材料科学与工程导论第二章

第二章 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料的基本性能 第一节材料的力学性能 第二节材料的物理、化学性能 第三节不同种类材料的主要性能比较第一节材料的力学性能 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。 弹性性能　材料在外力作用下发生变形，如果外力不超过某个限度，在外力卸除后恢复原状。材料的这种性能称为弹性。外力卸除后即可消失的变形，称为弹性变形。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示材料在静载荷、常温下弹性性能的一些主要参量可以通过拉伸试验进行测定。 拉伸试样常制成圆截面或矩形截面棒体,l为标距,d为圆形试样的直径,h和t分别为矩形截面试样的宽度和厚度,图中截面形状用阴影表示,面积记为A。长度和横向尺寸的比例关系也有如下规定：对于圆形截面试样,规定l=10d或l=5d；对于矩形截面试样,按照面积换算规定或者。试样两端的粗大部分用以和材料试验机的夹头相连接。试验结果通常绘制成拉伸图或应力－应变图。图2-2为低碳钢的拉伸图,横坐标表示试样的伸长量Δl(或应变ε=Δl/l)，纵坐标表示载荷P（或应力σ＝P/A）。图中的曲线从原点到点p为直线，pe段为曲线，载荷不大于点e所对应的值时,卸载后试样可恢复原状。反映材料弹性性质的参量有比例极限、弹性极限、弹性模量、剪切弹性模量和泊松比等。图2-1图2-2 比例极限　应力和应变成正比例关系的最大应力称为比例极限，即图中点p所对应的应力,以σp表示。在应力低于σp的情况下，应力和应变保持正比例关系的规律叫胡克定律。载荷超过点p对应的值后,拉伸曲线开始偏离直线。 弹性极限　试样卸载后能恢复原状的最大应力称为弹性极限，即图中点e所对应的应力,以σe表示。若在应力超出σe后卸载，试样中将出现残余变形。　　比例极限和弹性极限的测试值敏感地受测试精度的影响，并不易测准，所以在有关 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 中规定，对于拉伸曲线的直线部分产生规定偏离量（用切线斜率的偏差表示）的应力作为"规定比例极限"。对于弹性极限，规定以产生某一微量残余变形对应的应力作为"规定弹性极限"，例如，以产生0.01％残余变形所对应的应力为规定弹性极限,记为σ。实际上，比例极限和弹性极限很接近。 弹性模量材料在弹性变形阶段内,应力和应变的比值称为弹性模量。以E表示弹性模量，则E=σ/ε或σ＝Eε。因英国的T.杨首先给出弹性模量的定义，所以弹性模量又称杨氏模量。 　　剪切弹性模量　处在剪切弹性变形阶段的材料中剪应力τ和剪应变γ也存在正比例关系，其比值称为剪切弹性模量，简称剪切模量。以G表示剪切弹性模量，则G＝τ/γ或τ＝Gγ。 泊松比　材料沿载荷方向产生伸长（或缩短）变形的同时，在垂直于载荷的方向会产生缩短（或伸长）变形。垂直方向上的应变ε1与载荷方向上的应变ε之比的负值称为材料的泊松比。以v表示泊松比，则v＝-ε1/ε。在材料弹性变形阶段内，v是一个常数。理论上,材料的三个弹性常数E、G、v中，只有两个是独立的,因为它们之间存在如下关系： 　　　　　　　　　G＝E/2(1＋v)。 塑性性能　载荷卸除后不能消失的变形称为残余变形。材料保持残余变形的能力称为塑性，因而残余变形又称为塑性变形。反映材料塑性性能的参量有屈服极限、延伸率和断面收缩率等。此外，与塑性性能有关的现象有材料的强化现象和拉伸试样的颈缩现象。若加载在材料中引起的应力超过σe，则卸载后有一部分变形不能消失，这种变形就是塑性变形。 屈服极限　在拉伸试验中，若试样中的应力到达图2-2中y点所对应的值，即使载荷不再增大，试样仍继续伸长，因而在拉伸曲线上出现一水平段（ys段），这种现象称为屈服或流动。屈服现象是由于金属中晶体的滑移造成的。曲线上点y的应力值σy称为材料的屈服极限,也称流动极限。对于无屈服现象的材料，工程上规定，用对应于0.2％塑性变形量的应力作为"规定屈服极限"，常称为屈服强度，记为σ0.2。 强化　屈服阶段结束后，拉伸曲线又呈上升状，即要使试样继续变形，就须增大载荷，这种现象称为材料强化。图2-2中sB段曲线为强化阶段。在点B以前，试样的塑性变形是各处均匀的，点B对应于载荷最大值,其值Pb除以试样原横截面积A,所得的应力称为材料的强度极限，以σb表示，即σb=Pb/A。 　 冲击功　使试样在冲击载荷下破断所必须的有效功，通常由冲击试验求得。试验中所用的带缺口的标准冲击试样和冲击试验机如图2-3和图2-4所示。试验中摆锤冲断试样过程中所作的功就是冲击功AK，其值为：　　　　　　　　　　　　 AK=W(H1-H2) 式中W为摆锤重量;H1为摆锤开始下落时的高度;H2为试样冲断后摆锤摆起的高度。除了标准的冲击试样外,有时也用非标准试样，它们主要是缺口的形式有些不同。对于某些脆性材料，常采用无缺口冲击试样。在研究工作中，有时还采用拉伸冲击试验和扭转冲击试验。图2-3图2-4第二节材料的物理、化学性能 一、材料的物理性能 1.材料的电学性能 材料的电学性能首先是材料的导电性，它与材料的结构、组织、成分等因素有关。 （1）电阻率与电导率 电阻率是微观水平上阻碍电流流动的度量； 电导率是电阻率的倒数。 （2）超导电性 在一定的低温条件下材料突然失去电阻的现象为超导电性。 超导体的基本特性： 完全导电性； 完全抗磁性（迈斯纳效应）。 超导体的性能指标： 临界转变温度； 临界磁场； 临界电流密度。（3）影响材料导电性的因素1）金属电阻率随温度升高而增大；2）冷塑性变形使金属的电阻率增大；3）合金化对导电性有显著影响。2.材料的磁学性能(1）磁化率和磁导率材料磁性的本源是材料内部电子的循环和自旋运动，就是由于电子的这些运动产生了物质的磁性。 在受磁场的作用下，由于材料中磁矩排列时取向趋于一致而呈现出的磁性，这种现场称为磁化。 凡是能被磁化的物质称为磁质或磁介质。 磁感强度是指通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数。 （2)抗磁性与顺磁性 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性； 材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性。 根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁性材料；使磁场略有增强的物质为顺磁性材料；使磁场强烈增加的物质称为铁磁性材料。 （3）磁化曲线和磁滞回线 3.材料的热学性能 材料在一定温度环境下使用，对不同的温度表现出不同的热物理性能，这些热物理性能称为材料的热学性能。 材料的热学性能主要有热容、热膨胀、热传导等。 在没有相变或化学反应的条件下，材料温度升高1K时所吸收的热量称做该材料的热容。 物体的体积或长度随温度升高而增大的现象称为热膨胀。 当固体一端的温度比另一端高时，热量就会从热端自动地传向冷端，这个想象称为热传导。 二、材料的化学性能 1.材料的耐腐蚀性 根据金属的腐蚀机理可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 金属表面与非电解质直接发生化学作用而引起的破坏称为化学腐蚀。 化学腐蚀又分为干燥气体腐蚀和非电解质溶液腐蚀两大类。 金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏成为电化学腐蚀。 2.高分子材料的老化 1）外观的变化 2）物理性能的变化 3）力学性能的变化第三节不同种类材料的主要性能比较 一、弹性模量的比较 在结构材料中，具有共价键、离子键或金属键的陶瓷材料和金属材料都有较高的弹性模数，一般陶瓷的比弹性模数都比金属材料的大；而在金属材料中，大多数金属的比弹性模数相差不大，只有铍的比弹性模数显得特别突出。高分子聚合物由于分子键结合力较弱，因而其弹性模量较低。复合材料由于结构的特点，其弹性模量也很高，对于树脂基的符合材料，其弹性模量远比基体树脂高。 二、屈服强度的比较 常见工程陶瓷的屈服强度都很高，纯金属的屈服强度很低，聚合物的强度一般比金属低得多。然而用聚合物制成复合材料后，其强度可大幅度地提高，如用碳纤维增强的聚合物，其强度已经明显地超过铝合金的水平。 三、热导率和比热容的比较 金属材料由于大量自由电子的存在，因而具有较大的热导率，但金属内部的杂志和缺陷会妨碍自由电子的运动，减少传导作用，所以合金的热导率明显变小。 在较强的共价键合的材料中，有序晶体的传热效果较好。 高分子材料的热导率很低，一般为金属1/100-1/150。