材料性能总结 (1)

第1章绪论

金属材料的基本特性：

①结合键为金属键，常规方法生产的金属为晶体结构

②金属在常温下一般为固体，熔点较高

③具有金属光泽

④纯金属范性大，展性、延性也大

⑤强度较高

⑥自由电子的存在，金属的导热和导电性好

⑦多数金属在空气中易被氧化

高分子材料的基本特性：

①结合键主要为共价键和范德华键

②分子量大，无明显熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；并有热塑性和热固性两类

③力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态，强度较高

④质量轻

⑤良好的绝缘性

⑥优越的化学稳定性

⑦成型方法较多

⑦有长的分子链

无机非金属材料（以陶瓷为例）的基本特性：

①结合键主要是离子键、共价键以及它们的的混合键

②硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感

③熔点较高，具有优良的耐高温、抗氧化性能

④自由电子数目少、导热性和导电性较小

⑤耐化学腐蚀性好

⑥耐磨损

⑦成型方式为粉末制坯、烧结成型

材料科学与工程四要素:

材料科学与工程的定义（国际公认）是：研究有关材料成份/结构、制备/合成、性能/组织和使用效能及其关系的科学技术与生产。

第2章材料结构简述

结合键的类型与材料的物理性能和力学性能的关系： 1.物理性能：

①熔点：熔点的高低代表了材料稳定性的程度。熔点与键能值有较好的对应关系。共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，这可能起因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比例的共价键混合所致。具有分子间力结合的材料，它们的熔点一定偏低，如聚合物等。②材料的密度与结合键类型有关：大多数金属有高的密度：金属元素有较高的相对原子量；金属键的结合方式没有方向性，总是趋于密集排列。陶瓷材料的密度较低：原子排列不可能致密，共价结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子结合则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多。聚合物密度最低：次价键结合，分子链堆垛不紧密，并且组成原子（C、H、O等）质量较小

③材料的导电性和导热性与结合键类型有关：金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合的陶瓷物或聚合物则在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。

2.力学性能：

①结合键能与弹性模量E：弹性模量意义：即E相当于发生单位弹性变形所需的应力。结合键能与弹性模量两者间有很好的对应关系。金刚石具有最高的弹性模量值，E＝1000GPa。其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化物、氯化物等结合键能也较高，弹性模量为250一600GPa。常用金属材料的弹性模量约为70一350GPa。聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7—3.5GPa

②结合键能与强度：一般来说，结合键能高的，强度也高一些。然而强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素，如材料的组织，因此强度与键能之间的对应关系不如弹性模量明显。

③结合键能与塑性：金属键赋予材料良好的塑性，而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。但是高分子材料由于次价键结合，表现良好的塑性。

我们在研究影响材料性能的各种因素时，不能忽视的是：尽管一种材料的基本性质取决于它的原子或分子结构，但其本体性质则是由原子或分子的排列状态所控制的。如果把物质的成分看作是砖的话，那么决定一座房子的最终性能和特征的是用怎样的方式把砖垒起来。所以，研究聚集态结构特征、形成条件及其对制品性能的影响是控制产品质量和设计材料的重要基础。

高分子材料中不同范德华力的作用：

范德华键包括：静电力、诱导力和色散力，属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质。

静电力发生在具有永久偶极的分子之间，键合强度大约是共价键的1/50到1/200。永久偶极是由于共价键所结合的原子具有不同的电负性引起的，电负性表示的是原子核吸引价电子的强度大小。原子核的质子数目越多，被填充的电子壳层离核越近，原子核的电负性就越大。随着温度的升高，大分子的热运动增加会使偶极作用降低。在偶极矩相等且偶极对称排列的情况下其偶极可相互抵消，如聚四氟乙烯。具有偶极-偶极结合力的聚合物可以溶解在许多极性液体中。

诱导力是极性分子的永久偶极与它在其他分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力，例如带负电荷的永久偶极排斥另一个分子中呈电中性原子的电子，因此在另一个分子上诱导产生一个偶极，这个诱导偶极又导致一个偶极－偶极键的强度增加。诱导力强度是永久偶极强度的1/10,但与温度无关。

色散力是电子运动引起电子云变形而产生瞬时偶极之间的相互作用力，占所有分子间作用力

的８０％-９０％．由色散力产生的强度是主价键或共价键的1/500到1/1000，与温度有关。非极性高聚物中的分子间作用力主要是色散力。

第3章高分子材料简介

温度/时间依赖性：

①所谓粘弹性，是指具有类似于粘性液体和纯弹性固体两者的性质，粘性液体具有作用力与变形速率成比例的性质，纯弹性固体具有作用力和变形成比例的性质。对粘性系统所作的功是完全转化成热能而消耗掉的；与之相反，对弹性系统作功，所有的功以势能形式贮存起来。高分子材料具有这样的两重性，以致它的力学性能是非常复杂而又有趣的。高分子材料对温度和时间强烈的依赖关系是由于高分子具有粘弹性的结果。粘弹性是与“时间”相关的概念！

②实际上，多数物质对外力作用的响应表现为弹性和粘性双重特性。对于高分子材料，这种粘弹特性特别突出。时间也能改变塑料和橡胶。同在室温下，处于玻璃态的塑料若在几百年的时间尺度上可以看成象橡胶一般易于变形。虽然塑料的历史还没这么久，我们无法用实验证明这一点，但欧洲有几百年历史的教堂上的窗玻璃能观察到上薄下厚的变化。另一方面橡胶在极短时间内观察则成为塑料，例如飞机上的橡胶轮胎在高速下遇到外来物体的撞击会像玻璃一样碎掉，原因就是如此。

密度和支链化程的区别：

对同一种高分子材料，密度大小表示支化的程度，支链化程度越小，密度越大，材料硬度强度越好，而韧性降低。对于高分子材料来说，密度大小表示高分子链之间接近的程度，或者说密堆的程度。

第4章静载载荷作用下的力学性能

应变(strain)：当材料受到外力作用而又不产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化称为应变或形变。

应力( stress)：材料发生宏观变形时，其内部分子及原子间发生相对位移，产生分子及原子间对抗外力的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，定义单位面积上的附加内力为应力。平衡时，其值与单位面积上所受的外力相等。

模量（modulus）：对于理想的弹性固体，应力与应变的关系服从虎克定律，即应力与应变成正比，比例常数称为弹性模量，简称模量。弹性模量的单位与应力的单位相同。

拉伸应变：材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变，也称相对伸长率。

拉伸应力：

这种拉伸应变和拉伸应力的定义在工程上被广泛运用，称为工程应变和工程应力或习用应变和习用应力。

真应力：用真实的瞬时截面积A代替A0除其相应的拉伸力Ｆ得到的应力。