材料科学概述（六）

1、高分子材料学,1)特征性能,（是属于材料本身所固有的性质）,力学性能， 电学性能， 磁学性能 热学性能， 光学性能， 化学性能,2)功能物性,（效应物性）,指在一定条件下和一定限度内对材料施加某种作用时，通过材料将这种作用转换为另一形式功能的性质。 如：热电转换性能，光热转换性能，光电转换性能，力电转换性能，磁光转换性能，电光转换性能，声光转换性能等。,（四） 材料的性能,1 强度与塑性 2 硬度 3 韧性 4 老化性能 5 耐磨性 6 疲劳特性,材料在力的作用下所表现出来的特性即为材料的力学性能。,主要指标,材料的力学性能,强度与塑性,1）强度,在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。,屈服强度,抗拉强度,由扭转实验、弯曲实验、压缩实验等相应条件下的强度指标叫扭转强度、抗弯强度、抗压强度等。,试样在被拉断前的最大承载应力为抗拉强度。,其他强度,材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。 塑性指标有延伸率和断面收缩率两种。,2）塑性,硬度,是衡量材料软硬程度的指标，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。,工程上常用布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬

2、度HV、肖氏硬度HS和赵氏、邵氏硬度（邵A）等。,韧性,指材料抵抗裂纹萌生与发展的能力。,NOTES,韧性与脆性是两个意义上完全相反的概念。韧性好，脆性就差。反之亦然。,度量指标,冲击韧性,用材料受冲击而破坏的过程所吸收的冲击功来表征,断裂韧性,用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值Kic来表征,老化性能,在外界作用下，材料发生性质及性能变化（不利于使用）的现象称为老化。 老化多与化学因素有关，如硅酸盐材料的风化、金属材料的氧化、木材的粉化、高分子材料的降解或交联等。,一个零件相对另一个零件摩擦的结果，引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、重量损失及其他性能下降的这种现象称为磨损。 磨损的种类： 包括氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、卷曲磨损、冲击磨损、表面疲劳磨损等，材料磨损多是数种磨损共同作用的结果。,耐磨性,磨损,高分子材料表面的磨耗性能可以在一定程度上衡量其使用寿命的长短。,材料对磨损的抵抗能力为材料的耐磨性。可用磨损量来表示，一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度或试样体积或重量的减少来表征。 通常地，降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。,耐磨

3、性,疲劳特性,在交变应力下，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，经一定的循环周次后材料仍会断裂，这种现象即为材料的疲劳。当应力低于某值时，在无限多的循环周次下，材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限；材料在交变应力作用下所能使用的时间或材料承受交变应力的周期数称为疲劳寿命。,疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中,金属材料的失效形式之一就是疲劳。疲劳断裂往往没有任何先兆，因而由此造成的后果往往是灾难性的。 高分子材料的塑性一般很好，但在长期使用过程中首先发生的是材料的老化失效，因而疲劳破坏不占主导地位。 陶瓷材料的塑性很低，其疲劳现象不如金属材料的明显，而且疲劳机理也不同于金属。,电导率的大小直接取决于三个因素：单位体积中的载流子数目；每个载流子的电荷量；每个载流子的迁移率。,材料的电学性能,1. 导电或产生电流的根本原因,材料中载流子的存在和迁移,2. 能产生电流的载流子有,电子、空穴、正离子、负离子,3.评价材料导电能力的指标,电导率和电阻率,4. 材料按其导电能力可分为,超导体：电阻率为0或趋近于0；导体：电阻率10-810-5.m 半导体：电阻率10-5107.m； 绝缘

4、体：电阻率1071020.m。,材料的磁学性能,1. 物质与磁性,磁性是任何一种物质都具有的属性。任何物质在磁场下都会表现出一定的磁性。有些物质使原磁场增加，有些使原磁场减弱。,按其对磁场的影响，可将物质分为三类：,抗磁性物质：使磁场减弱； 顺磁性物质：使磁场略有增加； 铁磁性及亚铁磁性物质：使磁场强烈增加。,2.磁性的度量,材料的热学性能（热变形性能，热稳定性）,固体加热时有三个重要的效应，即吸热、传热、膨胀。,热容：1mol固体温度升高1K时所吸收的热量。 热导率：单位时间内在1K温差的13正方体的一个面向其所对的另一个面流过的热量。 热膨胀系数：单位长度物体的长度随温度的变化率。,度量的指标,（五）材料工艺与材料结构及性能的关系,1. 材料工艺，包括材料合成及加工工艺，直接影响材料的组织结构，因而对材料的性能有显著影响。,2. 材料的原始组织结构及性能又常常决定着采用何种方法将材料加工成所需要的形状。,实例1：热固性树脂与热塑性树脂因组织结构及性能不同，选用的成型加工方法有很大差别。 实例2：含有大缩孔的铸件不宜采用合金钢的成型加工方法等。,材料工艺、材料结构及材料性能、功能之间

5、具有相互依赖、相互制约的密切关系，了解并能动的利用这种关系是材料科学的关键问题之一。,实例1：用高压法合成的聚乙烯和用低压法合成的聚乙烯，在结构上有很大的差别，因而性能也显著不同。 实例2：用铸造法制造的铜棒与用轧制成型的铜棒，其组织结构不大相同，晶粒的形状、尺寸和取向都不相同：铸造法制得的铜棒含有由于收缩或因气泡生成而形成空洞，组织内部可能夹带金属质点，轧制法制备的铜棒可能含有被拉长的非金属夹杂物和内部排列的缺陷，正是由于组织结构的不同，所以性能也不同。,（六）金属材料的强化机制,金属材料的强化主要是提高屈服强度（指使材料开始塑性流动的应力）。金属材料的塑性流动主要是通过位错运动实现的，因此金属材料的强化途径主要有两条。 a尽可能地减少位错，使其接近于完整晶体。例如细心培育的晶须接近完整晶体，有着很高的强度。 b在金属中有大量位错时，尽可能设法阻止位错运动以及抑制位错源的活动即抑制位错的增殖，具体有： 1. 冷变形强化（应变强化） 2. 细晶强化 3. 固溶强化 4. 多相强化 5. 分散强化 6. 马氏体强化,1. 冷变形强化,机制： 通过冷变形等方式提高位错密度，利用位错间的交互

6、作用使位错运动受阻，来使强度提高。 位错运动与材料力学性能之间的关系： 只要能阻碍位错滑移，就能提高金属材料的强度，同时降低了金属的塑性。,2. 细晶强化,机制： 塑性变形时粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位错源启动，使变形继续；相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少，要使变形继续，须施加更大的外部作用力，从而体现了细晶对材料强化的作用。 细晶强化大多是通过控制凝固过程实现的。 在凝固过程中加入孕育剂或晶粒细化剂，选取合适的凝固时间和温度，可获得适宜的成核和晶粒生长速率，从而可控制晶粒尺寸，形成较小的晶粒，实现细晶强化。,3. 固溶强化,机制： 固溶强化的实质是在金属材料中引入点缺陷，特别是加入置换原子和间隙原子，扰乱原子在点阵中的排列，使位错的运动即滑移受到干扰，从而实现强化的目的。 固溶强化一般也是通过凝固过程实现的，即通过凝固形成固溶体。溶质原子即起点缺陷的作用。 固溶强化可使材料的强度显著提高，这种强度的增加可保持到高温，材料获得良好的抗蠕变能力。,可按第二相粒子的尺寸将合金类的金属材料分成两类：第二相粒子尺寸与基体晶粒尺寸在同一数量级时，称

7、为聚合型；若第二相粒子非常小，分散在连续的基体之中，则称为分散型。这里的多相强化即指聚合型的情况。 工业上常用的合金，第二相多是较硬、脆的金属化合物。合金的力学性能主要取决于第二相的形状、大小及分布情况。例如，若第二相为片状或层状分布，如钢中珠光体内的渗碳体，则变形首先在基体(铁素体)中发生，但很快受到硬、脆相(渗碳体)的阻碍，即位错运动被限制在硬脆相层片之间的很短距离内，使钢的强度提高。珠光体越细，层片间距越小，强度越高。如果渗碳体为球状，则其对铁素体变形的阻碍作用大大降低，强度下降，塑性提高。,4. 多相强化,对多相结构的合金，当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，会产生显著的强化作用。通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出细小弥散的第二相粒子，使强度提高，这种强化称为沉淀强化或时效强化。若第二相微粒是借粉末冶金方法加人而起强化作用，则称为弥散强化。 为达到明显的分散强化效应，基体应当是较软、有延展性的，而分散相应是硬、脆的。硬而脆的第二相应当是不连续的，否则裂纹就会穿过整个组织而扩散，而在第二相为分散、不连续的情况下，则在第二相上的裂纹会在相界面上受阻。第二相应当是细小且

8、数量极多的颗粒，颗粒越小，数量越多，阻碍滑移的可能性就越大，因而强化效应就越大。此外，第二相颗粒应当是球形的，不应呈针状或带有尖锐的棱角，因为球形颗粒产生裂纹的可能性最小，不容易起缺口的作用。,5. 分散强化,马氏体是无扩散固态转变所形成的非稳态相，是由奥氏体淬火而成的。钢中的马氏体十分硬脆。马氏体强化是钢铁材料强化的重要途径。它是下面三种强化的综合结果。,(3)结构强化 低碳马氏体含有大量的位错。高碳马氏体中，亚微结构主要由孪晶组成，它使马氏体的有效晶粒度显著减小，这两种情况所导致的强化作用就称为结构强化。,(2)时效强化 马氏体中过饱和的碳原子具有向晶体缺陷和内表面偏聚以及从马氏体中沉析出碳化物的强烈倾向。在淬火过程中碳原子会偏聚于位错、孪晶界或沉淀析出，这种现象称为自回火或淬火时效，它导致位错运动受阻而产生强化作用。,(1)固溶强化 钢中马氏体是碳原子过饱和的-Fe固溶体。马氏体中的碳原子位于体心点阵八面体间隙中，使点阵产生强烈畸变，造成很大的应力场，阻碍位错运动，从而产生显著的强化作用。,6. 马氏体强化,高聚物的强化方法： （1）引入极性基 链上极性部分越多，极性越强，键间作用力越大； （2）链段交联 随着交联程度的增加，交联键的平均距离缩短，使材料的强度增加； （3）结晶度和取向 高聚物在高压下结晶或高度拉伸结晶性高聚物，可使材料的强度增加； （4）定向聚合。,（七）高聚物的强化原理,补充阅读材料,1. 人力飞机的秘密 一天，在多巴海峡上空由戈斯曼.艾伯特罗斯驾驶一架人力飞机飞越过多巴海峡。这是一项辉煌的记录，很快引起了世界的轰动。其秘密在于该飞机是由高强度合成纤维和碳纤维制造的总重量只有25千克的高分子材料飞机。制造飞机的合成纤维是芳香聚酰胺纤维，是一种高性能增强有机纤维，这种纤维的编织物是火箭壳体、航天飞机贮能罐和其他高压容器的理想材料。而特种电缆、高性能运动器具、高强度降落伞、防弹背心、头盔和航天加压服装等都是用这种高性能高分子材料制成的。,2. 旅游业中的新亮点风筝冲浪 放飞采用高强度碳纤维制作的风筝，可以在20分钟内载人横越20mile的水面，使人获得冲浪、飞行和高空的多重体验和刺激。,

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