A-level 应用科学/选择和使用材料/属性

材料的属性

刚度

另见：w:Stiffness

刚度是弹性体对施加力的抵抗能力。* 这是一个粗略的度量，因为它没有考虑样品的横截面积或长度。一个长方体橡胶的刚度会根据你试图压缩哪个面而不同。刚度的公式是力除以长度的变化。

应力

另见：w:Stress (physics)

应力是物体内部单位面积上的力。* (这是“工程应力”的定义，它没有考虑材料变形时横截面积的变化。“真实应力”是考虑面积变化后的单位面积上的力。) 这比单独的力更能准确地衡量，因为它对力的作用面积进行了校正。剪切应力是沿材料主轴方向的应力 (例如拉绳索)，而正应力是垂直于主轴方向的应力 (例如弯曲绳索)。拉伸应力是沿主轴方向的拉力。压缩应力是沿主轴方向的压力。

抗拉强度

另见：w:Tensile strength

材料的抗拉强度是指材料在发生破坏之前所能承受的拉伸应力的最大值。* 破坏的定义根据材料类型和设计方法而有所不同。抗拉强度是指材料在完全断裂之前所能承受的最大应力。*

应变

另见：w:Strain (materials science)

应变是由应力作用于物理物体引起的变形。应变通过计算长度的变化 (称为伸长或绝对应变) 并将其与原始长度进行比较来测量。* 如果材料长度增加 (拉伸)，应变为正，如果材料长度减小 (压缩)，应变为负。应变没有单位，但有时用百分比表示。* 通过将应变计算为百分比，我们校正了物体的长度。

杨氏模量

比刚度更好的度量是杨氏模量。这是应力和应变之间的关系

由于应力考虑了样品的横截面积，而应变考虑了样品的长度，因此杨氏模量仅取决于所研究的材料，而与材料的形状无关。

杨氏模量计算

使用上面的公式完成下表

	杨氏模量 (N m⁻²)	应力 (N m⁻²)	应变
铅		1.38 x 10⁸	0.00862
铝		4.67 x 10⁸	0.00658
铁		3.18 x 10⁸	0.00151
铜	1.30 x 10¹¹	1.24 x 10⁸
镍	2.19 x 10¹¹	8.77 x 10⁸
铝合金	7.10 x 10¹⁰	6.19 x 10⁸
不锈钢	2.15 x 10¹¹		0.00963
低碳钢	2.12 x 10¹¹		0.00770
镍合金	2.19 x 10¹¹		0.945 %
钢琴钢丝	5.00 x 10⁹		0.805 %

弹性和塑性

弹性是物体的一种属性：它在响应应力时会发生弹性 (而不是塑性) 变形。*

塑性是材料在响应应力时发生不可逆形状变化的属性。塑性变形发生在剪切应力下，而脆性断裂发生在正应力下。粘土和低碳钢是塑性材料的例子。在工程学中，这被称为屈服。* 对于许多延展性金属，施加在样品上的拉伸载荷会使它表现出弹性行为。每个载荷增量都会伴随着比例的伸长增量，当载荷移除时，物体完全恢复到其原始尺寸。这是胡克定律。* 然而，一旦载荷超过某个阈值 (屈服强度)，伸长量会比弹性区域增长更快，当载荷移除时，伸长量会保留一部分。下面是一个显示这种行为的通用图形。* 延展性材料可以在不发生断裂的情况下承受大的塑性变形。然而，即使是延展性金属，当应变足够大时也会断裂。*

脆性

另见：w:Brittle

如果材料在承受应力时容易断裂，即在断裂之前几乎没有变形 (或应变) 趋势，那么它就是脆性的。* 在材料科学中使用时，它通常应用于由于正应力而不是剪切应力而失效的材料，或者当材料在失效之前几乎没有或没有塑性变形迹象。* 当材料达到其强度极限时，它通常可以选择变形或断裂。天然延展性金属可以通过阻碍塑性变形机制 (减小晶粒尺寸、弥散强化、加工硬化等) 来增强强度，但是如果过度，断裂会成为更可能的结果，材料可能会变得脆性。因此，提高材料韧性是一个平衡的过程。* 这一原则适用于其他类型的材料。天然脆性材料，如陶瓷 (最著名的玻璃)，很难有效地增韧。大多数这样的技术涉及两种机制之一：偏转扩展裂纹的尖端，例如通过引入有限范围的天然弱点，或者创造精心控制的残余应力，以便来自某些可预测来源的裂纹被迫闭合，如钢化玻璃和预应力混凝土。*

延展性

另见：w:Ductility

延展性是指材料在断裂前能够承受较大塑性变形的能力（在金属中，例如被拉成细丝）。其特征是材料在剪切应力下流动。* 延展性材料是指在剪切应力下屈服的任何材料（与脆性断裂不同，脆性断裂在正应力下屈服）。金、铜和铝是高度延展的金属。*

导电率

另请参阅：w:导电率

导电率是衡量材料传导电流能力的指标。当在导体上施加电势差时，其可移动电荷会流动，从而产生电流。* 导电率是电阻率的倒数（逆数），其 SI 单位为西门子每米 (S m-1)。它通常用希腊字母 σ 表示，但 κ 或 γ 也偶尔使用。*

导热系数

另请参阅：w:导热系数

导热系数，λ 或 k，是材料的一种特性，它反映了材料传导热量的能力。它是由于温差 ΔT 导致的热量传输 Q 的数量。传导热量的样本具有厚度 L 和横截面积 A。*

导热系数 = 热流速 × 距离 /（面积 × 温差）

λ = Q × L /（A × ΔT）

热膨胀率

另请参阅：w:热膨胀

热膨胀是指物质在加热时体积增大的趋势。对于液体和固体，膨胀量通常会根据材料的热膨胀系数而变化。*

密度

另请参阅：w:密度

密度（符号：ρ - 希腊语：rho）是衡量单位体积的质量。物体的密度越高，其单位体积的质量就越高。物体的平均密度等于其总质量除以其总体积。密度较大的物体（如铁）的体积将小于相同质量的密度较小的物质（如水）。* 密度 SI 单位为千克每立方米 (kg m⁻³)*，但克每立方厘米 (g cm⁻³) 也常被使用，因为数字更方便。

密度计算

材料	密度 (g cm⁻³)	质量 (g)	体积 (cm³)
聚苯乙烯	1.05	6.08
耐火粘土	2.4	6.63
特氟龙	2.2	15.6
凯夫拉	1.4		1.57
镍	8.9		6.99
砖	1.92		1.03
聚乙烯		2.85	2.98
铝		13.7	5.19
不锈钢		12.7	1.64

耐化学性

耐化学性是指物质抵抗酸、碱、溶剂和其他化学物质的能力。

一些材料之所以被选择，是因为它们可以在含有危险化学物质的环境中使用；或者用于保护脆弱的组件或人员免受危险化学物质的侵害。例如特氟龙，它被开发用于制造阀门，这些阀门能够处理曼哈顿计划中高度腐蚀性的化合物 UF₆。

渗透是指化学物质能够通过保护膜而不会穿过针孔、毛孔或其他可见开口的过程。化学物质的单个分子进入薄膜，并通过穿过保护性化合物或薄膜的分子之间“蠕动”而通过。在许多情况下，渗透的材料在人眼看来可能没有变化。 ^[1]

用简单的术语来说，化学渗透可以比作气球在几个小时后发生的事情。虽然没有孔洞或缺陷，气球也密封良好，但空气会逐渐通过（渗透）其壁并逸出。这个简单的例子使用了气体渗透，但原理与液体或化学物质相同。 ^[2]

降解是指由于与化学物质接触而导致材料的一种或多种物理特性降低。某些材料可能会变硬、变硬或变脆，或者它们可能会变得更软、更弱，并膨胀至其原始尺寸的几倍。如果化学物质对材料的物理特性有重大影响，其渗透抵抗力会迅速下降。 ^[3]

作业

确定具有上述每个机械性能的不同材料示例；
说明每个机械性能的值与材料用途的相关性，并比较给定的每个机械性能的值；

测量物理特性的方法

材料制造商需要了解测量物理特性的方法。这些方法可用于测试新材料或作为工厂的质量控制检查。

您需要了解简单的实验室实验，以测量物理特性的值。您需要能够测量以下物理特性，包括金属、陶瓷、玻璃、聚合物和复合材料

一种机械性能；
密度；
导电率；
导热系数；
耐化学性；
热膨胀/收缩。

您需要了解测试材料物理特性的实验。您应该了解的具体实验包括

确定胡克定律，以及如何将材料的相关物理特性（弹性、弹性极限、永久变形、塑性、断裂点）与材料的分子结构相关联；
使用塞尔实验计算材料的刚度，以及如何使用以下公式将该刚度与材料的杨氏模量相关联

您需要能够使用此公式计算材料的杨氏模量的值。然后，您需要将此值与给定值进行比较，并将此值与材料的特定用途相关联。

您应该意识到，在商业环境中，这些实验通常与学校实验室中的实验有很大不同，有时规模更大，而且通常更严格。

塞尔法测量金属丝的杨氏模量

塞尔法使用两根相同材料的金属丝，其中一根将加载各种重量。

E = ${\frac {Fl}{Ax}}$

要计算杨氏模量，我们需要知道

金属丝的横截面积 (A)。这可以通过使用千分尺确定金属丝的半径，然后使用公式圆面积 = πr² 来测量。半径必须以米为单位测量，通常为 2 x 10⁻⁴ m。这将得到 1.26 x 10⁻⁷ m² 的面积。
金属丝的长度 (l，以米为单位测量)。
力和伸长量。
1 kg 质量的重量为 9.81 N。

我们绘制了伸长量 (m，横轴) 与重量 (N，纵轴) 的关系图。

该图的斜率（纵轴变化量 / 横轴变化量）是 F/x 的比值。如果我们将该比值乘以 l 并除以 A，我们将得到金属丝的杨氏模量。

测量伸长量

装置的“业务端”是一个装置，它使两根金属丝平行放置，并允许测量加载金属丝的伸长量。

您需要标记此图以显示

连接到参考金属丝以施加应力的恒定质量。
连接到测试金属丝以施加应力的可变质量。
柔性连接器。
一根导线到另一根导线的水平参考。
带刻度的拇指螺丝，用于调整水平参考。
导线夹。
参考导线。
测试导线。

此装置的优点

测试导线的热膨胀由参考导线的热膨胀来抵消。
长而细的导线允许最大伸长，以最小力实现。

问题

难以测量横截面积。
伸长量非常小。
测量的是质量，而不是重量。
需要高而牢固的安装点，除非装置进行调整。

方程

规范中给出了三个你需要了解的方程。在每种情况下，请参阅相关部分以获取更完整的描述。

导热系数

导热系数 = 热流速 × 距离 /（面积 × 温差）

λ = Q × L /（A × ΔT）

密度

密度 = 质量 / 体积

ρ = m / V

其中 p=rho----> 给予密度的希腊字母

杨氏模量

弹性杨氏模量 = 应力 / 应变

E =

{\frac {Fl}{Ax}}

应力 = 力 / 面积 = F / A

应变 = 伸长量 / 长度 = x / l

来源

^ http://www.ansellpro.com/download/Ansell_7thEditionChemicalResistanceGuide.pdf / http://www.polymerweb.com/_misc/chemres.html

[1]