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**：**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 0L 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，材料表面便留下一个正方形的压痕（图4所示）。

测量压痕对角线的长度并计算压痕的表面积，求出单位面积上的载荷—应力，即维氏硬度值HVHV=pS=222sinPd=1.85442Pd,P为载荷（N）；S为压痕面积（mm2）；θ为金刚石压头对面角（136°）；d为压痕对角线长度的平均值（mm）。

硬度的国际制单位为GPa和MPa。

图4几种常用的静载压入法测试硬度的原理及计算方法(a) 布氏硬度HB；（b）维氏硬度HV；（c）洛氏硬度HRA，HRC；（d）努氏硬度HK3.3努氏硬度（努普硬度或克氏硬度）努氏硬度法是一种显微硬度的实验方法，它所采用的金刚石压头四棱椎体对棱角分别为172°30′和130°，所以得到的压痕为菱形（图4（d）所示）。

与维氏硬度计算的是的是压痕表面上承受的应力不同，努氏硬度值对应的是压痕投影面积上的应力，其计算式为HK=PA=2PCd=14.2292Pd,P为载荷（N）；A为压痕投影面积（mm2）；d为压痕对角线长度（mm）；C为压头常数（无量纲）。

努氏硬度的单位与维氏硬度相同，为GPa或MPa。

努氏硬度法试用于测定较硬的材料，如金属表面的淬硬层或渗层、镀层等薄层区域的硬度测定，但在陶瓷材料发面的应用不如维氏硬度法普遍。

3.4洛氏硬度洛氏硬度法所采用的金刚石压头为圆锥体，圆锥角为120°，椎体尖端曲率半径为0.2mm(图4（c）所示)。

与前两种硬度测试方法中通过测定压痕对角线的长度来计算硬度不同，洛氏硬度是首先加上基准载荷，再加实验载荷，然后回到基准载荷测出两次载荷下压头的压入深度差h（μm），再根据定义式求出硬度值。

3.5布氏硬度布氏硬度法主要用于测定金属材料中较软及中等硬度的材料，很少用与陶瓷材料。

它采用球形的淬火钢球或硬质合金球（直径为D）作压头，获得的压痕（直径为d）为圆形凹坑（图4（a）所示）。

布氏硬度值是用单位压痕表面积所承受的实验力来表示，其计算公式为HB=PA由以上介绍可知，各种硬度法之间没有统一的物理意义，即使对于后面4种均采用静载压入实验评判材料硬度的方法，由于压头结构形式和计算方法等的差异，所得结果也各不相同，彼此之间没有固定的换算关系。

二.热学性能1.熔点与金属和高分子材料相比，耐高温是陶瓷材料的优异特性之一。

材料的耐热性一般用高温强度、抗氧化及耐烧蚀性等因子来判断。

要成为耐热材料，首先熔点T m（melting point）必须高。

熔点是维持晶体结构的院子间结合力大小的反映，原子间结合力越大，原子的热震动越稳定，越能将晶体结构维持到更高温度，熔点就越高；否则熔点就越低。

单质材料中，碳素材料的熔点最高；陶瓷中具有NaCl型晶体结构的碳化物熔点一般都很高；氧化物、硼化物也不乏高熔点的物质，氧化物中具有NaCl型晶体结构的、硼化物中具有NaCl型晶体结构和六方型A1B2晶体结构的材料大多熔点很高；对于氧化物熔点高的物质则多具有萤石结构和NaCl型晶体结构。

T m与材料的很多性质相关。

金属材料存在如下关系：△H f≈RT m,R为普适气体常数。

对大多数陶瓷材料则有△H f ≈（3～4）RT m。

2.比热容比热容（旧称比热）是材料热学性能中最基本的物性之一，它是指单位质量的材料要升高（降低）1K所需吸收（或放出）的热量。

单位质量的材料以克或千克计算时，对应的比热容的单位为J/（g·K）或J/（kg·K）。

单位质量的材料以摩尔计算时，对应的比热容为“摩尔热容”其单位为J/（mol·K）。

摩尔热容有定压摩尔热容C pm和定容摩尔热容C vm之分。

前者是指在恒定外界压力条件下的摩尔热容，适用于实际生产情况；后者是指材料体积不变情况下的摩尔热容。

可从理论上推导出定容摩尔热容C vm 与温度的关系。

绝对零度时C vm =0；在低温区域，随着温度的升高，C vm 和（T/Θ）3成正比例增大（Θ为特征温度或德拜温度，Θ=hv/k ，其中h 为普朗克常数，k 为波尔兹曼常量，v 为原子绕其晶格阵点震动的频率）；但在高温下（大多数陶瓷材料在1000℃左右），C vm 趋于一定值。

C vm =3R=24.9 J/（mol ·K ）在温度超过特征温度Θ（以绝对温度计算，特征温度约为熔点的1/5~1/2）时，摩尔热容以适中的速率继续增长。