材料物理性讲义能-力热性能@受压课程7
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材料物理性能基础知识点课件.doc
<<材料物理性能>>基础知识点一，基本概念：1. 摩尔热容: 使１摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K 所需要的热量称为摩尔热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
2. 比热容：质量为1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高1K 所需要的热量称为比热容。
它反映材料从周围环境吸收热量的能力。
3. 比容：单位质量（即1kg 物质）的体积，即密度的倒数（m3/kg）。
4. 格波：由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用，因此晶格中一个质点的微振动会引起临近质点随之振动。
因相邻质点间的振动存在着一定的位相差，故晶格振动会在晶体中以弹性波的形式传播，而形成“格波”。
5. 声子（Phonon）: 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子，就是晶格振动中的简谐振子的能量量子。
6. 德拜特征温度: 德拜模型认为:晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有0～ωmax 分布,其中,最大频率所对应的温度即为德拜温度θD,即θD=?ωmax/k。
7. 示差热分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在测定热分析曲线（即加热温度T与加热时间t 的关系曲线）的同时，利用示差热电偶测定加热（或冷却）过程中待测试样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线ΔT~T（t），从而对材料组织结构进行分析的一种技术。
8. 示差扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC ）: 用示差方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。
9. 热稳定性（抗热振性）：材料承受温度的急剧变化（热冲击）而不致破坏的能力。
10. 塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。
11. 玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量Q 的现象。
材料物理性能(课件)
· 热重法(Thermogravimetry)： 测量质量与温度的关系 。 · 用途： 测量有机物分解温度 ， 研究高聚物的热稳定性
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
5
（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
TIM
Ni(OH)2
19
（二）热容
■ 热分析方法 · 差热分析(Differential thermal analysis, DTA)： 测量试样与参比物之 间温差与时间或温度的关系 。分析所采用的参比物应是热惰性物质 ， 即在 整个测试温度范围内不发生分解、相变和破坏 ，也不与被测物质发生化学 反应 。参比物的热容、热传导系数等应尽量与试样接近。
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（一 ）热学性能的物理基础
■ 晶格热振动
· 晶格热振动： 晶体点阵中质点围绕平衡位置的微小振动 。材料 热学性能的物理本质均与其晶格热振动相关。 · 晶格振动是三维的 ， 当振动很微弱时 ， 可认为原子作简谐振动。 振动频率随弹性模量Em增大而提高。
x=ACOS(ot+p)
· 温度升高时质点动能增大 ， 1/2 mv2= 1/2 kT, ∑ (动能)i ＝热能 · 质点热振动相互影响 ，相邻质点间的振动存在一定的相位差， 晶格振动以波（格波） 的形式在整个材料内传播 。格波在固体中的 传播速度： v = 3 * 103m/s, 晶格常数a为10-10 m数量级 ，格波最高频 率：v / 2a = 1.5 * 1013 Hz · 频率极低的格波： 声频支振动； 频率极高的格波： 光频支振动
■ 亚稳态组织转变为稳定态要释放 热量 ，热容 －温度曲线向下拐折。
H
TC
T
二级相变焓和热容随温度的变化
17
（二）热容
■ 热容的测量
· 量热计法 。低温及中温区： 电加热法 · 高温区：撒克司法
P：搅拌器 ，C： 量热器筒 18
材料物理性能讲义
Ω Ω* = (2π)3
Rl • Kn = 2π(n1l1 + n2l2 + n3l3) = 2πm, m 为整数。
(2.5)
图 2.3 二维六角点阵的魏格纳-赛茨元胞(Wigner-Seitz 原胞)。
4
由于元胞是组成点阵的最小重复单元，根据点阵中每个格点附近环境的自相 似性即平移对称性我们可以推断， 只要在一个元胞内研究材料的物理特性就代表 研究了整个点阵结构的物理特性，为此我们定义一特殊的高对称元胞，它包含了 晶 格 点阵 点群 的 全部对 称 性。 这一 特 殊的高 对 称性 元胞 称 为魏格 纳 - 赛 茨
2π ( a 2 × a3 ) Ω 2π b2 = (a3 × a1 ) Ω 2π b3 = (a1 × a2 ) Ω b1 =
(2.3)
其中Ω = a1 • (a2 × a3)是正点阵元胞的体积。 在倒点阵中任一格点的位置矢可表示 为： Kn = n1b1 + n2b2 + n3b3
(2.4)
其中 n1, n2, n3 是整数，倒点阵元胞的体积为Ω* = b1 • (b2 × b3)，且存在以下关系
图 2.4 从分立的原子轨道到固体能带结构的转变。
要理解固体的能带结构首先要从原子的电子轨道讲起，因为固体的能带归根 结底起源于原子的轨道能级。 根据量子力学，原子中带负电的电子绕带正电的原 子核运动，其轨道能量是不连续、分立的，如图 2.4 所示。在一定条件下如原子 间存在相互影响，同一原子中几个能量相近的不同类型的电子轨道(即波函数)， 可以进行线性组合， 重新分配能量和确定空间方向， 组成数目相等的新电子轨道，
《材料物理化学性能》 物理性能部分
邓振炎 上海大学物理系 (电话：66134334，邮箱：zydeng@)
材料性能力学热学性能课件
• 材料性能概述 • 力学性能 • 热学性能 • 物理性能
CHAPTER
定义与分类
材料性能是指材料在某种特定条件下的表现，包括力学、热学、光学、电学、磁学 等方面的性能。
材料性能的分类可以根据不同的标准进行划分，如按材料的组成成分、结构特点、 制备工艺等。
不同种类的材料具有不同的性能特点，因此需要根据实际应用场景选择合适的材料。
1. 高分子材料的结晶度、分子量及其分布对物理和化学 性能的影响规律；
详细描述 2. 高分子材料的热稳定性、耐候性及化学稳定性；
3. 高分子材料的可塑性、弹性及耐磨性等物理性能；
4. 高分子材料的制备工艺、改性及复合强化等措施对 性能的影响。
案例三：纳米材料的物理与化学性能研究
• 总结词：纳米材料具有尺寸效应和量子效应等特点，在光电、 催化、生物医药等领域具有广泛的应用前景，研究其物理和化 学性能对于开发新产品、提高应用效果具有重要意义。
结果评估
根据试验数据和分析结果， 对材料的性能进行综合评 估，提出改进意见和建议。
CHAPTER
案例一：新型合金材料的力学与热学性能研究
总结词：合金材料在航空航天、汽车等领域应用广泛，研 究其力学和热学性能对于提高产品质量、降低成本具有重 要意义。
2. 合金材料的强化机制和优化方法；
详细描述
3. 合金材料在高温、低温等极端条件下的性能表现及稳 定性；
透射系数
描述材料对光透射能力的参数， 与玻璃等材料的透光性相关。
吸收系数
描述材料对光吸收能力的参数， 与光的穿透深度有关。
折射系数
描述光在材料中传播方向改变 程度的参数，与光的偏振现象
相关。
CHAPTER
实验室测试
CHAPTER
定义与分类
材料性能是指材料在某种特定条件下的表现，包括力学、热学、光学、电学、磁学 等方面的性能。
材料性能的分类可以根据不同的标准进行划分，如按材料的组成成分、结构特点、 制备工艺等。
不同种类的材料具有不同的性能特点，因此需要根据实际应用场景选择合适的材料。
1. 高分子材料的结晶度、分子量及其分布对物理和化学 性能的影响规律；
详细描述 2. 高分子材料的热稳定性、耐候性及化学稳定性；
3. 高分子材料的可塑性、弹性及耐磨性等物理性能；
4. 高分子材料的制备工艺、改性及复合强化等措施对 性能的影响。
案例三：纳米材料的物理与化学性能研究
• 总结词：纳米材料具有尺寸效应和量子效应等特点，在光电、 催化、生物医药等领域具有广泛的应用前景，研究其物理和化 学性能对于开发新产品、提高应用效果具有重要意义。
结果评估
根据试验数据和分析结果， 对材料的性能进行综合评 估，提出改进意见和建议。
CHAPTER
案例一：新型合金材料的力学与热学性能研究
总结词：合金材料在航空航天、汽车等领域应用广泛，研 究其力学和热学性能对于提高产品质量、降低成本具有重 要意义。
2. 合金材料的强化机制和优化方法；
详细描述
3. 合金材料在高温、低温等极端条件下的性能表现及稳 定性；
透射系数
描述材料对光透射能力的参数， 与玻璃等材料的透光性相关。
吸收系数
描述材料对光吸收能力的参数， 与光的穿透深度有关。
折射系数
描述光在材料中传播方向改变 程度的参数，与光的偏振现象
相关。
CHAPTER
实验室测试
《材料物理性能》PPT课件
●化学性能
材料在一定环境条件下抵抗各种介质化学作用的能力。如耐腐蚀性
能、抗氧化性能等。
★工艺性能
材料在不同制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力，是物理、
化学性能的综合。如铸造性能、塑性加工性能、焊接性能、切削加工
性能等。直接影响材料使用的方式完、整版成课本件p、pt生产效率等。
3
2.为什么要学习和研究材料的性能
只有这样才能在合理选用材料、提高材料性能和开发新材料过程中 具有必须的基本知识、基本技能和明确的思路。
完整版课件ppt
4
3.本课程的学习目的、内容
工程材料按照其用途可分为：结构材料和功能材料
●在以机械工业为主导的时代：主要使用结构材料，主要追求材料高强 度、高韧性、耐高温等，即材料力学性能。
●当今人类进入了信息时代：功能材料越来越重要，发展迅速。如信 息技术、电子计算机、机器人领域，太空、海洋等领域要求材料具有很 高的功能性。材料物理性能是功能材料的基础，如音像技术与材料的磁 学性能有关、超导材料与材料的电性能相关、隔热材料与材料的热学性 能相关、光导纤维与材料的光学性能有关等。
子结构、电子层、晶格运动等内部因素认识材料物理性能的本质和机理。
●影响因素、与化学成分及组织结构之间的关系：
如为什么合金热导率较纯金属低？为什么陶瓷材料较金属材料热膨胀系
数小？石墨与金刚石哪个热膨胀系数大？为什么？等等。
●物理性能指标的工程意义：
物理性能指标在实际工程上有何应用。
●了解物理性能指标的测试方法和原理，相关仪器，试样准备。
材料物理性能
机械工业出版社，陈騑騢
TB303/C417
金属材料物理性能
冶金工业出版社 王润
75.211 W35
材料的性能教学课件
生产中，为了提高安全性，都要求零件具有一定的塑性。一般， A达5％或Z达10％的材料，即可满足大多数零件的使用要 求。
பைடு நூலகம்
（四）硬度
材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。 一般，硬度↑强度↑耐磨性↑塑性↓
1、布氏硬度HBW
压头 符号
淬火钢球 HBS
硬质合金球 HBW
范围 应用
HB≤450 退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料
多次冲击弯曲实验示意图
指标为冲击韧度值ak(冲击实验测得，即为冲断单位面积所消耗的功)。 ak
Ak S
2、断裂韧度 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力
Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
（六）疲劳
材料在低于ReL的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限R-1 。
弹性模量大小主要取决于材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加 工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状 来提高零件的刚度。
（二）强度
强度：材料在外力作用下抵抗变形和破 坏的能力。
弹性极限Re ：试样保持纯弹性变形的 最大应力值。
屈服强度ReL：材料发生塑性变形时的最小 应力值。
钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 ➢ 疲劳寿命 ——材料发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过
的时间称为该材料的疲劳寿命。（80%的断裂由疲劳造成）
疲劳应力示意图
疲劳曲线示意图
主要性能指标的应用
弹性指标：设计弹性零件时，需考虑弹性极限Re ，如各类
弹簧和弹性元件等。
பைடு நூலகம்
（四）硬度
材料抵抗表面局部塑性变形的能力。是表征材料力学性能的综合参数。 一般，硬度↑强度↑耐磨性↑塑性↓
1、布氏硬度HBW
压头 符号
淬火钢球 HBS
硬质合金球 HBW
范围 应用
HB≤450 退火和正火钢、铸铁、有色金属等软材料
多次冲击弯曲实验示意图
指标为冲击韧度值ak(冲击实验测得，即为冲断单位面积所消耗的功)。 ak
Ak S
2、断裂韧度 材料抵抗内部裂纹失稳扩展的能力
Titanic 号钢板和近代船用钢板的冲击试验结果
Titanic
近代船用钢板
（六）疲劳
材料在低于ReL的重复交变应力作用下发生断裂的现象。 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限R-1 。
弹性模量大小主要取决于材料的本性，强化材料的手段如热处理、冷热加 工、合金化等对弹性模量影响很小。可通过增加横截面积或改变截面形状 来提高零件的刚度。
（二）强度
强度：材料在外力作用下抵抗变形和破 坏的能力。
弹性极限Re ：试样保持纯弹性变形的 最大应力值。
屈服强度ReL：材料发生塑性变形时的最小 应力值。
钢铁材料规定次数为107，有色金属合金为108。 ➢ 疲劳寿命 ——材料发生疲劳破坏时的应力循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过
的时间称为该材料的疲劳寿命。（80%的断裂由疲劳造成）
疲劳应力示意图
疲劳曲线示意图
主要性能指标的应用
弹性指标：设计弹性零件时，需考虑弹性极限Re ，如各类
弹簧和弹性元件等。
材料物理性能与力学性能PPT课件
3. 弹性模量的影响因素
弹性模量是构成材料的离子或分子之间键合强度的主 要标志，凡是影响键合强度的因素均能影响弹性模量。 如：键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温 度、加载方式和速度等。
第22页/共119页
1）键合方式和原子结构 共价键、离子键、金属键----较高 分子键----较弱 原子半径越大，E越小
5）温度----温度升高，E降低 特例：橡胶。其弹性模量随温度升高而增加。
第25页/共119页
6）加载条件和负荷持续时间 加载方式、速率和负荷持续时间对金属材料、陶瓷材料 影响很小。 对于高分子聚合物，负荷时间延长，E下降。
第26页/共119页
4、比例极限和弹性极限
p
Fp A0
Fp：比例极限对应的应力 A0 ：试棒的原始截面面积
第39页/共119页
第四节 塑性变形及其性能指标
一、塑性变形机理 定义：材料微观组织的相邻部分产生永久性位移，并不 引起材料破裂的现象。 1：金属材料的塑性变形机理：滑移、孪生 滑移系越多，塑性越好
复习： 滑移：晶体的一部分对于另一部分沿一定晶面和晶向发生相对
滑动，滑动后原子处于新的稳定位置。 滑移通常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。
第6页/共119页
五、本课程学习注意问题：
预备知识：材料力学和金属学方面的基本理论知识。 理论联系实际:是实用性很强的一门课程。某些力学性能指
标根据理论考虑定义,而更多指标则按工程实用 要求定义。 重视实验: 通过实验既可掌握力学性能的测试原理，又可 掌握测试技术，了解测试设备，进一步理解所 测的力学性能指标的物理意义与实用意义。 做些练习: 加深理解――巩固所学的知识。
消除方法：进行较大塑性变形；再结晶退火
材料的性能教学课件
热膨胀系数和热传导系数衡量材料在热环境下的膨 胀和传导特性。
透明性和光学性能
磁性和超导性
透明性和光学性能决定材料的透光能力和光学行为， 广泛应用于光学器件和视觉应用。
磁性和超导性是材料对磁场和电流的响应能力，对 电子学和能源领域具有重要影响。
化学性能
1 耐腐蚀性和耐氧化性
耐腐蚀性和耐氧化性衡量材料对化学侵蚀和 氧气的抵抗能力。
硬度和耐磨性
硬度和耐磨性是材料抵御表面破坏和磨损的关 键属性。
抗拉强度、屈服强度、断裂强度
这些参数衡量了材料在受力时的抗拉能力和破 坏行为。
可塑性和韧性
可塑性和韧性决定了材料在受力时的变形能力 和抗断裂能力。
物理性能
导电性和导热性
热膨胀系数和热传导系数
导电性和导热性描述了材料传导电流和热量的能力， 对电子和热传输应用至关重要。
力学测试方法用于测量材料的强度、硬
物理测试方法
2
度和韧性等力学性能。
物理测试方法用于测量材料的导电性、
导热性、透明性等物理性能。
3
化学测试方法
化学测试方法用于测量材料的耐腐蚀性、
测试数据分析和应用
4
化学稳定性、溶解性等化学性能。
测试数据分析和应用帮助我们理解材料 性能，做出正确的设计和决策。
材料性能分析和设计
材料性能教学的意义和未来发展 趋势
材料性能教学有助于学生理解和应用材料技术，促 进材料科学的创新和发展。
材料性能的确定和分 析方法
通过实验和模拟等方法确定和 分析材料的性能特征和潜力。
不同性能指标之间的 关系和平衡
不同性能指标之间存在着平衡 和权衡பைடு நூலகம்系，在设计中需要综 合考虑。
材料物理性能讲解
燃气轮机叶片用钢 (0.06％C、10％Cr、20％Ni、3％Ti、0.4％A1、0.015％B，余为Fe) 的加热膨胀曲线和时效等温膨胀曲线。经高温退火的固溶体，其加热膨胀曲线于750℃ 出现一拐折，根据X射线相分析表明，这个拐点(体收缩)是金属间化合物Ni3（Ti，Al)析 出所引起的。时效等温膨胀曲线实际上表明了Ni3（Ti，Al)相析出的动力学过程，700℃ 等温时效时，Ni3（Ti，Al)相析出最剧烈。
2、量子理论
假设：在金属中点阵所产生的势场各处均匀，即离子与价电子没 有相互作用，且价电子为整个金属所共有，但明确指出：金属中每个 原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子按量 子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级
第二章 热学性能
热学性能包括热容、热膨胀和热传导， 其共同特点是这些性能和金属中原子的热 振动密切相关，即热学性能直接取决于晶 格振动；
（二）、合金成分和组织的影响 1、固溶体：绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间，
溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时，固溶体膨胀系数降低，反之升高；随溶质浓度 的增加，其变化规律稍低于按算术相加规律的计算值，成凹曲线
例：一般情况：在Al中溶入Cu、Si、Ni、Fe、Be；Cu中加Pd、Ni、Au均降低其热 膨胀系数；Cu中溶入Zn、Sn使其热膨胀系数增大
二、金属导电理论
1、经典电子理论
假设：金属晶体中原子失去价电子成为正离子，正离子构成晶体 点阵，价电子成为公有化电子，电子间无相互作用。自由电子与正离 子间的作用仅类似于机械碰撞；无外场作用时，自由电子沿各向运动 的机率相同，不产生电流；施加外电场后电子获得加速度，发生定向 迁移，从而产生电流。
V at Ee/ mt
2、量子理论
假设：在金属中点阵所产生的势场各处均匀，即离子与价电子没 有相互作用，且价电子为整个金属所共有，但明确指出：金属中每个 原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态，所有价电子按量 子化规律具有不同能量状态，即具有不同能级
第二章 热学性能
热学性能包括热容、热膨胀和热传导， 其共同特点是这些性能和金属中原子的热 振动密切相关，即热学性能直接取决于晶 格振动；
（二）、合金成分和组织的影响 1、固溶体：绝大多数金属形成单相固溶体时，其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间，
溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时，固溶体膨胀系数降低，反之升高；随溶质浓度 的增加，其变化规律稍低于按算术相加规律的计算值，成凹曲线
例：一般情况：在Al中溶入Cu、Si、Ni、Fe、Be；Cu中加Pd、Ni、Au均降低其热 膨胀系数；Cu中溶入Zn、Sn使其热膨胀系数增大
二、金属导电理论
1、经典电子理论
假设：金属晶体中原子失去价电子成为正离子，正离子构成晶体 点阵，价电子成为公有化电子，电子间无相互作用。自由电子与正离 子间的作用仅类似于机械碰撞；无外场作用时，自由电子沿各向运动 的机率相同，不产生电流；施加外电场后电子获得加速度，发生定向 迁移，从而产生电流。
V at Ee/ mt
材料的性能PPT课件
切削参数
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对于金属的切削加工性有重要影响。合理的切削 参数可以提高加工效率、降低成本并延长刀具使用寿命。
06
材料性能的影响因素与改善途径
化学成分的影响
元素种类与含量
01
不同元素对材料性能有不同影响，如增加强度、硬度、耐腐蚀
性等。
合金化
02
通过添加合金元素，改善材料的力学性能、物理性能和化学性
电阻率
材料对电流的阻碍程度， 高电阻材料可用于绝缘体 等。
磁学性能
磁化率
磁导率
材料在磁场作用下的磁化程度，反映 材料的磁性。
材料对磁场的响应程度，高磁导材料 可用于电磁铁等。
矫顽力
去除磁场后，材料保持磁化状态的能 力。
光学性能
折射率
光线在材料中传播速度 与真空中传播速度的比 值，影响透镜等光学元
热学性能
01
02
03
热容
材料吸收或放出热量时， 温度变化的程度，反映材 料储存热能的能力。
热导率
材料传导热量的能力，高 导热材料可用于散热器等 。
热膨胀系数
材料在温度变化时，体积 或长度的变化程度。
电学性能
电导率
材料传导电流的能力，高 电导材料如铜、银等用于 导线。
介电常数
材料在电场作用下的极化 程度，影响电容器等电子 元件的性能。
塑性
金属材料在载荷作用下，产生塑 性变形（永久变形）而不破坏的 能力。
硬度与韧性
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 。
韧性
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。
疲劳与蠕变
疲劳
材料在交变应力作用下发生的性能变化。
切削速度、进给量和切削深度等切削参数对于金属的切削加工性有重要影响。合理的切削 参数可以提高加工效率、降低成本并延长刀具使用寿命。
06
材料性能的影响因素与改善途径
化学成分的影响
元素种类与含量
01
不同元素对材料性能有不同影响，如增加强度、硬度、耐腐蚀
性等。
合金化
02
通过添加合金元素，改善材料的力学性能、物理性能和化学性
电阻率
材料对电流的阻碍程度， 高电阻材料可用于绝缘体 等。
磁学性能
磁化率
磁导率
材料在磁场作用下的磁化程度，反映 材料的磁性。
材料对磁场的响应程度，高磁导材料 可用于电磁铁等。
矫顽力
去除磁场后，材料保持磁化状态的能 力。
光学性能
折射率
光线在材料中传播速度 与真空中传播速度的比 值，影响透镜等光学元
热学性能
01
02
03
热容
材料吸收或放出热量时， 温度变化的程度，反映材 料储存热能的能力。
热导率
材料传导热量的能力，高 导热材料可用于散热器等 。
热膨胀系数
材料在温度变化时，体积 或长度的变化程度。
电学性能
电导率
材料传导电流的能力，高 电导材料如铜、银等用于 导线。
介电常数
材料在电场作用下的极化 程度，影响电容器等电子 元件的性能。
塑性
金属材料在载荷作用下，产生塑 性变形（永久变形）而不破坏的 能力。
硬度与韧性
硬度
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力 。
韧性
材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形 功和断裂功的能力。
疲劳与蠕变
疲劳
材料在交变应力作用下发生的性能变化。
材料物理性能课件第七章热学性能
二、磁矩的产生
根据物质结构理论，任何物质都是由分子或原子组成。 原子核自旋运动 电子自旋 电子绕原子核的轨道运动 这些运动都会形成微小的环电流，都能产生磁效应．环流在其运动中心处产生磁矩。磁矩是反映粒子本身磁性特征的物理量，每种运动所对应的磁矩分别称为自旋磁矩和轨道磁矩． 分子的固有磁矩——所有电子轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和，简称为分子磁矩， 用pm表示．
当材料被磁化时，环电流磁矩沿外电场排列，
为体积元内环电流的矢量和。
磁化强度M的定义：单位体积磁体内具有的磁矩矢量和
环电流磁矩定向排列程度越高，磁化强度M矢量就越大。
未磁化时， =0，则 M=0
用M表示
磁化强度M是描述宏观磁性体磁性强弱程度的物理量。
2） 磁荷的观点
在磁性体内取一个宏观体积元dV，在这个体积元内包含了大量的磁偶极矩jm 。
近年来已深入研究了磁光、磁电、压磁和磁致伸缩、功能转换材料，不断开发出各种磁转换器件
应用
2
磁场强度H
3
磁感应强度B
1
磁学基本量
6
磁通量
5
.磁矩m和磁化强度M
4
磁化率与磁导率
5.1磁学基本量及分类
1.磁场强度H
磁场强度H是由导体中的电流或由永磁体产生。
矢量，有大小，有方向
磁场强度：用稳定电流在空间产生的磁场的强度来规定。在国际单位制中，一根载有I安培电流的长直导线，在离导线为r米的地方所产生的磁场强度 取I=1安培，则在离导线距离为r米处所得的磁场强度就是单位磁场强度，1安/米（A/m）。
H和B都是描述空间任一点的磁场参量。它们都是矢量，有大小和方向。 材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度。
根据物质结构理论，任何物质都是由分子或原子组成。 原子核自旋运动 电子自旋 电子绕原子核的轨道运动 这些运动都会形成微小的环电流，都能产生磁效应．环流在其运动中心处产生磁矩。磁矩是反映粒子本身磁性特征的物理量，每种运动所对应的磁矩分别称为自旋磁矩和轨道磁矩． 分子的固有磁矩——所有电子轨道磁矩和自旋磁矩以及核的自旋磁矩的矢量和，简称为分子磁矩， 用pm表示．
当材料被磁化时，环电流磁矩沿外电场排列，
为体积元内环电流的矢量和。
磁化强度M的定义：单位体积磁体内具有的磁矩矢量和
环电流磁矩定向排列程度越高，磁化强度M矢量就越大。
未磁化时， =0，则 M=0
用M表示
磁化强度M是描述宏观磁性体磁性强弱程度的物理量。
2） 磁荷的观点
在磁性体内取一个宏观体积元dV，在这个体积元内包含了大量的磁偶极矩jm 。
近年来已深入研究了磁光、磁电、压磁和磁致伸缩、功能转换材料，不断开发出各种磁转换器件
应用
2
磁场强度H
3
磁感应强度B
1
磁学基本量
6
磁通量
5
.磁矩m和磁化强度M
4
磁化率与磁导率
5.1磁学基本量及分类
1.磁场强度H
磁场强度H是由导体中的电流或由永磁体产生。
矢量，有大小，有方向
磁场强度：用稳定电流在空间产生的磁场的强度来规定。在国际单位制中，一根载有I安培电流的长直导线，在离导线为r米的地方所产生的磁场强度 取I=1安培，则在离导线距离为r米处所得的磁场强度就是单位磁场强度，1安/米（A/m）。
H和B都是描述空间任一点的磁场参量。它们都是矢量，有大小和方向。 材料在磁场强度为H的外加磁场作用下，会在材料内部产生一定的磁通量密度，称其为磁感应强度。
材料物理性能与力学性能解析PPT课件
2、多次冲击试验： 当试样破坏前承受的冲击次数少于500-1000次，试样断
裂的规律与一次冲击相同；当冲击次数大于105次时，破坏后 具有典型的疲劳断口特征。 冲击功-冲断次数曲线（A-N曲线）： 随冲击功A的减小，冲断次数增加。
第1页/共48页
3、冲击韧性及工程意义 1）一次冲击： 冲击韧度（冲击值）：用冲击吸收功除以试样缺口处截面（cm2）
第16页/共48页
裂纹的三种基本类型： (1)张开型(I型)裂纹 拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，扩展 方向和拉应力垂直。 (2)滑开型(Ⅱ型)裂纹 切应力平行于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹 面平行滑移扩展 (3)撕开型(Ⅲ型)裂纹 切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面 撕开扩展。
冲 击 功
三类材料的冲击功-温度曲线
第6页/共48页
低温脆性的宏观解释：
第7页/共48页
韧脆转化温度及其评价方法
工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度，在此温度以上只要
应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。在冷脆转化
温度的确定标准一旦
建立之后，实际上是按照
吸
冷脆转化温度的高低来选
收 的
择材料。例如，有两种材
当r=0时，应力为无穷大。但实际上对一般金属材料，当应力超 过材料的屈服强度，将发生塑性变形，在裂纹尖端将出现塑性 区，裂纹尖端的应力分布发生改变。
讨论塑性区的意义： 1）断裂是裂纹的扩展过程，裂纹扩展所需的能量主要是消耗于 塑性变形功，材料的塑性区尺寸大，消耗的塑性变形功也越大， 材料的断裂韧性KIc相应地也就越大。 2）由于我们是根据线弹性断裂力学来讨论裂纹尖端的应力应变 场的，当塑性区尺寸过大时，线弹性断裂理论是否依然适用？ 因此我们必须讨论不同应力状态的塑性区以及塑性区尺寸的决 定因素。
裂的规律与一次冲击相同；当冲击次数大于105次时，破坏后 具有典型的疲劳断口特征。 冲击功-冲断次数曲线（A-N曲线）： 随冲击功A的减小，冲断次数增加。
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3、冲击韧性及工程意义 1）一次冲击： 冲击韧度（冲击值）：用冲击吸收功除以试样缺口处截面（cm2）
第16页/共48页
裂纹的三种基本类型： (1)张开型(I型)裂纹 拉应力垂直作用于裂纹面，裂纹沿作用力方向张开，扩展 方向和拉应力垂直。 (2)滑开型(Ⅱ型)裂纹 切应力平行于裂纹面，并且与裂纹前沿线垂直，裂纹沿裂纹 面平行滑移扩展 (3)撕开型(Ⅲ型)裂纹 切应力平行作用于裂纹面，并且与裂纹线平行，裂纹沿裂纹面 撕开扩展。
冲 击 功
三类材料的冲击功-温度曲线
第6页/共48页
低温脆性的宏观解释：
第7页/共48页
韧脆转化温度及其评价方法
工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度，在此温度以上只要
应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性破坏。在冷脆转化
温度的确定标准一旦
建立之后，实际上是按照
吸
冷脆转化温度的高低来选
收 的
择材料。例如，有两种材
当r=0时，应力为无穷大。但实际上对一般金属材料，当应力超 过材料的屈服强度，将发生塑性变形，在裂纹尖端将出现塑性 区，裂纹尖端的应力分布发生改变。
讨论塑性区的意义： 1）断裂是裂纹的扩展过程，裂纹扩展所需的能量主要是消耗于 塑性变形功，材料的塑性区尺寸大，消耗的塑性变形功也越大， 材料的断裂韧性KIc相应地也就越大。 2）由于我们是根据线弹性断裂力学来讨论裂纹尖端的应力应变 场的，当塑性区尺寸过大时，线弹性断裂理论是否依然适用？ 因此我们必须讨论不同应力状态的塑性区以及塑性区尺寸的决 定因素。
材料主要性能课件
工作条件、表面状态、材质、
残余内应力等。
改善零件的结构形状，
避免应力集中，降低零件表
面粗糙度值以及采取各种表
面强化的方法，都能提高零
件的疲劳极限
1-疲劳源、2-疲劳裂纹 扩展区和3-瞬时断裂区 材料主要性能 疲劳断口示意图
特别提示
• 零(构)件服役的环境是多种多样的，如有 的零件在高温下工作，有的零件在低温下工作， 那么在室温下测定的性能指标就不能代表它在 高温或低温下的性能。屈服强度与抗拉强度与 温度有很大关系，一般温度升高，材料强度降 低。
和破坏的能力。
（a）屈服强度s
• BC段，发生塑性变形而应力不增加，这种现象叫
做屈服。B点对应的应力称为屈服强度，用s表
示。
0.2
• 有的材料的屈服强度不明显，规定使用条件屈服
强度0.2（残余变形量为0.2%时的应力值）来标 定。
屈服强度反映材料抵抗永久变形的能 力，是最重要的零件设计指材料标主要。性能
材料的b与HB之间的经验关系：：
对于低碳钢: b(MPa)≈3.6HB 对于高碳钢：b(MPa)≈3.4HB 对于铸铁： b(MPa)≈1HB
或 b(MPa)≈ 0.6(HB-40) 材料主要性能
b(MPa)
钢 黄铜 球墨铸铁
HB
2.1 静载下金属材料的力学性能
（2）洛氏硬度
洛氏硬度符号HR表示，测量：顶角120°金刚石圆锥压头， 使一定压力，压入被测材料，据压痕深度度量材料软硬，压痕 越深，硬度越低。范围20-67，每0.002mm的压痕深度为一个 硬度单位。 根据压头类型和主载荷不同，分为用九个标尺， 常用的标尺为A、B、C。
（1）布氏硬度HB
布 氏 硬 度 计