材料科学材料的热力学表征.pptx

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1、热分析技术组成部分程序控制温度系统测量系统显示系统气氛控制系统操作控制和数据处理系统第1页/共96页热重法（TG）基本概念：m 质量变化 dm/dt 质量变化/分解的速率 DTG TG曲线对时间坐标作一次微分计算得的微分曲线 DTG峰 质量变化速率最大点，作为质量变化分解过程的特征温度 Tonset TG 台阶的起始点，对分解过程可作热稳定性的表征热重法热重法(Thermogravimetry,TG)(Thermogravimetry,TG)是在程序控温下，测是在程序控温下，测量物质的质量与温度或时间的关系的方法，通常是测量物质的质量与温度或时间的关系的方法，通常是测量试样的质量变化与温度的关

2、系。量试样的质量变化与温度的关系。第2页/共96页热重分析仪（TG）原理图第3页/共96页TG 应用范围 质量变化 热稳定性 分解温度 组份分析 脱水、脱氢 腐蚀/氧化 还原反应 反应动力学TG 方法常用于测定：第4页/共96页TG 曲线根据热重曲线上各平台之间的重量变化，可计算出试样各步的失重量。纵坐标通常表示：l 质量或重量的标度l 总的失重百分数l 分解函数第5页/共96页在热重曲线中，水平部分表示重量是恒定的，曲线斜率发生变化的部分表示重量的变化，因此从热重曲线可求算出微商热重曲线。根据热重曲线上各步失重量可以简便地计算出各步的失重分数，从而判断试样的热分解机理和各步的分解产物。从热重

3、曲线可看出热稳定性温度区、反应区、反应所产生的中间体和最终产物。该曲线也适合于化学量的计算。第6页/共96页DTG 曲线微商热重曲线(DTG曲线)表示重量随时间的变化率(dW/dt)，它是温度或时间的函数，dW/dt=f(T或t)。DTG曲线的峰顶d2W/dt2=0，即失重速率的最大值，它与TG曲线的拐点相对应。DTG曲线上的峰的数目和TG曲线的台阶数相等，峰面积与失重量成正比。因此，可从DTG的峰面积算出失重量。第7页/共96页在热重法中，DTG曲线比TG曲线更有用，因为它与DTA曲线相类似，可在相同的温度范围进行对比和分析，从而得到有价值的信息。实际测定的TG和DTG曲线与实验条件，如加热

4、速率、气氛、试样重量、试样纯度和试样粒度等密切相关。最主要的是精确测定TG曲线开始偏离水平时的温度即反应开始的温度。总之，TG曲线的形状和正确的解释取决于恒定的实验条件。影响TG曲线的主要因素：l 仪器因素浮力、试样盘、挥发物的冷凝等；l 实验条件升温速率、气氛等；l 试样的影响试样质量、粒度等。第8页/共96页TG 应用实例第9页/共96页差热分析(Differential Thermal Analysis,DTA)差热分析(DTA)是在程序控制温度下，测量物质和参比物的温度差与温度关系的一种方法。当试样发生任何物理或化学变化时，所释放或吸收的热量使试样温度高于或低于参比物的温度，从而相应地

5、在差热曲线上可得到放热或吸热峰。差热曲线(DTA曲线)，是由差热分析得到的记录曲线。曲线的横坐标为温度，纵坐标为试样与参比物的温度差(T)，向上表示放热，向下表示吸热。差热分析也可测定试样的热容变化，它在差热曲线上反映出基线的偏离。第10页/共96页第11页/共96页差热曲线中的吸/放热峰是如何形成的?在样品的熔融过程时，样品端的温度保持恒定，而此时参比端的温度仍在升高。以参比与样品的温度差对时间作图，就得到了差热曲线。所谓参比物即是一种热容与试样相近而在所研究的温度范围内没有相变的物质，通常使用的是-Al2O3，熔石英粉等。第12页/共96页相变包括两类过程：l 第一类为物理过程，有熔化结晶

6、、多晶相变，磁转变 等，此类一般属可逆反应；l 第二类为化学过程，有分解、化合、化学吸附与解吸、氧化、还原等，这一类多数是不可逆过程。特别是当 有气体参加或有气体逸出和有大量能量吸收或放出的 过程是这样。例如：脱水、分解(放出气体)、氧化、化合(生成较稳定 的新相)等等。第13页/共96页实际记录的曲线往往与理想状态有差异。例如，过程结束后曲线一般回不到原来的基线，这是因为反应产物的比热、热导率等与原始试样不同的缘故。此外，由于实际反应起始和终止往往不是在同一温度，而是在某个温度范围内进行，这就使得差热曲线的各个转折都变得圆滑起来。第14页/共96页实际的差热曲线图为一个实际的放热峰。反应起始

7、点为A，温度为Ti；B为峰顶，温度为Tm，主要反应结束于此，但反应全部终止实际是C，温度为Tj。自峰顶向基线方向作垂直线，与AC交于D点，BD为峰高，表示试样与参比物之间最大温差。在峰的前坡(图中AB段)，取斜率最大一点向基线方向作切线与基线延长线交于E点，称为外延起始点，E点的温度称为外延起始点温度，以Teo表示。ABC所包围的面积称为峰面积。第15页/共96页差热曲线的特性l 差热峰的尖锐程度反映了反应自由度的大小。自由度 为零的反应其差热峰尖锐；自由度愈大，峰越圆滑。它也和反应进行的快慢有关，反应速度愈快、峰愈尖 锐，反之圆滑。l 差热峰包围的面积和反应热有函数关系。也和试样中 反应物的

8、含量有函数关系。据此可进行定量分析。l 两种或多种不相互反应的物质的混合物，其差热曲线 为各自差热曲线的叠加。利用这一特点可以进行定性 分析。第16页/共96页l A点温度Ti受仪器灵敏度影响，仪器灵敏度越高，在升 温差热曲线上测得的值低且接近于实际值；反之Ti值 越高。l Teo受实验影响较小，重复性好，与其它方法测得的起 始温度一致。国际热分析协会推荐用Teo来表示反应起 始温度。l 差热曲线可以指出相变的发生、相变的温度以及估算 相变热，但不能说明相变的种类。在记录加热曲线以 后，随即记录冷却曲线，将两曲线进行对比可以判别 可逆的和非可逆的过程。第17页/共96页这是因为可逆反应无论在加

9、热曲线还是冷却曲线上均能反映出相应的峰，而非可逆反应常常只能在加热曲线上表现而在随后的冷却曲线上却不会再现。差热曲线的温度需要用已知相变点温度的标准物质来标定。第18页/共96页影响差热曲线的因素影响差热曲线的因素比较多，其主要的影响因素大致有下列几个方面：l 仪器方面的因素：包括加热炉的形状和尺寸，坩埚 大小，热电偶位置等；l 实验条件：升温速率，气氛等；l 试样的影响：试样用量，粒度等；l 坩埚材料的影响。坩埚材料在实验过程中对试样、产物(含中间产物)、气氛等都是惰性的，并且不起 催化作用。升温速率常常影响差热峰的形状，位置和相邻峰的分辨率。提高升温速率有利于峰形的改善，但过大的升温速率却

10、又会掩蔽一些峰，并使峰顶的温度值偏高。由此可见，升温速率的大小要根据试样的性质和量来进行选择。第19页/共96页试样的影响：在差热分析中试样的热传导性和热扩散性都会对DTA 曲线产生较大的影响。如果涉及有气体参加或释放气 体的反应，还和气体扩散等因素有关。显然这些影响 因素与试样的用量、粒度、装填的均匀性和密实程度 以及稀释剂等密切相关。第20页/共96页差示扫描量热法差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry,DSC)DTA 技术具有快速简便等优点，但其缺点是重复性较差，分辨率不够高，其热量的定量也较为复杂。1964 年，美国的Waston 和ONei

11、ll 在分析化学杂志上首次提出了差示扫描量热法（DSC）的概念，并自制了DSC 仪器。不久，美国Perkin-Elmer 公司研制生产的DSC-I型商品仪器问世。随后，DSC技术得到迅速发展，到1976 年，DSC方法的使用比例已达13.3%，而在1984已超过20%（当时DTA 为18.2%），到1986年已超过1/3。到目前为止，DSC堪称热分析三大技术（TG，DTA，DSC）中的主要技术之一。近些年来，DSC 技术又取得了突破性进展，其标志是，几十年来被认为难以突破的最高试验温度700，已被提高到1650，从而极大地拓宽了它的应用前景。第21页/共96页DSC的基本原理差示扫描量热法（D

12、SC）是在温度程序控制下，测量输给物质和参比物的功率差与温度关系的一种技术。该法通过试样与参比物之间温度保持相同，无温差、无热传递，使热损失小，检测信号大。根据测量方法，这种技术可分为功率补偿式差示扫描量热法和热流式差示扫描量热法。对于功率补偿型DSC 技术要求试样和参比物温度，无论试样吸热或放热都要处于动态零位平衡状态，使T 等于0，这是DSC 和DTA 技术最本质的区别。而实现使T 等于0，其办法就是通过功率补偿。对于热流式DSC 技术则要求试样和参比物温差T 与试样和参比物间热流量差成正比例关系。第22页/共96页功率补偿型DSC示意图S试样；R参比物其主要特点是试样和参比物分别具有独立

13、的加热器和传感器。整个仪器由两个控制系统进行监控。其中一个控制温度，使试样和参比物在预定的速率下升温或降温；另一个用于补偿试样和参比物之间所产生的温差。这个温差是由试样的放热或吸热效应产生的。通过功率补偿使试样和参比物的温度保持相同，这样就可以补偿的功率直接求算热流率第23页/共96页热量变化与曲线峰面积的关系考虑到样品发生热量变化（吸热或放热）时，此种变化除传导到温度传感装置（热电偶、热敏电阻等）以实现样品（或参比物）的热量补偿外，尚有一部分传导到温度传感装置以外的地方，因而差示扫描量热曲线上吸热峰或放热峰面积实际上仅代表样品传导到温度传感器装置的那部分热量变化。样品真实的热量变化与曲线峰面

14、积的关系为 m H=KA 式中，m样品质量；H单位质量样品的焓变；A与 H相应的曲线峰面积；K修正系数，称仪器常数。第24页/共96页应用图所示为双酚A型聚砜-聚氧化丙烯多嵌段共聚物的差示扫描量热曲线。由图可知，各样品软段相转变温度均高于软段预聚的转变温度（206）。BPS-1系列样品的DSC曲线 第25页/共96页聚醚醚酮(PEEK)DSC图 第26页/共96页材料热分析总结程序控制温度,因温度变化而引起的物性改变。主要的物理变化(晶型转变、相变、吸附等)和化学变化(脱水、分解、氧化/还原等)。对材料的结构作鉴定，为新材料的研制提供有价值的热力学参数和动力学数据。第27页/共96页红外(In

15、frared,IR)与拉曼光谱(Raman)分析分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱辐射分子振动能级跃迁红外光谱官能团分子结构近红外区中红外区远红外区红外光谱分析基本原理第28页/共96页红外吸收光谱产生的条件 满足两个条件：(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；(2)辐射与物质间有相互偶合作用。对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如：N2、O2、Cl2 等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。偶极子在交变电场中的作用示意图第29页/共96页分子振动方程式分子的振动能级（量子化）：E振=（V+1/2）h ：化学键的振动频率；V：振动量子数。双原子分子的简谐振动

16、及其频率化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧第30页/共96页 任意两个相邻的能级间的能量差为：K化学键的力常数，与键能和键长有关，为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。化学键键强越强(即键的力常数K越大)，原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。第31页/共96页分子中基团的基本振动形式两类基本振动形式伸缩振动 亚甲基：变形振动 亚甲基第32页/共96页甲基的振动形式伸缩振动 甲基：变形振动 甲基对称s s(CH(CH3 3)1380)1380-1-1 不对称asas

17、(CH(CH3 3)1460)1460-1-1对称 不对称s s(CH(CH3 3)asas(CH(CH3 3)2870 2870-1-1 2960 2960-1-1第33页/共96页水分子（非对称分子）峰位、峰数与峰强（1）峰位 化学键的力常数K越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。（2）峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极距变化时，无红外吸收。第34页/共96页CO2分子(有一种振动无红外活性)（4）由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰；（5）由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，倍频峰；（

18、3）瞬间偶极距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强；第35页/共96页 （CH3）1460 cm-1，1375 cm-1。（CH3）2930 cm-1，2850cm-1。C2H4O1730cm-11165cm-12720cm-1HHHHOCC第36页/共96页分子结构与吸收峰 与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化学键振动频率基团特征频率（特征峰）；例：2800 3000 cm-1 CH3 特征峰；1600 1850 cm-1 C=O 特征峰；基团所处化学环境不同，特征峰出现位置变化：CH2COCH2 1715 cm-1 酮CH2COO 1735 cm-1

19、酯CH2CONH 1680 cm-1 酰胺第37页/共96页官能团区的分析X-H伸缩振动区(4000 2500cm-1),包括O-H、N-H、C-H等的伸缩振动。叁键和累积双键区(2500 2000cm-1),包括-C C-、-C N的伸缩振动、-C=C=C、-C=C=O的反对称伸缩振动等。双键伸缩振动区(2000 1500cm-1),包括C=O、C=C、C=N、N=O等的伸缩振动及苯环的骨架振动。部分单键振动及指纹区(1500 600cm-1),包括C-H、O-H的变形振动及C-O、C-N的伸缩振动。第38页/共96页常见基团的红外吸收带特征区指纹区500100015002000250030

20、003500C-H，N-H，O-HN-HC NC=NS-HP-HN-ON-NC-FC-XO-HO-H（氢键）C=OC-C，C-N，C-O=C-HC-HC CC=C第39页/共96页1 1内部因素内部因素（1）电子效应a诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动（蓝移）影响峰位变化的因素化学键的振动频率不仅与其性质有关，还受分子的内部结构和外部因素影响。相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。R-COR C=0 1715cm-1 ;R-COH C=0 1730cm-1；R-COCl C=0 1800cm-1 ;R-COF C=0 1920cm-1 ;F-COF C=0 1928cm-1 ;R-

21、CONH2 C=0 1920cm-1 ;第40页/共96页共轭效应cm-1cm-1cm-1cm-1第41页/共96页()空间效应C HC HC HC HC H1576cm-11611cm-11644cm-11781cm-11678cm-11657cm-11651cm-12222空间效应：场效应；空间位阻；环张力3060-3030 cm-12900-2800 cm-1第42页/共96页2.氢键效应氢键效应 (分子内氢键、分子间氢键)：对峰位，峰强产生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1 cm-1第43页/共96页仪器类型两种类型：色散型 干

22、涉型（傅立叶变换红外光谱仪）瓦里安(Varian)公司生产的傅立叶变换红外光谱仪第44页/共96页傅里叶变换红外光谱仪结构框图傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图FTS显示器绘图仪第45页/共96页傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点 光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通过试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立叶变换解析成普通的谱图。特点：(1)扫描速度极快(1s)；适合仪器联用；(2)不需要分光，信号强，灵敏度很高；(3)仪器小巧。第46页/共96页制样方法1）气体气体池2）液体：液膜法难挥发液体（BP80 C）溶液法液体池溶剂：CCl4，CS2常

23、用。3)固体:研糊法（液体石腊法）KBr压片法薄膜法第47页/共96页激光拉曼光谱基本原理Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayleigh散射Raman散射E0基态，E1振动激发态；E0+h 0，E1+h 0 激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.（1928年印度物理学家Raman C V 发现；1960年快速发展）h E0E1V=1V=0h 0h 0h 0h 0+E1+h 0E0+h 0h(0-)激发虚态第48页/共96页基本原理1 1.Raman.Raman散射散射Raman散射的两种跃迁能量差：E=h(0-)产生s

24、tokes线；强；基态分子多；E=h(0+)产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；ANTI-STOKES 0-RayleighSTOKES 0+0h(0+)E0E1V=1V=0E1+h 0E2+h 0 h h 0h(0-)第49页/共96页2.2.Raman位移位移 对不同物质：不同；对同一物质：与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同的化学键或基态有不同的振动方式，决定了其能级间的能量变化。因此，与之对应的拉曼位移是定性与结构分析的依据；Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极距 =E 分子极化率；

25、第50页/共96页3.3.红外活性和拉曼活性振动红外活性和拉曼活性振动红外活性振动 永久偶极矩；极性基团；瞬间偶极矩；非对称分子；红外活性振动伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.拉曼活性振动 诱导偶极矩 =E 非极性基团，对称分子；拉曼活性振动伴随有极化率变化的振动。对称分子：对称振动拉曼活性。不对称振动红外活性 第51页/共96页4.4.红外与拉曼谱图对比红外与拉曼谱图对比红外光谱：基团；拉曼光谱：分子骨架测定；第52页/共96页红外与拉曼谱图对比第53页/共96页 对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。5

26、.5.选律选律 1 2 3 4拉曼活性红外活性红外活性3N-5=4 直线形分子拉曼光谱源于极化率变化红外光谱源于偶极矩变化 3N-6=4振动自由度：第54页/共96页6.拉曼光谱与红外光谱分析方法比较拉曼光谱与红外光谱分析方法比较第55页/共96页拉曼光谱在材料研究中的应用无机材料（金属/配位体、生物无机材料）。表面化学（表面增强拉曼散射）。高分子材料（聚合物构象、聚合物形变、降解）。生物大分子。第56页/共96页拉曼光谱的应用由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：2）红外光谱中，由C N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而

27、在拉曼光谱中则是强谱带。3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。第57页/共96页4）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称伸缩振动是强谱带，反对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。6）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的：I.C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。II.羟基和甲基的质量仅相差2单位。III.与C-H和N-H谱带比较，O-H拉曼谱带较弱。第58页/共96页2941，2927cm-1 ASCH22854cm-1

28、 SCH21029cm-1 （C-C）803 cm-1环呼吸 1444，1267 cm-1 CH2第59页/共96页3060cm-1 r-H)1600,1587cm-1 c=c)苯环1000 cm-1环呼吸787 cm-1环变形1039,1022cm-1单取代第60页/共96页激光Raman光谱仪激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；Ar激光器，波长514.5nm，488.0nm；散射强度 1/4 单色器：光栅，多单色器；检测器：光电倍增管，光子计数器；第61页/共96页傅立叶变换-拉曼光谱仪FT-Raman spectroscopy光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064 m

29、）；检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；特点：（1）避免了荧光干扰；（2）精度高；（3）消除了瑞利谱线；（4）测量速度快。第62页/共96页材料的主要性能材料的主要性能热学力学电学光学磁学化学第63页/共96页材料晶格热运动所引起的热变化或材料组织结构发生变化时伴随热效应。包含热容(thermal content)、热膨胀(thermal expansion)、热传导(heat conductivity)、热辐射(thermal radiation)、热稳定性(thermal stability)、热电势(thermal potential)等。材料热学性能第64页/共96页材料的热容热容：分子热运

30、动的能量随温度而变化的物理量。是物体温度升高1K所需要增加的能量。（J/K）显然，质量不同热容不同，温度不同热容也不同。比热容单位 ,摩尔热容单位 。另外，平均热容 ，范围愈大，精度愈差。恒压热容 恒容热容 第65页/共96页 式中：Q热量，E内能，H热焓。由于恒压加 热物体除温度升高外，还要对外界做功，所以 根据热力学第二定律可以导出：式中：V0摩尔容积，体膨胀系数（expansion coefficient），压缩系数（compression coefficient）。第66页/共96页对于固体材料CP与CV差异很小第67页/共96页量热计法。热分析测定法。热容与比热容测定相变时的热容变化

31、（熔化、凝固、相变、亚稳态组织变化）第68页/共96页热膨胀系数（Thermal expansion coefficient）物体的体积或长度随温度升高而增大的现象叫做热膨胀。式中，l线膨胀系数，即温度升高1K时，物体的 相对伸长。物体在温度 T 时的长度lT为：材料的热膨胀第69页/共96页 无机材料的 ,l通常随T升高而加大。同理，物体体积随温度的增加可表示为：式中，V体膨胀系数，相当于温度升高1k时物体体积相对增长值。对于物体是立方体（cube）由于l 值很小，可略 以上的高次项，则：第70页/共96页 一般耐火材料线膨胀系数，常指在201000范围内的l平均值。一般l愈小，材料热稳定性

32、愈好。例如Si3N4的l=2.710-6/K。一、固体材料热传导的宏观规律 当固体材料一端的温度比另一端高时，热量会从热端自动地传向冷端，这个现象称为热传导。二、固体材料热传导的微观机理（micro-mechanism）气体导热质点间直接碰撞；金属导热自由电子间碰撞；固体导热晶格振动（格波）声子碰撞，并且格波分为声频支和光频支两类。材料的热传导第71页/共96页材料的热稳定性（thermal stability）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。热冲击损坏类型：1一种是在热冲击循环作用下，材料表面开裂、剥落，并不断发展，最终碎裂或变质。抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击损伤性。2

33、一种是材料发生瞬时断裂，抵抗这类破坏的性能称为抗热冲击断裂性。第72页/共96页提高抗热冲击断裂性能的措施：1提高材料强度 ，减小弹性模量E，使 提高。2提高材料的热导率 。3减小材料的热膨胀系数 。4减小表面热传递系数 h。5减小产品的有效厚度。第73页/共96页材料的材料的力学性能性能力学性能：材料受外力作用时的变形行为及其抵抗破坏的能力力学性能包括：强度、硬度、塑性、韧性、断裂韧性、弹性、刚性、疲劳第74页/共96页影响材料力学性能的主要因素内因：晶体学特性、化学成分、显微组织、内部缺陷、残余应力等。外因：温度、周围介质、加载方式、加载速率等。主要设备：可变量程万能材料试验机、测量试件变

34、形的仪器。第75页/共96页强度材料在载荷作用下抵抗塑性变形或破坏的最大能力拉伸强度、压缩强度、弯曲强度、冲击强度、疲劳强度等硬度材料抵抗其他物体压入表面的能力疲劳材料在受到外力作用时，应力振幅超过一限度导致材料的断裂称为材料疲劳第76页/共96页应力与应变在材料上作用以拉伸、压缩等外力时，会产生内应力，并产生应变不同材料的应力应变关系示意图第77页/共96页弹性性材料在应力作用下产生变形，而当应力除去后能恢复原状的能力刚性：材料在应力作用下抵抗弹性变形的能力弹性模量：描述应力与应变之间的比例关系第78页/共96页弹性模量（E）E的大小表征物体变形的难易程度，原子间结合强度的标志之一弹性模量实

35、际与曲线上受力点的曲线斜率成正比对于理想的弹性材料，在应力的作用下会发生弹性形变（Elastic Deformation），其应力与应变关系服从虎克定律三种应变类型的弹性模量 杨氏模量E、剪切模量G、体积模量B 纵向弹性模量又称杨氏模量第79页/共96页塑性材料在载荷作用下，应力超过屈服点后能产生残余变形而不即行短裂的性质韧性材料抵抗裂纹产生及扩展的能力韧性与脆性相反韧性断裂与脆性断裂第80页/共96页脆性材料在拉伸时的力学性能OFD D L强度极限强度极限：Fb s sb拉伸强度极限，脆性材料唯一拉伸力学性能指标。应力应变不成比例，无屈服、颈缩现象，变形很小且s sb很低。目录第81页/共9

36、6页s se eOs sb灰铸铁的拉伸曲线s sbc灰铸铁的压缩曲线 s sbcs sb，铸铁抗压性能远远大于抗拉性能，断裂面为与轴向大致成45o55o的滑移面破坏。脆性材料在压缩时的力学性能目录第82页/共96页 塑性材料的特点：断裂前变形大，塑性指标高，抗拉能力强。常用指标-屈服极限(s sS)，一般拉和压时的s sS相同，如低碳钢。脆性材料的特点：断裂前变形小，塑性指标低。常用指标是拉伸强度极限(s sb)、压缩强度极限(s sbc)，且s sb s sbc，如铸铁。第83页/共96页1)混凝土近似匀质、各向同性材料。属脆性材料，一般用于抗压构件。2）木材各向异性材料3）玻璃钢各向异性材

37、料。优点是：重量轻，比强度高，工艺简单，耐腐蚀，抗振性能好。非金属材料的力学性能非金属材料的力学性能第84页/共96页材料的材料的强化和增韧材料使用：足够的强度和较好的韧性金属：韧性好，强度不高，增强成为关键陶瓷：强度高，但缺乏韧性，增韧成为关键，如可通过控制材料微结构（氮化硅、氧化锆等）第85页/共96页金属材料的材料的强化完全消除内部位错和其他缺陷，获得理论强度（如制备无位错的高强度晶须）引入大量缺陷，以阻碍位错的运动（如加工硬化、细晶强化、合金强化、高温强化）第86页/共96页在纳米范围内强度随晶粒尺寸变化示意反Hall-Petch效应强度晶粒尺寸ddc第87页/共96页复合材料材料两种

38、或两种以上性能不同的材料组合为一整体，从而表现出优于其中任何一种材料性能的材料基体与增强体结构复合材料（利用材料力学性能）功能复合材料（利用材料其他性能）第88页/共96页材料的力学与显微结构纳米陶瓷复合材料显微结构对力学性能的影响：纳米陶瓷材料根据弥散相的不同和基体尺寸分为晶内型、晶间型、晶向/晶间型和纳米/纳米型。陶瓷纳米复合材料的室温性能（如硬度、强度、断裂韧性等）得到显著改善。纳米复合材料在提高室温力学性能的同时，也显著的改善了高温性能。相对而言，陶瓷纳米材料在高温力学性能方面的改进更引人注目。第89页/共96页微米陶瓷复合材料结构对力学性能的影响：1.SiC晶须对复合材料的微观结构及

39、力学性能的影响：目前，国内外采用SiC晶须增韧Al2O3已作了大量工作，另外也有在SiCw/Al2O3中加入弥散粒子的方法，从而运用晶须增韧与弥散增韧的协同手段，使Al2O3陶瓷的性能得到改善。另一方面，SiC晶须特性也直接影响着复合材料的力学性能。许多研究都表明SiC完整的单晶含量与晶须表面物理状态有密切关系。表面光滑的SiC晶须有利于拉拨效应，而竹节状或表面粗糙的晶须则会增加与基体的摩擦。第90页/共96页2.纤维增强复合材料的微观结构与力学性能长纤维增强效果明显但是形状复杂的零件用长纤维比较困难。短纤维的效果不太理想。基体上所有优良的纤维增强复合材料的显微结构特点是纤维的取向大致相同，分

40、散均匀，没有团聚、交叉、扭曲等制造缺陷，所有纤维基本上被基体包裹。从一些研究成果来看，纤维长度对复合材料的强度的影响一般随着长度增加而增大。第91页/共96页3.颗粒增强复合材料对材料力学性能的影响复合材料的断裂韧性随增强剂颗粒尺寸的变化并不呈现单调变化规律。当颗粒尺寸很小时，断裂韧性随颗粒尺寸的增加而增加，但当颗粒尺寸本身很大时，复合材料的断裂韧性都随着颗粒的增加而减少。大量研究表明，复合材料的力学性能很大程度上取决于分散相在基体相中的分散质量和二者形成的界面情况，而无机刚性粒子的加入正好产生特殊的界面结构，从而产生增强增韧的力学性能。第92页/共96页层状结构复合材料显微结构对力学性能的影

41、响层状材料的结构是两层相同或多层相同或不相同的材料组成，界面可以是强结合，也可以是弱结合的力学性能材料。经过设计的层状材料可具有在特定方向上对裂纹的容忍性，包括最具破坏性的表面裂纹 层状结构陶瓷复合材料分成两类：弱界面结合和强界面结合第93页/共96页相变增韧复合材料结构对力学性能的影响相变增韧陶瓷实质上是利用多晶多相陶瓷某些相成分在不同温度的相变，达到改了材料的微观结构，从而产生增韧效果。相变增韧的材料中，多相成分有时无法按照某一尺寸或线度去描述，不同的相变陶瓷内部是可以出现不同情况的线度统计。第94页/共96页从上可以看出材料的力学性能与显微结构关系是十分密切的，在绝大数情况下可以说正是微观结构决定了材料的力学性能。当然，这种决定关系并不是一目了然的，需要深入的研究其决定机理已进行定量计算，以指导材料的研究开发和生产应用。随着显微技术的发展及高速摄影技术的发展，对材料的微观动态研究已成可能并富有实际意义的。同时，力学性能与其它物理功能相结合也将是新型材料研究中一件有意义的工作。第95页/共96页感谢您的观看。第96页/共96页