1.2　材料的固有特性

1.2.1　物理力学性能

（1）密度

密度是指材料在绝对密实状态下单位体 积的质量，即

ρ = m/V

式中　ρ —材料的密度，kg/m3；

　m —干燥材料的质量，kg；

　V —材料在绝对密实状态下的体积，m3。

绝对密实状态下的体积是指材料无孔隙时的体积。除钢铁、玻璃等少数材料可接近绝对密实状态外，绝大多数材料内部都有一定的孔隙。材料在自然状态下（包含孔隙）单位体积的质量称为密度。

（2）强度

强度指材料在外力（载荷）作用下抵抗明显的塑性变形或破坏作用的能力。材料抵抗外力破坏作用的最大能力称为极限强度。根据作用力的方式不同，材料的力学强度分为拉伸强度（即抗张强度或抗拉强度）、压缩强度、弯曲强度、冲击强度、疲劳强度等。强度是评定材料质量的重要力学性能指标，是设计中选用材料的主要依据。材料抗压、抗拉强度的计算公式为

R = P/F

式中　R —材料的极限强度，Pa；

　P —材料破坏时的最大载荷，N；

　F —材料受力截面积，cm2。

（3）弹性

在外力（载荷）作用下材料发生变形，当外力除去后材料能恢复原来形状的性能称为材料的弹性，这一变形称为弹性变形。材料所能承受的弹性变形量愈大，则材料的弹性愈好。

（4）塑性

在外力作用下材料发生变形，当外力取消后材料仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂缝，这一变形称为永久变形，材料所能承受永久变形的能力称为材料的塑性。永久变形量大而又不出现破裂现象的材料，其塑性好。材料的塑性用断面收缩率（ψ）和延伸率（δ）表示，即

（5）脆性与韧性

材料的力学断裂是由于原子间或分子间的键断开而引起的，按断裂时的应变大小分为脆性断裂和韧性断裂。前者是指材料未断裂之前无塑性变形发生，或发生很小塑性变形导致破坏的现象。岩石、混凝土、玻璃、铸铁等在本质上都具有这种性质，这些材料相应地被称为脆性材料。韧性断裂是指材料在断裂前发生大的塑性变形的断裂，如软钢及其他软质金属、橡胶、 塑料等均呈现韧性断裂。

韧性是指材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。脆性是指当外力达到一定限度时，材料发生无先兆的突然破坏，且破坏时无明显塑性变形的性质。脆性材料力学性能的特点是抗压强度远大于抗拉强度，破坏时的极限应变值极小。韧性与脆性是两个意义完全相反的概念，材料的韧性高，意味着其脆性低；反之亦然。度量韧性的指标有两类：冲击韧性和断裂韧性。冲击韧性是用材料受冲击而断裂的过程所吸收的冲击功的大小来表征材料的韧性。材料抵抗裂纹扩展断裂的韧性性能称为断裂韧性，是材料抵抗脆性破坏的韧性参数。它和裂纹本身的大小、形状及外加应力大小无关，是材料固有的特性，只与材料本身、热处理及加工工艺有关，是应力强度因子的临界值。常用断裂前物体吸收的能量或外界对物体所做的功表示，例如，应力-应变曲线下的面积。韧性材料因具有大的断裂伸长值，所以有较大的断裂韧性，而脆性材料一般断裂韧性较小。此指标可用于评价高分子材料的韧性，但对韧性很低的材料（如陶瓷）一般不适用。脆性与硬度有密切关系，硬度高的材料通常脆性亦大，砖、石材、陶瓷、玻璃、混凝土、铸铁等都是脆性材料。与韧性材料相比，它们对抵抗冲击荷载和承受震动作用是相当差的。

（6）硬度

硬度是材料抵抗其他物体压入自己表面的能力，反映出材料局部塑性变形的能力。不同的材料其硬度测定的方法也不相同，通常采用钢球或金刚石的尖端压入各种材料的表面，通过测定压痕深度来测定材料的硬度。也可通过测定材料上下落重锤的回弹高度来评定材料的硬度，称为肖氏（Albert F. Shore）硬度法。还可以用钻孔、撞击等方法来评定材料的硬度。对于矿物可用一定硬度的物体去刻划它的表面，根据刻痕和色泽的深浅来评定其硬度。对于金属材料、塑料及橡胶等测定硬度的常用方法有布氏（J.A.Brinell）硬度法、洛氏（S.P.Rockwell）硬度法和维氏（R. L. Smith，G. E. Sandland）硬度法等。

（7）疲劳特性

材料在受到拉伸、压缩、弯曲、扭曲或这些外力的组合反复作用时，应力的振幅超过某一限度即会导致材料的断裂，这一限度称为疲劳极限。疲劳寿命指在某一特定应力下，材料发生疲劳断裂前的循环数，它反映了材料抵抗产生裂缝的能力。

疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中，如金属材料的主要失效形式之一就是疲劳。疲劳断裂往往是没有任何先兆的，由此造成的后果有时是灾难性的。在设计振动零件时，首先应考虑疲劳特性。

（8）耐磨性

材料对磨损的抵抗能力称为材料的耐磨性，可用磨损量表示。在一定条件下，磨损量越小则耐磨性越高。一般用在一定条件下试样表面的磨损厚度或体积（质量）的减少来表示磨损量的大小。磨损包括氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损等。一般降低材料的摩擦因数、提高材料的硬度均有助于提高材料的耐磨性。

1.2.2　热学性能

（1）熔点

材料由固态转变为液态时的温度称为材料的熔点。工业上一般将熔点低于700℃的金属称为易熔金属。合金的熔融则有一定的温度范围，熔点的高低对于金属和合金的熔炼及热加工有直接影响，与机器零件及工具的工作性能关系也很大。高分子材料在热塑时具有玻璃化转变温度Tg，在此温度以上则成为高黏度液体或橡胶状材料。结晶性塑料熔点Tm（如聚四氟乙烯树脂）高于温度T，为327℃。热固性树脂无明显玻璃化转变温度或熔点，在高温下容易分解。陶瓷材料无明显的熔点，软化温度较高，化学性能稳定，耐热性优于金属材料。

（2）比热容

将1kg质量的材料温度升高1℃所需要的热量称为该材料的比热容，其单位为焦（耳）每千克摄氏度，即J/（kg·℃）。

一般无机建筑材料的比热容为（0.18～0.22）×4.19×103 J/（kg·℃），有机材料的比热容为（0.4～0.6）×4.19×103 J/（kg·℃），钢的比热容约为0.115×4.19×103 J/（kg·℃），水的比热容最大，约为1.00×4.19×103 J/（kg·℃）。材料的比热容随其含水率增加而增大。

（3）热膨胀系数

材料由于其温度上升或下降会产生膨胀或收缩，此种变形如果是以材料上两点之间的单位距离在温度升高10℃时的变化来计算即称为线胀系数，如果是以物体的体积变化来计算则称为体膨胀系数。线胀系数以高分子材料的最大，金属材料次之，陶瓷材料的最小。

（4）热导率

材料中将热量从一侧表面传递到另一侧表面的性质称为导热性。具有单位厚度的材料，其相对的两个面上如果给予单位的温度差，则在单位时间内传导的热量称为热导率，其单位为W/（m·K），即瓦（特）每米开（尔文）。

金属材料的热导率较大，是热的良导体。高分子材料的热导率小，是热的绝缘体。材料的导热性大小主要受其孔隙率和含水率的影响，材料的孔隙度愈高，则导热性愈低；材料的含水率增大，则导热性提高。

（5）耐热性

材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力，通常用耐热温度来表示。晶态材料以熔点温度为指标（如金属材料、晶态塑料）；非晶态材料以转化温度为指标（如非晶态塑料、玻璃等）。

（6）耐燃性

材料在含有氧气的环境中抵抗燃烧的能力。根据材料耐燃能力可分为不燃或难燃材料和易燃或可燃材料。

（7）耐火性

材料长期抵抗高热而不熔化的性能，或称耐熔性。耐火材料还应在高温下不变形、能承载。耐火材料按耐火温度分为普通耐火材料、高级耐火材料、特级耐火材料。

1.2.3　电性能

（1）导电性

材料传导电流的能力。通常用电导率来衡量导电性的好坏。电导率大的材料导电性能好。材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻R与导体的长度L成正比，与导体的截面积S成反比，即

式中　ρ —体积电阻率，Ω·m。

（2）电绝缘性

与导电性相反。通常用电阻率、介电常数、击穿强度来表示。电阻率大，材料电绝缘性好；击穿强度越大，材料的电绝缘性越好；介电常数愈小，材料的电绝缘性愈好。

1.2.4　光性能

材料对光的反射、透射、折射的性质。材料对光的透射率愈高，材料的透明度愈好；材料对光的反射率愈高，材料的表面反光愈强，为高光材料。

1.2.5　化学性能

材料的化学性能指材料在常温或高温时抵抗各种介质的化学或电化学侵蚀的能力，是衡量材料性能优劣的主要质量指标。它主要包括耐腐蚀性、抗氧化性和耐候性等。

① 耐腐蚀性 材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。

② 抗氧化性 材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。

③ 耐候性 材料在各种气候条件下，保持其物理性能和化学性能不变的性质。玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。

1.2.6　材料的物性规律

对现有材料而言，材料之间的物性可以归纳为以下规律。

① 材料密度（由大到小） 钢铁>陶瓷>铝>玻璃纤维增强复合材料>塑料。

② 材料耐热性（由高到低） 陶瓷>钢铁>铝>玻璃纤维增强复合材料>塑料。

③ 材料拉伸强度（由大到小） 钢铁>玻璃纤维增强复合材料>铝≈陶瓷>玻璃>塑料。

④ 材料比拉伸强度（由高到低） 玻璃纤维增强复合材料>铝>钢铁>塑料>玻璃>陶瓷。

⑤ 材料韧性（由强到弱） 钢铁≈铝≈玻璃纤维增强复合材料>塑料>陶瓷≈玻璃。

⑥ 材料导热性（由高到低） 铝>钢铁>陶瓷>玻璃>玻璃纤维增强复合材料>塑料。

⑦ 材料线胀系数（由大到小） 塑料>铝≈玻璃纤维增强复合材料>钢铁>玻璃≈陶瓷。

⑧ 材料导电性（由大到小） 铝>钢铁>陶瓷>玻璃纤维增强复合材料>玻璃>塑料。