1、高分子材料學高分子材料學1)特征性能特征性能（是屬于材料本身所固有的性質是屬于材料本身所固有的性質）力學力學性能，性能， 電學電學性能，性能， 磁學磁學性能性能熱學熱學性能，性能， 光學性能，光學性能， 化學性能化學性能2)功能物性功能物性（效應物性）（效應物性） 指在一定條件下和一定限度內對材料施加某種作用時，通過材料將這種作用轉換為另一形式功能的性質。 如：熱電轉換性能，光熱轉換性能，光電轉換性能，力如：熱電轉換性能，光熱轉換性能，光電轉換性能，力電轉換性能，磁光轉換性能，電光轉換性能，聲光轉換性能電轉換性能，磁光轉換性能，電光轉換性能，聲光轉換性能等。等。（四）（四） 材料的性能材料的性

2、能 1 強度與塑性 2 硬度3 韌性 4 老化性能5 耐磨性 6 疲勞特性 材料在力的作用下所表現出來的特性即為材料的力學性能。材料在力的作用下所表現出來的特性即為材料的力學性能。主要指標主要指標材料的力學性能材料的力學性能 強度與塑性強度與塑性1）強度）強度在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。屈服強度屈服強度抗拉強度抗拉強度由扭轉實驗、彎曲實驗、壓縮實驗等相應條件下的強度指標叫由扭轉實驗、彎曲實驗、壓縮實驗等相應條件下的強度指標叫扭轉強度、抗彎強度、抗壓強度等。扭轉強度、抗彎強度、抗壓強度等。試樣在被拉斷前的最大承載應力為抗拉強度。試樣

3、在被拉斷前的最大承載應力為抗拉強度。其他強度其他強度 材料在斷裂前發生永久變形的能力叫塑性。塑性以材料斷材料在斷裂前發生永久變形的能力叫塑性。塑性以材料斷裂后永久變形的大小來衡量。裂后永久變形的大小來衡量。 塑性指標有延伸率和斷面收縮率兩種。塑性指標有延伸率和斷面收縮率兩種。2）塑性）塑性 硬度硬度 是衡量材料軟硬程度的指標，反映材料表面抵抗微區塑性變形的能力。工程上常用布氏硬度布氏硬度HB、洛氏硬度、洛氏硬度HR、維氏硬度維氏硬度HV、肖氏硬度、肖氏硬度HS和趙氏、邵和趙氏、邵氏硬度（邵氏硬度（邵A）等。 韌性韌性指材料抵抗裂紋萌生與發展的能力。NOTES韌性與脆性韌性與脆性是兩個意義上完全

4、相反的概是兩個意義上完全相反的概念。韌性好，脆性就差。反之亦然。念。韌性好，脆性就差。反之亦然。度量指標度量指標沖擊韌性沖擊韌性用材料受沖擊而破壞的過程所吸收的沖擊功來表征斷裂韌性斷裂韌性用材料裂紋尖端應力強度因子的臨界值Kic來表征 老化性能老化性能 在外界作用下，材料發生性質及性能變化（不利于使用）的現象稱為老化。 老化多與化學因素有關，如硅酸鹽老化多與化學因素有關，如硅酸鹽材料的風化、金屬材料的氧化、木材的材料的風化、金屬材料的氧化、木材的粉化、高分子材料的降解或交聯等。粉化、高分子材料的降解或交聯等。 一個零件相對另一個零件摩擦的結果，引起摩擦表面有微小顆粒分離出來，使接觸面尺寸變化、

5、重量損失及其他性能下降的這種現象稱為磨損。 磨損的種類磨損的種類： 包括氧化磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨包括氧化磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨損、卷曲磨損、沖擊磨損、表面疲勞磨損等，材料磨損多是損、卷曲磨損、沖擊磨損、表面疲勞磨損等，材料磨損多是數種磨損共同作用的結果。數種磨損共同作用的結果。 耐磨性耐磨性磨損磨損 高分子材料表面的磨耗性能可以在一定程度上衡量其使用高分子材料表面的磨耗性能可以在一定程度上衡量其使用壽命的長短。壽命的長短。 材料對磨損的抵抗能力為材料的耐磨性。可用磨損量可用磨損量來表示，一般用在一定條件下試樣表面的磨損厚度或試樣體積來表示，一般用在一定條件下試樣表面的磨損厚度

6、或試樣體積或重量的減少來表征。或重量的減少來表征。 通常地，降低材料的摩擦系數、提高材料的硬度有助于增通常地，降低材料的摩擦系數、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。加材料的耐磨性。耐磨性耐磨性 疲勞特性疲勞特性 在交變應力下，即使應力的最大值低于材料的屈服強度，經一定的循環周次后材料仍會斷裂，這種現象即為材材料的疲勞料的疲勞。當應力低于某值時，在無限多的循環周次下，材料仍不斷裂，此應力值稱為疲勞強度或疲勞極限疲勞強度或疲勞極限；材料在交變應力作用下所能使用的時間或材料承受交變應力的周期數稱為疲勞壽命。疲勞壽命。疲勞現象主要出現在具有較高塑性的材料中疲勞現象主要出現在具有較高塑性的材料中金屬

7、材料金屬材料的失效形式之一就是疲勞。疲勞斷裂往往沒有任的失效形式之一就是疲勞。疲勞斷裂往往沒有任何先兆，因而由此造成的后果往往是災難性的。何先兆，因而由此造成的后果往往是災難性的。高分子材料高分子材料的塑性一般很好，但在長期使用過程中首先發的塑性一般很好，但在長期使用過程中首先發生的是材料的老化失效，因而疲勞破壞不占主導地位。生的是材料的老化失效，因而疲勞破壞不占主導地位。陶瓷材料陶瓷材料的塑性很低，其疲勞現象不如金屬材料的明顯，的塑性很低，其疲勞現象不如金屬材料的明顯，而且疲勞機理也不同于金屬。而且疲勞機理也不同于金屬。電導率的大小直接取決于三個電導率的大小直接取決于三個因素：單位體積中的載

8、流子數因素：單位體積中的載流子數目；每個載流子的電荷量；每目；每個載流子的電荷量；每個載流子的遷移率。個載流子的遷移率。 材料的電學性能材料的電學性能1. 導電或產生電流的根本原因導電或產生電流的根本原因材料中載流子的存在和遷移材料中載流子的存在和遷移2. 能產生電流的載流子有能產生電流的載流子有電子、空穴、正離子、負離子電子、空穴、正離子、負離子3.評價材料導電能力的指標評價材料導電能力的指標電導率和電阻率電導率和電阻率4. 材料按其導電能力可分為材料按其導電能力可分為超導體超導體：電阻率為電阻率為0或趨近于或趨近于0；導體導體：電阻率：電阻率10-810-5.m半導體半導體：電阻率：電阻率

9、10-5107.m； 絕緣體絕緣體：電阻率：電阻率1071020.m。 材料的磁學性能材料的磁學性能1. 物質與磁性物質與磁性磁性是任何一種物質都具有的屬磁性是任何一種物質都具有的屬性。任何物質在磁場下都會表現性。任何物質在磁場下都會表現出一定的磁性。有些物質使原磁出一定的磁性。有些物質使原磁場增加，有些使原磁場減弱。場增加，有些使原磁場減弱。按其對磁場的影響，按其對磁場的影響，可將物質分為三類：可將物質分為三類：抗磁性物質抗磁性物質：使磁場減弱；：使磁場減弱；順磁性物質順磁性物質：使磁場略有增加；：使磁場略有增加；鐵磁性及亞鐵磁性物質鐵磁性及亞鐵磁性物質：使磁場強：使磁場強烈增加。烈增加。2

10、.磁性的度量磁性的度量 材料的熱學性能（熱變形性能，熱穩定性材料的熱學性能（熱變形性能，熱穩定性）固體加熱時有三個重要的效應，即吸熱、傳熱、膨脹。固體加熱時有三個重要的效應，即吸熱、傳熱、膨脹。熱容熱容：1mol固體溫度升高固體溫度升高1K時所吸時所吸收的熱量。收的熱量。熱導率熱導率：單位時間內在：單位時間內在1K溫差的溫差的13正方體的一個面向其所對的另一個面流正方體的一個面向其所對的另一個面流過的熱量。過的熱量。熱膨脹系數熱膨脹系數：單位長度物體的長度隨：單位長度物體的長度隨溫度的變化率。溫度的變化率。度量的指標度量的指標（五）材料工藝與材料結構及性能的關系（五）材料工藝與材料結構及性能的

11、關系1. 材料工藝，包括材料合成及加工工藝，直接影響材料的組織結構，因而對材料的性能有顯著影響。2. 材料的原始組織結構及性能又常常決定著采用何種方法將材料加工成所需要的形狀。實例實例1：熱固性樹脂與熱塑性樹脂因組織結構及性能不同，選熱固性樹脂與熱塑性樹脂因組織結構及性能不同，選用的成型加工方法有很大差別。用的成型加工方法有很大差別。實例實例2：含有大縮孔的鑄件不宜采用合金鋼的成型加工方法等。含有大縮孔的鑄件不宜采用合金鋼的成型加工方法等。 材料工藝、材料結構及材料性能、功能之間具有相互依賴、相互制約的密切關系，了解并能動的利用這種關系是材料科學的關鍵問題之一。 實例實例1：用高壓法合成的聚乙

12、烯和用低壓法合成的聚乙烯，用高壓法合成的聚乙烯和用低壓法合成的聚乙烯，在結構上有很大的差別，因而性能也顯著不同。在結構上有很大的差別，因而性能也顯著不同。 實例實例2：用鑄造法制造的銅棒與用軋制成型的銅棒，其組織用鑄造法制造的銅棒與用軋制成型的銅棒，其組織結構不大相同，晶粒的形狀、尺寸和取向都不相同：鑄造法結構不大相同，晶粒的形狀、尺寸和取向都不相同：鑄造法制得的銅棒含有由于收縮或因氣泡生成而形成空洞，組織內制得的銅棒含有由于收縮或因氣泡生成而形成空洞，組織內部可能夾帶金屬質點，軋制法制備的銅棒可能含有被拉長的部可能夾帶金屬質點，軋制法制備的銅棒可能含有被拉長的非金屬夾雜物和內部排列的缺陷，正

13、是由于組織結構的不同，非金屬夾雜物和內部排列的缺陷，正是由于組織結構的不同，所以性能也不同。所以性能也不同。（六）金屬材料的強化機制（六）金屬材料的強化機制 金屬材料的強化主要是提高屈服強度（指使材料開始塑性金屬材料的強化主要是提高屈服強度（指使材料開始塑性流動的應力）。金屬材料的塑性流動主要是通過流動的應力）。金屬材料的塑性流動主要是通過位錯運動位錯運動實現實現的，因此金屬材料的強化途徑主要有兩條。的，因此金屬材料的強化途徑主要有兩條。 a盡可能地減少位錯，盡可能地減少位錯，使其接近于完整晶體。例如細心培育使其接近于完整晶體。例如細心培育的晶須接近完整晶體，有著很高的強度。的晶須接近完整晶體

14、，有著很高的強度。 b在金屬中有大量位錯時，盡可能在金屬中有大量位錯時，盡可能設法阻止位錯運動設法阻止位錯運動以及抑以及抑制位錯源的活動即抑制位錯的增殖制位錯源的活動即抑制位錯的增殖，具體有：具體有： 1. 冷變形冷變形強化（應變強化）強化（應變強化） 2. 細晶細晶強化強化 3. 固溶固溶強化強化 4. 多相多相強化強化 5. 分散分散強化強化 6. 馬氏體馬氏體強化強化1. 冷變形強化冷變形強化機制：機制：通過冷變形等方式提高位錯密度，利用位錯間的交互作用使通過冷變形等方式提高位錯密度，利用位錯間的交互作用使位錯運動受阻，來使強度提高。位錯運動受阻，來使強度提高。 位錯運動與材料力學性能之

15、間的關系：位錯運動與材料力學性能之間的關系：只要能阻礙位錯滑移，就能提高金屬材料的強度，同時降低只要能阻礙位錯滑移，就能提高金屬材料的強度，同時降低了金屬的塑性。了金屬的塑性。 2. 細晶強化細晶強化機制：機制：塑性變形時粗大晶粒的晶界處塞積的位錯數目多，形成較大塑性變形時粗大晶粒的晶界處塞積的位錯數目多，形成較大的應力場能夠使相鄰晶粒內的位錯源啟動，使變形繼續；相的應力場能夠使相鄰晶粒內的位錯源啟動，使變形繼續；相反，細小晶粒的晶界處塞積的位錯數目少，要使變形繼續，反，細小晶粒的晶界處塞積的位錯數目少，要使變形繼續，須施加更大的外部作用力，從而體現了細晶對材料強化的作須施加更大的外部作用力，

16、從而體現了細晶對材料強化的作用。用。細晶強化大多是通過細晶強化大多是通過控制凝固過程控制凝固過程實現的實現的。在凝固過程中加入孕育劑或晶粒細化劑，選取合適的凝固時在凝固過程中加入孕育劑或晶粒細化劑，選取合適的凝固時間和溫度，可獲得適宜的成核和晶粒生長速率，從而可控制間和溫度，可獲得適宜的成核和晶粒生長速率，從而可控制晶粒尺寸，形成較小的晶粒，實現細晶強化。晶粒尺寸，形成較小的晶粒，實現細晶強化。 3. 固溶強化固溶強化機制：機制： 固溶強化的實質是在金屬材料中引入固溶強化的實質是在金屬材料中引入點缺陷點缺陷，特別是加入置特別是加入置換原子和間隙原子，擾亂原子在點陣中的排列，使位錯的運換原子和間

17、隙原子，擾亂原子在點陣中的排列，使位錯的運動即滑移受到干擾，從而實現強化的目的。動即滑移受到干擾，從而實現強化的目的。 固溶強化一般也是通過固溶強化一般也是通過凝固過程凝固過程實現的，即通過凝固形實現的，即通過凝固形成固溶體。溶質原子即起點缺陷的作用。成固溶體。溶質原子即起點缺陷的作用。 固溶強化可使材料的強度顯著提高，這種強度的增加可固溶強化可使材料的強度顯著提高，這種強度的增加可保持到高溫，材料獲得良好的抗蠕變能力。保持到高溫，材料獲得良好的抗蠕變能力。 可按第二相粒子的尺寸將合金類的金屬材料分成兩類：可按第二相粒子的尺寸將合金類的金屬材料分成兩類：第二相粒子尺寸與基體晶粒尺寸在同一數量級

18、時，稱為第二相粒子尺寸與基體晶粒尺寸在同一數量級時，稱為聚聚合型合型；若第二相粒子非常小，分散在連續的基體之中，則；若第二相粒子非常小，分散在連續的基體之中，則稱為稱為分散型分散型。這里的多相強化即指聚合型的情況。這里的多相強化即指聚合型的情況。 工業上常用的合金，第二相多是較硬、脆的金屬化合工業上常用的合金，第二相多是較硬、脆的金屬化合物。合金的力學性能主要取決于第二相的形狀、大小及分物。合金的力學性能主要取決于第二相的形狀、大小及分布情況。例如，若第二相為片狀或層狀分布，如鋼中珠光布情況。例如，若第二相為片狀或層狀分布，如鋼中珠光體內的滲碳體，則變形首先在基體體內的滲碳體，則變形首先在基體

19、(鐵素體鐵素體)中發生，但很快中發生，但很快受到硬、脆相受到硬、脆相(滲碳體滲碳體)的阻礙，即位錯運動被限制在硬脆相的阻礙，即位錯運動被限制在硬脆相層片之間的很短距離內，使鋼的強度提高。珠光體越細，層片之間的很短距離內，使鋼的強度提高。珠光體越細，層片間距越小，強度越高。如果滲碳體為球狀，則其對鐵層片間距越小，強度越高。如果滲碳體為球狀，則其對鐵素體變形的阻礙作用大大降低，強度下降，塑性提高。素體變形的阻礙作用大大降低，強度下降，塑性提高。 4. 多相強化多相強化 對多相結構的合金，當第二相以細小彌散的微粒均勻對多相結構的合金，當第二相以細小彌散的微粒均勻分布于基體相中時，會產生顯著的強化作用

20、。通過對過飽分布于基體相中時，會產生顯著的強化作用。通過對過飽和固溶體的時效處理而沉淀析出細小彌散的第二相粒子，和固溶體的時效處理而沉淀析出細小彌散的第二相粒子，使強度提高，這種強化稱為沉淀強化或時效強化。若第二使強度提高，這種強化稱為沉淀強化或時效強化。若第二相微粒是借粉末冶金方法加人而起強化作用，則稱為彌散相微粒是借粉末冶金方法加人而起強化作用，則稱為彌散強化。強化。 為達到明顯的分散強化效應，基體應當是較軟、有延為達到明顯的分散強化效應，基體應當是較軟、有延展性的，而分散相應是硬、脆的。硬而脆的第二相應當是展性的，而分散相應是硬、脆的。硬而脆的第二相應當是不連續的，否則裂紋就會穿過整個組

21、織而擴散，而在第二不連續的，否則裂紋就會穿過整個組織而擴散，而在第二相為分散、不連續的情況下，則在第二相上的裂紋會在相相為分散、不連續的情況下，則在第二相上的裂紋會在相界面上受阻。第二相應當是細小且數量極多的顆粒，顆粒界面上受阻。第二相應當是細小且數量極多的顆粒，顆粒越小，數量越多，阻礙滑移的可能性就越大，因而強化效越小，數量越多，阻礙滑移的可能性就越大，因而強化效應就越大。此外，第二相顆粒應當是球形的，不應呈針狀應就越大。此外，第二相顆粒應當是球形的，不應呈針狀或帶有尖銳的棱角，因為球形顆粒產生裂紋的可能性最小，或帶有尖銳的棱角，因為球形顆粒產生裂紋的可能性最小，不容易起缺口的作用。不容易起

22、缺口的作用。 5. 分散強化分散強化 馬氏體是無擴散固態轉變所形成的非穩態相，是由奧氏體淬火而成的。鋼中的馬氏體十分硬脆。馬氏體強化是鋼鐵材料強鋼中的馬氏體十分硬脆。馬氏體強化是鋼鐵材料強化的重要途徑。它是下面三種強化的綜合結果。化的重要途徑。它是下面三種強化的綜合結果。(3)結構強化結構強化 低碳馬氏體含有大量的位錯。高碳馬氏體中，亞低碳馬氏體含有大量的位錯。高碳馬氏體中，亞微結構主要由孿晶組成，它微結構主要由孿晶組成，它使馬氏體的有效晶粒度顯著使馬氏體的有效晶粒度顯著減小，減小，這兩種情況所導致的強化作用就稱為結構強化。這兩種情況所導致的強化作用就稱為結構強化。(2)時效強化時效強化 馬氏

23、體中過飽和的碳原子具有向晶體缺陷和內表馬氏體中過飽和的碳原子具有向晶體缺陷和內表面偏聚以及從馬氏體中沉析出碳化物的強烈傾向。在淬火過程面偏聚以及從馬氏體中沉析出碳化物的強烈傾向。在淬火過程中碳原子會偏聚于位錯、孿晶界或沉淀析出，這種現象稱為自中碳原子會偏聚于位錯、孿晶界或沉淀析出，這種現象稱為自回火或淬火時效，它回火或淬火時效，它導致位錯運動受阻而產生強化作用。導致位錯運動受阻而產生強化作用。(1)固溶強化固溶強化 鋼中馬氏體是碳原子過飽和的鋼中馬氏體是碳原子過飽和的-Fe固溶體。馬氏固溶體。馬氏體中的碳原子位于體心點陣八面體間隙中，使點陣產生強烈畸體中的碳原子位于體心點陣八面體間隙中，使點陣產生強烈畸變，造成很大的應力場，變，造成很大的應力場，阻礙位錯運動阻礙位錯運動，從而產生顯著的強化，從而產生顯著的強化作用。作用。6. 馬氏體強化馬氏體強化高聚物的強化方法：高聚物的強化方法：（1）引入極性基引入極性基 鏈上極性部分越多，極性越強，鍵鏈上極性部分越多，極性越強，鍵間作用力越大；間作用力越大；（2）鏈段交