物理性能期末復習

材料金屬陶瓷高分子靜態(tài)拉伸、斷裂、疲勞微觀結(jié)構(gòu)的變化應力-應變曲線金屬低碳鋼拉伸試驗彈性變形屈服點不均勻屈服塑性變形均勻屈服塑性變形縮頸斷裂那些具體物理性能E屈服強度彈性極限斷裂強度斷裂伸長率應力-應變曲線金屬真應力與工程應力的關(guān)系？金屬虎克定律彈性形變泊松比，是材料橫向應變與縱向應變的比值的絕對值

金屬屈服、屈服點、屈服強度金屬塑性塑性的意義斷裂韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂：金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴展過程中不斷消耗能量。脆性斷裂：突然發(fā)生斷裂，基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因此危害性很大。

α值越大，表示應力狀態(tài)越“軟”，金屬越易于產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。α值越小，表示應力狀態(tài)越“硬”，金屬越不易于產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂。為什么用α反映塑性大小彎曲彎曲缺口試樣靜載荷試驗缺口根部產(chǎn)生應力集中，同時缺口截面上的應力分布發(fā)生改變。缺口效應FF理論應力集中系數(shù)Kt由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料內(nèi)部應力狀態(tài)和應力分布，所以機件的結(jié)構(gòu)性能就不再相似于無裂紋的試樣性能，傳統(tǒng)的力學強度理論就不再適用。斷裂力學就是在這種背景下發(fā)展起來的一門新型斷裂強度科學，是在承認機件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴展的各種新的力學參量，并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。斷裂韌性裂紋包括：裂紋的萌生和發(fā)展應力應變分析方法：考慮裂紋尖端附近的應力場強度，得到相應的斷裂K判據(jù)。(2)能量分析方法：考慮裂紋擴展時系統(tǒng)能量的變化，建立能量轉(zhuǎn)化平衡方程，得到相應的斷裂G判據(jù)。線彈性條件下金屬斷裂韌度分析裂紋體斷裂問題的方法：裂紋擴展能量釋放率GI及斷裂韌度GIC防止應力腐蝕的措施合理選擇金屬材料減少或消除機件中的殘余拉應力改善化學介質(zhì)采用電化學保護選用合適的合金材料。將構(gòu)件所承受的應力降低到臨界應力以下加更活潑的金屬，高分子涂料斷裂方式不同：室溫

高溫

1.靜載荷

位錯塞積脆性解理蠕變穿晶、沿晶2.循環(huán)載荷疲勞穿晶疲勞、蠕變穿晶、沿晶混合環(huán)境影響：影響不大高溫氧化金屬的高溫力學性能一.磨損的概念磨損是摩擦的結(jié)果！二.磨損的特點材料表面發(fā)生微觀變形與斷裂變形與斷裂反復發(fā)生的動態(tài)過程受諸多因素的影響三.磨損曲線磨損曲線磨損的類型磨損的類型改善方法六.粘著磨損改善方法六.粘著磨損陶瓷材料的塑性變形（1）室溫下，大多數(shù)陶瓷塑性變形極小。

（2）1000℃以上，大多數(shù)陶瓷可發(fā)生塑性變形（主滑移系運動）。

實際強度遠小于理論強度的原因引起陶瓷實際抗拉強度較低的原因是陶瓷中因工藝缺陷導致的微裂紋，在裂紋尖端引起很高的應力集中，裂紋尖端之最大應力可達到理論斷裂強度。因而使陶瓷晶體的抗拉強度遠低于理論屈服強度。抗壓強度大于抗拉強度的原因由于陶瓷中總是存在微裂紋，拉伸時當裂紋一達到臨界尺寸就失穩(wěn)擴展立即斷裂，而壓縮時裂紋或閉合或呈穩(wěn)態(tài)緩慢擴展，使壓縮強度提高。陶瓷材料的增韌（細密、純、勻，減少應力集中）（1）改善顯微結(jié)構(gòu)（2）相變增韌（3）微裂紋增韌當主裂紋遇到微裂紋時，發(fā)生分叉轉(zhuǎn)向前進，增加擴展過程中的表面能；并松弛主裂紋尖端的應力集中，減慢裂紋擴展速度。陶瓷的抗熱震性（熱沖擊）材料承受溫度驟變而不破壞的能力。

在各種熱環(huán)境下引起的熱應力，以及與之相應的應力強度因子是熱震破壞的原因。由熱震引起的瞬時斷裂，即熱振斷裂。

高分子材料相對于金屬，陶瓷材料的優(yōu)勢是什么？？？原因：1.種類繁多；2.制造加工便利、質(zhì)輕、耐化學腐蝕，3.還因為它具有較高的力學強度和韌性。塑料橡膠纖維塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107~108Pa；受力形變可達百分之幾至幾百。

室溫彈性高；形變大（可達1000%），外力去除后，能迅速恢復原狀；彈性模量小，約105~104Pa。彈性模量較大，約109~1010Pa。形變小，機械性能隨溫度變化不大y-屈服點e-彈性極限點冷拉σε應變軟化應變硬化ebyebyp-比例極限ppb-斷裂點p-比例極限線型非晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線拉伸行為拉伸過程高分子鏈的三種運動情況：▲彈性形變（開始～e點）▲強迫高彈形變▲塑性變形拉伸行為塑性變形

是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，而不引起材料斷裂的現(xiàn)象。塑性變形是一種不可逆變形.塑性變形主要是由于切應力引起的。材料塑性變形過程中仍然保留著彈性變形，所以整個變形過程是彈性加塑性變形過程，可稱為彈塑性變形。結(jié)晶態(tài)高分子材料:塑變機制：塑性變形是由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞Ψ较蚺帕械奈⒗w維束的過程非晶態(tài)高分子材料：塑變機制：在正應力作用下形成銀紋和切應力作用下無取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束塑性變形冷拉和成頸玻璃態(tài)高聚物在Tb~Tg之間部分結(jié)晶高聚物在Tb~Tm之間玻璃態(tài)高聚物的強迫高彈形變對于玻璃態(tài)高聚物，當環(huán)境溫度處于Tb

＜T

＜Tg時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖中T=80℃，60℃的情形），這種變形稱強迫高彈形變。（2）強迫高彈形變的本質(zhì)是在高應力下，原來卷曲的分子鏈段被強迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強迫高彈形變在外力撤消后，通過適當升溫（T

＞Tg）仍可恢復或部分恢復。（1）既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動，是一種獨特的力學行為。（3）強迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應力可以促進分子鏈段在作用力方向上的運動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。玻璃態(tài)高聚物強迫高彈形變的特點晶態(tài)高聚物的應力-應變曲線第一階段OY段：出現(xiàn)“細頸”。第二階段，細頸的發(fā)展階段。第三階段（DB）：成頸變細的試樣重新被均勻拉伸，直到斷裂點B。第二階段是由于應力增加到C點時足已克服其晶格能，結(jié)晶發(fā)生熔融，鏈段開始運動，并沿外力方向取向。如果在此溫度下，聚合物結(jié)晶速率足夠大，則沿外力方向取向后鏈段能重新排入晶格而重新結(jié)晶；如果結(jié)晶速度太低，則會成為非晶態(tài)的取向高聚物。由于取向后分子鏈間排列緊密，分子間作用力增大，故強度增大。取向后強度增大，致使試樣不會迅速變細拉斷，而是在細頸兩端發(fā)展，也就是粗細交接處的分子鏈繼續(xù)取向，直至細頸發(fā)展完全。此后，必須進一步增加應力，才能破壞晶格能或克服鏈間作用力，使分子發(fā)生位移，甚至斷裂，從而導致材料破壞。結(jié)晶聚合物應力-應變?nèi)廴?-重結(jié)晶外部因素

溫度的影響非晶態(tài)高聚物不同溫度下的應力-應變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，材料處于硬玻璃態(tài)，無強迫高彈性3，4，5-溫度處于脆性溫度與玻璃化溫度之間，為軟玻璃態(tài)6，7，8-溫度處于玻璃化溫度與黏流溫度之間，為高彈態(tài)9-溫度處于黏流溫度以上，為黏流態(tài)123456789形變速率的影響拉伸速率提高屈服強度上升.時-溫等效原理屈服與銀紋化高聚物的屈服行為脆性斷裂時，試樣沒有明顯的變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直（圖a），斷裂面很光潔；韌性破壞過程中，當拉伸至屈服點時，試樣常出現(xiàn)與拉伸方向呈約45°角傾斜的剪切滑移變形帶剪切帶為何為45o屈服與銀紋化脆性與韌性銀紋面之間是由維系兩銀紋面的銀紋質(zhì)

——高度取向的微纖束和空穴組成的銀紋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)銀紋銀紋是高聚物所特有的一種現(xiàn)象，脆性材料拉伸中的微觀屈服現(xiàn)象主要是銀紋銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象銀紋實際強度強度的影響因素分子鏈結(jié)構(gòu)的影響極性基團和氫鍵低壓聚乙烯，聚氯乙烯，尼龍----拉伸強度但不能密度過大，妨礙鏈段運動，不能實現(xiàn)強迫高彈，表現(xiàn)為脆性斷裂芳雜環(huán)

其強度和模量都比脂肪族高，因此，新穎的工程塑料大都主鏈含芳雜環(huán)的。分子鏈的支化程度（分子間距離）

----作用力減少，拉伸強度低，沖擊強度高

交聯(lián)度提高，橡膠材料的拉伸模量和強度都大大提高，達到極值強度后，又趨于下降（結(jié)晶取向下降）；斷裂伸長率則連續(xù)下降。

交聯(lián)可以提高材料的抗蠕變能力，也能提高斷裂強度。對于玻璃態(tài)聚合物，交聯(lián)對脆性強度的影響不大；但對高彈態(tài)材料的強度影響很大。交聯(lián)的影響強度的影響因素

分子量是對高分子材料力學性能（包括強度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機化合物一般沒有力學強度（多為液體），高分子材料要獲得強度，必須具有一定聚合度，使分子間作用力足夠大才行。分子量的影響強度的影響因素

超過最小聚合度，隨分子量增大，材料強度（拉伸強度）逐步增大。到一定的值，拉伸強度變化不大，沖擊強度繼續(xù)增大（超高分子量PE）。但當分子量相當大，致使分子間作用力的總和超過了化學鍵能時，材料強度主要取決于化學鍵能的大小，這時材料強度不再依賴分子量而變化。強度的影響因素分子量的影響主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。

一般影響規(guī)律是：

1）隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強度、斷裂強度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強所致。然而如果結(jié)晶度太高，材料將發(fā)脆。結(jié)晶的影響聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度

/％65758595斷裂強度

/14.4182540斷裂伸長率

/％50030010020強度的影響因素

3）晶體形態(tài)對聚合物拉伸強度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強度最大，串晶次之，球晶最小。

2）晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)

均勻小球晶能使材料的強度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降，沖擊強度下降。

原因：大量的均勻小球晶分布在材料內(nèi)，起到類似交聯(lián)點作用，使材料應力-應變曲線由軟而弱型轉(zhuǎn)為軟而韌型，甚至轉(zhuǎn)為有屈服的硬而韌型。

方法：因此改變結(jié)晶歷史，如采用添加成核劑，如在聚丙烯中添加草酸酞作為晶種，都有利于均勻小球晶生成，從而可以提高材料強度和韌性。強度的影響因素聚丙烯應力-應變曲線與球晶尺寸的關(guān)系強度的影響因素

加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強。

對于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強度、模量提高，在垂直于取向方向的強度下降，伸長率增大。取向的影響

雙軸取向時，在該雙軸構(gòu)成的平面內(nèi)，性能不像單軸取向那樣有薄弱的方向。為此，利用雙軸取向，可以改進材料的性能。聚合物的增強

吸附有多條大分子鏈的炭黑粒子具有均勻分布應力的作用，當其中某一條大分子鏈受到應力時，可通過炭黑粒子將應力傳遞到其他分子鏈上，使應力分散。而且即便發(fā)生某一處網(wǎng)鏈斷裂，由于炭黑粒子的“類交聯(lián)”作用，其他分子鏈仍能承受應力，不致迅速危及整體，降低發(fā)生斷裂的可能性而起增強作用。

活性填料的增強主要來自表面活性。炭黑粒子表面帶有好幾種活性基團（羧基、酚基、醌基等），這些活性基團與橡膠大分子鏈接觸，會發(fā)生物理的或化學的吸附。圖