第四章材料的性能materialsproperty

第四章材料的性能

materialsproperty性能決定用途。本章對材料的力學性能、熱性能、電學、磁學、光學性能以及耐腐蝕性，復合材料及納米材料的性能進行闡述。4－1固體材料的力學性能

MechanicalPropertiesofSolidMaterials結(jié)構(gòu)件：力學性能為主非結(jié)構(gòu)件：力學性能為輔，但必不可少mechanicalpropertyofmaterialsstressandstrainElasticdeformationModulusViscoelasticitypermanentdeformationStrengthFracture

4-1-1材料的力學狀態(tài)

mechanicalstatesofmatrials

1.金屬的力學狀態(tài)A晶態(tài)結(jié)構(gòu)，B較高的彈性模量和強度，C受力開始為彈性形變，接著一段塑性形變，然后斷裂，總變形能很大，D具有較高的熔點。某些金屬合金A呈非晶態(tài)合金，B具有很高的硬度和強度，C延伸率很低而并不脆。D溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，粘度明顯降低，發(fā)生晶化而失去非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.無機非金屬的力學狀態(tài)A玻璃相熔點低，熱穩(wěn)定性差，強度低。B氣相（氣孔）的存在導致陶瓷的彈性模量和機械強度降低。C陶瓷材料也存在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg。D絕大多數(shù)無機材料在彈性變形后立即發(fā)生脆性斷裂，總彈性應變能很小。陶瓷材料的力學特征

高模量高硬度高強度低延伸率3.聚合物的力學狀態(tài)（1）非晶態(tài)聚合物的三種力學狀態(tài)

①玻璃態(tài)②高彈態(tài)③粘流態(tài)（2）結(jié)晶聚合物的力學狀態(tài)Tm、Tf

A結(jié)晶聚合物常存在一定的非晶部分，也有玻璃化轉(zhuǎn)變。

B在Tg以上模量下降不大

C在Tm以上模量迅速下降

D聚合物分子量很大，Tm<Tf，則在Tm與Tf之間將出現(xiàn)高彈態(tài)。

E分子量較低，Tm>Tf，則熔融之后即轉(zhuǎn)變成粘流態(tài)，

玻璃化溫度(Tg)是非晶態(tài)塑料使用的上限溫度是橡膠使用的下限溫度熔點(Tm)是結(jié)晶聚合物使用的上限溫度4-1-2應力和應變

stress-strain

Ifaloadisstaticorchangesrelativelyslowlywithatimeandisapplieduniformlyoveracrosssectionorsurfaceofamember,themechanicalbehaviormaybeascertainedbyasimplestress-straintest.Thesearemostlycommonlyconductedformaterialsatroomtemperature.4-1-2應力和應變(stressandstrain)1.材料的應變方式各向同性材料，三種基本類型：

簡單拉伸tension

簡單剪切shear

均勻壓縮compression還有扭轉(zhuǎn)和彎曲形變。應力：單位面積上的內(nèi)力，其值與外加的力相等。

名義應力：面積為材料受力前的初始面積的應力。

真實應力：面積為受力后的真實面積的應力。應變：受到外力不慣性移動時，幾何形狀和尺寸的變化。（1）簡單拉伸(tensile)

=(l–l

0)/l

0=

l

/l

0=F/S0F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直線上AstandardtensilespecimenTensionisoneofthemostcommonmechanicalstress-straintest.thetensiontest

canbeusedtoascertainseveralmechanicalpropertiesofmaterialsthatisveryimportantindesign.（2）簡單剪切(shear)切應變

=

l

/l剪切力

s=F/S0F與截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直線上的兩個力

（3）均勻壓縮(compress)F：周圍壓力p

V=(V0-V

)/V0=V/V0壓縮應變

V

Compressionstress-staintestsmaybeconductedwhenin-serviceforcesareofthistype.Acom--pressiontestisconductedinamannersimilartothetensiontest,exceptthattheforceiscompressiveandthespecimencontrastsalongthedirectionofthestress.（4）扭轉(zhuǎn)Torsionaldeformation切應力

=M/W切應變

=tg=d0/(2l0)

100%實心W=.d03/16空心W=.d03（1-d14/d04）/16（5）彎曲Flexuraldeformation彎矩M最大擾度

max2.應力—應變曲線類型常用的試驗方法：A.以勻速拉伸試樣，用測力裝置測量F

伸長計同時測量l。B.采用適當?shù)淖鴺宿D(zhuǎn)換因子

曲線（F—l）轉(zhuǎn)換為應力—應變曲線（

—）

=F/S0和=l/l0

拉伸應力—應變曲線（

—）五種類型純彈性型彈性-均勻塑性型彈性-不均勻塑性型彈性-不均勻塑性-均勻塑性型彈性-不均勻塑性（屈服平臺）-均勻塑性型(1)

純彈性型

A陶瓷、巖石、大多數(shù)玻璃

B高度交聯(lián)的聚合物

C以及一些低溫下的金屬材料。(2)

彈性-均勻塑性型

A許多金屬及合金、

B部分陶瓷

C非晶態(tài)高聚物。(3)

彈性-不均勻塑性型

A低溫和高應變速率下的面心立方金屬，

B某些含碳原子的體心立方鐵合金

C以及鋁合金低溶質(zhì)固溶體。(4)

彈性-不均勻塑性-均勻塑性型

A一些結(jié)晶態(tài)高聚物

B未經(jīng)拉伸的線型非晶態(tài)高聚物(5)

彈性-不均勻塑性（屈服平臺）-均勻塑性型

A一些體心立方鐵合金

B許多有色金屬合金。3、應力

—應變

實例4-1-3和4-1-4材料的形變

DeformationofMaterialsElasticdeformation

Modulusofelasticity(Hook)(metalandceramics)

Rubberlikeelasticity(elastomer)

Viscoelasticity(polymer)permanentdeformationPlastic(metalslipsystemanddislocation)viscousflow(glassandpolymer)strengthening4－1－3彈性形變Elasticdeformation彈性形變有普遍性A任何材料起始總是有彈性形變，B有一定的彈性形變范圍，它取決于應力的大小和形態(tài)。1、Hooke定律和彈性模量

Hook’srawandModulusofelasticityHooke定律

＝E·

E-----彈性模量量綱GN/m2

GPa

力學特點

小形變、可回復彈性模量

正彈性模量

E＝／

正應力在狀態(tài)下

切彈性模量

G＝／

純剪切力作用下

體積彈性模量

K＝0／（V／V0）

泊松比為縮短應變與伸長應變的比值，

γ=-ey/ex

轉(zhuǎn)化關(guān)系

E=3G/[1+G/3K]K=E/[3(1-2γ)]E=2G(1+γ)E=3K(1-2γ)各種材料的彈性模量材料E（GPa）G（GPa）泊松比鑄鐵110.351.00.17軟鋼206.881.40.26鋁

68.924.80.33銅110.344.10.36黃銅70/30100.036.5

鎳（冷撥）213.779.40.30鈦106.9

鋯93.835.8

鉛17.96.20.40花崗巖46.219.30.20碳酸鈉石灰玻璃68.922.10.23混凝土10.3~37.9

0.11~0.21橡木（縱向）12.50.6

橡木（橫向）0.7

尼龍2.8

0.4酚醛樹脂5.2~6.9

硬橡膠2.8

0.43材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力主要取決于原子間的結(jié)合能力,構(gòu)件剛度金屬的模量值主要取決于10-102A晶體中原子的本性、電子結(jié)構(gòu)

B原子的結(jié)合力、

C晶格類型以及晶格常數(shù)等。

D合金元素降低彈性模量。陶瓷材料具有較高模量、原因10-102A原子鍵合的特點特種陶瓷

B構(gòu)成材料相的種類，分布、比例及氣孔率有關(guān)。

高分子材料低模量FIGURE7.19.4-4.一硫化的橡膠球受到6.89MPa的靜水壓力，直徑減少了1.2%，而相同材質(zhì)的試棒在受到516.8KPa的拉應力時伸長2.1%，則此橡膠棒的泊松比為多少？

K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7MpaE=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpaν=0.5(1-E/3K)=0.48金屬晶體、離子晶體、共價晶體等的變形通常表現(xiàn)為普彈性，主要的特點是：A應變在應力作用下瞬時產(chǎn)生，B應力去除后瞬時消失，C服從虎克定律。高分子材料通常表現(xiàn)為高彈性和粘彈性返回2.有機聚合物的彈性、粘彈性

ElasticityandVisco-elasticityofPolymers⑴高彈性，即橡膠彈性(rubberlikeelasticity)①

彈性模量小、形變大。

A一般材料，如銅、鋼等，形變量最大為1

左右，

B而橡膠的高彈性形變很大，可拉伸至5~10倍。

C橡膠的彈性模量則只有一般固體物質(zhì)的萬分之一左右，即10—100104Pa。②

彈性模量隨溫度升高而上升，而一般固體的模量則隨溫度的提高而下降。(a)軟而弱；(b)硬而脆；(c)硬而強；

(d)軟而粘彈性；(e)硬而粘彈性（2）粘彈性viscoelasticity①靜態(tài)粘彈性固定應力

A蠕變(creep)

開爾文模型（Kelvinmodel)并聯(lián)在蠕變過程中形變是時間的函數(shù)。即柔量D是時間的函數(shù)

D(t)=(t)/

粘壺B.應力松弛(stressrelaxation)

馬克斯維爾模型(Maxwellmodel)串聯(lián)在應力松弛過程中，模量隨時間而減小，稱為松弛模量，

E(t)=(t)/0②動態(tài)粘彈性

Dynamicviscoelasticity

周期性、交變應力在周期性應力作用下，模量

E可采用復數(shù)表示式。

E*=E’+i

E’’

tan=E’’/E’

3、滯彈性——無機固體和金屬的與時間有關(guān)的彈性。取決于溫度和荷載的頻率4、彈性極限與彈性比功（金屬）

比例極限

彈性變形時應力與應變嚴格成正比關(guān)系的上限應力

p=Fp/S0條件比例極限

tan’/tan=150%

p50

代表材料對極微量塑性變形的抗力切線（條件）彈性極限

最大彈性變形時的應力值。彈性比功彈性應變能密度。材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形的能力W=/2=2/2E殘留變形時的應力

4-1-4永久變形(permanentdeformation)

大形變、不可逆兩種基體類型

晶質(zhì)材料塑性流動－金屬為主晶體一部分相對于另一部分滑動

非晶質(zhì)材料粘性流動－高聚物為主原子集團自由調(diào)換位置Itisameasureofthedegreeofplasticdeformationthathasbeensustainedatfracture.AmaterialthatexperienceverylittleornoplasticdeformationuponfractureistermedbrittleDucitilityFIGURE7.11Typicalengineeringstress–strainbehaviortofracture,pointF.ThetensilestrengthTSisindicatedatpointM.Thecircularinsetsrepresentthegeometryofthedeformedspecimen