04 第4章 材料的性能.pptx

第1页：材料的性能章节封面

材料的性能章节封面：本页为本章封面，标示课程名《材料化学》与本章主题。

第2页：本章教学要点

本章教学要点

• 相关知识掌握程度知识要点化学腐蚀、电化学腐蚀、腐蚀电池、光稳定剂、老化掌握材料的耐氧化性、耐酸碱性和耐老化性，了解材料的耐有机溶剂性材料的化学性能应力、应变、弹性模量、弹性极限、屈服强度、拉伸强度、布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、疲劳掌握材料的强度、硬度及疲劳性能的测试方法，掌握应力-应变曲线，了解疲劳试验的S-N曲线材料的力学性能导热性、热膨胀性、热容、热稳定性、热防护、导电性、介电性能、超导现象、压电性掌握材料的导热性、热膨胀性等热学性能，掌握材料导电性、介电性能等电学性能，了解超导现象和压电效应的本质材料的热学性能、电学性能、饱和磁感应强度、剩磁、矫顽力、居里温度、抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性、亚铁磁性、镜反射、漫反射掌握常见的磁性参数，了解磁性材料的种类及性能；掌握光的吸收和透过，掌握光的折射与反射，了解光的散射和物质颜色产生的原因材料的磁学性能、光学性能铸造性能、塑性加工性能、热处理性能、焊接性能、切削性能了解材料的工艺性能材料的工艺性能本章学习要点

第3页：本章教学要点

本章教学要点

• 4.1材料的化学性能4.2材料的力学性能4.3热学性能4.4电学性能4.5磁学性能4.6光学性能4.7材料的工艺性能本章学习要点

第4页：【引例】随着科学技术的发

【引例】随着科学技术的发

• 【引例】
• 随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进。例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机，利用红外探测器可以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了提高在军事对抗中的竞争实力，将隐身材料作为重要的研究对象。

第5页：【引例】随着科学技术的发（续）

【引例】随着科学技术的发（续）

1991年海湾战争中，美国第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标。

在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军95%的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损。这场高技术的战争一度使世界震惊。

第6页：【引例】随着科学技术的发（续）

【引例】随着科学技术的发（续）

为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策，重要的原因就是美国F-1l7A型战斗机表面包覆了含有多种超微粒子的红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。

而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏的红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。

第7页：F-1l7A型隐形战斗机

F-1l7A型隐形战斗机：本页为图示（图4-1），图4-1 F-1l7A型隐形战斗机。

第8页：F-1l7A型隐形战斗机（续）

F-1l7A型隐形战斗机（续）

• 超微粒子对红外和电磁波有隐身作用是因为：
• 1）纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透光率比常规材料要强得多，大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，达到隐身的目的。

第9页：（2）纳米微粒材料

（2）纳米微粒材料

（2）纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3~4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，使红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标。

目前，隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但真正发挥作用的隐身材料大多使用在航空航天与军事有密切关系的部件上。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及碳纳米管在隐身材料方面的应用将大有作为。

第10页：（2）纳米微粒材料（续）

（2）纳米微粒材料（续）

• 材料的性能包括使用性能和工艺性能，使用性能是指材料的物理、化学、力学性能等；工艺性能指加工过程中所反映出来的性能。
• 材料的用途取决于其性能，不同的应用场合对材料的性能有不同的要求。例如，结构材料首先关注材料的力学性能、电子材料关注其电性能、光学材料则关注其光学性能等。本章介绍材料各种性能与其组成、结构的关系，以及性能的测试表征方法。

第11页：4.1材料的化学性能

4.1材料的化学性能

• 材料的化学性能指材料抵抗各种化学作用的能力，即化学稳定性。由于组成和结构的差异，不同材料化学性能的特点不同。
• 金属材料主要是氧化、腐蚀问题，即生锈；
• 无机非金属材料主要是其耐酸碱性；
• 高分子材料则主要是耐有机溶剂性以及老化问题。

第12页：4.1.1耐氧化性

4.1.1耐氧化性

• 除少数贵金属(如金、铂)外，多数金属在空气中都会被氧化而形成金属氧化物，例如铁或钢铁会生锈，铜会形成铜绿等。腐蚀对于金属材料和制品有严重的破坏作用，钢材如果腐蚀1%，其强度就要降低5%~10%。
• 在不同的使用环境中，金属的腐蚀情况也会有所不同，例如铁在干燥空气中则相对稳定，而在潮湿的空气中或泡在水里(特别是海水)很容易生锈。这是因为存在不同的腐蚀机理，即化学腐蚀和电化学腐蚀。

第13页：4.1.1耐氧化性（续）

4.1.1耐氧化性（续）

• 化学腐蚀指金属直接与周围非电解质接触发生的纯化学作用。以空气中的金属为例，首先是金属吸附空气中的氧气分子，发生氧化还原反应形成金属氧化物，氧化物成核、生长并形成氧化膜。当生成的氧化膜很致密时，氧分子不能穿过氧化膜，阻止了金属进一步被氧化。
• 由于致密氧化膜本身很薄，一般情况下并不影响金属的使用性能，并使金属具有良好的耐腐蚀性。例如在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，可以优先形成稳定、致密的Cr2O3、Al2O3、SiO2等氧化物保护膜，提高钢的高温抗腐蚀性能。

第14页：4.1.1耐氧化性（续）

4.1.1耐氧化性（续）

• 电化学腐蚀指金属在电解质溶液中由于原电池作用而引起的腐蚀。包括金属在潮湿空气中的大气腐蚀，在酸、碱、盐溶液和海水中发生的腐蚀，在地下土壤中的腐蚀及在不同金属的接触处的腐蚀等。
• 电化学腐蚀的原理是原电池作用，即当两种金属材料在电解质溶液中构成原电池时，作为阳极的金属被会腐蚀。这种能导致金属腐蚀的原电池为腐蚀电池，只要形成腐蚀电池，阳极金属就会遭到电化学腐蚀。

第15页：4.1.1耐氧化性（续）

4.1.1耐氧化性（续）

• 例如铁的电化学腐蚀过程如下：
• 阳极: Fe→Fe2++2e
• 阴极: H2O+O2+2e→2OH-
• 由电极反应产生：
• Fe2++ 2OH-→Fe(OH)2
• 4Fe(OH)2+ O2→2(Fe2O3·H2O) + 2H2O

第16页：（1）不同金属

（1）不同金属

• 形成腐蚀电池必须具备三个基本条件：
• （1）不同金属或同种金属的不同区域间有电位差存在，且电位差越大，腐蚀越剧烈。较活泼金属的电位较低，成为阳极而遭受腐蚀；较不活泼金属电位较高，作为阴极起传递电子的作用，不受腐蚀。
• （2）两极材料共处于相连通的电解质溶液中。潮湿的空气因溶解了SO2等酸性气体，构成电解质溶液。
• （3）具有不同电位的金属之间必须有导线连接或直接接触。

第17页：（1）不同金属（续）

（1）不同金属（续）

• 由于空气中存在大量的水蒸气、酸性气体，所以电化学腐蚀要比化学腐蚀更普遍，危害性也更大。
• 为防止金属发生电化学腐蚀，可通过抑制上述三个腐蚀电池的形成条件。例如，在金属涂料底漆中加入缓蚀剂，借助界面吸附作用将金属表面吸附的水置换出来；底漆中所含的水分，可被缓蚀剂的胶粒或界面膜稳定在油中，不与金属直接接触。还可采用牺牲阳极保护法，在金属材料上外加较活泼的金属作阳极，而被保护金属作阴极，发生电化学腐蚀时阳极被腐蚀，金属材料则得以保护。

第18页：4.1.2耐酸碱性

4.1.2耐酸碱性

• 除了金刚石、石墨、单质硅等少数单质材料外，无机非金属材料大多数为化合物，价态较稳定、不易发生氧化还原反应，但接触碱或酸时可能被侵蚀。
• 根据无机非金属材料对酸碱的耐受性不同，将其分为耐酸材料和耐碱材料。
• 二氧化硅是酸性氧化物，以其为主要成分的材料在酸性环境下稳定，而在碱液中将会被溶解或侵蚀，如盛碱液的玻璃瓶不能用玻璃盖、碱式滴定管有别于酸式滴定管等。

第19页：4.1.2耐酸碱性（续）

4.1.2耐酸碱性（续）

• 其反应为：SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O
• 另外，硅酸盐材料会被氢氟酸所腐蚀，其反应为：
• SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O
• SiF4+2HF→H2[SiF6]
• 大多数金属氧化物都是碱性氧化物，以其为主要成分的材料具有较强的耐碱性，但易受酸侵蚀或溶解。

第20页：4.1.2耐酸碱性（续）

4.1.2耐酸碱性（续）

• 在一些应用领域，金属材料的耐酸碱性必须考虑。如在氯碱工业中，使用很多的不锈钢、碳钢和灰铸铁需直接接触碱液，耐碱性是重要问题。
• 为此，人们不断研究开发耐碱蚀的金属材料，如高镍奥氏体铸铁是一种发展较早、用途广泛的耐碱蚀合金铸铁。此外，铸铁中加入适量的Mn、Cr、Cu，通过热处理得到奥氏体+碳化物的白口组织，这种合金铸铁在海水中的耐蚀性可以与高镍耐蚀合金铸铁相比，并且没有高镍耐蚀合金铸铁的点蚀及石墨腐蚀现象。

第21页：4.1.2耐酸碱性（续）

4.1.2耐酸碱性（续）

• 镍铬铸铁中加入稀土，可以降低材料成本，同时保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。其耐蚀机理是，碱蚀后稀土高镍铬铸铁表面生成完整、致密的γ-(Fe,Cr)2O3氧化膜和Na2SO4、FeCl3等附着物，使材料本体受到保护。
• 对于高分子材料来说，其主链原子以共价键结合，化学稳定性较好，一般对酸和碱都有较好耐受性。

第22页：4.1.3耐有机溶剂

4.1.3耐有机溶剂

• 金属材料和无机非金属材料有良好的耐有机溶剂性能，而高分子材料则要考虑对其有机溶剂的耐受性。
• 热塑性高分子材料一般由线形高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解；热固性高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差。
• 高分子材料的分子链、侧基、组织结构不同，对有机溶剂的耐受性也不同。例如，结晶性聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，具有很好的耐溶剂性。

第23页：4.1.4耐老化性

4.1.4耐老化性

• 高分子材料在使用过程中面临的重要问题是老化，即性质、状态发生变化、力学性能下降等。很多高分子材料在太阳光照射下容易老化，这主要因为聚合物分子链吸收太阳光中的紫外线能量而发生光化学降解反应。
• 例如含不饱和结构的聚合物，如聚异戊二烯等能直接吸收紫外光，在消除氢原子后生成共轭的烯丙基自由基:

第24页：4.1.4耐老化性（续）

4.1.4耐老化性（续）

• 空气中的氧气可参与光降解过程，在紫外线(太阳光)的照射下，与高分子材料进行自由基反应。自由基形成后容易导致高分子链的断裂，使高分子材料被降解。
• 例如，聚氯乙烯氧化腐蚀时，首先氧化生成容易吸收紫外光羰基，接着进行氧化裂解。由于氧化降低了相对分子质量，并引入了其他官能团，使聚氯乙烯的渗透和溶解能力大大增加，造成腐蚀破坏。

第25页：4.1.4耐老化性（续）

4.1.4耐老化性（续）

• 高分子的化学结构和物理状态对其老化变质有着极其重要的影响。例如聚四氟乙烯有极好的耐老化性能，如图4-2所示，
• 这是因为电负性最大的氟原子与碳原子形成牢固的化学键。同时，氟原子的尺寸大小适中，能把碳链紧紧包围住，如同形成了一道坚固的“围墙”，保护碳链免受外界攻击。图4-2聚四氟乙烯板材

第26页：4.1.4耐老化性（续）

4.1.4耐老化性（续）

聚四氟乙烯（PTFE，F4），被称“塑料王”，被氟树脂之父罗伊·普朗克特于1936年发现。中文商品名“特氟龙”、“特氟隆”、“特氟龙等。

它由四氟乙烯经聚合而成，结构简式为-[-CF2-CF2-]n-，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，是当今世界上耐腐蚀性能最佳材料之一，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化，广泛应用于各种需要抗酸碱和有机溶剂的场合。

有密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化能力、耐温优异（能在+250℃至-180℃的温度下长期工作）。聚四氟乙烯本身对人没有毒性。

第27页：4.1.4耐老化性（续）

4.1.4耐老化性（续）

• 聚丙烯分子的每一个链节中都有一个甲基支链（含有叔碳原子），其上的氢原子容易脱掉而成为活性中心，引起迅速老化。所以，聚丙烯的耐老化性能还不如聚乙烯。此外，分子链中含有不饱和双键、酰氨键、酯键等，都会降低高分子材料的耐老化性。
• 聚乙烯相当于把聚四氟乙烯的所有氟换成氢，而C-H键不如C-F键结合牢固，且氢原子的尺寸很小，在聚乙烯分子中不像氟原子那样能把碳链包围住。因此，聚乙烯的耐老化性能比聚四氟乙烯差。

第28页：4.1.4耐老化性（续）

4.1.4耐老化性（续）

• 为了防止或减轻高分子材料的老化，在制造成品时通常加入适当的抗氧化剂和光稳定剂。其中光稳定剂主要有光屏蔽剂、紫外线吸收剂、猝灭剂等。
• 光屏蔽剂指能在聚合物与光辐射源之间起屏障作用的物质，如聚乙烯的铝粉涂层以及分散于橡胶中的炭黑；
• 紫外线吸收剂可吸收并消散能引发聚合物降解的紫外线辐射，其能透可见光，但吸收紫外线；
• 猝灭剂能消散聚合物分子激发态的能量，是很有效的光稳定剂。

第29页：4.2材料的力学性能

4.2材料的力学性能

4.2材料的力学性能材料在实际应用中要受到外界各种力的作用，力对材料的作用方式有拉伸(tensile)、压缩(compressive)、弯折(bending)、剪切(shear)等，如图4-3所示。

材料受到外力作用时，表现出一定程度的形变，当受力足够大时，则发生破坏(如断裂)。材料的力学性能，就是材料抵受外力作用的能力，其表征方法包括强度(strength)、韧性(toughness)以及硬度(hardness)等。

第30页：材料受力方式

材料受力方式：本页为图示（图4-3），拉伸压缩弯曲剪切图4-3材料受力方式。

第31页：4.2.1材料的强度

4.2.1材料的强度

4.2.1材料的强度通过测量材料受力时的形变情况，可以获得材料强度的数据。在工程学上，材料受力用应力(stress)表示，等于样品在单位横截面积上所承受的负荷F。

若样品的原始横截面积为A0，则应力为：=F/A0(4-1)等于样品受力时相对长度的变化，可表示如下：材料受力发生的形变为应变(strain)，符号为=(l-l0)/l0(4-2)式中，l0为试样的原始长度；l为试样受力变形后的长度。

第32页：应力-应变曲线测量装置图

应力-应变曲线测量装置图：本页为图示（图4-4），图4-4应力-应变曲线测量装置图图4-5应力-应变曲线。

第33页：所示的装置可以测量材料应变随

所示的装置可以测量材料应变随：本页为图示（图4-4），利用如图4-4所示的装置可以测量材料应变随应力变化的情况，测量时，施加恒定而缓慢的拉力，得到的曲线称为应力-应变曲线。典型的应力-应变曲线如图4-5所示。不同力学性能的材料，其曲线有所不同，曲线A对应于韧性较大的材料，曲线B对应于韧性较低(即脆性)的材料。。

第34页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 以曲线A为例，在起始阶段，材料受力作用而发生变形，当外力撤去后，可以恢复原状，这称为弹性形变，属于非永久性形变。在该阶段中，应力与应变呈线性关系，即
• =Eε(4-3)
• 该式是虎克定律(Hooke'slaw)的表达式，图4-5应力-应变曲线

第35页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 其中E称为弹性模量(modulus of elasticity)或杨氏模量(Young's modulus)，反映材料的坚硬程度或抵抗弹性形变的能力。
• 金属材料具有较高的杨氏模量，如不锈钢为204GPa，钨为407GPa，镁为45GPa。无机非金属材料的杨氏模量通常也较高，如玻璃为120GPa，混凝土为25~37GPa。典型高分子材料的杨氏模量为2GPa，弹性较差。
• 在弹性变形阶段，弹性变形的最大值所对应的应力称为弹性极限，用σe表示。

第36页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

超过弹性极限后，应力与应变之间的直线关系被破坏，当撤去应力，试样的变形只能部分恢复，即材料进入塑性变形阶段。应力随应变增加而继续增大，但达到某一个值后反而下降，该值为材料的屈服强度(yieldstrength, )，表示材料开始发生明显塑性变形的抗力。

图4-5应力-应变曲线

第37页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 对于没有明显屈服点的材料，规定以产生0.2%残余变形的应力值σs(或σ0.2)为其屈服强度。可以把应力-应变曲线的弹性形变段直线向右平移0.002应变量，其延长线与应力-应变曲线的交点所对应的应力，即为屈服强度，如图4-5曲线B所示。
• 因为塑性形变意味着材料尺寸发生不可恢复的改变，所以屈服强度往往是材料选择的主要依据。图4-5应力-应变曲线

第38页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 从结构上讲，塑性形变的产生，对于晶体材料是由于位错的滑移，或者原子面通过位错的形成和移动而依次的滑移。而非晶体材料则是基于黏性流(viscous flow)。影响材料屈服强度的内在因素主要有结合键、组织和结构等。无机非金属材料是共价键或离子键结合，故具有很高的屈服强度；高分子材料分子链间的结合力弱，故屈服强度很低。
• 固溶强化、形变强化、弥散强化等是提高材料屈服强度的常用手段。

第39页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 过了屈服点，应力有时会稍降，然后继续增大，试样发生明显而均匀的塑性变形。当应力达到最大值σb时，试样的均匀变形中止，值称为材料的拉伸强度(tensile strength)或极限强度，表示材料在载荷作用下发生断裂前的最大应力。
• 金属材料中，铝的σb为50MPa，高强度钢的σb为3000MPa。图4-5应力-应变曲线

第40页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 在σb以后，试样开始发生不均匀塑性变形并形成颈缩(necking)，应力下降，当应力达σk时，试样断裂。
• σk称为材料的断裂应力(fracture stress)，表示材料对塑性变形的极限抗力。图4-5应力-应变曲线

第41页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 上述的σe弹性极限、σs屈服强度(或σ0.2)、σb极限强度和σk断裂应力为材料的强度指标.
• 材料的延展性或塑性(ductility)则与材料断裂时的伸长程度有关，可以用伸长率(elongation,δ)和断面收缩率(reduction ofarea，ψ)表示。伸长率是试样拉断后长度的相对伸长量，计算公式为:(4-4)
• 式中，lf为试样拉断后的长度。将δ≥5%的材料称为塑性材料，δ<5%的材料称为脆性材料。

第42页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）：试样拉伸后其截面积减小，断面收缩率是试样拉断后横截面的相对收缩值，如下式表示，(4-5)式中，A0为试样原始横截面积，Af为断口处的横截积。

第43页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 很多金属材料既有高强度，又有良好的延展性。多晶材料的强度高于单晶材料，这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。
• 此外，固溶体或合金的强度高于纯金属，简单来说是因为杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。

第44页：所示的装置可以测量材料应变随（续）

所示的装置可以测量材料应变随（续）

• 无机非金属材料中的原子以离子键和共价键结合，由于共价键的方向性，晶体中的位错很难运动，所以多数无机非金属材料的延展性很差，屈服强度高。例如，SiC的屈服强度为l0GPa，NbC为6GPa。
• 除了拉伸试验，材料的强度还可用弯折试验、冲击试验等方法表征。

第45页：4.2.2材料的硬度

4.2.2材料的硬度

4.2.2材料的硬度硬度是材料局部抵抗硬物压入其表面的性能。硬度是材料的重要力学性能之一，表示材料表面抵抗局部塑性变形和破坏的能力，是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。

第46页：（1）布氏硬度

（1）布氏硬度

• 常用的硬度表示方法有：
• （1）布氏硬度(Brinell hardness)测试如图4-6.a所示，在直径为D(一般为l0mm)的硬钢球上施加负荷F，压入被测金属表面，保持规定时间后卸载，根据被测金属表面压痕直径Di，使用公式(4-6)计算布氏硬度HB。(4-6)图4-6.a布氏硬度测量示意图

第47页：（1）布氏硬度（续）

（1）布氏硬度（续）：布式硬度压痕较大，测量值准，适用于测定未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻柔的轴承合金等，不适用于测定硬度较高的材料。

第48页：（2）洛氏硬度

（2）洛氏硬度

• （2）洛氏硬度(Rockwellhardness)洛氏硬度测量如图4-6.b所示。用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59mm、3.18mm的钢球，在一定载荷F下压入被测材料表面，由压痕的深度h求出材料的硬度。
• 压入深度h越大，硬度越低；反之，则硬度越高。图4-6.b洛氏硬度的测量示意图

第49页：（2）洛氏硬度（续）

（2）洛氏硬度（续）

• 计算中为了使数值越大硬度越高，采用一个常数K减去h来表示硬度的高低，并用每0.002mm的压痕深度为一个硬度单位。由此获得的硬度称为洛氏硬度，用符号HR表示，
• 即:HR=(K-h)/0.002。

第50页：（2）洛氏硬度（续）

（2）洛氏硬度（续）

• 根据试验材料硬度的不同，分HRA、HRB和HRC三种不同的标度，其中HRC和HRA的K值取0.2；HRB的K值取0.26。
• HRA是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)；
• HRB是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)；
• HRC是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。洛式硬度压痕很小，测量值有局部性，需测数点求平均值，适用于成品和薄片

第51页：（3）维氏硬度

（3）维氏硬度

• （3）维氏硬度(Vickers hardness)
• 维氏硬度是以49.03~980.7N的负荷，将相对面夹角为136°的方锥形金刚石压入器压在材料表面，保持规定时间后卸载，测量压痕对角线长度，再按公式(4-7)计算硬度。
• HV=0.189F/d2 (4-7)
• 式中：F为作用在压头上的载荷，N；d为压痕两对角线长度的平均值，mm；HV值的单位为N/m，但习惯上只写出硬度值而不标出单位。

第52页：（3）维氏硬度（续）

（3）维氏硬度（续）

维氏硬度适用于较大工件和较深表面层的硬度测定。还有小负荷维氏硬度，试验负荷为1.961~49.03N，适用于较薄工件、工具表面或镀层硬度的测定；显微维氏硬度，试验负荷<1.961N，适用于金属箔、极薄表面层的硬度测定。

第53页：（3）维氏硬度（续）

（3）维氏硬度（续）

• 硬度有很重要的实用意义，例如在加工（切削、冲压）零件时，加工工具（车刀或模具）的硬度应高于被加工零件，才能切除零件多余的边角且保持原状。
• 无机非金属材料由离子键和共价键构成，由于两种键的强度均较高，故一般都具有较高硬度；
• 金属材料的硬度主要受金属晶体结构的影响，形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度；
• 高分子材料的分子链以共价键结合，但分子链之间主要以范德华力或氢键结合，键力较弱，因此硬度通常较低。

第54页：4.2.3疲劳性能

4.2.3疲劳性能

• 疲劳(fatigue)指材料在循环受力(拉伸、压缩、弯曲、剪切等)下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
• 疲劳破坏是一种损伤积累的过程，因此它的力学特征不同于静力破坏。在循环应力远小于静强度极限情况下破坏就可能发生，但不是立刻发生的，要经历一段时间，甚至很长的时间。在疲劳破坏前，塑性材料有时也没有显著的残余变形。

第55页：4.2.3疲劳性能（续）

4.2.3疲劳性能（续）

• 疲劳性能就是材料抵抗疲劳破坏的能力，常以S-N曲线表征，S为应力水平，N为疲劳寿命，即在循环载荷下，产生疲劳破坏所需的应力或应变循环数。在S-N曲线上，对应某一寿命值的最大应力称为疲劳强度。由图4-7可见，高应力下寿命较短，随着应力降低，寿命不断增加。
• 经过无限多次循环应力作用而材料不发生断裂的最大应力，称为疲劳极限，用σ-1表示。图4-7工具钢和铝合金的S-N曲线（1ksi=6894.76kPa）

第56页：4.2.3疲劳性能（续）

4.2.3疲劳性能（续）

• 鉴于疲劳极限存在较大的分散性，把疲劳极限定义为指定循环基数下中值的疲劳强度。对于S-N曲线具有水平线段的材料，如图4-7中的工具钢，循环基数取107；对于S-N曲线无水平线段的材料，如图4-7中的铝合金，循环基数取107~108。
• 陶瓷、高分子材料的疲劳强度很低，金属材料的疲劳强度较高，纤维增强复合材料也有较好的抗疲劳性能。循环应力特征、温度、材料组成和组织、残余应力等因素对材料的疲劳强度有较大的影响。

第57页：4.3热学性能

4.3热学性能

4.3热学性能材料的热学性能在现代机械装备制造中是非常重要的。先进航空发动机的涡轮温度接近1800℃；航天飞机在重返大气层时要能承受1600℃或更高的温度，这就需要根据材料的热学性能进行选材。

第58页：1.导热性

1.导热性

• 导热性是材料受热(温度场)作用而反映出来的性能，用热导率表示，符号为λ，单位为W
• m-1
• ℃-1或W·m-1·K-1，表示单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积的热量。

第59页：1.导热性（续）

1.导热性（续）

• 导热性好的材料可以实现迅速而均匀地加热，而导热性差的材料只能缓慢加热。一旦导热性差的材料快速加热，将产生变形，甚至开裂。材料的导热性能与原子和自由电子的能量交换密切相关。
• 金属材料的导热性优于陶瓷和高聚合物，这是因为金属材料的导热性主要通过自由电子运动来实现，而非金属材料(陶瓷和高聚物)中自由电子较少，导热靠原子热振动来完成，故一般其导热能力差。导热性差的材料可减慢热量的传输过程。

第60页：2.热膨胀性

2.热膨胀性

• 大多数物质的体积都随温度的升高而增大，这种现象称为热膨胀。热膨胀性用热膨胀系数表示，即体积膨胀系数β或线膨胀系数a，单位为1/℃。
• 材料的热膨胀性与材料中原子结合情况有关，结合键越强则原子间作用力越大，原子离开平衡位置所需的能量越高，则热膨胀系数越小。结构紧密的晶体的热膨胀系数比结构松散的非晶体的热膨胀系数大

第61页：2.热膨胀性（续）

2.热膨胀性（续）

共价键材料与金属相比，一般具有较低的热膨胀系数；离子键材料与金属相比，具有较高的热膨胀系数；高分子材料与大多数金属和陶瓷相比有较大的热膨胀系数；塑料的线膨胀系数一般高于金属的3~4倍。

由热膨胀系数大的材料制造的零部件或结构，在温度变化时，尺寸和形状变化较大。在装配、热加工和热处理时应考虑材料的热膨胀的影响，异种材料组成的复合结构还要考虑热膨胀系数的匹配问题。

第62页：3.热容

3.热容

• 将lmol材料的温度升高lK时所需要的热量称为热容，单位质量的材料温度升高lK所需要的能量称为比热容，工程上通常使用比热容。
• 金属热容实质上反映了金属中原子热振动能量状态改变时需要的热量。当金属被加热时，金属吸收的热能主要为点阵所吸收，从而增加金属离子的振动能量，另外，还被自由电子所吸收，从而增加了自由电子的动能。因此，金属中离子热振动对热容作出了主要的贡献，而自由电子的运动为辅。

第63页：4.热稳定性

4.热稳定性

4.热稳定性热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致破坏的能力，又称为抗热振性。由于无机材料在加工和使用过程中，经常会受到环境温度起伏的热冲击，因此，热稳定性是无机材料的一个重要性能。

第64页：4.热稳定性（续）

4.热稳定性（续）

• 材料在热冲击循环作用下表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质，这种破坏的性能称为抗热冲击损伤性。
• 热稳定性一般以承受的温度差来表示，但材料不同表示方法也不同，应用场合的不同，对材料热稳定性的要求各异。例如，对于一般日用瓷器，只要求能承受温度差为200K左右的热冲击，而火箭喷嘴就要求瞬时能承受高达3000~4000K的热冲击，而且要经受高气流的机械和化学作用。

第65页：5.热防护

5.热防护

5.热防护根据材料的热学性能对工作在高温环境中的机械装备进行热防护，对保证结构的安全可靠性是非常重要的。热防护是航天器的关键技术之一，如再入防热结构可使航天器在气动加热环境中免遭烧毁和过热。

再入防热方式主要有热容吸热防热、辐射防热和烧蚀防热。再入防热结构

第66页：(1)热容吸热防热该方法

(1)热容吸热防热该方法

• (1)热容吸热防热
• 该方法利用防热材料本身热容在升温时的吸热作用作为主要吸、散热的机理，要求防热材料具有高的热导率、比热容和熔点，通常采用表面涂镍的铜或铍等金属。
• 这种方式的优点是结构简单，再入时外形不变，可重复使用；缺点是工作热流受材料熔点的限制，质量大，己为其他防热方法所代替。

第67页：(2)辐射防热该方法

(2)辐射防热该方法

• (2)辐射防热
• 该方法利用防热材料在高温下表面的再辐射作用作为主要散热机理。辐射热流与表面温度的四次方成正比，因此，表面温度越高，防热效果越显著，但工作温度受材料熔点的限制。

第68页：(2)辐射防热该方法（续）

(2)辐射防热该方法（续）

• 根据航天器表面不同的辐射平衡温度，一般选用镍铬合金或铌、钼等难熔金属合金板来制作辐射防热的外壳。随着陶瓷复合材料的出现和低密度化，带有表面涂层的轻质泡沫陶瓷块开始在辐射防热方式中得到应用。
• 辐射式防热结构的最大优点是适合于低热流环境下长时间使用，缺点是适应外部加热变化的能力较差。

第69页：(3)烧蚀防热该方法

(3)烧蚀防热该方法

• (3)烧蚀防热
• 该方法利用表面烧蚀材料在烧蚀过程中的热解吸收等一系列物理、化学反应带走大量的热来保护构件。烧蚀防热广泛应用于航天器的高热流部位的热防护，如导弹头部、航天器返回舱外表面、固体火箭发动机的壳体及喷管等。

第70页：(3)烧蚀防热该方法（续）

(3)烧蚀防热该方法（续）

碳-碳复合材料是用得最多的烧蚀材料，它是以碳纤维织物为增强物质，碳为基体的一种强度极高的材料。当这种复合材料和大气发生强烈摩擦且温度超过3400℃时会直接变成气体，并且带走大量的热。

用这种材料作为火箭头部的保护层，可以保证火箭高速、安全地穿越大气层。

第71页：防热烧蚀材料--高硅氧布

防热烧蚀材料--高硅氧布：本页为图示（图4-8），图4-8防热烧蚀材料--高硅氧布。

第72页：4.4电学性能

4.4电学性能：4.4电学性能材料的电学性能是指材料受电场作用而反映出来的各种物理现象，主要包括导电性、压电性和介电性能等。

第73页：1.导电性

1.导电性

• 导电性是指材料传导电流的能力。导电性的大小用电导率σ表示，电导率为电阻率ρ的倒数，即1/ρ，单位为-1·m-1。
• 根据电导率或电阻率数值的大小，可将材料分成超导体、导体、半导体、绝缘体等，其电阻率分布为:超导体ρ→0；导体ρ=10-8~10-5Ω·m；半导体ρ=10-5~107Ω·m；绝缘体ρ=107~1022Ω·m，如图4-9所示。

第74页：导体、半导体和绝缘体的电导率

导体、半导体和绝缘体的电导率：本页为图示（图4-9），图4-9导体、半导体和绝缘体的电导率范围。

第75页：导体、半导体和绝缘体的电导率（续）

导体、半导体和绝缘体的电导率（续）

金属材料的导电性比非金属(陶瓷、高聚合物)材料大很多倍。一般金属材料的导电性随温度的升高而降低。陶瓷材料大多数是良好的绝缘体，故可用于制作从低压(l kV以下)至超高压(1l0 kV以上)的隔电瓷质绝缘器件。

第76页：导体、半导体和绝缘体的电导率（续）

导体、半导体和绝缘体的电导率（续）

• 绝大多数高聚合物材料通常都是绝缘体。一般纯的聚合物是不导电的，某些聚合物能够通过掺入特殊杂质并控制其数量而获得导电性，这就是导电聚合物。
• 导电聚合物具有防静电的特性，因此，它可以用于电磁屏蔽。导电聚合物同时具有掺杂和脱掺杂特性，因此，可以做可充放电的电池、电极材料。导电聚合物能够吸收微波，可以做隐身飞机的涂料。利用导电聚合物可由绝缘体变为半导体再变为导体的特性，可以使巡航导弹在飞行过程中隐形，然后在接近目标后绝缘起爆。

第77页：2.介电性能

2.介电性能

2.介电性能介电性是指在电场作用下，材料表现出对静电能的储蓄和损耗的性质。其是由于在外电场作用下材料产生电极化所致，在电场作用下能建立极化的物质称为电介质。

介电性的主要功能是作为绝缘体和电容极板间的介质。

第78页：2.介电性能（续）

2.介电性能（续）

• 介电性能用介电常数来表示，表征材料极化和储存电荷的能力。介电常数与材料成分、温度、电场频率等因素有关。衡量材料介电性能的另两个指标是介电强度(dielectricstrength)和介电损耗。
• 介电强度是一定间隔的平板电容器的极板间可以维持的最大电场强度，也称击穿电压，单位为V/m。当电容器极板间施加的电压超过该值时，电容器将被击穿和放电。

第79页：2.介电性能（续）

2.介电性能（续）

• 介电损耗是指电介质在电压作用下所引起的能量损耗，它是由于电荷运动而造成的能量损失。介电损耗愈小，绝缘材料的质量愈好，绝缘性能也愈好。通常用介电损耗角正切tanδ衡量。一些材料的介电性能列于表4-1。
• 普通高聚合物材料具有较高的耐电强度，因而广泛应用于约束和保护电流。介电体的其他性能还有电致伸缩、压电效应和铁电效应等。

第80页：2.介电性能（续）

2.介电性能（续）：tanδ/106Hz介电强度/10-6V·m-1介电常数ε材料106Hz60Hz0.00010202.32.3聚乙烯0.00007202.12.1聚四氟乙烯0.00020202.52.5聚苯乙烯0.05000403.23.5聚氯乙烯0.04000203.64.0尼龙243.24.0橡胶0.05000124.97.0酚醛树脂183.64.0环氧树脂102.3石蜡0.00004103.83.8熔融氧化硅0.00900107.07.0纳钙玻璃0.0010066.59.0三氧化二铝0.00020814-110-氧化钛-407.0-云母--78.3-水表4-1一些材料的介电性能

第81页：3.超导现象导体

3.超导现象导体

• 3.超导现象
• 导体在温度下降到某一值时，电阻会突然消失，这一现象称为超导现象。超导现象是在1911年由荷兰物理学家昂尼斯首先发现的。
• 电阻突然变为零时的温度称为临界温度，具有超导性的物质称为超导体。超导体在超导状态下的电阻为零，可输送大电流而不发热、不损耗，具有高载流能力，可长时间无损耗地储存大量的电能并能产生极强的磁场。

第82页：3.超导现象导体（续）

3.超导现象导体（续）

目前发现具有超导电性的金属元素有钛、钒、锆、铌、钼、钽等，非过渡族元素有铋、铝、锡、镉等。但由于实现超导的温度太低，获得低温所消耗的电能远远超过超导所节省的电能，因而阻碍了超导技术的推广。

要实现超导体的大规模应用，关键是大幅度提高超导体的临界温度。

第83页：3.超导现象导体（续）

3.超导现象导体（续）

超导技术在军事上有广泛的应用前景。例如，超导电磁测量装备使极微弱的电磁信号都能被采集、处理和传递，实现高精度的测量和对比。

采用超导量子干涉仪的磁异常探测系统，不但可探测敌方的地雷、潜艇，而且还能制成灵敏度极高的磁性水雷。

第84页：3.超导现象导体（续）

3.超导现象导体（续）

由于超导材料（如图4-10所示）具有高载流能力和零电阻的特点，可长时间无损耗地储存大量电能，需要时储存的能量可以连续释放出来，因此，在此基础上可制成超导储能系统。

超导储能系统容量大，体积却很小，可代替军车、坦克上笨重的油箱和内燃机。图4-10超导材料

第85页：4.压电性

4.压电性

• 压电性指晶体材料按所施加的机械应力成比例的产生电荷的能力。为了获得压电性所需要的极性，可以通过暂时施加强电场的方法，使原来各向同性的多晶陶瓷发生“极化”，这种“极化”可以在压电陶瓷中发生，类似于永久磁铁的磁化过程。图4-11压电材料
• 近年来，压电材料（如图4-11）发展较快，在不少场合己经取代了压电单晶，其在电、磁、光、声、热和力等交互效应的功能转换器件中得到了广泛的应用。

第86页：4.压电性（续）

4.压电性（续）

• 当对石英晶体在一定方向上施加机械应力时，在其两端表面上会出现数量相等、符号相反的束缚电荷；当作用力反向时，表面电荷电性也反号，而且在一定范围内电荷密度与作用力成正比。反之，石英晶体在一定方向的电场作用下，则会产生外形尺寸的变化，在一定范围内，其形变与电场强度成正比。
• 前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应，统称为压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。

第87页：4.压电性（续）

4.压电性（续）

晶体的压电效应的本质是因为机械作用(应力与应变)引起了晶体介质的“极化”，从而导致介质两端表面上出现符号相反的束缚电荷，其机理见图4-12。

图4-12(a)表示压电晶体中质点在某方向上的投影。此时晶体不受外力作用，正电荷重心与负电荷重心重合，整个晶体总电矩为零(这是简化了的假定)，因而晶体表面无荷电。

(a)(b)(c)图4-12压电效应机理示意图

第88页：4.压电性（续）

4.压电性（续）

但是当沿某一方向对晶体施加机械力时，晶体由于形变导致正、负电荷重心不重合，即电矩发生变化，从而引起晶体表面荷电。图4-12(b)为晶体在压缩时的荷电的情况，图4-12(c)是拉伸时的荷电情况。

在后两种情况下，晶体表面电荷符号相反。(a)(b)(c)图4-12压电效应机理示意图

第89页：4.5磁学性能

4.5磁学性能

4.5磁学性能磁学性能是材料受磁场作用而反映出来的性能。磁性材料在电磁场的作用下，将会产生多种物理效应和信息转换功能。利用这些物理特性可制造出具有各种特殊用途的元器件，在电子、电力、信息、能源、交通、军事、海洋与空间技术中得到广泛的应用。

第90页：1.磁性参数(1)饱

1.磁性参数(1)饱

• 1.磁性参数
• (1)饱和磁感应强度：磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。在实际应用中，饱和磁感应强度往往是指某一指定磁场(基本上达到磁饱和时的磁场)下的磁感应强度。
• (2)剩余磁感应强度(简称剩磁)：从磁性体的饱和状态，把磁场(包括自退磁场)单调地减小到零时残留的磁感应强度。

第91页：(3)矫顽磁场强度

(3)矫顽磁场强度

• (3)矫顽磁场强度(矫顽力)：是从磁性体的饱和磁化状态，沿饱和磁滞曲线单调改变磁场强度，使磁感应强度B减小到零时的磁场强度。
• (4)居里温度(居里点)：铁磁性材料(或亚磁性材料)由铁磁状态(或亚铁磁状态)转变为顺磁状态的临界温度。在此温度下，材料表现为强顺磁性。

第92页：2.磁性的分类

2.磁性的分类

• 根据材料的磁化率，可以将材料的磁性大致分为五类，即抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性。
• （1）抗磁性某些材料在外磁场的作用下，磁化了的介质感生出的磁偶极子的作用与外磁场方向相反，使得磁化强度为负，这类材料的磁性称为抗磁性。如Bi、Cu、Ag、Au等金属。

第93页：（2）顺磁性

（2）顺磁性

（2）顺磁性顺磁性物质的主要特征是不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。但在无外加磁场时，由于顺磁场的原子做无规则的热运动，宏观表现无磁性，如图4-13(a)所示。

有外加磁场的作用下，每个原子磁矩呈比较规则的取向，物质呈现极弱的磁性。顺磁性物质主要有过渡元素、稀土元素、镧系元素及铝、铂等金属。

第94页：（3）铁磁性

（3）铁磁性

（3）铁磁性抗磁性和顺磁性物质的磁化率绝对值较低，因而属于弱磁性物质。铁、钴、镍室温下的磁化率可达103数量级，磁偶极子同向排列[图4-13(b)]，属于强磁性物质，这类物质的磁性称为铁磁性。

但这些金属加热至居里温度时，会突然失去磁性。铁、钴、镍的居里温度分别为768℃、350℃、l100℃。

第95页：（4）反铁磁性

（4）反铁磁性

（4）反铁磁性某些材料在外磁场作用下，尽管每个磁偶极子的强度很高，但相邻的磁偶极子所产生的磁矩反向排列[图4-13(c)]，磁化强度大小相等，方向相反，相互抵消。

这类材料称为反铁磁性材料，其磁化强度为零。反铁磁性物质大都是非金属化合物。

第96页：（5）亚铁磁性

（5）亚铁磁性

（5）亚铁磁性在铁氧体(Fe3O4)中A位离子与B位离子的磁偶极子存在反向平行特性[图4-13(d)]，磁偶极子的强度和离子数目也可能不相等，从而导致其磁性不会完全消失，往往保留了剩余磁矩，表现出一定的铁磁性，称为亚铁磁性或铁氧体磁性。

铁氧体磁性材料可以对外加磁场提供相当高的放大作用。

第97页：原子磁矩取向和材料的磁性

原子磁矩取向和材料的磁性：本页为图示（图4-13），(a)顺磁性(b)铁磁性(c)反铁磁性(d)亚铁磁性图4-13原子磁矩取向和材料的磁性。

第98页：3.材料的磁学性能

3.材料的磁学性能

3.材料的磁学性能(1)金属材料的磁学性能金属材料中仅有三种金属(铁、钴、镍)及其合金具有显著的磁性，称为铁磁性材料。其他金属、陶瓷和高聚物均不呈磁性。

铁磁性材料很容易磁化，在不很强的磁场作用下，就可以得到很大的磁化强度。

第99页：(2)无机非金属材料的磁学性能磁性

(2)无机非金属材料的磁学性能磁性

• (2)无机非金属材料的磁学性能
• 磁性无机材料具有高电阻、低损耗的优点，在电子、自动控制、计算机、信息存储等方面应用广泛。磁性无机材料一般是含铁及其他元素的复合氧化物，通常称为铁氧体，属于半导体范畴。

第100页：(3)高聚合物材料

(3)高聚合物材料

(3)高聚合物材料的磁学性能大多数高聚合物材料为抗磁性材料。顺磁性仅存在于两类有机物种:一类是含有过渡族金属的；另一类是含有属于定域态或较少离域的未成对电子(不饱和键、自由基等)。

第101页：4.磁性材料铁磁性物质和亚

4.磁性材料铁磁性物质和亚

• 4.磁性材料
• 铁磁性物质和亚铁磁性物质属于强磁性物质，通常将这两类物质统称为磁性材料，如图4-14所示。常用的磁性材料主要有以下几种。

第102页：(1)铁氧体磁性

(1)铁氧体磁性

• 一般指氧化铁和其他金属氧化物的复合氧化物，铁氧体磁性材料多具有亚铁磁性，电阻率远比金属高，饱和磁化强度低。
• (2)铁磁性材料
• 具有铁磁性的材料，如铁、镍、钴及其合金，以及某些稀土元素的合金。在居里温度以下，加外磁场时材料具有较大的磁化强度。

第103页：(3)亚铁磁性

(3)亚铁磁性

• 具有亚铁磁性的材料，如各种铁氧体。亚铁磁性材料主要应用于变压器铁心、电感器、存储器件等。
• (4)永磁材料
• 磁体被磁化后去除外磁场仍具有较强的磁性，也称硬磁材料。其特点是矫顽力高和磁能积大，主要有金属永磁材料、铁氧体永磁等。

第104页：(5)软磁材料容易磁化

(5)软磁材料容易磁化

• (5)软磁材料
• 容易磁化和退磁的材料。软磁材料与硬磁材料之间的主要区别在于矫顽力的大小。
• 工程中将矫顽力小于800A/m的材料称为软磁材料；矫顽力大于数万安培每米(A/m)的材料称为硬磁材料，介于两者之间的材料称为半硬磁材料。软磁材料主要有铁铝合金、铁钴合金、铁镍合金等。

第105页：(5)软磁材料容易磁化（续）

(5)软磁材料容易磁化（续）

磁性材料在军事领域得到了广泛应用。例如，在水雷上安装磁性传感器，当军舰接近时，传感器就可以探测到磁场的变化使水雷爆炸。此外，军舰在地球磁场的长期磁化和机器运转、海浪拍打等内外力作用下，其磁性会不断积累，逐渐变成一个“大磁铁”，这对军舰来说是潜在的致命威胁。

为提高舰船的生存和防护能力，保障航行安全，军舰要定期进行消磁处理。

第106页：(5)软磁材料容易磁化（续）

(5)软磁材料容易磁化（续）

材料在磁场作用下发生长度或体积的变化，这种现象称为磁致伸缩。稀土超磁致伸缩材料具有比铁、镍等大得多的磁致伸缩值，能够实现磁、电能与机械能的高效转换。

稀土超磁致伸缩材料可用于卫星定位系统、阻尼减振、太空望远镜的调节机构、飞机机翼调节器等。

第107页：磁性材料

磁性材料：本页为图示（图4-14），图4-14磁性材料。

第108页：4.6光学性能

4.6光学性能

4.6光学性能光波是一种电磁波，人眼所能感受的电磁波的波长范围在380~780nm，称为可见光。波长小于380nm的相邻波段称为紫外线；大于780nm的相邻波段称为红外线。

此外还有波长更短的X射线和射线和波长更长的微波、无线电波等波段的电磁波。

第109页：4.6光学性能（续）

4.6光学性能（续）

与材料的光学性能相关的光波通常是指紫外线、可见光和红外线这3个波段的电磁波。光和物质的相互作用取决于物质电磁性质的基本参数，即电导率、介电常数、磁导率等。

材料的光学特性包括光的吸收、透射、反射、折射等问题，是现代功能材料设计与选用的重要特性之一。光学材料如图4-15所示。

第110页：光学材料

光学材料：本页为图示（图4-15），图4-15光学材料。

第111页：4.6.1光的吸收和透过

4.6.1光的吸收和透过

• 一束光强为I0的平行单色光照射均匀材料时，一部分光被材料表面所反射，剩余部分进入材料内部，其中一部分光被材料吸收，另一部分光透过材料。入射光的原始光强为：
• I0= IR+ IA+ IT(4-8)
• 式中，IR、IA、IT分别是反射、吸收和透过的光强。4.6.1光的吸收和透过

第112页：4.6.1光的吸收和透过（续）

4.6.1光的吸收和透过（续）

• 等式两边同时除以T0，式(4-8)可以改写为
• l=R+A+T (4-9)
• 其中R为反射率(reflectivit，IR/I0)，A为吸光率(absorptivity，IA/ I0)，T为透光率(transmissivity，IT/I0)。各种材料在光学性能上的差异主要是其对光的反射、吸收和透过程度的不同。

第113页：4.6.1光的吸收和透过（续）

4.6.1光的吸收和透过（续）

• 材料对光的吸收源于电磁波作用于材料中原子时产生的电子极化和电子跃迁，
• 前者引起能量吸收和光速变慢，后者则把光能消耗在电子的激发上。

第114页：4.6.1光的吸收和透过（续）

4.6.1光的吸收和透过（续）

• 对于金属来说，电磁波可激发电子到能量较高的末填充态，从而被吸收。但光波只能进入金属约100nm深处，所以厚度超过100nm的金属是不透明的。
• 对于半导体和其他非金属材料来说，对光的吸收取决于能隙Eg。

第115页：4.6.1光的吸收和透过（续）

4.6.1光的吸收和透过（续）

当材料的Eg>3.leV，将不能通过电子跃迁吸收可见光，材料是无色透明的；Eg<1.59eV，则所有可见光都可以被吸收，材料不透明。

当1.59eV< Eg<3.26eV时，部分光波被吸收，材料呈现不同的颜色。此外，晶格热振动对可见光和红外光产生吸收，使无机非金属晶体(陶瓷)材料都可以吸收红外波段的光波。

第116页：为一些无机材料的透光特性

为一些无机材料的透光特性：本页为图示（图4-16），图4-16为一些无机材料的透光特性。一般玻璃在紫外光区(320nm以下)有较强吸收，而石英和蓝宝石则可以较好地透过紫外线，因此紫外线波段的应用中常使用石英或蓝宝石作为材料，例如紫外光谱测量必须使用石英比色皿。硅在红外波段有大约50%的透过率，且没有杂峰，可用作红外光谱测量的样品基片。。

第117页：为一些无机材料的透光特性（续）

为一些无机材料的透光特性（续）

• 隐身飞机所使用的隐身材料就是采用具有吸波功能的复合材料、涂料等。吸波材料的机理是使入射电磁波能量在分子水平上产生振荡，转化为热能，有效地衰减雷达回波强度。
• 按吸收机理不同，可分为吸收型、谐振型和衰减型三大类。

第118页：为一些无机材料的透光特性（续）

为一些无机材料的透光特性（续）

• 许多纯净的无机非金属材料本质是透明的，但由于加工过程留下孔洞而变得不透明。例如，常规烧结的氧化铝是不透明的，而没有孔洞的多晶氧化铝是半透明的。
• 对于高分子材料，无定形高分子通常都无色透明，光透过率高，而高度结晶的高分子不透明或透明性较差，这是由于晶粒对光的散射作用。当晶粒尺寸小于光波长时对光的影响较小，也可以呈现透明。

第119页：4.6.2光的折射与反射图

4.6.2光的折射与反射图

当光线由一种介质进入另一种介质时，光在界面上分成了反射光和折射光，如图4-17所示。反射和折射可以连续发生，例如光线从空气进入介质时，一部分被反射，另一部分折射进入介质，当遇到另一界面时类似。

4.6.2光的折射与反射图4-17光通过透明介质分界面的反射和折射

第120页：1.光的折射材料

1.光的折射材料

• 1.光的折射
• 材料的折射率随介质的介电常数ε的增大而增加，这是由于ε与介质的极化现象有关。
• 当材料的原子受到外加电场的作用而“极化”时，正电荷沿着电场方向移动，负电荷沿着反电场方向移动，使正、负电荷中心产生相对位移。外电场越强，正、负电荷中心距离越大。由于电磁辐射和原子电子体系的相互作用，光波被减速了。

第121页：1.光的折射材料（续）

1.光的折射材料（续）

材料的折射率受其结构影响。单位体积中原子的数目越多或结构越紧密，则光波传播受影响越大，折射率越大。另外，原子半径越大，折射率就越大，这是因为半径较大的原子有较大的极化率。

折射率对于大多数光学材料都是重要指标，例如同样参数的光学透镜(如眼镜片)，材料的折射率越大，透镜做得越薄。表4-2列出了一些无机晶体材料的折射率等光学特性。

第122页：1.光的折射材料（续）

1.光的折射材料（续）

表4-2一些无机晶体材料的光学特性主要特点和应用领域折射率nd透光范围/mm晶体名称储量高；色散低，可用作高级镜头的消色差镜片；机械性能好。

MgF2、CaF2单晶广泛应用于激光、红外、紫外光学、高能探测等科技领域。1.390.13-10.5CaF2（萤石）半导体工业中和红外成像系统3.43(n=3mm)1.2-1.5Si光纤通讯、红外成像系统以及半导体工业4.04(n=3mm)1.8-22Ge极为坚固，是高压条件下的理想窗口，对化学攻击抵抗力也较强，包括能抗强酸。

用作激光晶体1.710.14-6.5Al2O3(蓝宝石)在红外聚光镜、半导体激光器中应用2.4421.8ZnSe常用于光电调制器和作为激光器中的材料1.4830.37-5LiNbO3

第123页：2.光的反射

2.光的反射

• 由于光的反射作用，透过部分的光强度减弱。光波投射到材料表面的反射率取决于材料的折射率。
• 陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失严重。

第124页：2.光的反射（续）

2.光的反射（续）

反射光线具有明确的方向性，称之为镜反射。在光学材料中，利用镜反射达到各种应用目的。当光照射到粗糙不平的材料表面上时，发生漫反射。

漫反射是由于材料表面粗糙，局部的入射角不同，反射光的方向也不同，使总的反射能量分散在各个方向上形成。材料表面越粗糙，镜反射所占的能量分数越小，如图4-18所示。

图4-18粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图

第125页：3.光的散射光波遇到不均匀结构

3.光的散射光波遇到不均匀结构

• 3.光的散射
• 光波遇到不均匀结构会产生次级波，与主波方向不一致，使光偏离原来的方向而引起散射，减弱光束强度。所以，材料中如果有光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的不透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或其他夹杂物，都会引起一部分光束被散射。因而散射现象也是由介质的不均匀引起的。

第126页：4.材料的颜色

4.材料的颜色

4.材料的颜色金属材料的颜色取决于其反射光的波长，而无机非金属材料的颜色则通常与光吸收特性有关。透明无机材料可以通过改变成分而呈现不同颜色。

例如，无机玻璃可在熔融状态下加入过渡元素或稀土元素来获得不同颜色。Al2O3中的少量Al3+被Ti3+替换后呈现浅蓝色，称为蓝宝石；Al3+被少量Cr3+替换则呈现红宝石的红色。

第127页：4.材料的颜色（续）

4.材料的颜色（续）：本页为图示（图4-19），由图4-19可见，蓝宝石在可见光范围几乎是均匀透射的，只是在蓝紫光线和黄绿光线附近有微弱吸收，因而颜色很浅；而红宝石对蓝紫光线有强烈的吸收，而且对黄绿光也有少量吸收，致使其具有深红色。图4-19蓝宝石和红宝石的光透过曲线。

第128页：4.7材料的工艺性能

4.7材料的工艺性能

4.7材料的工艺性能材料在加工过程中对不同加工特性所反映出来的性能，称为工艺性能。它表示材料制成具有一定形状和良好性能的零件或零件毛坯的可能性及难易程度。

材料工艺性能的好坏又直接影响零件的质量和制造成本。由材料到毛坯最后制成零件，一般需要经过多道加工工序，因此，要求材料具有足够的工艺适应性。

第129页：1.铸造性能

1.铸造性能

• 铸造性能是指材料用铸造方法获得优质铸件的性能。它取决于材料的流动性和收缩性。流动性好的材料，充填铸模的能力强，可获得完整而致密的铸件；收缩率小的材料，铸造冷却后，铸件缩孔小，表面无空洞，不会因收缩不均匀而引起开裂，尺寸比较稳定。
• 金属材料中铸铁、青铜有较好的铸造性能，可以铸造一些形状复杂的铸件。工程塑料在某些成形工艺(如注射成形)方法中要求流动性好、收缩率小。

第130页：2.塑性加工性能

2.塑性加工性能

2.塑性加工性能塑性加工性能是指材料通过塑性加工(锻造、冲压、挤压、轧制等)将原材料(如各种型材)加工成优质零件(毛坯或成品)的性能。

它取决于材料本身塑性高低和变形抗力(抵抗变形能力)的大小。

第131页：2.塑性加工性能（续）

2.塑性加工性能（续）

• 塑性加工的目的是使材料在外力(载荷)作用下产生塑性变形而成型，获得较好的性能。
• 塑性抗力小表示材料在不太大的外力作用下就可进行变形。金属材料中铜、铝、低碳钢具有较好的塑性和较小的变形抗力，容易塑性加工成型，而铸铁、硬质合金则不能塑性加工成型。
• 热塑性塑料可通过挤压和压塑成性。

第132页：3.热处理性能

3.热处理性能

• 热处理性能主要指钢接受淬火的能力(即淬透性)。它是用淬硬层深度来表示的。
• 不同钢种，接受淬火的能力不同，合金钢淬透性能比碳钢好，这意味着合金钢的淬硬深度厚，也说明较大零件用合金钢制造后可以获得均匀的淬火组织和力学性能。

第133页：4.焊接性能

4.焊接性能

• 焊接性能是指两种相同或不同的材料，通过加热、加压或两者并用将其连接在一起所表现出来的性能。
• 影响焊接性能的因素很多，导热性过高或过低、热膨胀系数大、塑性低或焊接时容易氧化的材料，焊接性能一般较差。

第134页：4.焊接性能（续）

4.焊接性能（续）

焊接性能差的材料焊接后，焊缝强度低，还可能出现变形、开裂现象。选择特殊焊接工艺不仅可以使金属与金属焊接，还可以使金属与陶瓷、陶瓷与陶瓷、塑料与烧结材料焊接。

第135页：5.切削性能

5.切削性能

5.切削性能切削性能是指材料用切削刀具进行加工时所表现出来的性能。它取决于刀具使用寿命和被加工零件的表面粗糙度。凡使刀具使用寿命长，加工后表面粗糙度低的材料，其切削性能好；反之，切削性能差。

第136页：5.切削性能（续）

5.切削性能（续）

金属材料的切削性能主要与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性等因素有关。一般钢材的理想切削硬度为HBl60~230。钢材硬度太低，切削时容易“黏刀”，表面粗糙度高；硬度太高，切削时易磨损刀具。

第137页：本章结束页

The End

第138页：本章结束页

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