材料科學(xué)與工程方法論材料結(jié)構(gòu)性能與表征的因果關(guān)系第一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

材料科學(xué)與工程的整體觀

材料結(jié)構(gòu)、性能與表征的因果關(guān)系

材料設(shè)計(jì)與制備的統(tǒng)一性四

方法論概述一三五提綱六

環(huán)境、能源、信息、軍工、鐵道材料的發(fā)展觀

材料科學(xué)與工程研究的客觀規(guī)律性二第二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

四、材料結(jié)構(gòu)、性能與表征的因果關(guān)系第三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、材料的結(jié)構(gòu)與性能核心關(guān)系其核心是圍繞:“結(jié)構(gòu)與性能”的相互辯證關(guān)系第四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、材料的結(jié)構(gòu)與性能組織結(jié)構(gòu)材料性能第五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、材料的結(jié)構(gòu)與性能材料的合成與制備：研究獲取材料的手段，以工藝技術(shù)的進(jìn)步為標(biāo)志；成分與組織結(jié)構(gòu)：反映材料的本質(zhì)，是認(rèn)識(shí)材料的理論基礎(chǔ)；材料特性：表征了材料固有的性能，是選用材料的重要依據(jù)；服役行為與使用壽命：與材料的加工和服役條件相結(jié)合來(lái)考察材料的使用壽命，它往往成為MSE的最終目標(biāo)。合成與制備材料特性成分與組織結(jié)構(gòu)服役行為與壽命第六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日1、材料的結(jié)構(gòu)與性能化學(xué)成分組成制備加工工藝組織結(jié)構(gòu)性能結(jié)構(gòu)表征與性能檢測(cè)工作條件第七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

定義：

表明材料的組元及其排列和運(yùn)動(dòng)方式。

(1)組元：一般用材料中原子的種類和數(shù)量來(lái)表示成分，原子種類叫組元。

(2)排列方式：組元間的排列方式取決于組元間的結(jié)合類型。

(3)運(yùn)動(dòng)方式：用文字描述或參量來(lái)表達(dá)原子(或分子)及電子的運(yùn)動(dòng)。

結(jié)構(gòu)的測(cè)定：通過(guò)人眼來(lái)確定。具有以下特點(diǎn)：

(1)籍助于可見(jiàn)光入射在材料的斷面上；

(2)從反射光獲得斷口的圖象；

(3)從已有的知識(shí)對(duì)圖象進(jìn)行判斷，作出結(jié)論；

(4)分辨能力約0.1mm；

(5)斷面上的外來(lái)物質(zhì)或其它環(huán)境因素對(duì)于圖象及判斷可以有干擾。2、材料的結(jié)構(gòu)第八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

材料的晶體結(jié)構(gòu)：

(1)金屬的晶體結(jié)構(gòu)：

a.典型的晶體結(jié)構(gòu)在金屬元素中，約90%以上的金屬晶體結(jié)構(gòu)屬于如下三種密排的晶格形式：體心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)密排六方(h.c.p)

body-centeredcubicface-centeredcubichexagonalclose-packed2、材料的結(jié)構(gòu)第九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日b.實(shí)際的晶體結(jié)構(gòu)◆點(diǎn)缺陷：是一種在三維空間各個(gè)方向上尺寸都很小，尺寸范圍約為一個(gè)或幾個(gè)原子間距的缺陷。如空位(正常晶格結(jié)點(diǎn)上，未被原子占有而空著的位置)、間隙(不占有正常的晶格位置，而處在晶格間隙中的多余原子)、置換原子(置換晶格結(jié)點(diǎn)上的原子，占據(jù)正常結(jié)點(diǎn))。

空位置換原子間隙原子點(diǎn)缺陷的存在，原子間作用力的平衡被破壞，周圍其它原子發(fā)生靠攏或撐開(kāi)的不規(guī)則排列，此變化為晶格畸變。2、材料的結(jié)構(gòu)第十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日◆線缺陷：是在三維空間兩維方向尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對(duì)較大的缺陷。如位錯(cuò)。位錯(cuò)：是晶體中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。位錯(cuò)對(duì)材料的強(qiáng)度理論有很大貢獻(xiàn)?！裘嫒毕荩菏窃谌S空間一維方向上尺寸很小，另外兩維方向上尺寸較大的缺陷。主要是晶界和亞晶界。多晶體中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界處原子排列不一致，存在一個(gè)過(guò)渡層，即晶界。實(shí)際晶體中，這三種缺陷隨加工條件變化而變化，可產(chǎn)生、發(fā)展，也可消失，對(duì)材料性能有很大影響。2、材料的結(jié)構(gòu)第十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)非金屬的晶體結(jié)構(gòu)a.陶瓷的組織結(jié)構(gòu)：陶瓷：是由金屬和非金屬的無(wú)機(jī)化合物所構(gòu)成的多晶固體物質(zhì)，實(shí)際上是各種無(wú)機(jī)非金屬材料的總稱。晶體結(jié)構(gòu)：以離子鍵為主的離子晶體(呈晶態(tài))

以共價(jià)鍵為主的共價(jià)晶體(呈非晶態(tài))

組織：晶相：是主要組成相。

(主晶相、次晶相、第三晶相)材料的性能取決于主晶相。玻璃相：高溫?zé)Y(jié)時(shí)各組成物與雜質(zhì)反應(yīng)后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì)。其作用是將分散的晶相粘結(jié)在一起，抑制晶粒長(zhǎng)大，填充氣孔。

缺點(diǎn)：強(qiáng)度低、熱穩(wěn)定性差，應(yīng)控制在一定范圍。(20~40%)

氣相：即材料中的氣孔，使性能下降。

(若要求材料密度小，絕熱性好，則希望一定氣相)2、材料的結(jié)構(gòu)第十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日b.高分子材料的結(jié)構(gòu)：

高分子材料：以高分子化合物為主要組分的材料。高分子化合物是分子中含原子數(shù)很多，分子量很大的物質(zhì)。高分子亦稱大分子，高分子化合物又稱高聚物或聚合物。結(jié)構(gòu)：大分子鏈的組成：非金屬或非金屬元素組成。大分子鏈的構(gòu)型：即高聚物結(jié)構(gòu)單元的排列順序和連接方式。

大分子鏈的形態(tài)：線型結(jié)構(gòu)：整個(gè)分子呈細(xì)長(zhǎng)線條狀支鏈型結(jié)構(gòu)：主鏈上有一些或長(zhǎng)或短支鏈體型結(jié)構(gòu)：在空間呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。大分子鏈的構(gòu)象：由于單鍵內(nèi)旋引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象。

柔性鏈、剛性鏈高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：晶性高聚物：排列規(guī)則有序無(wú)定性高聚物：排列規(guī)則無(wú)序

2、材料的結(jié)構(gòu)第十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

相：

(1)

定義：具有相同的物理或化學(xué)性能并與該系統(tǒng)的其余部分以界面分開(kāi)的物質(zhì)部分。(具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開(kāi)的、均勻的組成部分)

(2)相的結(jié)構(gòu)類型：固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組元的晶體結(jié)構(gòu)相同；金屬化合物：相的晶體結(jié)構(gòu)與組元的晶體結(jié)構(gòu)均不相同

(3)固溶體：

置換固溶體間隙固溶體2、材料的結(jié)構(gòu)第十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日(4)金屬化合物(金屬間化合物)：是指合金組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的新相。此新相可能是另一種固溶體，也可能是一種晶格類型和性能完全不同于任一合金組元的化合物。

a.特點(diǎn)：具有一定的金屬性質(zhì)；熔點(diǎn)高、硬而脆，塑性、韌性不高。

b.種類：正常價(jià)化合物：符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定，可用化學(xué)式表示。Mg2Si

電子化合物：不遵守原子價(jià)規(guī)律，服從電子濃度規(guī)律；間隙化合物：過(guò)渡族金屬元素與C、N、H、B等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。

顯微組織：材料中各相及更微觀組元(化學(xué)或幾何學(xué)的)的形貌及含量所構(gòu)成的圖象。(顯微鏡下所觀察到的金屬中的各種晶粒的大小、形態(tài)和分布)2、材料的結(jié)構(gòu)第十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

金屬的加工工藝與結(jié)構(gòu)、性能的關(guān)系金屬塑性變形后的組織結(jié)構(gòu)與性能(1)塑性變形后金屬的組織結(jié)構(gòu)：

a.顯微組織的變化：形成“纖維組織”；

b.亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化：位錯(cuò)纏結(jié)、晶粒破碎；

c.織構(gòu)現(xiàn)象的產(chǎn)生：織構(gòu)：在塑性變形過(guò)程中，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)變形量達(dá)到一定程度(70~90%以上)時(shí)，會(huì)使絕大部分晶粒的某一位向與外力方向趨于一致。缺陷：制耳；優(yōu)點(diǎn)：使硅鋼片的特定晶界、晶向平行于磁力線方向，提高導(dǎo)磁率，減小磁滯耗損。2、材料的結(jié)構(gòu)第十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)塑性變形后金屬的性能：a.力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度↗，塑性、韌性↘殘余應(yīng)力：材料經(jīng)塑性變形后殘存在內(nèi)部的應(yīng)力。其產(chǎn)生是由于金屬內(nèi)部各區(qū)域變形不均勻所致；可分為三種：宏觀殘余應(yīng)力(第一類內(nèi)應(yīng)力)：由宏觀變形不均勻引起，使工件變形；微觀殘余應(yīng)力(第二類內(nèi)應(yīng)力)：由晶?；騺喚Яｉg變形不均勻引起，使工件內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋晶格畸變應(yīng)力(第三類內(nèi)應(yīng)力)：由晶格畸變引起，使工件強(qiáng)度、硬度↗，塑性、抗蝕性↘。b.理化性能：電阻率↗；電阻溫度系數(shù)↘；導(dǎo)磁率↘；導(dǎo)熱率↘；腐蝕↗。2、材料的結(jié)構(gòu)第十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日變形金屬加熱后的組織結(jié)構(gòu)與性能

(1)回復(fù)：把經(jīng)過(guò)冷變形的金屬加熱時(shí)，在顯微組織發(fā)生變化前所發(fā)生的一些亞結(jié)構(gòu)的改變過(guò)程稱為回復(fù)。特點(diǎn)：a.顯微組織沒(méi)有明顯變化；

b.力學(xué)性能變化不大；

c.殘余應(yīng)力顯著降低；

d.理化性能基本恢復(fù)到變形前情況。應(yīng)用：低溫去應(yīng)力退火(如深沖黃銅彈殼，會(huì)自動(dòng)變形，甚至開(kāi)裂，需經(jīng)2600℃左右的去應(yīng)力退火)。

2、材料的結(jié)構(gòu)第十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)再結(jié)晶：變形金屬加熱到較高溫度時(shí)，由于原子擴(kuò)散能力增加，在晶格畸變嚴(yán)重處形成一些位向與變形晶粒不同，內(nèi)部缺陷減少的等軸小晶粒，這些小晶粒不斷向外擴(kuò)展長(zhǎng)大，直至金屬中的變形金屬全部被等軸晶取代，即冷變形組織完全消失，這一過(guò)程為再結(jié)晶。

a.變形金屬的再結(jié)晶：位錯(cuò)密度↘，強(qiáng)度、硬度↘，塑性、韌性↗，內(nèi)應(yīng)力消除。

b.再結(jié)晶溫度：開(kāi)始產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象的最低溫度；工業(yè)條件下定義：經(jīng)大變形量(~70%以上)的金屬，在一小時(shí)的保溫時(shí)間內(nèi)全部完成再結(jié)晶所需的最低溫度。影響因素：預(yù)先變形程度加熱速度與保溫時(shí)間原始晶粒度

金屬純度及成分2、材料的結(jié)構(gòu)第十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日(3)晶粒長(zhǎng)大：再結(jié)晶后，形成等軸晶，若T↗，或t↗，則d↗。

a.是一個(gè)自發(fā)過(guò)程：d↗，晶界面積↘，表面能↘，是一個(gè)能量降低的自發(fā)過(guò)程。

b.實(shí)質(zhì)：晶界遷移。一個(gè)晶界的邊界向另一晶粒遷移，把另一晶粒中的晶格位向逐步地改變成為與這個(gè)晶粒相同的晶格位向，于是另一晶粒便逐步地被這一晶?！巴滩ⅰ?，合并成為一個(gè)大晶粒。

c.正常長(zhǎng)大與異常長(zhǎng)大：正常長(zhǎng)大：再結(jié)晶后的晶粒細(xì)而均勻，長(zhǎng)大時(shí)均勻；異常長(zhǎng)大：再結(jié)晶后的晶粒大小不均勻，大晶粒吞并小晶粒，形成異常粗大的晶粒。(二次再結(jié)晶)2、材料的結(jié)構(gòu)第二十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、材料的性能

材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特質(zhì)或本性；功能是人們對(duì)材料的某種期待與要求或某種可以承擔(dān)的功效，以及承擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。材料的性能

使用性能

工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能鑄造性可鍛性可焊性切削加工性熱處理性第二十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

力學(xué)性能：

材料在不同環(huán)境（溫度、介質(zhì)、濕度）下，承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)特征。常用的力學(xué)性能：脆性：材料在損壞之前沒(méi)有發(fā)生塑性變形的一種特性。它與韌性和塑性相反。脆性材料沒(méi)有屈服點(diǎn)，有斷裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，并且二者幾乎一樣。強(qiáng)度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力。它可以定義為比例極限、屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。沒(méi)有一個(gè)確切的單一參數(shù)能夠準(zhǔn)確定義這個(gè)特性。塑性：金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。塑性變形發(fā)生在金屬材料承受的應(yīng)力超過(guò)彈性極限并且載荷去除之后，此時(shí)材料保留了一部分或全部載荷時(shí)的變形。硬度：金屬材料表面抵抗比他更硬的物體壓入的能力。韌性：金屬材料在拉應(yīng)力的作用下，在發(fā)生斷裂前有一定塑性變形的特性。疲勞強(qiáng)度：材料零件和結(jié)構(gòu)零件對(duì)疲勞破壞的抗力。彈性：金屬材料在外力消失時(shí)，能使材料恢復(fù)原先尺寸的一種特性。伸長(zhǎng)率：材料在拉應(yīng)力或壓應(yīng)力的作用下，材料斷裂前承受一定塑性變形的特性。剛性：金屬材料承受較高應(yīng)力而沒(méi)有發(fā)生很大應(yīng)變的特性。剛性的大小通過(guò)測(cè)量材料的彈性模量E來(lái)評(píng)價(jià)。屈服點(diǎn)或屈服應(yīng)力：金屬的應(yīng)力水平，用MPa度量。在屈服點(diǎn)以上，當(dāng)外來(lái)載荷撤除后，金屬的變形仍然存在，金屬材料發(fā)生了塑性變形。3、材料的性能第二十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日材料在外力的作用下將發(fā)生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去處后能夠恢復(fù)的變形稱為彈性變形。外力去處后不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形。五萬(wàn)噸水壓機(jī)3、材料的性能第二十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日低碳鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力

=P/F0應(yīng)變

=(l-l0)/l03、材料的性能第二十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日彈性和剛度彈性：指標(biāo)為彈性極限e，即材料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模量E。e彈性模量的大小主要取決于材料的本性，除隨溫度升高而逐漸降低外，其他強(qiáng)化材料的手段如熱處理、冷熱加工、合金化等對(duì)彈性模量的影響很小?？梢酝ㄟ^(guò)增加橫截面積或改變截面形狀來(lái)提高零件的剛度。

3、材料的性能第二十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

陶瓷強(qiáng)度的測(cè)定：

a.彎曲強(qiáng)度：三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲方法；

b.抗拉強(qiáng)度：測(cè)定時(shí)技術(shù)上有一定難度，常用彎曲強(qiáng)度代替，彎曲強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高

20~40%；

c.抗壓強(qiáng)度：遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，相差10倍左右，特別適合于制造承受壓縮載荷作用的零部件。

3、材料的性能第二十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日強(qiáng)度與塑性強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力。

屈服強(qiáng)度s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。

條件屈服強(qiáng)度0.2：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。

抗拉強(qiáng)度b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。s0.23、材料的性能第二十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日塑性：材料受力破壞前可承受最大塑性變形的能力。

指標(biāo)為：

伸長(zhǎng)率：斷面收縮率：斷裂后拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象3、材料的性能第二十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日硬度材料抵抗表面局部塑性變形的能力。布氏硬度HB布氏硬度計(jì)3、材料的性能第二十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日洛氏硬度h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度用符號(hào)HR表示，HR=k-(h1-h0)/0.002根據(jù)壓頭類型和主載荷不同，分為九個(gè)標(biāo)尺，常用的標(biāo)尺為A、B、C。

3、材料的性能第三十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日維氏硬度用符號(hào)HV表示，符號(hào)前的數(shù)字為硬度值，后面的數(shù)字按順序分別表示載荷值及載荷保持時(shí)間。根據(jù)載荷范圍不同，規(guī)定了三種測(cè)定方法—維氏硬度試驗(yàn)、小負(fù)荷維氏硬度試驗(yàn)、顯微維氏硬度試驗(yàn)。維氏硬度保留了布氏硬度和洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)。小負(fù)荷維氏硬度計(jì)顯微維氏硬度計(jì)3、材料的性能維氏硬度第三十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日斷裂：含裂紋體承載達(dá)到臨界值時(shí)，致使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，最終產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。

斷裂的基本形式：延性斷裂和脆性斷裂

斷裂機(jī)理：

(1)微孔集結(jié)斷裂(韌性斷裂)

斷口上出現(xiàn)拋物線型的韌窩，主要是金屬和高聚物的斷裂機(jī)理；

(2)解理斷裂(脆性斷裂)

是一種低能量斷裂，也是晶體材料中最脆的一種斷裂；沿晶體中解理面斷開(kāi)原子鍵而引起的斷裂，非常平坦，一晶粒內(nèi)的解理裂紋具有平直性；一個(gè)晶粒內(nèi)的一條解理裂紋可同時(shí)在兩個(gè)平行的解理面上擴(kuò)展，形成解理臺(tái)階。(3)晶界斷裂裂紋擇優(yōu)沿晶界擴(kuò)展而引起的斷裂；也是一種低能量脆性斷裂，斷口呈現(xiàn)顆粒狀形貌。3、材料的性能第三十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、材料的性能第三十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

韌性：

是強(qiáng)度和塑性的綜合表現(xiàn)，是材料從塑性變形到斷裂全過(guò)程中吸收能量的能力。

強(qiáng)度：材料在外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力。塑性：材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的能力。常以延伸率和斷面收縮率來(lái)表征。

3、材料的性能第三十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

圖中為單向拉伸條件下兩種鋼光滑試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。單位體積材料的彈性應(yīng)變能(Uoe)為：

式中，σp為比例極限，εp為對(duì)應(yīng)于σp的彈性應(yīng)變，E為彈性模量。

Uoe也就是△OAB(或△OA’B’)的面積，表示彈性。

同樣，用單位體積材料在變形和斷裂全過(guò)程中吸收的能量(UOT)表示韌性，也可用單位體積材料在塑性變形和斷裂全過(guò)程中吸收的能量(Uop)表示韌性，一般用UOT表示韌性。

3、材料的性能第三十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

高碳彈簧鋼：Uoe=面積OABUop=面積BACDUoT=面積OACD

低碳結(jié)構(gòu)鋼：Uoe=面積OA’B’Uop=面積B’A’C’D’UoT=面積OA’C’D’

由于UoT=Uoe+Uop

當(dāng)斷裂時(shí)的應(yīng)變?chǔ)舊遠(yuǎn)大于εe時(shí)，UoT≈Uop，韌性的兩種定義近似一致。

圖中兩種鋼的彈性模量相同，但高碳彈簧鋼的σp及對(duì)應(yīng)的εe較大，故彈性較大，在彈性范圍內(nèi)能貯存的彈性應(yīng)變能較多，有較大的回彈力。其抗拉強(qiáng)度σb雖大于低碳結(jié)構(gòu)鋼，但εf卻遠(yuǎn)小于低碳結(jié)構(gòu)鋼，綜合σb及εf，高碳彈簧鋼的韌性低于低碳結(jié)構(gòu)鋼。3、材料的性能第三十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日韌性的劃分：

(1)光滑試樣——如上圖所示，用應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積大小來(lái)表征韌性的高低；

(2)缺口試樣——工程上慣用沖擊韌性，即沖斷給定缺口試樣所消耗的功，或試樣在沖擊條件下從形變到斷裂全過(guò)程所吸收的能量。有αk及Cv，分別為U形和V形缺口。

(3)裂紋試樣——對(duì)于平面應(yīng)變條件有GIC及JIC，分別為線彈性及彈塑性范圍內(nèi)裂紋擴(kuò)展單位面積所需的能量。對(duì)于直線穿透型裂紋沿裂紋面擴(kuò)展時(shí)，有：

裂紋試樣的韌性俗稱斷裂韌性，實(shí)質(zhì)上是裂紋斷裂韌性。3、材料的性能第三十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日沖擊韌性是指材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。指標(biāo)為沖擊韌性值ak(通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)得)。3、材料的性能第三十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日韌脆轉(zhuǎn)變溫度材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)沖擊韌性值急劇下降的現(xiàn)象稱韌脆轉(zhuǎn)變。發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱韌脆轉(zhuǎn)變溫度。材料的使用溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變溫度。韌體心立方金屬具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而大多數(shù)面心立方金屬?zèng)]有。3、材料的性能第三十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日TITANIC建造中的Titanic號(hào)TITANIC的沉沒(méi)與船體材料的質(zhì)量直接有關(guān)3、材料的性能Titanic近代船用鋼板Titanic號(hào)鋼板（左圖）和近代船用鋼板（右圖）的沖擊試驗(yàn)結(jié)果第四十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

疲勞強(qiáng)度：

被測(cè)材料抵抗交變載荷的性能。疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。材料在規(guī)定次數(shù)應(yīng)力循環(huán)后仍不發(fā)生斷裂時(shí)的最大應(yīng)力稱為疲勞極限。用-1表示。鋼鐵材料規(guī)定次數(shù)為107，有色金屬合金為108。疲勞應(yīng)力示意圖疲勞曲線示意圖3、材料的性能疲勞曲線：交變應(yīng)力σ與交變次數(shù)N的關(guān)系第四十一頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日疲勞斷口通過(guò)改善材料的形狀結(jié)構(gòu)，減少表面缺陷，提高表面光潔度，進(jìn)行表面強(qiáng)化等方法可提高材料疲勞抗力。軸的疲勞斷口疲勞輝紋（掃描電鏡照片）3、材料的性能◆特點(diǎn)1：無(wú)論是脆性材料，還是塑性材料，疲勞斷裂均不產(chǎn)生明顯的塑性變形；特點(diǎn)2：裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展區(qū)呈“貝殼”花樣，最后斷裂區(qū)呈纖維狀或結(jié)晶狀。第四十二頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

阻尼及阻尼性能材料的阻尼：是一種材料內(nèi)部所引起的對(duì)于振動(dòng)能量的消耗，即“內(nèi)耗”。內(nèi)耗的來(lái)源是由于材料內(nèi)部有缺陷或不均勻結(jié)構(gòu)存在。阻尼性能：

材料能夠很快地壓抑機(jī)械振動(dòng)的性能就是材料的阻尼性能。

3、材料的性能第四十三頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日材料表現(xiàn)出來(lái)的密度、熔點(diǎn)、熱膨脹(系數(shù))性、導(dǎo)電性、磁學(xué)及光學(xué)等性能。

物理性能3、材料的性能

磁學(xué)性能鐵電性能超導(dǎo)電性能光學(xué)性能第四十四頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3、材料的性能

磁學(xué)性能材料磁性的來(lái)源與分類：(1)原子磁矩：由電子軌道運(yùn)動(dòng)磁矩、電子自轉(zhuǎn)磁矩及原子核磁矩組成。材料中原子的電子態(tài)和磁性與孤立的原子相比發(fā)生了變化，晶體電場(chǎng)效應(yīng)也引起材料中電子態(tài)發(fā)生變化。

(2)材料磁性概述和分類：a.概述：材料在外磁場(chǎng)中恒被磁化而獲得磁矩，單位體積的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M，磁化強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比值稱為磁化率χ。b.分類：抗磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性及亞鐵磁性。前三種磁性很弱，χ約為10-3~10-6。后兩種為強(qiáng)磁性，χ約為10~106。

①抗磁性：物質(zhì)的磁化率為負(fù)，其磁化強(qiáng)度M與磁場(chǎng)H反向，大多數(shù)有機(jī)和無(wú)機(jī)材料均呈現(xiàn)抗磁性。②順磁性：物質(zhì)的磁化率為正，M與H同向。③反鐵磁性：物質(zhì)的磁化率為正，但很弱，約為10-3。④鐵磁性和亞鐵磁性：材料都有磁有序相變點(diǎn)(居里點(diǎn)Tc)，當(dāng)溫度高于Tc時(shí)，呈順磁性，當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，呈鐵磁性或亞鐵磁性，均為強(qiáng)磁性。

第四十五頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

幾個(gè)概念：

矯頑力(Hc)：表征材料抵抗退磁作用的本領(lǐng)。磁疇：鐵磁體，包含許多自發(fā)磁化的區(qū)域，由于它們的磁化方向各異，因此總的磁化強(qiáng)度為零，這種自發(fā)磁化的區(qū)域即為磁疇。磁滯伸縮：強(qiáng)磁體被磁場(chǎng)磁化時(shí)，其形狀和體積隨之變化。磁性材料：具有強(qiáng)磁性的材料。軟磁材料：指那些容易反復(fù)磁化，在外磁場(chǎng)去掉后容易退磁的材料。具有高磁導(dǎo)率和低矯頑力。

硬磁材料：指那些難以磁化，且除去外場(chǎng)后仍能保留高的剩余磁化強(qiáng)度的材料。具有高矯頑力，不易退磁，在磁路不閉合時(shí)仍可保持較高的剩磁，提供應(yīng)用所需的磁場(chǎng)或磁矩。(永磁材料)強(qiáng)磁材料按組成與結(jié)構(gòu)分類：?jiǎn)钨|(zhì)：只有金屬呈現(xiàn)強(qiáng)磁性，3個(gè)過(guò)渡族鐵磁金屬鐵、鈷、鎳，具有高于室溫的居里溫度，獲得廣泛應(yīng)用。6個(gè)稀土金屬有強(qiáng)磁轉(zhuǎn)變。合金：以鐵磁元素為基的合金和非鐵磁元素構(gòu)成的鐵磁合金。非金屬氧化物：包括鐵氧體(如磁鐵礦Fe3O4)、強(qiáng)磁化合物(如EuO、CrO2)。非晶強(qiáng)磁合金：即金屬玻璃。3、材料的性能第四十六頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日夠鐵電體是電介質(zhì)的一個(gè)亞類，其基本特征是具有自發(fā)電極化并且這種電極化可以在外電場(chǎng)作用下改變方向。電介質(zhì)的極化與鐵電性：導(dǎo)電材料：以電荷長(zhǎng)程遷移即傳導(dǎo)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)。電介質(zhì)：以感應(yīng)的方式對(duì)外電場(chǎng)作出響應(yīng)，即沿電場(chǎng)方向產(chǎn)生電偶極矩或電偶極矩的改變，此現(xiàn)象為電介質(zhì)的極化，此材料為電介質(zhì)。電介質(zhì)的極化：在外電場(chǎng)的作用下，呈電中性的電介質(zhì)由于正、負(fù)電荷重心不重合而產(chǎn)生感應(yīng)電偶極矩的過(guò)程。鐵電性：具有自發(fā)電極化并且這種電極化可以在外電場(chǎng)作用下改變方向。鐵電性能3、材料的性能第四十七頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日

超導(dǎo)電性能

歷史：1911年荷蘭低溫物理學(xué)家H.K.Onnes發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)從特定的溫度開(kāi)始會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珱](méi)有電阻的狀態(tài)，這就是超導(dǎo)(電)現(xiàn)象。這些超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度不超過(guò)23.2K，即必須用液氦冷卻才會(huì)出現(xiàn)(低溫超導(dǎo)體)。1986年G.Bednorz和K.A.Muller發(fā)現(xiàn)某些稀土元素的氧化物是超導(dǎo)體，其轉(zhuǎn)變溫度在30K以上，稱高溫超導(dǎo)體。(有的高溫超導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到135K)。

基本特征：(1)零電阻效應(yīng)：超低溫下超導(dǎo)體的電阻為零；Tc：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，即臨界溫度。(2)邁斯納效應(yīng)：處于超導(dǎo)態(tài)的物質(zhì)完全排斥磁場(chǎng)，即磁力線不能進(jìn)入超導(dǎo)體內(nèi)部，稱為完全抗磁性或邁斯納效應(yīng)。

(3)超導(dǎo)體的臨界參數(shù)：溫度低于Tc時(shí)，當(dāng)磁場(chǎng)值超過(guò)某一臨界值Hc時(shí)，材料從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Hc稱為臨界磁場(chǎng)。溫度低于Tc時(shí)，當(dāng)樣品的電流密度J超過(guò)某一臨界值Jc時(shí)，材料從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，Jc稱為臨界電流密度。把Tc、Hc、Jc稱為超導(dǎo)體的三個(gè)臨界參數(shù)。3、材料的性能第四十八頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日第二類超導(dǎo)體：高臨界參數(shù)(高Tc、高Hc和高Jc)的超導(dǎo)體，如Nb3--Sn，有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)：下臨界場(chǎng)Hc1和上臨界場(chǎng)Hc2，當(dāng)磁場(chǎng)小于Hc1時(shí)，完全處于邁斯納態(tài)，當(dāng)磁場(chǎng)大于Hc2時(shí)，完全恢復(fù)正常態(tài)，當(dāng)磁場(chǎng)介于Hc1和Hc2之間時(shí)，處于“混合態(tài)”，將只存在一個(gè)臨界場(chǎng)的超導(dǎo)體稱為第一類超導(dǎo)體，將存在兩個(gè)臨界場(chǎng)的超導(dǎo)體稱為第二類超導(dǎo)體。

超導(dǎo)隧道效應(yīng)(約瑟夫森效應(yīng))：

弱連接超導(dǎo)體(兩塊超導(dǎo)體中間夾一塊納米厚度的絕緣膜，形成超導(dǎo)層-絕緣層-超導(dǎo)層，由于中間的絕緣層較薄，使它兩側(cè)的超導(dǎo)體在電磁性質(zhì)上弱耦合在一起)，當(dāng)有一個(gè)很小的電流從一個(gè)超導(dǎo)體穿過(guò)絕緣層而流到另一個(gè)超導(dǎo)體時(shí)，如果電流很小，沒(méi)有超過(guò)這種結(jié)構(gòu)的臨界電流，則兩側(cè)的超導(dǎo)體層間沒(méi)有電壓，整個(gè)弱連接超導(dǎo)體呈現(xiàn)零電阻性。兩超導(dǎo)體中間的絕緣層也能讓超導(dǎo)電流通過(guò)和現(xiàn)象叫超導(dǎo)隧道效應(yīng)。3、材料的性能第四十九頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日光學(xué)性能

光優(yōu)于電子的特點(diǎn)：光在介電材料中的傳播速度遠(yuǎn)高于電子在金屬導(dǎo)線中的傳播速度，光可以攜帶更多的信息；介電材料的帶寬遠(yuǎn)大于金屬；光子間不像電子間具有很強(qiáng)的相互作用，有助于降低能量損耗。

光波在光纖中的傳播：

光纖即光導(dǎo)纖維，是由低損耗材料制成的其結(jié)構(gòu)類似于同軸電纜的圓形介質(zhì)波導(dǎo)：內(nèi)芯是一種較高折射率的材料，周圍是另一種較低折射率的材料構(gòu)成的包層，最外層是保護(hù)層。(1)光纖的分類：階躍型折射率光纖和梯度型折射率光纖。階躍型折射率光纖，內(nèi)芯和包層間折射率的過(guò)渡是階躍的；梯度型折射率光纖，折射率的分布為從中心軸線沿徑向逐漸減小。材料：石英光纖、多組分玻璃光纖、塑料光纖、紅外光纖、紫外光纖和有源光纖等。3、材料的性能第五十頁(yè)，共五十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日(2)光纖的傳光特性和集光本領(lǐng)：物理基礎(chǔ)是全內(nèi)反射。(3)光纖的色散與損耗：色散影響光通信系統(tǒng)的傳輸容量和誤碼率，而損耗影響傳輸距離。色散種類：材料色散，本身折射率隨頻率變化，導(dǎo)致不同的頻率分量的傳播速度的不同而產(chǎn)生色散；

波導(dǎo)色散，依賴于光纖芯徑與波長(zhǎng)的比值，與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān)；

模色散，適于多模色散。損耗是光波在傳輸過(guò)程中由于某種或某些因素所致的衰減。光纖中的損耗主要有吸收損耗和散射損耗。

光的發(fā)射：光發(fā)射目前主要是通過(guò)激光器實(shí)現(xiàn)的。激光的特點(diǎn)：(1)方向性好，亮度高，能量集中，可在微米級(jí)圓斑內(nèi)產(chǎn)生幾萬(wàn)乃至幾百萬(wàn)度的高溫；(2)單色性好，譜線寬度小于10-7；(3)相干線好，即相干長(zhǎng)度很長(zhǎng)，激光束的相干長(zhǎng)度比普通光束要長(zhǎng)數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍；