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S或0.2和抗拉强度b,（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，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,b,图2.1低碳钢的应力应变曲线,a,c,d,e,k,真应变,真应力,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,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。,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Sk,5)断后伸长率,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=5.65S01/2,6)断面收缩率,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,屈服强度su、sl,断面收缩率,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,压缩弹性模量,相对压缩率,相对断面扩展率,抗压强度,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。,二、布氏硬度(HB),1)试验原理,根据大量试验结果有,三、洛氏硬度(HR),试验原理,金刚石压头,淬火钢球压头,四、维氏硬度(HV),试验原理,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：(BaO6Fe2O3和SrO6Fe2O3)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)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（MnOFe2O3、MgOFe2O3）；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BaO6Fe2O3、3Y2O35Fe2O3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,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,磁化强度：单位体积内的总磁矩,1)磁化率和磁导率,a)磁化率,b)磁导率,真空磁导率,磁感应强度,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,抗磁体,铁磁体,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,抗磁磁矩示意图,（约10-6）,二、顺磁性,其中j被称为磁偶极矩,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,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,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,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。,为电子之间、电子与核之间相互作用的能量项,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）,（自旋反平行）,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,感生电动势,感生电流,总电量,因为,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+B,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C,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,单个原子能量为,恒容热容,其中KB为波尔兹曼常数,硅、锗的摩尔热容,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,电加热法,2)撒克司法,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),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)共聚物结构的判断,三、热膨胀与其他性质的关系,1)热膨胀与热容,Al2O3的比热容、热膨胀系数与温度的关系,热膨胀是固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀，升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数与热容有着相似的规律。,2)热膨胀与熔点,当晶体结构类型相同时，结合能大的材料的熔点也高，也就是说熔点高的材料膨胀系数较小。对于单质晶体，熔点与原子半径之间有一定的关系，单质晶体的原子半径越小，结合能越大，熔点越高，热膨胀系数越小。,一、折射定律和反射定律,第二节光的折射和反射,1)反射角,2)折射角,如第一介质为真空，则,折射和反射,二、反射率和透射率,1)光的偏振：垂直于入射面的分量S平行于入射面的分量P,2)反射率：反射光通量与入射光通量之比,反射率随入射角的变化,当光线垂直入射时，,光线以布儒斯特角入射时反射光是完全偏振光,4)透射率：T+R=1（忽略吸收）,3)布儒斯特角,三、反射及折射现象的应用,1)透镜（凹透镜、凸透镜）,2)面镜（平面、球面）,3)分束器件,4、光纤,光纤材料：石英系玻璃、多成分玻璃、复合材料,1)全反射,第三节光的吸收和色散,一、光的吸收,吸光度,为吸收系数,光强,光的吸收,此时A+T+R=1,1)朗伯-比尔定律,二、光的色散,1)正常色散,c)科希色散公式：,a)同一材料波长越短折射率越大,b)折射率随波长的变化率称为色散率，波长越短色散率越大,2)反常色散,石英在红外区的反常色散,3)全色散曲线,1)自然光（非偏振光）在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。,一、光的偏振状态,第四节旋光性和圆二色性,在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。,3)部分偏振光光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。,2)线偏振光,在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。迎着光线方向看，凡电矢量顺时针旋转的称右旋椭圆偏振光，凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光。椭圆偏振光中的旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合成的结果。,椭圆偏振光,4)椭圆偏振光,旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。在我们的观察时间段中平均后，园偏振光看上去是与自然光一样的。但是园偏振光的偏振方向是按一定规律变化的，而自然光的偏振方向变化是随机的，没有规律的。,5)圆偏振光,平面偏振光(线偏振光)看成是以相同的传播速度前进的左、右两个圆偏振光的矢量和，如下图所示。,自然光反射和折射后，反射光和折射光都变成部分偏振光。,(i0布儒斯特角或起偏角),tgi0=n2/n1时，反射光为线偏振光,1)反射和折射产生偏振光,二、偏振光的产生,2)双折射产生偏振光,寻常光和异常光,两折射光线中，一条遵从折射定律，称为寻常光（o光），其振动方向垂直于主截面（光轴与传播方向构成的平面）；另一条一般不在入射面内，不遵从折射定律，其传播速度随入射光方向的不同而变化，称为异常光（e光），其振动方向平行于主截面。,双折射：光线入射到各向异性介质后，出现两条折射光线的现象。,方解石,o光,e光,3)吸收法产生偏振光,某些物质对入射光所分解成的左旋、右旋圆偏振光的吸收率AL和AR不完全相同,出射光为两束频率相同、振幅不等、有一定位相差的左旋、右旋圆偏振光，合成为椭圆偏振光,通过厚度为d的旋光物质后,射出的两束圆偏振光的位相差为=2(nL-nR)d/由于不等同的吸收，它们的振幅不再相等,1）旋光现象：当线偏振光沿某些晶体(如石英)的光轴方向传播,或通过某些溶液(如蔗糖、酒石酸溶液)时，其振动面以光的传播方向为轴发生旋转的现象。,称为该晶体的旋光率,单位是度/毫米,偏振片1,偏振片2,石英晶片,三、旋光性,迎着光的传播方向看,使振动面沿顺时针方向旋转的物质称为右旋物质,逆时针方向旋转的称为左旋物质.,左旋右旋,当线偏振光通过有不对称结构的晶体或手性化合物的溶液（总称旋光性物质）时，组成平面偏振光的左旋圆偏光和右旋圆偏光在介质中的传播速度不同(即折射率不同nLnR)，使平面偏振光的偏振面旋转了一定的角度，因而造成旋光现象。,EL和ER的合成矢量E即为出射线偏振光的光矢量。,光矢量反时针旋转角度,=(nL-nR)d/,四、圆二色性,旋光性物质对组成线偏振光的左、右旋圆偏振光的摩尔吸光系数是不同的，即LR，这种现象称之为圆二色性。,两种摩尔吸光系数之差=L-R，是随入射偏振光的波长变化而变化的。以或有关量为纵坐标，波长(通常用紫外可见光区)为横坐标，得到的图谱就叫园二色谱(CircularDichroism，简称CD)。,绝对值很小，因而常用摩尔椭圆度来代替，它与摩尔吸光系数的关系为：=3300=3300（L-R）,当线偏振光通过在紫外区有吸收峰的旋光性介质时，它所包含的左旋和右旋圆偏振光分量不仅传播速度不同(因折射率不同)，而且强度也不同(圆二色性)。,左图中用代表矢量的箭头长短来表示左旋和右旋圆偏振光分量强度。在迎着它的传播方向观察时，它们的矢量和将描出一个椭圆轨迹。这椭圆的长轴为左右圆偏光矢量之和，短轴为左右圆偏光矢量差，两短轴与长轴比例的正切tg，就同时反映了双折射性和圆二向性。,这是平面偏振光离开试样槽，即最后出来时的椭圆度，它与摩尔椭圆度的关系是：=M/100LC=3300,因为=3300，可为正值亦可为负值，圆二色谱线(CD)也有正性谱线（向上）和负性谱线（向下）。,旋光谱(ORD)，圆二色谱(CD)是同一现象的二个方面，它们都是光与介质相作用时产生的。在紫外可见区域，用不同波长的左、右旋圆偏振光测量CD和ORD的主要目的是研究有机化合物的构型或构象。在这方面，ORD和CD所提供的信息是等价的，实际上它们互相之间有固定的关系。,如果待测样品在200800nm波长范围内无特征吸收，ORD呈单调平滑曲线，此时CD近于水平直线(变化甚微)，不呈特征吸收，对解释化合物的立体构型没有什么用处。若在上述范围内有特征吸收，则ORD和CD都呈特征的康顿效应。,五、ORD、CD、UV的关系,六、ORD、CD的应用,1、协助确定手性化合物的绝对构型、优势构象,2、研究蛋白质的二级结构、构象变化,第五节光的发射,一、发光原理：,1)激发态的形成,a)激发途径：光照（光致发光）电子轰击（阴极射线管）强电场（电致发光）,物质吸收某种形式的能量，然后将其以光能的形式释放。,物质吸收一定能量以后达到的状态为激发态。只有电子激发态能产生发光效应。,单重态：一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态。大多数有机物分子的基态是单重态。当基态一对电子中的一个被激发到较高能级，其自旋方向不会立刻改变，分子仍处于单重态。三重态：有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。,b)激发态,c)跃迁规则及类型,跃迁类型：,乙烯分子的跃迁,丙酮分子的跃迁,2)激发态的失活,无辐射跃迁：,振动弛豫(VR)：激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。,内转换(IC)：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回到低能级的分子内过程。,系间窜越(ISC)：激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多重态发生变化的过程。,外转换(EC)：激发态分子与溶剂与其他溶质相互作用、能量转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的减弱或消失，称为荧光猝灭。,磷光(P)：从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的改变，辐射速度远小于荧光，磷光寿命为10-410s。,辐射跃迁：,荧光(F)：激发态的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射，寿命为10-810-11s。由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数kf为106109s-1。,激发,荧光淬灭,内转换I