性能材料的介电性能 介质极化与介电性能。平板电容器与电介质；极化参数。介质极化与介电性能。平板电容器与电介质；极化参数。 介电质的极化形式和机制。位移极化；松弛极化；转向极化；空间电荷极化；自发极化。介电质的极化形式和机制。位移极化；松弛极化；转向极化；空间电荷极化；自发极化。 电介质的介质损耗。介质的损耗形式：电导损耗、极化损耗、电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀电介质的介质损耗。介质的损耗形式：
15、电导损耗、极化损耗、电离损耗、结构损耗、宏观结构不均匀 的介质损耗；影响介电损耗的因素：频率的影响；温度的影响。的介质损耗；影响介电损耗的因素：频率的影响；温度的影响。 介电质的压电性能。压电效应的基本原理；压电性能的主要参数：介电常数、介质损耗、弹性系数、介电质的压电性能。压电效应的基本原理；压电性能的主要参数：介电常数、介质损耗、弹性系数、 压电常数、机械品质因数、机电偶合系数；压电材料的应用。压电常数、机械品质因数、机电偶合系数；压电材料的应用。 电介质的热释电性（电介质的热释电性（Pyroelecrticity）。定义；热释电现象；热释电的产生条件；热释电性的表征；热）。定义；热释电现
16、象；热释电的产生条件；热释电性的表征；热 释电材料；热释电性额应用。释电材料；热释电性额应用。 电介质的铁电性。铁电性的定义；电滞回线；居里温度；临界现象；铁电畴；铁电体的电致伸缩效应；电介质的铁电性。铁电性的定义；电滞回线；居里温度；临界现象；铁电畴；铁电体的电致伸缩效应； 铁电体的起源；铁电体的起源； 铁电性、压电性、热释电性之间的关系铁电性、压电性、热释电性之间的关系 影响材料压电性和铁电性的因素。化学成分；晶粒间界；预极化条件；薄膜材料的择优取向。影响材料压电性和铁电性的因素。化学成分；晶粒间界；预极化条件；薄膜材料的择优取向。 压电、铁电性能的测量。压电、铁电性能的测量。 压电、铁电
17、材料的应用。压电、铁电材料的应用。 课堂论文与讨论内容课堂论文与讨论内容 材料的疲劳性能材料的疲劳性能（教材第五章） 材料的磨损性能材料的磨损性能（教材第六章） 材料的高温力学性能材料的高温力学性能（教材第七章） 材料的光学效应材料的光学效应（教材第十一章） 材料的腐蚀效应材料的腐蚀效应（教材第十三章） 对课堂论文的要求对课堂论文的要求： 每一位学生选择一个专题，写一篇综述论文 内容一般包括：基本概念、基本理论，以及最新进展等。 字数不少于3000字，阅读参考文献不少于5篇，并且要列于论文后面。 论文以内容的系统性、全面性、新颖性、条理性和图文并茂等为优 严禁整篇抄袭他人文章，或在网上整篇拷贝
18、他人文章，一经发现，做零分计。 所有同学的课堂论文在课堂上讲解和讨论 课堂纪律与要求课堂纪律与要求 按时上课，迟到者将影响平时成绩。 上课禁止“接打手机”，一经发现，将 停止听课资格。 上课随机点名，旷课3次者将没有成绩。 20 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 引引 言言 1.1 应力应力-应变曲线应变曲线 1.2 弹性变形与弹性不完整性弹性变形与弹性不完整性 1.3 塑性变形与应变硬化塑性变形与应变硬化 1.4 金属的断裂金属的断裂 21 引引 言言 单向静拉伸试验特点单向静拉伸试验特点: 1、最广泛使用的力学性能检测手段、最广泛使用的力学性能检测手段; 2、试验的应力状态、加载速率、温度
19、、试样等、试验的应力状态、加载速率、温度、试样等 都有严格规定都有严格规定（方法：（方法：GB/T228-2002；试样：；试样： GB/T6397-1986）。 3、最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）；、最基本的力学行为（弹性、塑性、断裂等）； 4、可测力学性能指标：强度（、可测力学性能指标：强度（）、塑性）、塑性 （、f）等。）等。 22 23 传感器式拉伸试验机 24 高温拉伸试验机 25 26 1.1 1.1 应力应力- -应变曲线应变曲线 一、拉伸力一、拉伸力伸长曲线伸长曲线 oe段：弹性变形段：弹性变形 e点：弹性塑性的转变点点：弹性塑性的转变点 AB（Ak）段：塑性变形）段：
20、塑性变形 AC段：不均匀的塑性变形段：不均匀的塑性变形 （出现锯齿状条纹，又称屈（出现锯齿状条纹，又称屈 服变形）服变形） CB段：均匀变形段：均匀变形 Bk段：不均匀变形段：不均匀变形 k点：断裂点：断裂 27 二、应力二、应力- -应变曲线应变曲线 应力应力 =F/A =F/A 应变应变 = =L/LL/L e e：弹性极限：弹性极限 s s：屈服点：屈服点 b b：抗拉强度：抗拉强度 28 29 三、几种常见材料的应力三、几种常见材料的应力- -应变曲线应变曲线 金属材料金属材料 低碳钢与某些低碳钢与某些 有色金属有色金属 塑性较低塑性较低 的金属的金属 某些铝合金某些铝合金 30 1.
21、2 1.2 弹性变形与弹性不完整性弹性变形与弹性不完整性 一、弹性变形及其实质一、弹性变形及其实质 1.1.弹性变形弹性变形 定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸定义：当外力去除后，能恢复到原来形状或尺寸 的变形，叫弹性变形。特点为：单调、可逆、变形量很的变形，叫弹性变形。特点为：单调、可逆、变形量很 小（小（0.51.0%0.51.0%） 2.2.弹性的物理本质弹性的物理本质 金属的弹性性质是金属金属的弹性性质是金属 原子间结合力抵抗外力的原子间结合力抵抗外力的 宏观表现。宏观表现。 31 二、虎克定律二、虎克定律 1 1、弹性力场微分方程、弹性力场微分方程 平衡微分方程平衡微分方程
22、)( )(0 2 2 运动运动 静止静止 t uf x ii j ij f fi i作用力；作用力； i i，j=x,y,z j=x,y,z 密度密度 位移：位移：x x轴轴u u；y y轴轴v v； z z轴轴w w 正应力：正应力： x x 、 、 y y 、 、 z z 正应变：正应变： x x 、 、 y y 、 、 z z 切应力：切应力： x y x y 、 、 y z y z 、 、 z x z x 切应变：切应变： x y x y 、 、 y z y z 、 、 z x z x 32 几何方程几何方程 i i，j=x,y,zj=x,y,z 位移：位移：x x轴轴u u；y y轴
23、轴v v；z z轴轴w w ijij j i ij i j x u x u 2 2 1 33 2. 广义虎克定律 在弹性极限内，物体内任一点的应力状态和应变状态在弹性极限内，物体内任一点的应力状态和应变状态 均可以由六个应力分量和六个应变分量来描述，虎克定律均可以由六个应力分量和六个应变分量来描述，虎克定律 的物理方程为：的物理方程为： 式中 C11、C12Cij为常数，称为弹性刚度系数。 xyzxyzzzyyxxxy xyzxyzzzyyxxzx xyzxyzzzyyxxyz xyzxyzzzyyxxzz xyzxyzzzyyxxyy xyzxyzzzyyxxxx CCCCCC CCCCCC
24、 CCCCCC CCCCCC CCCCCC CCCCCC 666564636261 565554535251 464544434241 363534333231 262524232221 161514131211 34 当以应力为自变量时，广义虎克定律也可以写成下式：当以应力为自变量时，广义虎克定律也可以写成下式： 式中 S11、S12Sij为常数，称为弹性顺度系数。 xyzxyzzzyyxxxy xyzxyzzzyyxxzx xyzxyzzzyyxxyz xyzxyzzzyyxxzz xyzxyzzzyyxxyy xyzxyzzzyyxxxx SSSSSS SSSSSS SSSSSS SSS
25、SSS SSSSSS SSSSSS 666564636261 565554535251 464544434241 363534333231 262524232221 161514131211 35 在晶体物理中存在在晶体物理中存在C Cij ij=C=Cji ji，S Sij ij=S=Sji ji（i i、j=1j=1、2 2、 33）的关系，因此）的关系，因此C Cij ij与与S Sij ij中只有中只有2121个独立的，即个独立的，即 36 37 38 广义虎克定律物理方程 39 3. 狭义虎克定律 正弹性模量 切变弹性模量 常用公式！常用公式！ 40 三、弹性模量三、弹性模量 是一个
26、与外作用力无关的常数，仅与材料本是一个与外作用力无关的常数，仅与材料本 身的性质有关，身的性质有关，反映材料的本质反映材料的本质，是构成材料的离子，是构成材料的离子 或分子之间键合强度的主要指标或分子之间键合强度的主要指标 1.1.弹性模量的物理意义和作用弹性模量的物理意义和作用 物理意义：材料对弹性变形的抗力。物理意义：材料对弹性变形的抗力。 用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构用途：工程上亦称为刚度；计算梁或其他构 件挠度时必须用之。重要的力学性能之一。件挠度时必须用之。重要的力学性能之一。 41 2.2.影响弹性模量的因素影响弹性模量的因素 （1 1）键合方式和原子结构）键合方式和原子
27、结构 键合方式：共价键、离子键、金属键键合方式：共价键、离子键、金属键 E E大大 分子键（高分子材料）分子键（高分子材料） E E小小 非过渡族，原子半径非过渡族，原子半径、EE； 过渡族，原子半径过渡族，原子半径、EE，且，且E E一般都较大。一般都较大。 （2 2）晶体结构：沿原子密排方向的）晶体结构：沿原子密排方向的E E大。大。 （3 3）溶质原子与其强化；）溶质原子与其强化； 晶格畸变能增大，晶格畸变能增大，EE； 固溶体固溶体 （4 4）显微组织（指热处理后），影响较小；）显微组织（指热处理后），影响较小； （5 5）温度：）温度：T T增加，原子振动加剧，原子间距加大，结合力减
28、弱，增加，原子振动加剧，原子间距加大，结合力减弱，E E变小。变小。 （6 6）加载速率；一般影响不大。但对高分子材料影响大）加载速率；一般影响不大。但对高分子材料影响大 （1 1）其他。）其他。 42 四、弹性极限、弹性比功四、弹性极限、弹性比功 1、比例极限、比例极限 2、弹性极限、弹性极限 3、弹性比功、弹性比功 又称为弹性比能、应变比能。又称为弹性比能、应变比能。 物理意义物理意义：吸收弹性变形功的能力。：吸收弹性变形功的能力。 几何意义几何意义：应力：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。应变曲线上弹性阶段下的面积。 用用 途途：制造弹簧的材料，要求弹性比功大：制造弹簧的材料，要求弹性比
29、功大 43 基于纳米科学技术的古代青铜器测年基于纳米科学技术的古代青铜器测年 近年来，随着科学技术的不断发展，前沿科学已经近年来，随着科学技术的不断发展，前沿科学已经 成为考古鉴定和研究不可缺少的一个方面，研究成成为考古鉴定和研究不可缺少的一个方面，研究成 果对于增进和深入了解古代科学技术发展与文化的果对于增进和深入了解古代科学技术发展与文化的 发展历程发挥着重大作用。发展历程发挥着重大作用。 对考古遗物进行科学技术研究，结合考古研究结果对考古遗物进行科学技术研究，结合考古研究结果 能充分揭示其内涵，确定年代及史实。理工科技工能充分揭示其内涵，确定年代及史实。理工科技工 作者与考古界紧密结合，
30、已经越来越被认为是一种作者与考古界紧密结合，已经越来越被认为是一种 非常重要的交叉与融合。非常重要的交叉与融合。 44 45 古代青铜器的断代一直是考古工作者非常关心，但利用传古代青铜器的断代一直是考古工作者非常关心，但利用传 统方法一直得不到解决的世界性难题。统方法一直得不到解决的世界性难题。 目前青铜制品的断代主要依据考古学方法，从个体的造型、目前青铜制品的断代主要依据考古学方法，从个体的造型、 纹饰、铭辞和共存关系等方面考虑，纹饰、铭辞和共存关系等方面考虑， 对于缺少可供考古学断代依据而需要利用科学手段测定其对于缺少可供考古学断代依据而需要利用科学手段测定其 年代的青铜器，仅能通过对附属
31、残留物测年间接实现，如年代的青铜器，仅能通过对附属残留物测年间接实现，如 对食物残存和烟炱进行对食物残存和烟炱进行14C测年，测定使用年代，对残留的测年，测定使用年代，对残留的 铸造模具作热释光测量，测定制造年代铸造模具作热释光测量，测定制造年代 这些方法要求有可供测年的残留物，并不适用绝大多数青这些方法要求有可供测年的残留物，并不适用绝大多数青 铜器制品。铜器制品。 而铅同位素法，由于误差太大，以及测量原理的问题，而而铅同位素法，由于误差太大，以及测量原理的问题，而 已经被否定。已经被否定。 46 基于纳米压痕测试技术实现古代青铜基于纳米压痕测试技术实现古代青铜 器测年的基本原理与可行性分析
32、器测年的基本原理与可行性分析 在现代金属材料理论中，有一个“时效”或“时效在现代金属材料理论中，有一个“时效”或“时效 处理”的概念，它是指将淬火后的金属工件置於室处理”的概念，它是指将淬火后的金属工件置於室 温或较高温度下保持适当时间，通过稳定金属材料温或较高温度下保持适当时间，通过稳定金属材料 的组织和尺寸，以提高金属强度的金属热处理工艺。的组织和尺寸，以提高金属强度的金属热处理工艺。 室温下进行的时效处理是自然时效；室温下进行的时效处理是自然时效； 较高温度下进行的时效处理是人工时效。较高温度下进行的时效处理是人工时效。 一般情况下，时效处理的时间为数小时到数日。一般情况下，时效处理的时
33、间为数小时到数日。 47 古代青铜器由于存放了数百、数千年的时间，其内部显微组古代青铜器由于存放了数百、数千年的时间，其内部显微组 织和性能等必然也要随时间而发生变化。织和性能等必然也要随时间而发生变化。 这些变化的最直接的表现就是会引起表征材料本质的弹性模这些变化的最直接的表现就是会引起表征材料本质的弹性模 量的大小发生变化。量的大小发生变化。 如果能够精确测定古代青铜器弹性模量随时间变化的规律，如果能够精确测定古代青铜器弹性模量随时间变化的规律， 那么就可以对其进行断代！那么就可以对其进行断代！ 现代材料科学的研究表明，对于理想材料，当外应力一定时，现代材料科学的研究表明，对于理想材料，当
34、外应力一定时， 理想的时效曲线为弹性模量的倒数随时间发生线性变化。理想的时效曲线为弹性模量的倒数随时间发生线性变化。 48 古代青铜器多属古代青铜器多属Cu-Sn或或Cu-Sn-Pb合金，合金， 其成分、组织和微量元素都是弹性模量的影其成分、组织和微量元素都是弹性模量的影 响因素，响因素， 常规的测试技术仅能测得合金的弹性模量，常规的测试技术仅能测得合金的弹性模量， 而用纳米压痕测试技术可测得合金中各单相而用纳米压痕测试技术可测得合金中各单相 的弹性模量，的弹性模量， 避免了组织因素的影响，避免了组织因素的影响， 各相的化学组成则可由能谱仪测得，各相的化学组成则可由能谱仪测得， 对于不同样品化
35、学组成相近的同一单相的时对于不同样品化学组成相近的同一单相的时 效曲线可视为同一模型。效曲线可视为同一模型。 49 此外，古代青铜器发现前多埋藏于地下稳定此外，古代青铜器发现前多埋藏于地下稳定 状态下，经过数千年的外应力作用，状态下，经过数千年的外应力作用， 对于一般保存较好的青铜器可认为只发生室对于一般保存较好的青铜器可认为只发生室 温时效，时间是弹性模量变化的主要影响因温时效，时间是弹性模量变化的主要影响因 素，素， 考虑到考古材料若保存较好，其在埋藏过程考虑到考古材料若保存较好，其在埋藏过程 中所受外应力相对较小，外应力对于时效曲中所受外应力相对较小，外应力对于时效曲 线的影响很小，线的
36、影响很小， 所以可以认为不同埋藏条件对于保存较好的所以可以认为不同埋藏条件对于保存较好的 样品的时效曲线影响不大。样品的时效曲线影响不大。 50 对于古代青铜器中化学组成相近的某一单相，对于古代青铜器中化学组成相近的某一单相， 通过获取不同时代已知考古学年代的样品的通过获取不同时代已知考古学年代的样品的 弹性模量数据，可以建立出相应的室温时效弹性模量数据，可以建立出相应的室温时效 曲线经验模型。曲线经验模型。 考虑到中国古代青铜器的复杂性，需建立若考虑到中国古代青铜器的复杂性，需建立若 干模型。干模型。 对于未知年代的样品，利用纳米压痕技术测对于未知年代的样品，利用纳米压痕技术测 得其各相弹性
37、模量，通过相应的模型得到时得其各相弹性模量，通过相应的模型得到时 效时间，由于青铜器一般为两相或三相合金，效时间，由于青铜器一般为两相或三相合金， 相应得到两个或三个测年数据，综合后即得相应得到两个或三个测年数据，综合后即得 到样品的年代。到样品的年代。 51 基于纳米科学技术的古陶瓷窑口溯源基于纳米科学技术的古陶瓷窑口溯源 方法初探方法初探 瓷釉是瓷器胎外的釉层，其特征是区分瓷器产地的重瓷釉是瓷器胎外的釉层，其特征是区分瓷器产地的重 要标志。要标志。 一般主要是通过考古学家的经验进行判断和鉴别，俗一般主要是通过考古学家的经验进行判断和鉴别，俗 称“眼科”。称“眼科”。 这一方面容易出现误判，
38、另外也很难“言传”。这一方面容易出现误判，另外也很难“言传”。 而利用现代常规的物理化学技术进行测量，又由于瓷而利用现代常规的物理化学技术进行测量，又由于瓷 釉表面光滑和釉层较薄，也容易出现较大误差，特别釉表面光滑和釉层较薄，也容易出现较大误差，特别 是“有损”测量是考古界不能允许的。是“有损”测量是考古界不能允许的。 52 53 54 综合利用纳米测试技术提出新的古陶综合利用纳米测试技术提出新的古陶 瓷产地溯源研究方法瓷产地溯源研究方法 瓷釉是瓷器胎外的釉层，或晶莹如玉、或色彩缤瓷釉是瓷器胎外的釉层，或晶莹如玉、或色彩缤 纷，使瓷器成为美学欣赏的艺术品，也是区分瓷纷，使瓷器成为美学欣赏的艺术
39、品，也是区分瓷 器产地的重要标志。器产地的重要标志。 瓷釉的千变万化取决于它的化学组成、显微结构、瓷釉的千变万化取决于它的化学组成、显微结构、 釉中元素的价态等。釉中元素的价态等。 目前已利用科技手段对瓷釉的化学组成、熔融温目前已利用科技手段对瓷釉的化学组成、熔融温 度范围、玻璃化程度和显微结构等进行过研究，度范围、玻璃化程度和显微结构等进行过研究， 但全面了解瓷釉还需新增检测手段从其他方面考但全面了解瓷釉还需新增检测手段从其他方面考 察瓷釉特征。察瓷釉特征。 55 例如：古代陶瓷制造业在一定区域内存在技术交流，例如：古代陶瓷制造业在一定区域内存在技术交流， 不同窑口的同类瓷器，釉色、胎质和器
40、型相近，考不同窑口的同类瓷器，釉色、胎质和器型相近，考 古学仅能判断其属同一考古学文化，古学仅能判断其属同一考古学文化， 即使利用此前的科学检验手段，由于配方相近，化即使利用此前的科学检验手段，由于配方相近，化 学组成相似，显微结构又无法成为量化标准，确定学组成相似，显微结构又无法成为量化标准，确定 窑口将十分困难。窑口将十分困难。 弹性模量由材料微观结构决定，同一窑口的古瓷瓷弹性模量由材料微观结构决定，同一窑口的古瓷瓷 釉，不但化学组成相近，弹性模量也应在相近范围釉，不但化学组成相近，弹性模量也应在相近范围 之内，不同窑口的古瓷瓷釉，即使化学组成相近，之内，不同窑口的古瓷瓷釉，即使化学组成相
41、近， 弹性模量范围也会有所不同，弹性模量范围也会有所不同， 故弹性模量可作为定量判断窑口的重要依据之一。故弹性模量可作为定量判断窑口的重要依据之一。 56 瓷釉由于表面光滑和釉层较薄，传统方法很难测得瓷釉由于表面光滑和釉层较薄，传统方法很难测得 其弹性模量，近年随着纳米压痕技术的应用，使测其弹性模量，近年随着纳米压痕技术的应用，使测 量其弹性模量成为可能。量其弹性模量成为可能。 与青铜制品不同，瓷釉作为脆性材料，在较小的张与青铜制品不同，瓷釉作为脆性材料，在较小的张 力下就会断裂，原子间距不可能有大的变化，弹性力下就会断裂，原子间距不可能有大的变化，弹性 模量随时间的变化并不明显，故古瓷瓷釉弹
42、性模量模量随时间的变化并不明显，故古瓷瓷釉弹性模量 可认定为恒定值。可认定为恒定值。 本课题将电子显微镜技术和纳米压痕技术相结合，本课题将电子显微镜技术和纳米压痕技术相结合， 应用于古瓷瓷釉的显微组织和弹性模量的测量，结应用于古瓷瓷釉的显微组织和弹性模量的测量，结 合瓷釉的化学组成、显微结构和考古学信息，合瓷釉的化学组成、显微结构和考古学信息， 提出一种新的确定古瓷产地与年代，以及产地溯源提出一种新的确定古瓷产地与年代，以及产地溯源 的新方法。的新方法。 57 非理想弹性（滞弹性）与内耗非理想弹性（滞弹性）与内耗 1.滞弹性及其影响因素滞弹性及其影响因素 实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数
43、，而且还是时间的函数。实际金属材料，弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。 定义定义 在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性 应变的现象。应变的现象。 影响因素：影响因素： （a）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。）晶体中的点缺陷；显微组织的不均匀性。 （b）切应力越大，影响越大。）切应力越大，影响越大。 （c）温度升高，变形量增加。）温度升高，变形量增加。 危害：长期承载的传感器，影响精度。危害：长期承载的传感器，影响精度。 58 第一章 材料单向静拉伸的力学性能 塑性变形塑性变形 59 1.3 塑性变形与应变硬化塑
44、性变形与应变硬化 定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。定义：外载荷卸去后，不能恢复的变形。 塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不塑性：材料受力，应力超过屈服点后，仍能继续变形而不 发生断裂的性质。“发生断裂的性质。“” 伸长率，“伸长率，“”断面收缩率。断面收缩率。 %100%，常称为超塑性。，常称为超塑性。 意意 义义： 1、是金属材料的重要特征；、是金属材料的重要特征； 2、使材料易被进行加工成型、使材料易被进行加工成型 3、通过变形可以提高材料的强度“加工硬化”、“形变、通过变形可以提高材料的强度“加工硬化”、“形变 强化”强化” 4、由于材料的变形强化，使工件在超载变形情
45、况下免予破、由于材料的变形强化，使工件在超载变形情况下免予破 坏。坏。 60 一、塑性变形的方式及特点一、塑性变形的方式及特点 1、 单晶体单晶体塑性变形的主要方式塑性变形的主要方式 滑移滑移：最主要的变形机制；：最主要的变形机制； 孪生孪生：重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形重要的变形机制，一般发生在低温形变或快速形 变时；变时； 晶界滑动和扩散性蠕变晶界滑动和扩散性蠕变只在高温时才起作用；只在高温时才起作用； 形变带形变带 ：滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。：滑移和孪生都不能进行的情况下才起作用。 61 （1）滑移）滑移 定义定义： 滑移面：原子最密排面；滑移面：原子最密排面
46、； 滑移向：原子最密排方向。滑移向：原子最密排方向。 滑移系：滑移面和滑移向的组合。滑移系：滑移面和滑移向的组合。 滑移系越多，材料的塑性越好。滑移系越多，材料的塑性越好。 晶体结构的影响较大，晶体结构的影响较大， fccbcchcp 滑移的临界分切应力滑移的临界分切应力 =(P/A)coscos 外应力与滑移面法线的夹角；外应力与滑移面法线的夹角； 外应力与滑移向的夹角；外应力与滑移向的夹角； = coscos 称为取向因子。称为取向因子。 62 （2）孪生）孪生 孪晶孪晶：外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的外形对称，好象由两个相同晶体对接起来的 晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。晶体；内部原子排列呈镜面对称于结合面。 定定 义义： 1）以共格界面相联结，晶体学取）以共格界面相联结，晶体学取 向呈镜面对称关系的一对晶体向呈镜面对称关系的一对晶
