材料基礎(chǔ)-第八章材料力學(xué)性能

1、8.1 材料的性能材料的性能 當(dāng)材料作為結(jié)構(gòu)或器件使用時(shí)，必須考慮二大性能：使用性能和工藝性能使用性能和工藝性能。同時(shí)還要考慮性價(jià)比性價(jià)比。（1） 使用性能使用性能 力學(xué)性能、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。（2） 工藝性能工藝性能 成型過(guò)程中適應(yīng)加工及其連接的性能。 1） 金屬的鑄造、鍛壓、切削、熱處理、焊接等。 2） 陶瓷的制粉、成型與燒結(jié)等。 3） 聚合物的成型、流變、擠出、注塑、連接等。 這些性能直接關(guān)系到材料的使用效能、成本、成型過(guò)程中的難易程度以及制品的質(zhì)量控制等。 第八章 固體材料的基本性能8.2 金屬的性能金屬的性能8.2.1 力學(xué)性能力學(xué)性能 金屬的力學(xué)性能，有時(shí)也稱機(jī)械性能，是指材料在

2、載荷和環(huán)境因素（溫度、介質(zhì)）聯(lián)合作用下所表現(xiàn)出抵抗變形和斷裂的能力，包括強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度、疲勞、斷裂等。 外加載荷的作用形式如圖8-1所示。 通常在試驗(yàn)室里模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際使用條件，用以確定結(jié)構(gòu)的破壞方式和承載能力。 不同的試驗(yàn)方法可以測(cè)定材料特有的力學(xué)性能及其性能指標(biāo)。性能指標(biāo)是材料在設(shè)計(jì)、選用、工藝評(píng)定、質(zhì)量檢驗(yàn)及控制的重要依據(jù)。 以下是幾種常用的力學(xué)性能指標(biāo)及測(cè)定方法。 圖圖8-1 外力載荷的作用類型外力載荷的作用類型1. 拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 將材料加工成圓棒或板形的光滑試樣裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上(圖8-2)，沿試樣軸向以一定速度施加載荷，使其發(fā)生拉伸變形直至斷裂。 通過(guò)

3、力與位移傳感器可獲得載荷F(P)與試樣伸長(zhǎng)量l之間的關(guān)系曲線，即拉伸曲線,如圖8-3所示。 圖圖8-2 拉伸機(jī)示意圖拉伸機(jī)示意圖 圖圖8-3 碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線圖碳鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線圖 拉伸試驗(yàn)可以確定材料在靜載作用下的力學(xué)行為，即彈性變形、塑性變形、斷裂失效的三個(gè)基本過(guò)程，進(jìn)而確定材料最基本的力學(xué)性能指標(biāo)。 用縱坐標(biāo)表示應(yīng)力，橫坐標(biāo)表示應(yīng)變，這時(shí)的拉伸曲線與試樣尺寸無(wú)關(guān)，稱為應(yīng)力-應(yīng)變曲線或-曲線，見圖8-3。 = F/A0， =l/l0 =(l-l0)/l0100 (8-1) ：試樣單位面積上的拉伸應(yīng)力（MPa）， 注：與截面垂直的應(yīng)力叫拉應(yīng)力，與截面平行的叫剪應(yīng)力。 ：試樣上的拉伸應(yīng)變（m/m

4、）； F：試樣上的外力（N）1kg=9.8N； A0: 試樣的原始截面積（m2）； l: 試樣拉伸變形后的實(shí)際長(zhǎng)度（m）； l0: 試樣的原始標(biāo)距長(zhǎng)度，通常為圓棒直徑d的10倍（m）。 如果截面上作用剪切力S（Q）（圖8-4）,剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系可表示為： = S/F0， = a/h=tan (8-2) :試樣截面上的剪應(yīng)力（ MPa）； :試樣上的剪應(yīng)變（m/m）; S :試樣上的剪切力（N)； a :試樣的剪切位移（m）； :剪切角變形（度）； h :剪切力作用的高度（m） 圖8-4 受剪切力的變形2.2.彈性彈性 材料在外力作用下產(chǎn)生變形，外力去除后變形完全消失，材料恢復(fù)原狀，這種可逆

5、變形叫彈性變形。(1)(1)彈性模量彈性模量 在彈性變形階段，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，兩者的比值稱為彈性模量（MPa），記為E, E =/ (8-3)（8-3）式也稱為虎克定律（Hooks 定律）。 彈性模量反映材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)弱，一般隨溫度升高而逐漸降低，與顯微組織及其熱處理工藝無(wú)關(guān)。 彈性模量表征材料對(duì)彈性變形的抗力。其值愈大，材料產(chǎn)生一定量的彈性變形所需要的應(yīng)力愈大，工程上也稱E為材料的剛度。 需要指出的是，材料的剛度和零部件的剛度不是一回事。提高零部件剛度的辦法主要是增加零部件的橫截面積或改變截面形狀。 如果材料受到的是剪切變形，則（8-3）式變?yōu)?G = / (8-4)

6、G為抗剪模量（MPa）、 為剪應(yīng)力（MPa）、 為剪應(yīng)變（mm/mm）。 G與E的關(guān)系為： GE/2(1+) (8-5) 為泊松比，是抵抗材料收縮變形的能力。 通常碳鋼的為0.3, 陶瓷為0.25, 聚合物為0.35。 對(duì)于連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，其彈性模量可計(jì)算為： E1= Ef Vf + Em Vm (8-6)其中， E1為復(fù)合材料的縱向彈性模量； Ef 、Em 分別為纖維和基體的彈性模量； Vf 、Vm 分別為纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)。 同理， E2為橫向彈性模量,可計(jì)算為： 1 / E2 = Vf /Ef + Vm / Em (8-7) (2)(2)彈性極限彈性極限 材料產(chǎn)生微量塑性

7、變形的抗力，記為e，用下式表示: e = Fe/A0 (8-8)式中Fe：彈性極限載荷，通常很難確定。 在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中把產(chǎn)生0.01%殘余伸長(zhǎng)所需的應(yīng)力作為規(guī)定的彈性極限，記0.01。(3)(3)彈性滯后彈性滯后 實(shí)際工程材料，特別是高分子，加載后應(yīng)變不立即達(dá)到平衡值，卸載時(shí)變形也不馬上消失，這種應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為彈性滯后。 對(duì)易受振動(dòng)的部件，利用彈性滯后效應(yīng)吸收振動(dòng)能；對(duì)儀表上的傳感元件則不希望有彈性滯后現(xiàn)象。3.3.強(qiáng)度強(qiáng)度 材料在載荷作用下抵抗塑性變形或斷裂的能力，稱為強(qiáng)度強(qiáng)度。 根據(jù)載荷的不同，強(qiáng)度可分為屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗扭強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度等。(1) (1) 屈服強(qiáng)度屈

8、服強(qiáng)度 屈服強(qiáng)度表征材料發(fā)生明顯塑性變形時(shí)的抗力。 在拉伸過(guò)程中，載荷不增加但試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為屈服。屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度，記為s,可由下式求出: s = Fs/A0 (8-9)式中Fs為屈服時(shí)的外載荷。 許多材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象。規(guī)定產(chǎn)生0.2%殘余伸長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為條件屈服強(qiáng)度，記為0.2。(2) (2) 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 試樣屈服后，要繼續(xù)變形，需要不斷增加載荷。但載荷達(dá)到最大值Fb后，試樣某一部位的截面開始急劇縮小，出現(xiàn)“縮頸”致使載荷下降，直到最后斷裂。 試樣能承受的最大載荷除以原始截面積所得的應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度，記為b, 即: b = Fb / A0 (8-10) 抗

9、拉強(qiáng)度是材料在拉伸條件下能夠承受最大載荷的應(yīng)力值, 是表征材料對(duì)最大均勻變形的抗力。 脆性材料由于沒有明顯的屈服強(qiáng)度s ，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)常用b來(lái)計(jì)算。4.4.塑性塑性 材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力叫塑性。 常用塑性指標(biāo)有伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。其數(shù)值由下式求出： =(l1 - l0)/ l0100 % (8-11) =(A0 - Ak)/A0 100 % (8-12) 式中l(wèi)0為試樣原始標(biāo)距長(zhǎng)度；l1為試樣斷裂后標(biāo)距的長(zhǎng)度；A為試樣原始截面積；Ak為試樣斷裂處截面積。 材料的與值越大，說(shuō)明塑性越好。兩者相比較, 表示的塑性更接近材料的真實(shí)應(yīng)變。 長(zhǎng)試樣的延伸率寫成10；短試樣的延伸率寫成5，同一材料

10、,5 10, 所以對(duì)不同的材料，10值和5值不能直接比較。8.2.2 硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn) 材料抵抗局部變形的能力叫硬度材料抵抗局部變形的能力叫硬度。 硬度與材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和抗壓強(qiáng)度有一定關(guān)系，對(duì)材料的加工、摩擦和磨損均有重大影響。 常用測(cè)試方法有三種：壓痕法、回跳法和刻痕法。1. 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度是把直徑D的淬火鋼球，用載荷P壓入被測(cè)材料表面，保持一定時(shí)間后卸載，通過(guò)測(cè)量壓痕直徑d或壓痕表面積F來(lái)得到（圖85），其計(jì)算式為: HB =P /F = 2P/D(D - (D2-d2)1/2) (8-13) 例如，布氏硬度記為200HB10/1000/30, 表示直徑為10mm的鋼

11、球，在1000kg力的載荷下保持30s時(shí)測(cè)得的硬度為200。HB主要用于退火狀態(tài)下的鋼鐵、鑄鐵、有色金屬及一些非金屬材料，適用于HB 450的材料。 圖圖8-5 布氏硬度試驗(yàn)示意圖布氏硬度試驗(yàn)示意圖2. 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度是用壓頭的壓痕深度來(lái)量度。根據(jù)壓頭和載荷不同，可分為HRC、HRB和HRA三種(見表8-1)。 洛氏硬度可以直讀，操作方便，適用廣泛，可測(cè)量低硬度、高硬度材料。但洛氏硬度載荷大，標(biāo)尺不統(tǒng)一，不宜測(cè)定硬而脆的薄層，硬薄層工件用維氏硬度衡量。 3. 維氏硬度維氏硬度 維氏硬度的壓頭為金剛石四棱錐體，兩對(duì)面的夾角為136，通過(guò)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(圖8-6)求出，HV1.85

12、44P/d2。d為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，用此值查表得硬度值。 陶瓷材料常用維氏硬度和顯微硬度測(cè)定，見表8-2。 布氏、洛氏和維氏三種硬度的試驗(yàn)法，由于載荷大，只能測(cè)定材料組織的平均硬度值，不適合測(cè)定小范圍材料的硬度，如薄模、偏析、微相、擴(kuò)散深度等。表 8-1 洛氏硬度種類及應(yīng)用 表表8.2 常見陶瓷材料的硬度與熔點(diǎn)常見陶瓷材料的硬度與熔點(diǎn) 圖圖8-6 維氏硬度試驗(yàn)示意圖維氏硬度試驗(yàn)示意圖 4.小載荷硬度小載荷硬度(1) 維氏顯微硬度維氏顯微硬度 維氏顯微硬度, 簡(jiǎn)稱顯微硬度, 是用來(lái)測(cè)量組織中某一相微區(qū)的硬度， 如圖8-7所示。 顯微硬度的壓頭和表示符號(hào)與維氏硬度相同，但所用的載荷更小，只有幾克至幾

13、百克, （2g、5g、10g、50g、100g、200g），并且長(zhǎng)度以微米計(jì)量，其表達(dá)式為： HV1854.4P/d2 ，（P的單位是g，d為m），故有時(shí)稱為小載荷的維氏硬度。由于壓痕微小，需要做成金相樣品。適合于陶瓷的硬度測(cè)定。 例如，HV50900表示載荷為50g下的顯微硬度值為900 或表示為900HV0.05 。 圖圖8-7 合金相的顯微硬度壓痕合金相的顯微硬度壓痕(2) 努氏硬度努氏硬度 努氏硬度是從維氏顯微硬度發(fā)展而來(lái)。 主要差別：一是壓頭形狀為金剛石長(zhǎng)棱形，兩個(gè)長(zhǎng)棱夾角為172.5。，兩個(gè)短棱夾角為130。，試樣上長(zhǎng)短對(duì)角線長(zhǎng)度之比L/W為7.11倍的棱形壓痕；二是硬度值不是試驗(yàn)

14、力P除以壓痕的表面積之商值，而是除以壓痕投影面積之商值。其定義為: HK1.451P/L2 其中，L為實(shí)際壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度(m) ，K為Knoop的縮寫, P為載荷（N）, 其值在0.4903-19.61N之間。 努氏硬度精度高，適用于無(wú)機(jī)材料，尤其是先進(jìn)陶瓷材料，硬度的測(cè)量比維氏硬度更精確些，樣品的表面光清潔度要求高。（3）邵氏硬度）邵氏硬度 使用硬度計(jì)，在規(guī)定的試驗(yàn)條件下用標(biāo)準(zhǔn)彈簧壓力將硬度計(jì)上的壓針壓入試樣，以壓入深度轉(zhuǎn)換為硬度值，直接由硬度計(jì)讀出邵氏值HS。 HS分為邵氏A和邵氏D。邵氏A適合于軟塑料如橡膠、泡沫塑料等，邵氏D適合于硬塑料。（4）肖氏硬度）肖氏硬度 肖氏硬度又叫回跳硬度，

15、是動(dòng)載試驗(yàn)法。其原理是將一定重量的具有金剛石圓頭或鋼球的標(biāo)準(zhǔn)沖頭從一定高度h。自由落體到試件表面，然后由于試件的彈性變形使沖頭回跳到某一高度h，用這兩個(gè)高度的比值來(lái)計(jì)算肖氏硬度值KS。肖氏硬度無(wú)量綱，沖頭回跳高度越高，則試樣的硬度越高。（5）莫氏硬度）莫氏硬度 陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度稱為莫氏硬度。 它表示硬度從小到大的順序，不表示軟硬的程度。后面的材料可以劃破前面材料的表面。 莫氏硬度以前僅分為10級(jí)， 1級(jí)最小，10級(jí)最硬。相應(yīng)硬度的排序?yàn)椋?1滑石，2石膏，3方解石，4螢石，5磷灰石，6正長(zhǎng)石，7石英，8黃玉，9剛玉，10金剛石。 后來(lái)又出現(xiàn)了一些人工合成的高硬度陶瓷，莫氏硬度等級(jí)范

16、圍擴(kuò)大，現(xiàn)分為15級(jí)。其順序?yàn)椋?1滑石，2石膏，3方解石，4螢石，5磷灰石，6正長(zhǎng)石，7 SiO2玻璃，8石英，9黃玉，10石榴石，11熔融氧化鋯，12 剛玉，13碳化硅，14 碳化硼，15金剛石。8.2.3 8.2.3 沖擊韌性與試驗(yàn)沖擊韌性與試驗(yàn) 有些零部件是在沖擊載荷下工作的，如鍛錘、沖頭等，要用沖擊韌性來(lái)評(píng)定材料抵抗沖擊的能力。 還有一些金屬、高分子、陶瓷等材料在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生劣化和損傷，材料性能變脆，需要用沖擊韌性來(lái)評(píng)定。 沖擊韌性沖擊韌性k是材料在沖擊載荷作用下抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力，物理意義是試樣受沖擊載荷時(shí)單位橫截面上所吸收的沖擊功J，單位為J/m2。 金屬的沖擊

17、韌性通常在100kJ/m2以上。 材料的沖擊韌性一般是在一次擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試，如圖8-8所示。將試樣放在試驗(yàn)機(jī)的支座上，將具有一定質(zhì)量的擺錘舉至一定高度，再將其釋放，沖斷含缺口試樣。 圖8-8 8-8 夏氏（夏氏（CharpyCharpy）沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試驗(yàn)示意圖 標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣類型有兩種：梅氏試樣（缺口為U形）和夏氏試樣（缺口為V形，見圖8-8）。 一般梅氏試樣值顯著大于夏氏試樣值，兩種試樣的測(cè)試值不能互相比較。夏氏試樣的值必須注明，梅氏試樣適合韌性材料，夏氏試樣適用于脆性材料。 高分子常用伊氏(Izod)沖擊試樣,是一種懸臂梁式的含缺口試樣。 材料的k值隨溫度的降低而下降，而且在

18、某一溫度范圍會(huì)發(fā)生急劇降低，由韌性斷裂變成脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱冷脆，這個(gè)溫度范圍稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度范圍。 一般說(shuō)來(lái)，體心立方結(jié)構(gòu)金屬或以其為主的低強(qiáng)度鋼，其冷脆轉(zhuǎn)變溫度明顯而且該溫度較高。 高強(qiáng)度鋼或面心立方結(jié)構(gòu)金屬，如鋁及奧氏體合金鋼等，基本上沒有這種溫度效應(yīng)。 8.2.4 8.2.4 疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn) 許多零部件是在交變載荷下服役的，載荷的大小及方向都在變化，在這種載荷作用下，材料常在遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力下發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫材料的“疲勞”。 疲勞斷裂與靜載荷下的斷裂不同，無(wú)論在靜載荷下是脆性或韌性的材料，在疲勞載荷下都不產(chǎn)生明顯的塑性變形，斷裂是突然發(fā)生的，具有很大危險(xiǎn)性。1.1.疲勞極限疲勞極

19、限 材料在規(guī)定次數(shù)（一般鋼鐵材料取107次，有色金屬及其合金取108次）的交變載荷作用下，而不致引起斷裂的最大應(yīng)力稱為“疲勞極限”(r),單位為kg/cm2。 通常用拉伸或彎曲試驗(yàn)的方法測(cè)定材料在對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)條件下的疲勞極限(-1)。 試驗(yàn)時(shí)用多組試樣，在不同的交變應(yīng)力下測(cè)定試樣發(fā)生斷裂的周次N, 繪制-N曲線(圖8-9)。 對(duì)鋼鐵材料和有機(jī)玻璃等，當(dāng)應(yīng)力降到某值后，-N曲線趨于水平直線，此直線對(duì)應(yīng)的應(yīng)力即疲勞極限。大多數(shù)有色金屬、合金及聚合物，其疲勞曲線上沒有水平直線部分，工程上常規(guī)定N=108次時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為條件疲勞極限。 非金屬材料的疲勞極限遠(yuǎn)低于金屬材料，這是因?yàn)榉墙饘俨牧纤苄暂^小，

20、本質(zhì)上屬于脆性。 提高零部件的疲勞抗力可通過(guò)合理選材。改善材料的結(jié)構(gòu)形狀，避免應(yīng)力集中，減少材料缺陷，提高零件表面光潔度，對(duì)表面進(jìn)行強(qiáng)化處理而解決。圖圖8-9 疲勞曲線示意圖疲勞曲線示意圖2. 蠕變?cè)囼?yàn)蠕變?cè)囼?yàn) 蠕變是指材料在較高的恒定溫度下，外加應(yīng)力低于蠕變是指材料在較高的恒定溫度下，外加應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生緩慢的塑性變形，直屈服強(qiáng)度時(shí)，會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生緩慢的塑性變形，直至斷裂的現(xiàn)象至斷裂的現(xiàn)象 (圖8-10)。 金屬和陶瓷在較高溫度(0.30.5Tm, 其中Tm是材料的熔點(diǎn))時(shí)會(huì)發(fā)生蠕變，聚合物在室溫下就會(huì)發(fā)生蠕變。 材料的蠕變過(guò)程可用蠕變曲線來(lái)描述。典型的蠕變曲線如圖

21、8-10所示。圖中AB段為第一階段，稱減速蠕變階段，這一階段開始蠕變速率增大，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，蠕變速率逐漸減小。BC段為第二階段，稱為恒速蠕變階段，這一階段蠕變速率幾乎保持不變。通常蠕變速率就是以這一階段的變形速率來(lái)表示。CD段是第三階段，稱為加速蠕變階段，至D點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生蠕變斷裂。 圖圖8-10 蠕變?cè)囼?yàn)及其蠕變曲線蠕變?cè)囼?yàn)及其蠕變曲線8.2.5 斷裂試驗(yàn)斷裂試驗(yàn) 材料的斷裂韌性是指含缺陷材料抵抗裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展的能力。 在實(shí)際生產(chǎn)中，有的大型轉(zhuǎn)動(dòng)零件、高壓容器、船舶、橋梁等，常在工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力下發(fā)生低應(yīng)力脆斷事故。大量失效案例的分析表明，這種破壞與零部件本身存在的裂紋和裂紋的疲勞擴(kuò)展有

22、關(guān)。 實(shí)際上，零部件及其材料本身不可避免地存在的各種冶金、加工及制造缺陷，相當(dāng)于微觀裂紋，有的在使用中發(fā)展為宏觀裂紋。在外加應(yīng)力作用下，這些裂紋發(fā)生疲勞擴(kuò)展，一旦達(dá)到材料固有的缺陷尺寸便失穩(wěn)擴(kuò)展，發(fā)生低應(yīng)力脆斷。 材料的理論斷裂強(qiáng)度可簡(jiǎn)單估算如下。 晶體材料拉斷是晶體在拉應(yīng)力作用下，沿與拉應(yīng)力垂直的原子面被拉開的過(guò)程。 在這一過(guò)程中，外力作的功消耗在斷口上，即斷口的表面能。 設(shè)想完整晶體材料被解理面分開成兩半晶體，其解理面間距為a0, 沿力方向發(fā)生相對(duì)位移x, 當(dāng)位移很大時(shí)，位移和作用力的關(guān)系并不是線性關(guān)系，原子間的相互作用力最初是隨x的增大而增大，達(dá)到一峰值m后就逐漸下降，如圖8-11所示。

23、 圖圖8-11 原子間作用力與位移的關(guān)系原子間作用力與位移的關(guān)系 為了近似地求出圖8-11下的面積，用一正函數(shù)代替原來(lái)的波長(zhǎng)，其關(guān)系式為： （8-10）式中為正弦曲線的波長(zhǎng)，x為原子間距， m為使原子分開所需的最大應(yīng)力，即晶體的理論斷裂強(qiáng)度。 因此，發(fā)生斷裂時(shí)，單位面積所作的功近似為 （8-11） xm2sinmmdxx2sin2/0 晶體拉斷后要產(chǎn)生兩個(gè)新表面。 令單位面積的表面能用s表示。在拉伸過(guò)程中，應(yīng)力所作的功（811）式應(yīng)等于2s，則有 （ 8-12）再設(shè)曲線開始部分近似為直線，服從虎克定律，即 （8-13）式中a0為平衡狀態(tài)時(shí)的原子間距。 由（8-10）與（8-13）得sm20aE

24、x （8-14）由（8-12）與（8-14）得 （8-15） 若上式中的E、s 、 a，分別用材料的物性參數(shù)代入, 就可得該材料的理論斷裂強(qiáng)度值。02aEm0aEsm例如，鐵的E2105 MPa, a02.510-10 m, s 2 J /m2 則 m4.0104 MPa。 若用E的百分?jǐn)?shù)表示, 則mE/5.5, 通常mE/10。 實(shí)際金屬的斷裂應(yīng)力僅是理論值m的1/10 1/100 ，陶瓷和高分子則更低。 材料的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度，其原因在于材料內(nèi)部存在固有缺陷。早在1921年，英國(guó)Griffith就研究了陶瓷與玻璃的脆性斷裂問(wèn)題。 假定有一寬板在遠(yuǎn)處受均勻應(yīng)力作用，兩端固定, 此時(shí)板為

25、一隔離系統(tǒng)。 如果板內(nèi)制造一個(gè)長(zhǎng)2a的穿透裂紋，裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的彈性能的釋放, 如圖812所示。裂紋擴(kuò)展時(shí)裂紋的表面積增加，增加單位面積所需的能量叫表面能s 。 單位體積儲(chǔ)存的彈性能為 若形成裂紋2a，釋放的彈性應(yīng)變能表面能為 Us2s2a=4sa,這兩項(xiàng)能量的變化如圖812所示。系統(tǒng)總能量變化為 （816） 系統(tǒng)的能量變化有一極值，它對(duì)應(yīng)于22121EEaUE22EaaUs22 4 a. 含裂紋板的拉伸含裂紋板的拉伸 b. 裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng) 圖圖8-12 Griffith裂紋的能量平衡模型裂紋的能量平衡模型 當(dāng) 即彈性應(yīng)變能的釋放率大于或等于表面能的增長(zhǎng)速率，

26、系統(tǒng)自由能降低，裂紋會(huì)自動(dòng)擴(kuò)展。對(duì)應(yīng)此值的裂紋尺寸是臨界裂紋尺寸2ac，小于此值；裂紋不擴(kuò)展，大于此值，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展。 由公式（8-16）、（8-17）, 若用2a代替圖中的2ac ，斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的關(guān)系則為 （818） 這是著名的Griffith公式，也是斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)。0)2()2()2(addUaddUadUdEs, 0)2( , )2()2(adUdaddUaddUsE（817）a 2E s 這公式表明斷裂應(yīng)力和裂紋尺寸的平方根成反比。 由于 ，將此式與理論斷裂強(qiáng)度 （815）相比較，二者完全相似。若用裂紋尺寸a代替點(diǎn)陣參數(shù)，取a104b ，則實(shí)際斷裂強(qiáng)度只有理論值的1/100。

27、 由圖8-12b看出，裂紋尖端的應(yīng)力存在奇異性, 1957年，美國(guó)Irwin在Griffith理論基礎(chǔ)上導(dǎo)出了裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)為 （8-19）式中KI為I型應(yīng)力強(qiáng)度因子 r, 分別為裂紋尖端附近的極坐標(biāo)和極角。, 1 2aE s)23cos2cos2sin2 )23sin2sin1 (2cos2 )23sin2sin1 (cos2 rKrKrKIxyIyIx, a 材料斷裂試驗(yàn)證明，當(dāng)脆性材料中存在裂紋時(shí)，裂紋尖端就是一個(gè)應(yīng)力奇異場(chǎng)，形成應(yīng)力分布特殊的應(yīng)力場(chǎng)。Irwin進(jìn)一步指出,（819）式中應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱程度由應(yīng)力強(qiáng)度因子KI參數(shù)來(lái)控制，KI值大小與裂紋尺寸半長(zhǎng)a、外加均勻拉伸應(yīng)力存在以下

28、關(guān)系： (8-20)式中，Y裂紋形狀系數(shù)，與加載方式和試樣幾何形狀有關(guān)，為外加應(yīng)力（MPa）； 裂紋尖端附近的環(huán)向應(yīng)力；a裂紋半長(zhǎng)(m), r 離裂紋尖端的距離（m）。KI的量綱為MN/m3/2 。 (8-19)或(8-20)是現(xiàn)代線性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)公式。)(2 frKaYIIK 由(8-20）可見，隨應(yīng)力的增大，KI增大到某一臨界值時(shí)，裂紋前沿某一區(qū)域內(nèi)的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到足以使材料分離，導(dǎo)致裂紋突然失穩(wěn)擴(kuò)展而發(fā)生斷裂，即 KI KIC （8-21）其中KIC為材料固有的斷裂韌性，量綱為MN/m3/2 ，該值由材料斷裂試驗(yàn)測(cè)得。 KI與KIC的關(guān)系和拉伸試驗(yàn)中的應(yīng)力與s的關(guān)系相類似。當(dāng)外加應(yīng)力增加到

29、屈服應(yīng)力s時(shí)，試樣才開始發(fā)生明顯的塑性變形，是一個(gè)不斷變化的值；KI也是一個(gè)不斷變化的值；KIC是材料固有的值。只有當(dāng)KI KIC時(shí)，材料才會(huì)失穩(wěn)斷裂。 因此，KIC表示材料抵抗I型裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的斷裂性能指標(biāo)，是材料失穩(wěn)擴(kuò)展的重要判據(jù)。同樣，也可測(cè)得II型和III型的KIIC和KIIIC的斷裂韌性值。 事實(shí)上，各種脆性材料都有其固有的KIC值。它與裂紋形狀及其大小無(wú)關(guān)，也和外加應(yīng)力無(wú)關(guān)，只決定于材料本身的特性（成分、熱處理?xiàng)l件、加工工藝等情況）,可用斷裂性能試驗(yàn)求得。 目前還發(fā)展了考慮材料發(fā)生塑性變形時(shí)的斷裂韌性參數(shù)，如J積分、裂紋張開位移COD、應(yīng)變能擴(kuò)展速率 G等。 上述彈塑性斷裂力學(xué)

30、參數(shù)可以較為精確地分析和描述材料斷裂前有一定塑性變形的斷裂行為及其損傷機(jī)制，為結(jié)構(gòu)完整性和可靠性分析提供了理論基礎(chǔ)。8.2.6 物理性能物理性能 金屬的物理性能是指材料內(nèi)部固有的特性，以及金屬的物理性能是指材料內(nèi)部固有的特性，以及承受熱、電、磁等作用所反映的能力承受熱、電、磁等作用所反映的能力。 材料的物理性能主要包括密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性及其磁性等。 這些性能衡量材料的物理性能，即功能性質(zhì)。1 1相對(duì)密度相對(duì)密度(g/cm(g/cm3 3) ) 密度是指單位體積含有物質(zhì)的質(zhì)量（m/V），單位是(g/cm(g/cm3 3) )。 不同材料的相對(duì)密度各不相同。普通鋼鐵為7.9。 密

31、度小于5的金屬稱為輕金屬，如Mg，Al，Ti等。 密度大于5的金屬稱為重金屬，如Fe，Pb，W等。 普通陶瓷為2.2-2.5，金屬陶瓷為3.8以上；聚合物為0.9-1.9。 材料密度直接關(guān)系到產(chǎn)品的自重。輕金屬通常用于航空航天工業(yè)。 復(fù)合材料中通常用的是比強(qiáng)度，即抗拉強(qiáng)度與密度之比（/）；或比模量，即彈性模量E與密度之比(E/)。這兩項(xiàng)也是考慮某些零件材料性能的重要指標(biāo)。2 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)。金屬?gòu)墓虘B(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度稱為熔點(diǎn)。 純金屬是晶體結(jié)構(gòu)，都有固定的熔點(diǎn)。 熔點(diǎn)高的金屬稱為難熔金屬，如W，Mo，V等，可以用來(lái)制造耐高溫零件，如導(dǎo)彈，火箭，燃?xì)廨啓C(jī)和噴氣飛

32、機(jī)。 熔點(diǎn)低的金屬稱為易熔金屬，如Sn，Pb，可用于保險(xiǎn)絲和安全閥等。 陶瓷的熔點(diǎn)顯著高于金屬及合金的熔點(diǎn)，高分子通常不是完全晶體，所以沒有固定的熔點(diǎn)。 3熱膨脹性熱膨脹性 金屬隨著溫度變化而膨脹或收縮的特性叫熱膨脹性。加熱時(shí)體積增大，冷卻時(shí)收縮。 材料的熱膨脹通常用線膨脹系數(shù)表示(m/m. 0 C), 其計(jì)算式為： (L2-L1)/ tL1 (8-22)式中L1 ，L2分別為材料膨脹前后的長(zhǎng)度，t為溫差。 對(duì)精密儀器或機(jī)器的零件，熱膨脹系數(shù)是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，選用時(shí)熱膨脹系數(shù)要小。 在異種金屬材料焊接中，常因材料的熱膨脹性相差過(guò)大而使焊件變形或破壞。 一般而言，陶瓷的熱膨脹系數(shù)最低，金

33、屬次之，高分子則最高。 4磁性磁性 磁性是指材料被磁鐵磁化或吸引的能力。磁性是指材料被磁鐵磁化或吸引的能力。 衡量磁性材料的磁化難易程度的性能指標(biāo)是磁道率，或稱導(dǎo)磁系數(shù)。用符號(hào) 表示。 =B/H (8-23)式中B、H分別為材料磁感應(yīng)強(qiáng)度(T、斯拉)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)。 金屬按磁性強(qiáng)弱可分以下三種： (1) 鐵磁性材料 在外磁場(chǎng)中，能強(qiáng)烈地被磁化，如Fe、Co、Ni等。(2) 順磁性材料 在外磁場(chǎng)中，只有微弱地被磁化，如Mn、Cr、Mo等。超聲波探傷不能用。(3) 抗磁性材料 能夠抗拒或被減弱外加磁場(chǎng)磁化作用的材料，如Cu、Au、Ag、Pb、Zn、Ti等。 在鐵磁材料中，又分軟磁性材料和硬磁

34、性材料,用 表示: =B/H (8-24)式中B、H分別為材料磁感應(yīng)強(qiáng)度(T、斯拉)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)。a. 軟磁性材料 軟磁性材料易磁化和導(dǎo)磁性良好，但外磁場(chǎng)去掉后磁性基本消失, 如電工用純鐵、硅鋼片等。b. 硬磁性材料 硬磁性材料去磁后保持磁場(chǎng)，磁性不易消失。如淬火的鈷鋼、稀土鈷等。 鐵磁性材料鐵磁性材料可用于制造變壓器、電動(dòng)機(jī)、測(cè)量?jī)x表等；抗磁性材料抗磁性材料用于要求避免電磁場(chǎng)干擾的零件，如航海羅盤等。鐵磁性材料當(dāng)溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，磁疇被破壞，變?yōu)轫槾朋w。這個(gè)轉(zhuǎn)變溫度稱居里點(diǎn)。如鐵的居里溫度為7700C。 一般而言，許多金屬如鐵、鎳、鈷等均具有較高的磁性。但也有許多金屬,如鋁、銅、

35、鉛等,是無(wú)磁性的。非金屬材料一般無(wú)磁性。5導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 導(dǎo)熱性是指材料在加熱時(shí)傳導(dǎo)熱能的性能導(dǎo)熱性是指材料在加熱時(shí)傳導(dǎo)熱能的性能, 用熱導(dǎo)率（）表示，單位為（W/m.K）。 熱導(dǎo)率越高，導(dǎo)熱性越好。 金屬導(dǎo)熱性最好的是Ag ，Cu、Al次之。合金的導(dǎo)熱性比純金屬差一些。 材料的導(dǎo)熱性差，零件在加熱或冷卻時(shí)，由于表面和內(nèi)部產(chǎn)生溫差和熱膨脹系數(shù)的不同而會(huì)產(chǎn)生破裂。導(dǎo)熱性好的金屬材料散熱也好，在制造熱交換器、散熱器與活塞等傳熱設(shè)備的零部件時(shí)，要選導(dǎo)熱性好的材料。 金屬及合金的導(dǎo)熱系數(shù)通常遠(yuǎn)高于非金屬材料。 6導(dǎo)電性導(dǎo)電性 導(dǎo)電性是指材料傳導(dǎo)電流的性能，用電阻率來(lái)衡量，單位為.m。材料的導(dǎo)電性用電導(dǎo)率

36、表示，單位是(S/m)，是電阻率單位的倒數(shù)。 金屬的電阻率隨溫度升高而增加，非金屬則與此相反。 金屬及其合金一般具有良好的導(dǎo)電性，Ag的導(dǎo)電性很好，Cu、Al次之。合金差一些。電阻率小的金屬（純Cu、純Al）適于制造導(dǎo)電零件和電線。電阻率大的金屬（W，Mo，F(xiàn)e，Cr）適于做電熱元件。 高分子大多是絕緣體，但有的高分子復(fù)合材料卻具有良好的導(dǎo)電性。 陶瓷雖然也是良好的絕緣體，但某些特殊成分的陶瓷卻是有一定導(dǎo)電性的半導(dǎo)體。 7相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù) 表示絕緣材料電性能的物理量稱介電常數(shù)，單位是（F/M）。 雖然電的絕緣體不傳導(dǎo)電荷，但它們對(duì)電場(chǎng)并不是無(wú)效的。真空介電常數(shù)為 絕緣材料的介電常數(shù)與真

37、空介電常數(shù)0之比，稱為該材料的相對(duì)介電常數(shù) r（ / 0 ）。 總之，一些常見金屬的物理性能見表8-3。mF /1085. 8120表8-3 一些常見金屬的物理性能8.2.7 化學(xué)性能化學(xué)性能 金屬的化學(xué)性能是指材料在常溫或高溫下抵抗氧氣和各種化學(xué)腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力。 化學(xué)性能一般包括耐蝕性、抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。1耐蝕性耐蝕性 腐蝕分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和物理腐蝕三種。耐蝕性是指金屬抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。 化學(xué)腐蝕化學(xué)腐蝕是指金屬與非電解質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)但不產(chǎn)生電流的破壞過(guò)程。例如，金屬在干燥氣體中的腐蝕（飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁、火焰筒的腐蝕）、金屬在有機(jī)物液體酒精、石油中的腐蝕、鋁在乙

38、醇中的腐蝕，以及鎂和鈦在甲醇中的腐蝕。 電化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與電解質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)引起的破壞過(guò)程。 其腐蝕過(guò)程必須有電極反應(yīng)并產(chǎn)生電流，即有一個(gè)陰極反應(yīng)和一個(gè)陽(yáng)極反應(yīng)。 金屬在大氣、海水、土壤、介質(zhì)中的腐蝕均屬電化學(xué)腐蝕，這是最普遍、最常見的腐蝕形式。例如，鋼鐵生銹、銅生銅綠等。 物理腐蝕物理腐蝕是指由于單純的物理溶解而產(chǎn)生的腐蝕，如鋼鐵在液態(tài)鋅中的溶解等。 材料耐蝕性常用每年腐蝕深度來(lái)評(píng)定耐蝕等級(jí)。 非金屬材料由于沒有自由電子或自由電子很少，其耐蝕性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬。 2.2.高溫抗氧化性高溫抗氧化性 金屬在室溫和高溫條件下抵抗氧化作用的能力，稱為抗氧化性。 金屬在加熱條件下，氧

39、化作用會(huì)加速。 現(xiàn)代工業(yè)中許多在高溫下工作的機(jī)器與設(shè)備，首先必須具備抗氧化性?？寡趸圆⒉皇侵父邷叵峦耆槐谎趸?，而是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一層連續(xù)而致密并與母體結(jié)合牢靠的膜，從而阻止進(jìn)一步氧化的特性。 高分子雖然也有氧化問(wèn)題，但其氧化溫度不高，而且氧化機(jī)制也不相同。 陶瓷材料也會(huì)氧化，但基本上是高溫氧化。3 化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性 化學(xué)穩(wěn)定性是指材料的耐蝕性和抗氧化性的總稱。 一般合金鋼如鈦鋼、不銹鋼等的耐蝕性均較好 例如，鐵素體不銹鋼（Cr17，Cr25）、奧氏體不銹鋼（18-8,（1Cr18Ni9Ti, 304）和馬氏體不銹鋼(2Cr13,1Cr13)的耐酸性較好（鹽酸例外）。

40、金屬在高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性稱熱穩(wěn)定性，有時(shí)稱耐熱鋼,如12Cr1MoV，X20CrMOV121，10CrMo910，P91鋼、T91鋼等。 8.2.8 工藝性能工藝性能 金屬工藝性能的好壞，直接影響制造零件的工藝方法、質(zhì)量及成本。因此，選材時(shí)也必須充分考慮。 工藝性能主要有以下幾方面。1 1鑄造性鑄造性 液體金屬澆注在形狀復(fù)雜模具中并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件液體金屬澆注在形狀復(fù)雜模具中并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力叫鑄造性能的能力叫鑄造性能。流動(dòng)性好、收縮率小、偏析傾向小是鑄造性能好的衡量指標(biāo)。 某些工程塑料在成型加工過(guò)程中，也要求好的流動(dòng)性，如熔融指數(shù)MI和小的收縮率。 2 鍛造性鍛造性 材料采用鍛壓加工方法是否易

41、于進(jìn)行的壓力加工材料采用鍛壓加工方法是否易于進(jìn)行的壓力加工能力叫鍛造性能力叫鍛造性。 可鍛性好壞主要以材料的延性及變形抗力來(lái)衡量。鑄鐵不能進(jìn)行任何壓力加工。熱塑性塑料可擠壓和模塑成型，這與金屬擠壓和模壓成型相似。 3可焊性可焊性 材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性叫焊接性材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性叫焊接性。 焊接在一起并能保證焊縫質(zhì)量的性能，一般用焊接處出現(xiàn)各種缺陷的傾向來(lái)衡量。 低碳鋼具有優(yōu)良的可焊性；鑄鐵和鋁合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可塑性，但與金屬的焊接機(jī)制及工藝方法并不相同。 4. 切削加工性切削加工性 金屬是否易于進(jìn)行切削加工的性能叫金屬是否易于進(jìn)行切削加工的性能叫切削加工切削加工性

42、性。 它與材料的種類、成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性及內(nèi)部組織狀態(tài)等許多因素有關(guān)。 有利切削的硬度為HB160-230。切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨損小，加工表面光潔。5.5.熱處理工藝性能熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性，即鋼接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金鋼淬透性比較好，碳鋼的淬透性就比較差。 8.3 聚合物的性能聚合物的性能8.3.1 機(jī)械性能機(jī)械性能 聚合物的物理力學(xué)狀態(tài)聚合物的物理力學(xué)狀態(tài) 線性非晶態(tài)聚合物的三種力學(xué)狀態(tài) 線性非晶態(tài)聚合物在不同溫度下表現(xiàn)出三種物理狀態(tài)：玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。 在恒定載荷作用下

43、，聚合物的變形溫度曲線如圖8-13所示，圖中Tb為脆化溫度、Tg為玻璃化溫度、Tf為粘流溫度，Td為分解溫度。1. 圖圖 8-13 線性非晶態(tài)聚合物的變形與溫度曲線的關(guān)系 玻璃態(tài)玻璃態(tài) TTg時(shí)，變形量很大，彈性模量顯著降低，但外力去除后變形仍可回復(fù)，彈性是可逆的，見圖8-13b。 聚合物表現(xiàn)為柔軟性而富彈性，具有橡膠特性，處于所謂高彈態(tài)或橡膠態(tài)。 圖 8-14 高聚物材料的形變機(jī)理a.普彈形變TTg；c.流動(dòng)變形 TTf 當(dāng)T Tg時(shí)，分子動(dòng)能增大，足以使分子鏈段運(yùn)動(dòng)，但還不能使整個(gè)大分子鏈運(yùn)動(dòng)。此時(shí)分子鏈的柔性已大大增加，卷曲狀態(tài)的分子鏈可沿外力方向逐漸伸展，變形量可達(dá)1001000，處于

44、高彈變形狀態(tài)，見圖8-14b。這是高聚物所獨(dú)有的力學(xué)狀態(tài)。c. 粘流態(tài)粘流態(tài) 溫度高于Tf后，變形迅速發(fā)展，聚合物開始產(chǎn)生粘性流動(dòng)，處于粘流態(tài)，此時(shí)變形已不可逆。 由于分子動(dòng)能的增強(qiáng)，聚合物不僅鏈段運(yùn)動(dòng)，整個(gè)分子鏈也能運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生很大的不可逆的流動(dòng)變形，出現(xiàn)聚合物的粘性流動(dòng),見圖8-14 c。 所以，粘流態(tài)主要是與大分子鏈的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。(2)(2)晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài)晶態(tài)聚合物的力學(xué)狀態(tài) 聚合物結(jié)晶一般不完整，存在一定的非晶部分，也有玻璃化轉(zhuǎn)變。由于部分結(jié)晶存在(結(jié)晶度大于40%)，在Tg以上，鏈段運(yùn)動(dòng)仍受到限制，模量下降不大。在Tm以上模量才迅速下降。若聚合物分子量很大，TmTf 則熔融之后轉(zhuǎn)變

45、成粘流態(tài)。因此，結(jié)晶度和分子量對(duì)聚合物的物理狀態(tài)和性能有顯著影響。(3)體型聚合物的力學(xué)狀態(tài)體型聚合物的力學(xué)狀態(tài) 對(duì)于體型非晶態(tài)聚合物，具有網(wǎng)狀分子鏈，交聯(lián)點(diǎn)的密度對(duì)聚合物的物理狀態(tài)有重要影響。 若交聯(lián)點(diǎn)密度小，鏈段仍可運(yùn)動(dòng)，具有高彈態(tài)，彈性好，如輕度硫化的橡膠材料。若交聯(lián)點(diǎn)密度大，此時(shí)，TgTf，高彈態(tài)消失，聚合物與玻璃一樣，其性能硬而脆，如酚醛塑料、不飽和聚酯和環(huán)氧樹脂等。2. 聚合物的機(jī)械性能聚合物的機(jī)械性能 與金屬相比，聚合物有以下特點(diǎn)：（1）強(qiáng)度低）強(qiáng)度低 聚合物的平均強(qiáng)度為100MPa，比金屬低得多，但由于密度小（0.9-1.9）, 其比強(qiáng)度仍較高，某些工程塑料的比強(qiáng)度比金屬高，如

46、PEEK，PAI等，經(jīng)纖維增強(qiáng)后，其比強(qiáng)度更高。 聚合物的強(qiáng)度由分子鏈的化學(xué)鍵和分子鏈的相互作用構(gòu)成，其理論值近似為1/10E,該值比實(shí)際強(qiáng)度高1001000倍。這是由于材料內(nèi)部的缺陷引起的。 對(duì)于粘彈性聚合物，其強(qiáng)度十分依賴于溫度，見圖8-15, 又依賴于變形速度。加載速度快時(shí)，分子鏈段來(lái)不及變形，材料變脆，如圖8-16。a.W2W3）（2) 彈性高、彈性模量低彈性高、彈性模量低 聚合物的彈性變形量大，可達(dá)100-1000；一般金屬僅為 1%-30%。 聚合物的彈性模量低，通常在1-20GPa；金屬的彈性模量在200GPa以上。 它們之間的差別主要在于聚合物的高彈性。聚合物的高彈性一方面與分

47、子鏈的柔順性有關(guān)；另一方面與本身的相對(duì)分子量以及分子間交聯(lián)密度有關(guān)。 聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量愈大，彈性區(qū)范圍就愈寬。適度的交聯(lián)可以防止分子鏈間的滑動(dòng)。 大多數(shù)聚合物的高彈性是平衡高彈性，應(yīng)力與應(yīng)變同步發(fā)生。但有些聚合物如橡膠，特別在老化和低溫狀態(tài)下表現(xiàn)出與時(shí)間的依賴性，即應(yīng)變與應(yīng)力不同步，有些滯后，見圖8-17。 粘彈性是指聚合物的應(yīng)變不僅取決于應(yīng)力，而且取決于加載速率，或聚合物的應(yīng)力同時(shí)依賴于應(yīng)變和應(yīng)變速率的變形行為。 粘彈性產(chǎn)生的原因是鏈段的運(yùn)動(dòng)遇到困難，需要有一定的時(shí)間來(lái)調(diào)整構(gòu)象以適應(yīng)外力的要求。 所以，應(yīng)力作用的速度愈快，鏈段愈來(lái)不及作出反應(yīng)，粘彈性愈顯著。 粘彈性的表現(xiàn)主要有蠕變、應(yīng)力

48、松弛和內(nèi)耗等。（3) 粘彈性粘彈性 圖 8-17 高聚物的應(yīng)力與應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系 蠕變是在應(yīng)力保持恒定的情況下應(yīng)變隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象，見圖8-18。 聚合物的蠕變比其它材料嚴(yán)重得多，在室溫和在外力作用下即可發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，它是分子鏈在外力持久作用下逐漸產(chǎn)生構(gòu)象的變化和位移。例如，電線用PVC套管。 PPO，PC，PSF有較好的抗蠕變性。a. 蠕變?nèi)渥?圖 8-18 蠕變前后分子構(gòu)象變化的示意圖 b.b.應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 聚合物受力變形后產(chǎn)生的應(yīng)力隨時(shí)間而逐漸衰減的現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。 例如，法蘭密封墊圈經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用后發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 與蠕變一樣，應(yīng)力松弛也是大分子鏈在力的作用下逐漸改變

49、構(gòu)象并發(fā)生位移，如圖8-19所示。 聚合物的應(yīng)力松弛與分子鏈的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 線性高聚物隨時(shí)間的增長(zhǎng)，可依次產(chǎn)生普彈、高彈和流動(dòng)變形，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間里，應(yīng)變衰減為零。 對(duì)于交聯(lián)聚合物，應(yīng)力則衰減到一定值。 圖 8-19 應(yīng)力松弛過(guò)程中分子構(gòu)象的變化c. 滯后與內(nèi)耗滯后與內(nèi)耗 聚合物受周期載荷作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉伸和壓縮的循環(huán)應(yīng)變，如圖8-20所示，如橡膠輪胎、減震器等。 聚合物受載拉伸時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變沿ACB線變化，卸載回縮時(shí)沿BDA變化，回縮是平衡的，伸張則達(dá)不到平衡。應(yīng)變落后于應(yīng)力，出現(xiàn)應(yīng)變滯后現(xiàn)象。 由于應(yīng)變對(duì)應(yīng)力的滯后，在重復(fù)加載時(shí)，就出現(xiàn)上一次變形還沒有回復(fù)或分子鏈的構(gòu)象跟不上改變時(shí)，又施加了

50、下一次載荷，造成分子間的內(nèi)摩擦，產(chǎn)生所謂的內(nèi)耗，變形儲(chǔ)存的彈性能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?chǔ)存的能量等于滯后回線ACBDA所包圍的面積。 內(nèi)耗會(huì)引起聚合物溫度的升高，加速老化，但內(nèi)耗能吸收震動(dòng)波，有利于聚合物的減震性能。 圖圖8-20 橡膠在一個(gè)周期循環(huán)后的應(yīng)力與應(yīng)變曲線橡膠在一個(gè)周期循環(huán)后的應(yīng)力與應(yīng)變曲線 聚合物具有絕熱性。加熱時(shí)一部分分子鏈?zhǔn)軣幔硪徊糠植粫?huì)受熱或少受熱，因此材料不會(huì)立即熔化，先有一個(gè)軟化過(guò)程，表現(xiàn)出明顯的塑性。 在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，聚合物變形有二大特點(diǎn)：a. 屈服點(diǎn)處應(yīng)變大 聚合物應(yīng)變可高達(dá)20以上，金屬一般小于1。b. 頸縮變形階段長(zhǎng) 斷裂時(shí)聚合物塑性變形量大，比金屬大得多。 這些現(xiàn)象

51、與聚合物分子鏈的柔順性有關(guān)。在外力作用下，卷曲的分子鏈會(huì)伸展產(chǎn)生高彈變形，并且在Tg以下因鏈段運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，變形后不能恢復(fù)。這種變形叫受迫高彈性。但是加熱后，變形可完全恢復(fù)。（4）塑性和受迫彈性）塑性和受迫彈性 線性聚合物的韌性較好，斷裂前能吸收較大的能量。體型聚合物的韌性差。 熱塑性塑料的沖擊韌性一般在2-15kJ/m2；熱固性塑料則為0.5-5kJ/m2。其值比金屬材料小得多。 由于沖擊韌性低及拉伸強(qiáng)度低，純樹脂的塑料就不能作為結(jié)構(gòu)材料來(lái)使用。 為了提高塑料的韌性和強(qiáng)度，可以通過(guò)纖維增強(qiáng)方式來(lái)提高，即制成聚合物基復(fù)合材料。 例如，不飽和聚酯樹脂用纖維增強(qiáng)后成為玻璃鋼，其強(qiáng)度由40-80MPa

52、，提高到200-340MPa，沖擊韌性由1-2.16kJ/m2, 提高到27-162kJ/ m2, 而斷裂伸長(zhǎng)量仍不很高（0.5%-2%)。（5）韌性）韌性 摩擦是接觸表面間的機(jī)械粘接和分子粘著引起的。 大多數(shù)塑料對(duì)金屬和塑料的摩擦系數(shù)值在0.2-0.4之間。有些塑料更低。例如，PTFE對(duì)PTFE的摩擦系數(shù)只有0.04, 幾乎是工程材料中最低的。 PTFE摩擦系數(shù)低是由于分子鏈長(zhǎng)且鍵強(qiáng)高，碳原子被周圍的氟原子有效地屏蔽，分子間的實(shí)際粘著力變得很低，表面上的分子能夠佷容易地相互滑動(dòng)或滾動(dòng)；另一方面，分子之間的機(jī)械連鎖，提高了材料的硬度和抗剪強(qiáng)度，使摩擦抗力大大提高。 塑料的另一優(yōu)點(diǎn)是自潤(rùn)滑性能好

53、，能吸震和消音，在無(wú)潤(rùn)滑和少潤(rùn)滑的條件下，其耐磨和減摩性能是金屬材料難于比擬的，例如，PA，PEEK等。（6）減摩和耐磨性）減摩和耐磨性絕緣體絕緣體 聚合物分子的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵，不能電離，沒有自由電子和可移動(dòng)的離子，因此是良好的絕緣體。 聚合物的絕緣性與陶瓷相當(dāng)。另外，由于聚合物分子細(xì)長(zhǎng)、卷曲，在受熱、受聲之后振動(dòng)困難，所以對(duì)熱、聲也有良好的絕緣性。 例如，塑料的導(dǎo)熱性只有金屬的1以下。2.2.耐熱性耐熱性 聚合物的耐熱性是指它對(duì)溫度升高時(shí)機(jī)械性能聚合物的耐熱性是指它對(duì)溫度升高時(shí)機(jī)械性能降低的抵抗能力降低的抵抗能力。實(shí)際耐熱性是聚合物開始軟化或變形一定量時(shí)的溫度來(lái)表達(dá)。8.3.2 聚合物的物理

54、性能聚合物的物理性能 對(duì)于線性非晶態(tài)聚合物，其力學(xué)狀態(tài)與玻璃化溫度Tg有關(guān)，使用溫度必須低于Tg ；對(duì)晶態(tài)聚合物，則與熔點(diǎn)Tm有關(guān)，即可在此溫度下使用。 塑料的耐熱性常用馬丁耐熱溫度表達(dá)短時(shí)耐熱性。將標(biāo)準(zhǔn)試樣（120mm 15mm 10 mm）置于耐熱儀中，施加一定的彎應(yīng)力（5MPa），緩慢加熱，使試樣末端彎曲到指定大小的撓度達(dá)6mm時(shí)的溫度，即為該塑料的馬丁耐熱溫度。 有時(shí), 工程上常用熱變形溫度THDT(1.8MPa) 來(lái)表示塑料的短時(shí)耐熱性。該值是用三點(diǎn)彎曲試樣測(cè)定的。 通用塑料的使用溫度一般在1000C以下；高性能工程塑料在1000C-2000C使用（PEEK，PES）,熱固性酚醛塑料

55、可在1300C-1500C使用。有機(jī)硅塑料可在2000C-3000C使用。但它們的使用溫度比金屬低的多。3. 耐蝕性耐蝕性 聚合物的化學(xué)穩(wěn)定性很高，能耐水、耐酸、耐堿和無(wú)機(jī)試劑。塑料王PTFE幾乎可耐所有的介質(zhì)。 耐蝕性好是塑料的最大優(yōu)點(diǎn)。4. 老化老化 老化是指聚合物在長(zhǎng)期使用或存放過(guò)程中，由于環(huán)境因素的作用，性能隨時(shí)間不斷劣化，逐漸喪失使用價(jià)值的過(guò)程。這是聚合物的主要缺點(diǎn)。 高聚物的老化一般分為物理老化和化學(xué)老化。 化學(xué)老化是一種不可逆的化學(xué)反應(yīng)，其表現(xiàn)為橡膠變脆、龜裂、發(fā)粘，塑料退色、失去光澤和開裂。這些現(xiàn)象是不可逆的。 化學(xué)老化化學(xué)老化是聚合物鏈的結(jié)構(gòu)發(fā)生降解和交聯(lián)。 降解降解是聚合物

56、化學(xué)鍵受到光、熱、機(jī)械作用力等因素的影響，分子鏈發(fā)生斷鏈或裂解，分子量降低，強(qiáng)度、模量、熔點(diǎn)、溶解度、粘度等下降。 交聯(lián)交聯(lián)是指斷裂了的自由基再相互作用產(chǎn)生交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使材料變脆、變硬和伸長(zhǎng)率下降。 物理老化物理老化是指玻璃態(tài)聚合物通過(guò)小區(qū)域鏈段的微布朗運(yùn)動(dòng)，使其凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)從非平衡態(tài)向平衡態(tài)過(guò)渡。它使材料的物理、力學(xué)性能發(fā)生變化，材料的密度、模量、抗拉強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率和沖擊韌性下降，材料由韌性變?yōu)榇嘈浴?物理老化是一種可逆過(guò)程，與聚合物的構(gòu)象變化有關(guān)，這時(shí)分子間的堆砌更加緊密，分子間的此價(jià)鍵力的作用出現(xiàn)物理交聯(lián)，自由體積下降。8.4.1 陶瓷的力學(xué)性能陶瓷的力學(xué)性能剛度剛度 剛度由彈性模量來(lái)

57、衡量，反映結(jié)合鍵的強(qiáng)度。 陶瓷的化學(xué)鍵合是強(qiáng)大的離子鍵或離子鍵與共價(jià)鍵的混合鍵，具有很高的彈性模量，是各類材料中屬最高的（表8-4）。 陶瓷的彈性模量比金屬高若干倍，比聚合物高2-4各數(shù)量級(jí)。幾種典型陶瓷的彈性模量見表8-5。 像金屬一樣，陶瓷的彈性模量對(duì)組織不敏感，但受氣孔率影響較大，隨溫度的提高而下降。1. 8. 4 陶瓷的性能陶瓷的性能 表表 8-4 常見材料的彈性模量和硬度常見材料的彈性模量和硬度 表表 8-5 幾種典型陶瓷的彈性模量和強(qiáng)度幾種典型陶瓷的彈性模量和強(qiáng)度2. 硬度硬度 與剛度一樣，硬度也取決于化學(xué)鍵的強(qiáng)度，所以陶瓷也是各類材料中硬度最高。這是陶瓷材料的最大特點(diǎn)。 例如，大多數(shù)陶瓷的顯微硬度Hv在10005000之間，淬火鋼僅為500800，而聚合物最硬不超過(guò)20。