Transcript 前言材料性能学 - 材料科学与工程学院

材料性能学
隋丽娜
一材料性能研究的意义
材料的四要素：成分、工艺、结构和性能
 材料性能研究的意义：应用
 材料应用的基本要求：
 1.使用性能
 2.经济型能

二材料性能的概念及划分
材料性能的含义：
1.表征材料在给定外界物理场刺激下产生的响应行为
或表现。
 材料性能划分
 物理性能：（1）热学性能、（2）声学性能、（3）光
学性能、（4）电学性能、（5）磁学性能、（6）辐照
性能
 力学性能：（1）强度 耐压 抗折 （2）韧性 （3）刚性



化学性能：（1）抗氧化性能 （2）耐腐蚀性能 （3）
抗渣、抗碱性能 复杂性能（1）复合性能：高温抗折
强度、高温蠕变强度等 （2）工艺性能：可塑性、流
动性等 （3）使用性能：耐磨性等

2.表征材料响应行为发生程度的参数，常
称为性能指标。
 如弹性模量，弹性极限，电阻率，介电
常数，介电强度，热容，热导率，热膨
胀系数等等
三材料性能的宏观表征
材料性能的表征：是建立在对行为描述
的基础上的。
 行为可以定义为一个状态（始态）到另
一个状态（始态）的过程。

材料行为描述及性能表征类型的一些例子
行
为
行为亚类
行为描述
实验关系
变
形
性能表征
理论描述 中间值
终态值
联系值
弹性变形
应力-应变（弹 胡克定律
性段）
弹性极限 杨氏模量
塑性变形
应力-应变（屈 Hollomon 屈服强度 抗拉强度 硬化指数
服至最高点） 方程
蠕变变形
变形-时间（蠕
变曲线）
蠕变速率
表面变形
压力-压痕深度
或面积
硬度
材料行为描述及性能表征类型的一些例子
行
为
行为亚类
行为描述
实验关系
断
裂
性能表征
理论描述 中间值
终态值
联系值
静态断裂
应力-裂纹长度 格里菲斯
方程
断裂强度 断裂韧度
冲击断裂
高速应力-应变
（曲线）
冲击韧度
多冲断裂
冲击功-冲击寿
命
蠕变断裂
应力-时间
持久强度
疲劳断裂
应力-寿命（疲
劳曲线）
疲劳强度
多冲抗力
材料行为描述及性能表征类型的一些例子
行
为
行为亚类
行为描述
实验关系
热
磁
性能表征
理论描述 中间值
终态值
联系值
吸热升温
热量-温度
比热容
热膨胀
长度-温度
膨胀系数
热传导
热量（变化）- 傅里叶定
温度梯度
律
热导率
磁化
磁化（磁感应）
强度-磁场强度
(磁化曲线，磁
致回线）
剩磁、矫
顽力
饱和磁化 磁导率、
强度
磁化率、
磁能积
材料行为描述及性能表征类型的一些例子
行
为
电
行为亚
类
行为描述
性能表征
实验关系
理论描述 中间值
导电
电压-电流
安培定律
介电
电位移-电场强度
介电常数
热电
热电势-温度
热电系数
压电
电位移-压力
热释电
电位移-温度
压电方程
终态值
联系值
电阻率
压电常数
热释电常
数
材料行为描述及性能表征类型的一些例子
行
为
行为亚
类
行为描述
实验关系
光
性能表征
理论描述 中间值
终态值
联系值
折射
入射角-折射角
折射率
色散
折射率-入射光波
长
色散系数
反射
入射波能量-反射 反射定律
波能量
反射系数
吸收
光强-入射深度
吸收系数
散射
光强-入射深度
朗伯定律
散射系数
四材料性能的微观本质
宏观行为（性能）
弹性变形
塑性变形
微观本质
键合在不破坏条件下的伸缩或旋转（可逆）
粘弹性变形
蠕变
断裂
晶体的滑移、孪生、扭折；非晶体的黏性流
动（不可逆）
高分子链段的伸展+黏性流动
晶体滑移，晶界滑移，原子扩散
裂纹萌生+裂纹扩展
磨损
吸热（热容）
热膨胀
表面局部塑性变形+断裂
晶格热振动加剧
晶格热振动加剧导致晶格平衡间距加大
热传导
晶格热振动传播+自由电子传热
磁化（磁性）
磁距转向
宏观行为（性能）
微观本质
导电性(包括热电性） 载流子定向流动
介电性（包括压电，
铁电，热释电性）
光的折射
光的吸收
光的散射
电极化（电荷中心短程分离）；电偶极
矩转向
极化导致光速减慢
光子能量被电子吸收，导致光子湮灭
光子与固体中的粒子碰撞，改变方向
固体发光
非线性光学效应
电子由高能级向低能级跃迁，发射光子
在强光作用下产生非线性极化
五材料性能的影响因素

1.外部因素：温度，介质气氛，载荷形式，
试样尺寸和形状等。
 2.内部因素：可称为结构影响因素
 材料的结构：
 第一是原子结构
 第二是凝聚态结构
 第三是组织结构
下表是某些力学性能与结构之间
的关系
结构 Å级
尺度
Å~nm级
nm~μm~mm级
层次 原子结构
性能
化学键
（电子结
构）
凝聚态结构
组织结构
晶体（非 位错
晶体结构）
溶质原
子
界面
第二
相
缺陷，裂
纹
弹性 主控因素
模量 定量
不敏感
定量
不敏感
定性
不敏感
定性
不敏感 敏感
定性
定量
不敏感定
性
屈服 敏感定性
强度
敏感
定性
主控因素 敏感
半定量
半定量
敏感
定量
敏感
半定
量
不敏感
伸长 敏感
率
定性
主控因素 敏感
敏感
定性
定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
断裂 敏感
韧度 定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
主控因素
定量
疲劳 敏感
寿命 定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
敏感
定性
主控因素
定量
六材料性能的测试
七结语

材料性能的四要素：材料性能的宏观表征，
微观本质，影响因素，测试方法
表 先修基础知识与本课程的联系
先修课程
基础知识点
相关本课程内容
材料力学
应力，应变概念
各种静载力学性能测试
方法及性能指标
拉、压、弯、扭、剪、的应力分布
材料科学
基础
普通物理
金属、陶瓷、聚合物的结构（化学键、 结构对各种性能的影响
晶体结构、非晶体结构、组织结构等）
塑性变形
塑性变形机制
位错理论
屈服强度、材料强化
晶格热振动
电工学（电流、电压、电容、电感基
本概念及安培定律）
电学性能
光的基本性质（衍射、折射、反射、
干涉、散射等）
光学性能
气体分子运动论
热容经典理论、经典导
电理论等
振动与波基本概念
应力波、光波等
电磁学基本概念
磁性
先修课程
基础知识点
相关本课程内容
固体物理
固体电子理论
导电性
电介质理论基本概念
介电性
热力学（熵、焓、内能、自由能等基
本概念和理论）
某些过程的能量分析
电化学基本概念
耐腐蚀性
物理化学
本课程学习内容：
材料的各种物理性能，包括:力学、光学、热学、声
学、电学和磁学等性能。
 学习要求：
1. 掌握各种物理性能参数的物理意义和单位。
2. 搞懂材料组成、结构与性能的关系。
学习目的：
为研究和探索新材料、新性能、新工艺打下
基础。
 研究方法：
1. 经验方法，在大量实验数据的基础上，经过对数
据的分析处理，整理出经验方程来表示它们的函数关
系；
2. 从机理入手，即从反映材料本质的基本关系出发，
按照性能的有关规律，建立物理模型，用数学方法求
解，得到有关理论方程式。
 说 明：
本课程对很多公式（方程）和结论的推导过程
不着重讲解，着重点放在讲述各种参数的来源、
物理意义和作用。
 参考文献：
1. 无机材料物理性能，关振铎等著，清华大学
出版社，2004.11
2. 材料物理性能，陈树川等著，上海交通大学
出版社
3. 陶瓷材料物理性能，华南工学院、南京化工
学院、清华大学合著
4. Introduction to Ceramics, W.D.Kingery