材料常用物化指标概念.docx
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材料常用物化指标概念
材料常用物化指标目录
玻璃化温度2
热膨胀系数4
摩尔体积5
体积模量5
弹性模量6
泊松比8
电阻率10
介电常数11
体积电阻率16
拉伸强度16
拉伸模量17
断裂伸长率17
弯曲强度18
热变形温度18
摩擦系数19
抗压强度20
抗拉强度22
冲击韧性23
疲劳强度25
冲击强度32
吸水率34
屈服强度35
弯曲模量38
压缩强度39
介电损耗43
肖氏硬度43
巴氏硬度44
玻璃化温度
基本信息
[1]品名:
玻璃化温度
英文名称：
glasstransitiontemperature
说明:
高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，指无定型聚合物（包括结晶型聚合物中的非结晶部分）由玻璃态向高弹态或者由后者向前者的转变温度，是无定型聚合物大分子链段自由运动的最低温度，通常用Tg表示。
没有很固定的数值，往往随着测定的方法和条件而改变。
高聚物的一种重要的工艺指标。
在此温度以上，高聚物表现出弹性；在此温度以下，高聚物表现出脆性，在用作塑料、橡胶、合成纤维等时必须加以考虑。
如聚氯乙烯的玻璃化温度是80℃。
但是，他不是制品工作温度的上限。
比如，橡胶的工作温度必须在玻璃化温度以上，否则就失去高弹性。
测量方法
1、利用体积变化的方法
2、利用热力学性质变化的方法
3、利用力学性质变化的方法
4、利用电磁性质变化的方法
转变温度
玻璃化转变温度Tg是材料的一个重要特性参数，材料的许多特性都在玻璃化转变温度附近发生急剧的变化。
以玻璃为例，在玻璃化转变温度，由于玻璃的结构发生变化，玻璃的许多物理性能如热容、密度、热膨胀系数、电导率等都在该温度范围发生急剧变化。
根据玻璃化转变温度可以准确制定玻璃的热处理温度制度。
对高聚物而言，它是高聚物从玻璃态转变为高弹态的温度，在玻璃化转变温度时，高聚物的比热容、热膨胀系数、粘度、折光率、自由体积以及弹性模量等都要发生一个突变。
从分子结构上讲，玻璃化转变温度是高聚物无定形部分从冻结状态到解冻状态的一种松弛现象，而不像相转变那样有相变热，所以它是一种二级相变（高分子动态力学中称主转变）。
在玻璃化转变温度以下，高聚物处于玻璃态，分子链和链段都不能运动，只是构成分子的原子（或基团）在其平衡位置作振动；而在玻璃化转变温度时分子链虽不能移动，但是链段开始运动，表现出高弹性质，温度再升高，就使整个分子链运动而表现出粘流性质。
具体步骤
膨胀计法
在膨胀计内装入适量的受测聚合物，通过抽真空的方法在负压下将对受测聚合物没有溶解作用的惰性液体充入膨胀计内，然后在油浴中以一定的升温速率对膨胀计加热，记录惰性液体柱高度随温度的变化。
由于高分子聚合物在玻璃化温度前后体积的突变，因此惰性液体柱高度-温度曲线上对应有折点。
折点对应的温度即为受测聚合物的玻璃化温度。
折光率法
利用高分子聚合物在玻璃化转变温度前后折光率的变化，找出导致这种变化的玻璃化转变温度。
热机械法（温度-变形法）
在加热炉或环境箱内对高分子聚合物的试样施加恒定载荷；记录不同温度下的温度-变形曲线。
类似于膨胀计法，找出曲线上的折点所对应的温度，即为：
玻璃化转变温度。
DTA法
（DSC）以玻璃化温度为界，高分子聚合物的物理性质随高分子链段运动自由度的变化而呈现显著的变化，其中，热容的变化使热分析方法成为测定高分子材料玻璃化温度的一种有效手段。
目前用于玻璃化温度测定的热分析方法主要为差热分析（DTA）和差示扫描量热分析法（DSC）。
以DSC为例，当温度逐渐升高，通过高分子聚合物的玻璃化转变温度时，DSC曲线上的基线向吸热方向移动（见图）。
图中A点是开始偏离基线的点。
将转变前后的基线延长，两线之间的垂直距离为阶差ΔJ，在ΔJ/2处可以找到C点，从C点作切线与前基线相交于B点，B点所对应的温度值即为玻璃化转变温度Tg。
动态力学
动态力学性能分析（DMA）法高分子材料的动态性能分析（DMA）通过在受测高分子聚合物上施加正弦交变载荷获取聚合物材料的动态力学响应。
对于弹性材料（材料无粘弹性质），动态载荷与其引起的变形之间无相位差（ε=σ0sin（ωt）/E）。
当材料具有粘弹性质时，材料的变形滞后于施加的载荷，载荷与变形之间出现相位差δ：
ε=σ0sin（ωt+δ）/E。
将含相位角的应力应变关系按三角函数关系展开，定义出对应与弹性性质的储能模量G’=Ecos（δ）和对应于粘弹性的损耗模量G”=Esin（δ）E因此称为绝对模量E=sqrt（G’2+G”2）由于相位角差δ的存在，外部载荷在对粘弹性材料加载时出现能量的损耗。
粘弹性材料的这一性质成为其对于外力的阻尼。
阻尼系数γ=tan（δ）=G’’/G’由此可见，高分子聚合物的粘弹性大小体现在应变滞后相位角上。
当温度由低向高发展并通过玻璃化转变温度时，材料内部高分子的结构形态发生变化，与分子结构形态相关的粘弹性随之的变化。
这一变化同时反映在储能模量，损耗模量和阻尼系数上。
下图是聚乙酰胺的DMA曲线。
振动频率为1Hz。
在-60和-30°C之间，贮能模量的下降，阻尼系数的峰值对应着材料内部结构的变化。
相应的温度即为玻璃化转变温度Tg。
核磁共振
核磁共振法（NMR）温度升高后，分子运动加快，质子环境被平均化（处于高能量的带磁矩质子与处于低能量的的带磁矩质子在数量上开始接近；N-/N+=exp（-E/kT）），共振谱线变窄。
到玻璃化转变温度，Tg时谱线的宽度有很大的改变。
利用这一现象，可以用核磁共振仪，通过分析其谱线的方法获取高分子材料的玻璃化转变温度。
热膨胀系数
热膨胀系数
英文名称：
coefficientofthermalexpansion
定义：
固体在温度每升高1K时长度或体积发生的相对变化量。
分为线膨胀系数和体膨胀系数。
thermalexpansioncoefficient
物体由于温度改变而有胀缩现象。
其变化能力以等压（p一定）下，单位温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数表示
热膨胀系数有线膨胀系数α、面膨胀系数β和体膨胀系数γ。
线膨胀系数α=ΔL/（L*ΔT），
面膨胀系数β=ΔS/（S*ΔT），
体膨胀系数γ=ΔV/（V*ΔT），
式中ΔL为所给长度变化ΔT下物体温度的改变，L为初始长度；ΔS为所给面积变化ΔT下物体温度的改变，S为初始面积；ΔV为所给体积变化ΔT下物体温度的改变，V为初始体积；
严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求ΔV与ΔT无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。
温度变化不是很大时，α就成了常量，利用它，可以把固体和液体体积膨胀表示如下：
Vt=V0（1+3αΔT），
而对理想气体，
Vt=V0（1+0.00367ΔT）；
Vt、V0分别为物体末态和初态的体积
对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：
单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。
对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。
如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向。
宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有Mrozowski算式：
α=Aαc+（1-A）αa
αa,αc分别为a轴和c轴方向的热膨胀率，A被称为“结构端面”参数。
摩尔体积
摩尔体积是指单位物质的量的某种物质的体积，也就是一摩尔物质的体积。
摩尔体积=V÷n V为物质体积；n为物质的量（单位mol）
气体摩尔体积:
理想中一摩尔气体在标准大气压下的体积为22.4L，较精确的是：
Vm=22.41410L/mol。
使用时应注意：
①必须是标准状况（101kpa0℃）。
②“任何气体”既包括纯净物又包括气体混合物。
③22.4升是个近似数值。
④单位是升/摩尔，而不是升。
单位物质的量的气体所占的体积叫做气体摩尔体积,相同气体摩尔体积的气体其含有的粒子数也相同. 气体摩尔体积不是固定不变的,它决定于气体所处的温度和压强如在25度101千帕时气体摩尔体积为24.5升/摩尔 在外界条件相同的情况下，气体的摩尔体积相同。
气体摩尔体积Vm与T、P、n等之间关系 1、同温度、同压强下，V相同，则N相同，n相同 2、同温度、同压强下，V1/V2=n1/n2=N1/N2 3、P*V=n*R*T
体积模量
bulkmodulus
物体在P0的压力下体积为V0。
若压力增加（P0→P0+dP），则体积减小dV。
则有K=dP/（-dV/V0），K被称为该物体的体积模量（modulusofvolumeelasticity）。
如在弹性范围内，则专称为体积弹性模量。
体积模量是一个比较稳定的材料常数。
因为在各向均压下材料的体积总是变小的，故K值永为正值，单位Pa。
体积模量的倒数称为体积柔量。
体积模量K和拉伸模量（或称弹性模量）E、泊松比μ之间有关系：
E=3K（1-2μ）。
[1]
弹性模量
科技名词定义
中文名称：
弹性模量
英文名称：
elasticmodulus
定义：
材料在弹性变形阶段内，正应力和对应的正应变的比值。
百科名片
材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系（即符合胡克定律），其比例系数称为弹性模量。
弹性模量的单位是达因每平方厘米。
“弹性模量”是描述物质弹性的一个物理量，是一个总称，包括“杨氏模量”、“剪切模量”、“体积模量”等。
所以，“弹性模量”和“体积模量”是包含关系。
英文名称：
ElasticModulus，
一般地讲，对弹性体施加一个外界作用（称为“应力”）后，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一般定义是：
应力除以应变。
例如：
线应变——
对一根细杆施加一个拉力F，这个拉力除以杆的截面积S，称为“线应力”，杆的伸长量dL除以原长L，称为“线应变”。
线应力除以线应变就等于杨氏模量E=（F/S）/（dL/L）
剪切应变——
对一块弹性体施加一个侧向的力f（通常是摩擦力），弹性体会由方形变成菱形，这个形变的角度a称为“剪切应变”，相应的力f除以受力面积S称为“剪切应力”。
剪切应力除以剪切应变就等于剪切模量G=（f/S）/a
体积应变——
对弹性体施加一个整体的压强p，这个压强称为“体积应力”，弹性体的体积减少量（-dV）除以原来的体积V称为“体积应变”，体积应力除以体积应变就等于体积模量:
K=P/（-dV/V）
在不易引起混淆时，一般金属材料的弹性模量就是指杨氏模量，即正弹性模量。
单位：
E（弹性模量）兆帕（MPa）
编辑本段意义
弹性模量是工程材料重要的性能参数，从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。
凡影响键合强度的因素均能影响材料的弹性模量，如键合方式、晶体结构、化学成分、微观组织、温度等。
因合金成分不同、热处理状态不同、冷塑性变形不同等，金属材料的杨氏模量值会有5%或者更大的波动。
但是总体来说，金属材料的弹性模量是一个对组织不敏感的力学性能指标，合金化、热处理（纤维组织）、冷塑性变形等对弹性模量的影响较小，温度、加载速率等外在因素对其影响也不大，所以一般工程应用中都把弹性模量作为常数。
弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。
弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力。
它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧中的刚度。
编辑本段说明
又称杨氏模量，弹性材料的一种最重要、最具特征的力学性质，是物体弹性变形难易程度的表征，用E表示。
定义为理想材料有小形变时应力与相应的应变之比。
E以σ单位面积上承受的力表示，单位为N/m^2。
模量的性质依赖于形变的性质。
剪切形变时的模量称为剪切模量，用G表示；压缩形变时的模量称为压缩模量，用K表示。
模量的倒数称为柔量，用J表示。
拉伸试验中得到的屈服极限σs和强度极限σb，反映了材料对力的作用的承受能力，而延伸率δ或截面收缩率ψ，反映了材料塑性变形的能力。
为了表示材料在弹性范围内抵抗变形的难易程度，在实际工程结构中，材料弹性模量E的意义通常是以零件的刚度体现出来的，这是因为一旦零件按应力设计定型，在弹性变形范围内的服役过程中，是以其所受负荷而产生的变形量来判断其刚度的。
一般按引起单位应变的负荷为该零件的刚度，例如，在拉压构件中其刚度为：
式中A0为零件的横截面积。
由上式可见，要想提高零件的刚度EA0,亦即要减少零件的弹性变形，可选用高弹性模量的材料和适当加大承载的横截面积，刚度的重要性在于它决定了零件服役时稳定性，对细长杆件和薄壁构件尤为重要。
因此，构件的理论分析和设计计算来说，弹性模量E是经常要用到的一个重要力学性能指标。
编辑本段弹性模量
材料的抗弹性变形的一个量，材料刚度的一个指标。
弹性模量E=2.06e11Pa=206GPa（e11表示10的11次方）
它只与材料的化学成分有关，与温度有关。
与其组织变化无关，与热处理状态无关。
各种钢的弹性模量差别很小，金属合金化对其弹性模量影响也很小。
1兆帕（MPa）=145磅/英寸2（psi）=10.2千克/厘米2（kg/cm2）=10巴（bar）=9.8大气压（atm）
1磅/英寸2（psi）=0.006895兆帕（MPa）=0.0703千克/厘米2（kg/cm2）=0.0689巴（bar）=0.068大气压（atm）
1巴（bar）=0.1兆帕（MPa）=14.503磅/英寸2（psi）=1.0197千克/厘米2（kg/cm2）=0.987大气压（atm）
1大气压（atm）=0.101325兆帕（MPa）=14.696磅/英寸2（psi）=1.0333千克/厘米2（kg/cm2）=1.0133巴（bar）
泊松比
泊松比是材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。
泊松比由法国科学家泊松（SimonDenisPoisson,1781-1840）[1]最先发现并提出。
他在1829年发表的《弹性体平衡和运动研究报告》一文中，用分子间相互作用的理论导出弹性体的运动方程,发现在弹性介质中可以传播纵波和横波,并且从理论上推演出各向同性弹性杆在受到纵向拉伸时，横向收缩应变与纵向伸长应变之比是一常数，其值为四分之一。
若在弹性范围内加载，轴向应变εx与横向应变εy之间存在下列关系：
εy=-νεx=|νεx|
式中ν为材料的一个弹性常数，称为泊松比。
泊松比是纲量为一的量。
[2]
参考高等教育出版社的《工程力学》，里面对于弹性模量、泊松比、应力应变等说明的相当详细。
在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。
比如，一杆受拉伸时，其轴向伸长伴随着横向收缩（反之亦然），而横向应变ε与轴向应变ε之比称为泊松比ν。
[1]材料的泊松比一般通过试验方法测定。
在弹性工作范围内，μ一般为常数，但超越弹性范围以后，μ随应力的增大而增大，直到μ=0.5为止。
常用材料的E、ν值
材料名称
牌号
E/GPa
ν
低碳钢
Q235
200～210
0.24～0.28
中碳钢
45
205
0.24～0.28
低合金钢
16Mn
200
0.25～0.30
合金钢
40CrNiMoA
210
0.25～0.30
灰口铸铁
60～162
0.23～0.27
球墨铸铁
150～180
铝合金
LY12
71
0.33
硬铝合金
380
混凝土
15.2～36
0.16～0.18
木材（顺纹）
9.8～11.8
0.0539
木材（横纹）
0.49～0.98
[1] 主次泊松比的区别MajorandMinorPoisson'sratio
主泊松比PRXY，指的是在单轴作用下，X方向的单位拉（或压）应变所引起的Y方向的压（或拉）应变
次泊松比NUXY，它代表了与PRXY成正交方向的泊松比，指的是在单轴作用下，Y方向的单位拉（或压）应变所引起的X方向的压（或拉）应变。
PRXY与NUXY是有一定关系的：
PRXY/NUXY=EX/EY
对于正交各向异性材料，需要根据材料数据分别输入主次泊松比，
但是对于各向同性材料来说，选择PRXY或NUXY来输入泊松比是没有任何区别的，只要输入其中一个即可
简单推导如下：
假如在单轴作用下：
（1）X方向的单位拉（或压）应变所引起的Y方向的压（或拉）应变为b;
（2）Y方向的单位拉（或压）应变所引起的X方向的压（或拉）应变为a;
则根据胡克定律 得 σ=EX×a=EY×b
→ EX/EY=b/a
又 ∵ PRXY/NUXY=b/a
∴ PRXY/NUXY=EX/EY
参考高等教育出版社的《材料力学》上下册，里面对于弹性模量、泊松比、应力应变等说明的相当详细
电阻率
百科名片
电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量。
某种材料制成的长1米、横截面积是1平方毫米的在常温下（20℃时）导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。
电阻率的单位是欧姆·米（Ω·m或ohmm），常用单位是欧姆·毫米和欧姆·米。
编辑本段定义
在温度一定的情况下，有公式R=ρl/s其中的ρ就是电阻率，l为材料的长度，S为面积。
可以看出，材料的电阻大小与材料的长度成正比，而与其截面积成反比。
电阻率（resistivity）是用来表示各种物质电阻特性的物理量。
在温度一定的情况下，有公式R=ρL/s其中的ρ就是电阻率，L为材料的长度，S为面积。
可以看出，材料的电阻大小与材料的长度成正比，即在材料和横截面积不变时，长度越长，材料电阻越大：
而与材料横截面积成反比，即在材料和长度不变时，横截面积越大，电阻越小。
由上式可知电阻率的定义：
ρ=RS/L
推导公式：
R=ρV/（S^2） R=ρ（L^2）/V
编辑本段应用
电阻率较低的物质被称为导体，常见导体主要为金属，而自然界中导电性最佳的是银，其次为半导体，硅锗。
当存在外电场时，金属的自由电子在运动中不断和晶格节点上做热振子的正离子相碰撞，使电子运动受到阻碍，因而就具有了一定的电阻。
其他不易导电的物质如玻璃、橡胶等，电阻率较高，一般称为绝缘体。
介于导体和绝缘体之间的物质（如硅）则称半导体。
电阻率的科学符号为ρ（Rho）。
已知物体的电阻，可由电阻率ρ、长度l与截面面积A计算：
ρ=RA/I，在该式中，电阻R单位为欧姆，长度l单位为米，截面面积A单位为平方米，电阻率ρ单位为欧姆·米
编辑本段单位
国际单位制中，电阻率的单位是欧姆·米（Ω·m或ohmm），常用单位是欧姆·毫米和欧姆·米。
编辑本段计算公式
电阻率的计算公式为：
ρ=RS/L
ρ为电阻率——常用单位Ω·m
S为横截面积——常用单位㎡
R为电阻值——常用单位Ω
L为导线的长度——常用单位m
-----------------------------------------
电阻率的另一计算公式为：
ρ=E/J
ρ为电阻率——常用单位Ω·mm2/m[1]
E为电场强度——常用单位N/C
J为电流密度——常用单位A/㎡
（E，J可以为矢量）
编辑本段说明
1．电阻率ρ不仅和导体的材料有关，还和导体的温度有关。
在温度变化不大的范围内：
几乎所有金属的电阻率随温度作线性变化，即ρ=ρo（1+at）。
式中t是摄氏温度，ρo是O℃时的电阻率，a是电阻率温度系数。
2．由于电阻率随温度改变而改变，所以对于某些电器的电阻，必须说明它们所处的物理状态。
如一个220V-100W电灯灯丝的电阻，通电时是484欧姆，未通电时只有40欧姆左右。
3．电阻率和电阻是两个不同的概念。
电阻率是反映物质对电流阻碍作用的属性，电阻是反映物体对电流阻碍作用的属性。
介电常数
中文名称：
介电常数
英文名称：
dielectricconstant
其他名称：
电容率
定义：
同一电容器中用某一物质为介电体与该物质在真空中的电容的比值。
百科名片
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场（真空中）与最终介质中电场比值即为介电常数（permittivity）,又称诱电率。
如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
简介
介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，在相同的原电场中某一介质中的电容率与真空中的电容率的比值即为相对介电常数（permittivity）,又称相对电容率，以εr表示。
如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。
介电常数（又称电容率），以ε表示，ε=εr*ε0，ε0为真空绝对介电常数，ε0=8.85*e-12,F/m。
一个电容板中充入介电常数为ε的物质后电容变大ε倍。
介电常数
电介质有使空间比起实际尺寸变得更大或更小的属性。
例如，当一个电介质材料放在两个电荷之间，它会减少作用在它们之间的力，就像它们被移远了一样。
当电磁波穿过电介质，波的速度被减小，有更短的波长。
编辑本段测量方法
相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量：
首先在其两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。
然后，用同样的电容极板间距离但在极板间加入电介质后测得电容Cx。
然后相对介电常数可以用下式计算
εr=Cx/C0
在标准大气压下，不含二氧化碳的干燥空气的相对电容率εr=1.00053.因此，用这种电极构形在空气中的电容Ca来代替C0来测量相对电容率εr时，也有足够的准确度。
（参考GB/T1409-2006）
对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。
[1]
编辑本段常见溶剂
附常见溶剂的介电常数
H2O（水）78.5
HCOOH（甲酸）58.5
HCON（CH3）2（N,N-二甲基甲酰胺）36.7
CH3OH（甲醇）32.7
C2H5OH（乙醇）24.5
CH3COCH3（丙酮）20.7
n-C6H13OH（正己醇）13.3
CH3COOH（乙酸或醋酸）6.15
温度对介电常数的影响
C6H6（苯）2.28
CCl4（四氯化碳）2.24
n-C6H14（正己烷）1.88
编辑本段电介质
气体
温度（℃）
相对介电常数
液体
温度（℃）
相对介电常数
水蒸汽
气态溴
氦
氢
氧
氮
氩
气态汞
空气
硫化氢
真空
乙醚
液态二氧化碳
甲醇
乙醇
水
液态氨
液态氦
液态氢
液态氧
液态氮
液态氯
煤油
松节油
苯
油漆
甘油
140～150
180
0
0
0
0
0
400
0
0
20
0
20
20
16．3
14
-270.8
-253
-182
-185
0
20
20
1．00785
1．0128
1．000074
1．00026
1．00051
1．00058
1．00056
1．00074
1．000585
1．004
1
4．335
1．585
33．7
25．7
81．5
16．2
1．058
1．22
1．465
2．28
1．9
2～4
2．2
2．283
3．5
45．8
固体氨固体醋酸
石
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