合肥工业大学-金属物理性能课件-1.doc

合肥工业大学合肥工业大学- -金属物理性能课件金属物理性能课件-1-1金属物理性能Physical Properties of Materials金属物理性能导论?材料性能研究，是材料开发的出发点，也是重要 归属 ?金属材料一般分为工艺性能和使用性能工艺性 能体现于各种加工条件，贯穿从冶炼到成品的生 产过程中；使用性能则决定了它的使用范围使 用性能包括物理性能、化学性能和力学性能 金属各性能间的区别和联系?物理性能：热学、声学、光学、电学、磁学、辐照性能 ?化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性、抗渗入性 ?力学性能：强度、延性、韧性、刚性 ?复杂性能：简单性能的组合 ??消振性：?汽轮机的叶片等高振动器件---力学特性?琴丝、大钟---力学+声学??反射率：?光学+金属表面的化学稳定性???高温蠕变：力学+热学???应力腐蚀：化学+力学材料性能的复合与转换?长期以来材料研究者所追求的是： ?材料的高强度、高韧性、耐高温、抗腐蚀等主要材料 结构抗力指标 ?在人类进入“信息社会”的今天，人类对太空、海洋和 人体自身的探索日益深入，这一切对材料提出的则是 更高的功能性指标，更加需要性能的复合与转换 物理性能复合产物--功能材料 I?功能元件与控制元件的制备:热电偶、光电管、电阻应 变片、压电晶体。

?一般说来，材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为 特征，而材料的功能性通常为原子内部的电子以至原子 核间的交互作用而表现出来的特性 ?比如，电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差 异，因而有导体、半导体、电介质和超导体之分 物理性能复合产物--功能材料 II?材料的磁性决定于原子中次壳层 电子是否被填满以及它们之间因 “交换作用”产生不同原子取向的 结果，因而有：抗磁体顺磁体和 铁磁体之别 ?材料物理性能是材料发展中受到 特别关注的领域之一 物理性能复合产物--功能材料 III?它的进展凝聚着物理、化学、冶金(金属)、陶瓷、聚合物 等领域科学工作者的成果，在人类科技发展史上已作出了 醒目的记载 ?磁性材料 ?半导体材料 ?光电材料 ?超导材料 磁性材料的分类和应用铁磁性材料：硬磁性材料和软磁性材料 硬磁性材料应用：永磁体、磁盘、磁条等 软磁性材料应用：电磁铁铁芯、录音机磁头线圈的铁芯等钕铁硼永磁体电磁铁在电铃上的应用半导体材料的应用?半导体材料的应用都是非常重要和广泛的 ?移动通讯、计算机、汽车、航空航天、石油提炼、核能利 用等民用高科技领域也有着广阔的应用或应用前景 半导体激光器光电材料的应用 I?红外材料（红外探测和红外透波材料） ，激光材料。

?以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增强坦克、装甲车、飞机、 军舰及步兵的夜战能力，为航空、卫星侦察、预警提供重要手段，成 像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力 ?以新型固体激光材料为基础的激光测距、激光致盲武器和火控制系统 等使作战能力大大加强可调谐激光晶体为从可见光到红外波段可调 谐激光系统提供工作物质可提高激光雷达、空中传感和水下探测等军 用激光系统的领域监视、侦察能力 ?利用光纤材料、宽带、抗电磁和强核电磁脉冲干扰、保密、体积小、 环境适应性强和抗辐照等优点，可实现地面武器系统无人远距离传感 阵；舰船指挥可以通过光纤为远距离舰队发送信号，进行指挥；飞机 将能发射光纤携绳的机载无人加强飞机或靶机等等 光电材料的应用 II超导材料的应用?零电阻 ?与磁场相互作用 ?产生强磁场超导磁体 物理性能对新材料研究的意义?探索材料内部微观结构组态的信息 ?更深层次的认识材料开发新型材料 ?物理性能测试作为材料研究的一种方法： 通过各种状态下所测得的材料参数，取得固体内 部微观结构组态的信息--材料的纯度、状态、相 组成，精确判断相变过程的性质、数量和限度 XRD 进行成分分析18001600M7C31400M23C6Intensity(Counts) 12001000800600400200025 30 35 4045 50 55 60 65 70 75 80 85 90 952 (degree)3DAP(三维原子探针)?对不同元素的原子逐个分析，给出纳米空间中不同元素原 子的分布图形，分析界面处的偏聚。

TEM 观察 DM 钢回火稳定性组织SEM 观察 DM 钢淬回火组织200DM1903Cr2W8V1.2367180H11GPa170弹性模量 1601501401301201002003004005006007000温 度 ℃高温弹性模量马氏体相变内耗PM1 钢 CCT 曲线测定PM1 钢的连续加热转变研究材料物理性能分析特点?有效地进行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； ?灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响； ?所得结果反映材料的整体效应，可以避免局部微观区域观 察或测量可能造成的错觉 合理地选用物理性能参数----取得预期分析结果的前提?在材料研究中，针对所研究的问题有时可以选用不同参 数进行综合分析，并用其他方法的研究结果予以补充和 佐证 ?只有合理地采用不同的研究方法，互相补充，才能有效 地解决材料科学研究中提出的问题 本课程的特点?重视物理基本概念的描述 ?重视介绍表征材料物理性能的主要参数 ?描述这些物性与材料的成分、组织结构、工艺过程的关系 及变化规律 ?以介绍材料物理性能为主线，把性能、材料和主要测试方 法有机地结合起来 本课程的主线性能的基本概念物理本质影响因素性能指标的工程意义指标的测试与评价及应用本课程讲授内容?一、力学性能（8 学时） ?二、电学性能（8 学时） ?三、磁学性能（8 学时） ?四、热学性能（8 学时） 本课程所选教材?材料物理性能，龙毅主编，中南大学出版社，2009 年 6 月 ?二选教材：材料物理性能，陈騑腵，机械工业出版社， 2007 年 6 月 ?材料物理性能，吴其胜主编，华东理工大学出版社，2006 年 10月 ?参考书目：材料物理性能，田莳编著，北京航空航天出版 社，2002 年 2 月 第一章 金属材料的 弹性和滞弹性第一部分 材料的弹性2013-12-9材料单向静拉伸的力学性能?单向静拉伸试验是一种重要力学性能测试手段。

?拉伸试验，揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见 的 3种失效形式（过量弹性变形、塑性变形和断裂）的特 点和规律 1.力-伸长曲线和应力-应变曲线??1.1?力—伸长曲线FNFN应力：PA----胡克定律lFlFN lEAEA其中：E----弹性模量，单位为 Pa;EA----杆的抗拉（压）刚度规定线应变l可得胡克定律l的另一种形式E低碳钢的力-伸长曲线不均匀集中 塑性变形 屈服塑性变形弹性变形 均匀塑阶段性变形几种典型材料的力-伸长曲线?1 为高碳钢 ?2 为低合金结构钢 ?3 为黄铜 ?4 为陶瓷、玻璃类材料 ?5 为橡胶类材料 ?6 为工程塑料 低碳钢应力-应变曲线分析弹性极限的物理意义1.2 弹性变形及其性能指标??2.1??弹性变形的本质材料产生弹性变形的本质，概括来说，都是 构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置 产生可逆位置的反映金属、陶瓷类晶体材料的弹性变形-处于晶格结点 的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微 小位移 双原子模型??离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形根据此模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的 关系是抛物线的关系 ?合力曲线最大值 Fmax 是材料在弹性状态下的理论断裂抗力。

?实际断裂抗力远远小于理论断裂抗力 1.3 弹性模量?在弹性范围内，物体受力的作用发生形变，应力与应变之 间呈线性关系，即服从虎克定律： （1）弹性模量 E：在单向受力状态下 E=σ/ε,它反映材料抵抗应变的能力2）切变模量 G：在纯剪受力状态下 G=г/γ,它反映材料抵抗切应变的能力3）体积模量 K： 表示材料在三向压缩（流体静压力）下，压强与体积变化 率间的关系在工程中，弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力，即材 料的刚度，其值越大，则在相同应力下产生的弹性变形就 越小 高弹性碳素羽毛球拍弹性模量的测量方法?工业上多是利用物理方法测定，如悬挂法、弯曲共振频率 测量法、压电石英复合振子法及超声脉冲法等 ?详见田莳主编的《材料物理性能》 比弹性模数?定义：指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值 ?在金属材料中，大多数金属的比弹性模数相差不大 ?陶瓷的比弹性模数一般都比金属材料的大 *1.4 影响弹性模数的因素?材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的 主要标志 主要因素键合方式晶体结构化学成分微观结构温度加载方式和速度① 键合方式和原子结构??共价键、离子键和金属键都有较高的弹性模数。

金属弹性模数的周期变化?变化的实质与元素的原 子结构和原子半径有密 切关系 ?原子半径越大，E 值越 小，反之亦然 ?过渡族元素都有较高的 弹性模数，这是由于原 子半径较小，且 d 层电子 引起较大的原子间结合 力所致 金属弹性模量与周期表的关系常温下弹性模量是元素序数的周期函数:第三周期: Na, Mg, Al, Si E 随着原子序数一起增大，价电子增加，原子半径减小有关同一簇： Be, Mg, Ga, Se, Ba 随原子序数的增加，E 减小，原子半径增大 对于过渡族② 晶体结构?单晶体材料的弹性模量在不同晶体学方向上呈各向异性， 沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大，反之则小 ?多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值，表现为各 向同性（伪各向同性） ?非晶态材料弹性模量为各向同性 举例：铜板材的弹性各向异性??铜的冷轧织构为（110）?[112]或（112）[111]，因 [112]方向与[111]之间夹角 很小，故经冷轧的铜板沿 扎向和横向弹性模量最高 ，与轧向成 45°的方向弹性 模量最低再结晶退火织构是（100?）[001]，故沿轧向和横向 弹性模量最低③ 化学成分 ?材料化学成分的变化将引起原子间距和键合方式的变化， 因此也影响材料的弹性模量。

?合金的弹性模数随组成元素的质量分数、晶体结构和组织 状态变化而变化 ?固溶体合金弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结 构 溶质含量对弹性模量的影响两相合金中， 弹性模数变化复杂， 与合金成分，第二相 性质、数量、尺寸及 分布有关④ 微观结构?金属材料，在合金成分不变的情况下，显微组织对弹性模 数的影响较小，晶粒大小对弹性模数无影响 ?冷加工可以降低金属及合金的弹性模数（5%以下） ，只有 形成强的织构才有明显的影响，并出现弹性各项异性 ?作为金属材料刚度代表的弹性模数，是一个组织不敏感的 力学性能指标 ⑤ 温度?随着温度的变化，?材料发生固态相变 时，弹性模数将发 生显著变化不同磁场条件?下镍的弹性模 数随温度变化 关系⑥ 加载条件和负荷持续时间?加载方式、加载速率和负荷持续时间对金属、陶 瓷类材料的弹性模量几乎没有影响 1.5 弹性比功?定义：弹性比功是材料在弹性变形过程中吸收变 形功的能力 ?一般用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收 的弹性变形功表示 弹性比功的表示方法εe 为与弹性极限对应的弹性应变?弹性极限：在应力-应变曲线 中，试件卸载后能恢复原状 的最大应力 低碳钢拉伸弹性极限及弹性比功 ? 几何意义：应力-应变曲线上弹性阶段下的面积。

提高材料弹性比功的途径已知：ω=σe2/2E?（1）提高材料弹性极限 σe?（2）降低材料弹性模数??例如：弹簧材料需要有较高的弹性比功第二部分 材料的滞弹性与内耗2013-12-9屈服极限弹性极限 弹性性能（E、G、K）= σe 、σs材料形变内部微观“非弹性”过程胡克定律适用范围滞弹性的研究背景?相对于弹性现象而 言，如果受载物体上 的应力与应变同步， 两者据有单值函数关 系且服从胡克定律， 这样的物体称为理想 线弹性体 ?实际固体材料的应变 产生与消除需要有限 时。