材料的性能论文

无机非金属材料工程导论作业考试作业

题目:材料力学和热学性能

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班级：无机非11级01班

学号： **********

2012 年 5月 3日

材料力学和热学性能

（重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆 401331）

摘要：一直以来，材料的研究始终受到科学家的关注。目前，材料的研究领域进一步朝着纵向与横向两方面发展。各种新型材料层出不群，比如功能材料、纳米材料、陶瓷材料、无机非金属新材料等等。材料有多种性能，本文主要从材料学和材料物理的角度出发，系统介绍了材料的力学性能、热学性能。

关键词：无机非金属性能力学性能热学性能

前言

材料的力学性能主要是指材料的宏观性能，如弹性性能、塑性性能、硬度、抗冲击性能等。它们是设计各种工程结构时选用材料的主要依据。表征材料力学性能的各种参量同材料的化学组成、晶体点阵、晶粒大小、外力特性（静力、动力、冲击力等）、温度、加工方式等一系列内、外因素有关。无机材料的热学性能包括熔点、比热容热膨胀系数和热导率等，抗热震性是指材料承受温度骤变而不至于被破坏的能力。热学性能是许多工程应用，如耐火材料和保温材料、高导热集成电路基片、高温结构件和航天防热构件等需要首先考虑的因素，因此具有重要的工程应用的价值。

一.力学性能

1.力—伸长曲线

材料的单向经拉伸实验通常是在温室下按常规的实验标准，采用光滑圆柱试样在缓慢加载和低的变形速率下进行的。试验方法和试样尺寸在试验标准中有明确规定。在拉伸过程中，随着载荷的不断增加，可由试验机上安装的自动绘图机构连续描绘出拉伸力F和绝对伸长量△L的关系曲线，直至试样断裂。图1就是典型的低碳钢拉伸时的力—伸长曲线。

图1低碳钢的力——伸长曲线

图1中，曲线的纵坐标为拉力F，横坐标为绝对伸长△L.图中表明，拉伸后，试样的伸长随里的增加而增大。在P点以下拉伸力F 和伸长量△L呈直线关系。当拉伸力超过F p后，力—伸长曲线开始偏离直线。拉伸力小于F e时，试样的形变在卸除拉伸力后可以完全恢复，因此e点以内的形变为弹性形变。当拉伸力达到F A后，试样便产生不可恢复的永久性形变。在这一阶段的形变过程中，最初试样局部区域产生不均匀的屈服塑性形变，力—伸长曲线上出现平台式锯齿，直至g点结束。接着进入均匀塑性形变。达到最大拉伸力F b时，

试样再次出现不均匀的塑性形变，并在局部区域产生缩颈，最后在F k处，试样断裂。因此，在整个拉伸过程中的形变可分为弹性形变、屈服形变、均匀塑性形变及不均匀集中塑性形变4个阶段。

2.应力—应变曲线

将图1所示的力—伸长曲线的纵、横坐标分别用拉伸试样的标距处的原始截面积A0和原始标距长度L0相除，则得到与力—伸长曲线形状相似的应力（σ=F/A0）—应变（ε=△L/ L0）曲线（图2）。这样的应力—应变曲线称为工程应力—应变曲线，作为坐标轴的应力σ和应变ε称为工程应力和工程应变。工程应力—应变曲线对材料在工程中的应用是非常重要的，根据该曲线可获得材料拉伸条件下的力学性能指标，如图2中的比例极限σp、弹性极限σe、屈服点σs、抗拉强度σb等，可提供给工程设计或选材应用时参考。

图1低碳钢的应力—应变曲线

实际上，在拉伸过程中，试棒的截面积和长度随着拉伸力的增大是不断变化的，工程应力—应变曲线并不能反映试验过程中的真实情况。如果以瞬时截面积A除其相应的拉伸力F，则可得到瞬时的真应

力S （S=F/A ）。同样，当拉伸力F 有一增量dF 时，试样在瞬时长度L 的基础上变为L+dL ，于是应变的微分增量应是de=dL/L ，则试棒自L 0伸长至L 后，总的应变量为e=de =0L dL L L =ln 0

L L ,式中的e 即为真应变。于是，工程应变和真应变之间的关系为e=ln 0L L =ln(1+ε)显然，真应变

总是小于工程应变，且变形量越大，二者的差距越大。

假定材料的拉伸变形是等体积变化过程，则真应力和工程应力之间就有如下关系：S=σ(1+ε),这说明真应力S 大于工程应力σ。

3.硬度

硬度：表示材料表面在承受局部静载压力条件下抵抗变形的能力，它与材料的耐磨性有直接关系，是许多工程应用，如块规、密封环和轴承滚珠等需要考虑的因素，因此它也是材料的重要力学性能参数之

一。金属材料的硬度主要反映其抵抗塑性变形及形变硬化的能力。而质脆的无机材料在静载压痕硬度测试时，压头压入区域多数会发生压缩剪断等形式的复合破坏，即伪塑性变形。所以。脆性无机材料的硬度能反映材料抵抗破坏的能力。

硬度的种类及其测试方法:

材料硬度的种类和测试方法有很多种，如莫氏硬度、维氏硬度、努氏硬度、洛氏硬度和布氏硬度等。除莫氏硬度采用划痕法来判断材料的软硬外，其他的均采用静载压入法进行测试，即在静压下将一硬物压入被测物体表面，用压痕单位面积上承受的载荷大小表示被测物体的硬度。下面对其分别予以介绍。

3.1莫氏硬度

莫氏硬度也称划痕硬度，莫氏硬度法对于陶瓷和矿物材料较为常用。莫氏硬度只表示材料软硬的排序，说明排序靠后的材料可以在排序靠前的材料表面划出痕迹来。最初，莫氏硬度分为10级，最软的为滑石（1级），最硬的为金刚石（10级）；后来由于补充了一些人工合成的硬度较大的材料，又将莫氏硬度分为15级，即新莫氏硬度。表3为莫氏硬度的两种分级排序情况。

序级材料序级材料

1 滑石（talc）

2 石膏（gypsum）

3 方解石（calcite）

4 萤石（fluorite）

5 磷灰石（apatite）

6 正长石（orthoclase）

7 石英（quartz）

8 黄玉（topaz）

9 刚玉（corundum）

10 金刚石（diamond）1 滑石（talc）

2 石膏（gypsum）

3 方解石（calcite）

4 萤石（fluorite）

5 磷灰石（apatite）

6 正长石（orthoclase）

7 熔融石英（fused silica）

8 石英（quartz）

9 黄玉（topaz）

10 石榴石（gamet）

11 熔融氧化锆（fused zironia）

碳化钽（tantalum carbide）12 刚玉（corundum）

碳化钨（tungsten carbide）

13 碳化硅（silicon carbide）

14 碳化硼（boron carbide）

15 金刚石（diamond）

表3 莫氏硬度的两种分级排序

3.2维氏硬度

维氏硬度法适用于较硬的材料，对陶瓷材料特别尤为常用。它采用对面角为136°的金刚石死棱椎体作压头，在1~100kg的载荷作用下，压入经过抛光的材料表面，保持一定时间后卸掉载荷，材料表面