材料性能测试简介.

1.材料性能分类第二章力学性能及测试方法一、力学性能的含义：材料在一定温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂的能力称为材料的力学性能。主要包括：强度、塑性、硬度等。（1）强度：材料在外力作用下对变形或断裂的抗力。常用的强度指标有屈服强度σS或σ0.2和抗拉强度σb（2）塑性：材料在断裂前发生塑性变形的能力。塑性指标包括：伸长率δ，即试样拉断后的相对伸长量；断面收缩率，即试样拉断后，拉断处横截面积的相对缩小量第一节力学性能简介（3）硬度：衡量材料软硬程度的一个性能指标。硬度试验的方法较多，原理也不相同，测得的硬度值和含义也不完全一样。最常用的是静负荷压入法硬度试验，即布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）、维氏硬度（HV），其值表示材料表面抵抗坚硬物体压入的能力。因此，硬度不是一个单纯的物理量，而是反映材料的弹性、塑性、强度和韧性等的一种综合性能指标。二、力学性能的常规测试手段（1）单向静拉伸实验（3）扭转实验（2）压缩实验（4）弯曲实验（5）冲击韧性实验（6）断裂韧性实验（7）疲劳性实验（8）磨损性实验第二节常温单向拉伸性能及测试方法一、力–伸长曲线图2.1低碳钢的力—伸长曲线F为拉力,L为绝对伸长P点以下为直线A点以下为弹性变形AC为屈服阶段CB为均匀塑性变形Bk为非均匀塑性变形工程应变0LL0FS工程应力(Mpa)b图2.1低碳钢的应力应变曲线acdek真应变0lnln1tLL真应力1t二、应力—应变曲线四个阶段1）弹性变形阶段：ob段，比例极限、弹性极限4）局部塑性变形阶段，ef段2）屈服阶段：cd段，屈服强度3）均匀塑性变形阶段：de段，抗拉强度七种类型1)弹性模量E(Gpa)三、重要拉伸性能指标弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力指标，其数值等于应力-应变曲线上直线段的斜率。弹性模量越大，在相同应力下产生的弹性形变越小。弹性模量表征材料内部原子间结合力的大小，即键的强弱。在多晶体中，它取决于组成材料的原子结构，晶格类型和点阵参数。影响因素：1、键合方式及原子结构共价、离子及金属键弹性模量较大2、晶体结构非晶态材料的弹性模量呈各向同性多晶态材料为各向同性单晶材料为各项异性3、化学成分2）屈服强度屈服是材料产生塑性变形，即应力不增加或在某一应力水平波动，试样继续产生应变的现象。应力下降的最低值称为下屈服强度（sl），应力首次下降前的最大值称为上屈服强度（su）。对于没有明显屈服现象的材料，通常用规定非比例伸长应力，即产生0.2%非比例伸长率的应力（0.2）来表达。0bbFS3)抗拉强度抗拉强度是试样拉断之前承受的最大拉伸应力，由最大载荷Fb除以初始横截面积S0得到。4）真实断裂强度真实断裂强度等于试样拉断时的载荷Fk处以缩颈处的横截面积Sk5)断后伸长率000SLLL试样断裂后其标距长度的相对伸长量称为断后伸长率断后伸长率除取决于材料本身的特性，还受试样形状的影响。为能比较不同材料的断后伸长率，必须使S01/2与L0保持恒定比值。通常的标准规定L0=11.3S01/2或L0=5.65S01/26)断面收缩率010100%SSS试样断裂后其横截面积的相对缩减值称为断面收缩率c)数据处理屈服强度0.2弹性模量00LFESL屈服强度su、sl断面收缩率010100%SSS一、压缩试验的应力-应变曲线及特点图2.4铸铁压缩应力-应变曲线图2.5低碳钢压缩应力-应变曲线第三节常温压缩性能及测试方法压缩屈服强度0.20.20ccFS压缩弹性模量ccE相对压缩率010100%chhh相对断面扩展率100100%cSSS抗压强度0bcbcFS二、压缩性能参量第六节硬度性能及测试方法一、硬度性能基本概念硬度反映材料抵抗局部变形特别是塑性变形和破裂的能力硬度并非材料独立的力学性能，而是人为规定的在某一特定试验条件下的一个综合性能指标。刻划法：摩氏硬度硬度试验方法静态试验法：布氏、洛氏、维氏硬度压入法动态试验法：肖氏、里氏硬度二、布氏硬度(HB)1)试验原理222FDDDdHB=0.102将代入得22122DhDd0.1020.102FFHBSDhsin2dD将代入HB的计算式可得2220.10211sin2FHBD根据大量试验结果有2sin2FAD三、洛氏硬度(HR)试验原理金刚石压头淬火钢球压头0.20.002keHRkmm0.260.002keHRkmm四、维氏硬度(HV)试验原理0.102FHVS22sin2dS将代入得221362sin20.1020.1891FFHVdd优点：不存在F与D之间的约束、压痕测量精确、不存在标尺不统一的问题缺点：测定较为麻烦，效率低二、磁性材料的分类1)永磁材料（硬磁）：经磁化后能长期保留其磁性的材料。特征：a)具有高的最大磁能积(BHm)：永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度的量度；b)具有高的剩余磁化强度(Mr)和高的矫顽力(Hc)；c)具有较高的稳定性。主要有：a)稀土永磁材料（钕铁硼）：当前磁能积最高的一类永磁材料，为铁族元素和稀土元素的金属互化物；b)金属永磁材料：分铝镍钴(AlNiCo)系和铁铬钴(FeCrCo)系两大类，AlNiCo系成本中等，FeCrCo系合金可以制成管状、片状或线状永磁材料而供多种特殊应用；c)铁氧体永磁材料：(BaO•6Fe2O3和SrO•6Fe2O3)等；d)其他：微粉永磁材料、纳米永磁材料、胶塑永磁材料等。2)软磁材料：既容易磁化又容易退磁的磁性材料。特征：a)高的磁导率。磁导率(符号为μ)是对磁场灵敏度的量度；b)具有高的饱和磁化强度(Ms)和低的矫顽力(Hc)；c)具有较高的稳定性。主要有：a)铁-硅(Fe-Si)系软磁材料，俗称硅钢片；b)铁-镍(Fe-Ni)系软磁材料，具有低矫顽力的一类材料；c)铁氧体软磁材料，可在高频或超高频使用；d)非晶态软磁材料和纳米晶软磁材料，制造工艺简单；e)其他软磁材料：高能和高磁化强度的铁-钴(Fe-Co)系合金，高电阻率的铁-铝(Fe-Al)系合金，磁晶各向异性和磁致伸缩都趋近于零的铁-硅-铝(Fe-Si-Al)系合金等。3)磁存储材料：电子计算机存储器所用的磁性材料，其磁滞回线近似于矩形。特征：a)具有高的剩磁比Br/Bm和低的矫顽力Hc；b)短的开关时间；c)磁滞回线近似于矩形。主要有：a)铁氧体矩磁材料（MnO•Fe2O3、MgO•Fe2O3）；b)金属磁膜材料（Fe-Ni系）等。4)磁微波材料：具有独特微波磁性的材料。5)磁光材料：激光、光电子学和正在发展的光子学中所用多种磁光效应器件使用的磁性材料。主要有：a)旋磁材料，高旋磁性高电阻率的旋磁铁氧体材料，如BaO•6Fe2O3、3Y2O3•5Fe2O3铁氧体系统等；b)磁微波吸收材料，具有高的电磁波吸收系数和宽的电磁波吸收频带，如以磁性金属粉末或薄膜为组元的复合吸收材料、六角晶系复合铁氧体等。特征：a)高的磁光效应；b)低的磁光损耗；c)宽的磁光效应频带；d)高的稳定性。主要有：a)金属磁光材料，如锰-铋(Mn-Bi)系合金等；(2)铁氧体磁光材料，如石榴石型铋-钆-铁-镓-氧(Bi-Gd-Fe-Ga-O)系铁氧体等；(3)非晶态磁光材料，如钆-钴(Gd-Co)系非晶态合金等。6)多功能磁性材料：同时具有磁性和其他性能的材料主要有：a)同时具有铁磁性和铁电性的铁磁-铁电功能材料，如BiFeO3(Ba,Pb)(Ti,Zr)O3系材料；b)同时具有铁磁性和半导体的铁磁-半导功能材料，具有高的磁导率和高的载流子迁移率，如铕-硫(Eu-S)系和铕-硒(Eu-Se)系材料；c)磁电材料，是一类由磁场可产生磁化强度和电极化强度，由电场可产生电极化强度和磁化强度的磁性材料，如DyAlO3和GaFeO3；d)铁磁-有机材料，是一类不含磁性金属的纯有机化合物磁性材料。可以说多功能磁性材料是正在发展和扩大的新型磁性材料。二、材料的磁化物质在磁场中表现出一定的磁性称为磁化'HHH总其中H为外加磁场强度，单位为A/m为附加磁场强度，其大小可用磁化强度表示'H1iMV磁化强度：单位体积内的总磁矩1)磁化率和磁导率MHa)磁化率r为相对磁导率，为磁导率b)磁导率BH真空磁导率00BH磁感应强度'00()BBBHM00(1)rBHHHMH将代入得2)磁化曲线和磁滞回线软刚的磁化曲线磁化过程中B和M与H的关系a)磁化曲线顺磁体01，抗磁体01，铁磁体01，一些工业材料的磁化曲线b)磁滞回线铁磁体在磁化过程中存在着不可逆过程，退磁时其磁化强度不沿磁化曲线降低而是更为缓慢。当H降为零时，仍保留的磁化强度称为剩余磁化强度Mr，施加反向磁场直至磁化强度减为零时的磁场称为矫顽力Hc。第三节抗磁性和顺磁性一、抗磁性2ei224erHm222erirAANMHH抗磁磁矩示意图（约10-6）2KmrKHer二、顺磁性其中j被称为磁偶极矩2sin2sin(2)sinsinMflHmlHmlHj磁场对条形磁体的作用顺磁体磁化过程三、影响因素1)原子结构惰性气体：典型的抗磁性非金属：大多数具有抗磁性（氧和石墨例外）金属：铜、银、金、汞等具有抗磁性碱金属、碱土金属具有顺磁性过渡金属多具有铁磁性CT'()CT3)其他因素：合金成分的影响相变的影响等2)温度第四节铁磁性一、铁磁性的产生1)外斯假说①物体中存在着与外磁场无关的自发磁化，其强度与温度有关②铁磁体内部分成很多微小的区域，称为“磁畴”。在外磁场作用下磁畴的取向发生变化。为原子的能量，2abekr0E为核a,b相互作用的势能C为电子之间、电子与核之间相互作用的能量项A为两个原子的电子交换位置产生的作用能，称为交换能2)自发磁化（自旋平行）2102abeEEkCAr（自旋反平行）2202abeEEkCArA0为铁磁体(Fe、Co、Ni)或顺磁体A0为反铁磁体(Cr、Mn)二、铁磁材料的测量：冲击法2dNdt感生电动势2NdiRRdt感生电流2200tNNBSQidtdRR总电量bQC因为2bCRBNS代入得闭路试样示意图d)冲击法测得的磁化曲线和磁滞回线磁化曲线测量：K3闭合，R1调节电流，K1换向，磁感应从+B-B,或-B+B22bCRBNS所以磁滞回线测量：调节R1达到磁化饱和，断开K3，读出检流计偏转C22bACCRBNS根据磁滞回线可得到剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc二、固体热容理论1)杜隆-珀替定律固体中原子有三个自由度，每个自由度平均能量为BkT单个原子能量为3BkT恒容热容其中KB为波尔兹曼常数硅、锗的摩尔热容113324.9vABdUCNkRJmolKdT理论过于简单，不能解释低温下热容减小的现象。三、热容的测量1)量热计法121pQCTTm电加热法2211pIRtCTTm2)撒克司法/psqIVCmdTda)原理及设备测量样品与参比物的温差与温度的关系四、热分析方法及其应用1)普通热分析：测量温度随时间的变化2)差热分析(DTA)srCC、分别为样品、参比物的热容dTwdt其中为升温速度sraCCdTwTKdtb)差热分析曲线热电偶：DTA的关键元件测量池：包括试样池和参比池温控系统：在较大范围内实行线性升温放大装置：将热电偶产生的电流放大记录仪：气体保护系统：氮气或氩气体系c)差热分析仪3)示差扫描量热法(DSC)a)原理具有两个独立的加热装置，采用热量补偿的方式保持两个量热器的平衡b)注意要点取样：质量和几何形状纯度：杂质会使峰值发生变化4）热分析方法的应用a)测定聚合物的玻璃化转变温度聚苯乙烯的DTA曲线b