1、Materials property第四章第四章 材料的性能材料的性能 本章對材料的本章對材料的機械性能機械性能、熱性能熱性能、電學電學、磁學磁學、光學性能光學性能以以及及耐腐蝕性耐腐蝕性，復合材料復合材料及及納米材料納米材料的性能進行闡述。的性能進行闡述。材料的性能決定材料用途材料的性能決定材料用途第四章第四章 內容內容4-1 固體材料的機械性能固體材料的機械性能4-2 材料的熱性能材料的熱性能4-3 材料的電學性能材料的電學性能4-4 材料的磁學性能材料的磁學性能4-5 材料的光學性能材料的光學性能4-6 材料的耐腐蝕性材料的耐腐蝕性4-7 復合材料的性能復合材料的性能4-8 納米材料及效

2、應納米材料及效應Mechanical property of materials Stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity Permanent deformation Strength Fracture 4-1 4-1 固體材料的機械性能固體材料的機械性能41 固體材料的機械性固體材料的機械性能能 Mechanical Properties of Solid Materials力學性能設計內容：力學性能設計內容： （1）固體材料在各種使用條件下的失效現象和）固體材料在各種使用條件下的失效現象和微觀機理微觀機理 （

3、2）各種力學性能指標的物理意義，實用意義）各種力學性能指標的物理意義，實用意義以及它們之間的相互關系以及它們之間的相互關系 （3）影響工程材料力學性能的因素及提高力學）影響工程材料力學性能的因素及提高力學性能的途徑性能的途徑 （4）力學性能的測試方法）力學性能的測試方法 Mechanical states of materials A 晶態晶態結構結構 。B 較高的彈性較高的彈性模量模量和和強度強度 ， 低的延伸率。低的延伸率。C 受力開始為彈性受力開始為彈性形變形變，接著一段塑性，接著一段塑性形變形變，然后斷，然后斷裂，總變形能很大。裂，總變形能很大。D 具有較高的具有較高的熔點熔點。4-1

4、-1 材料的力學狀態材料的力學狀態1. 金屬金屬(Metals)的力學狀態的力學狀態固體內部存在晶相和非晶相兩種相態。非晶態，在熱力學上視為固體內部存在晶相和非晶相兩種相態。非晶態，在熱力學上視為液相。液相。 當液體冷卻固化時，有兩種轉變過程，一種是規則排列，晶當液體冷卻固化時，有兩種轉變過程，一種是規則排列，晶態，一種是不規則排列，非晶態。態，一種是不規則排列，非晶態。圖4.1 溫度與彈性模量關系彈性模量隨溫度升高而降低？彈性模量隨溫度升高而降低？C 延伸率很低而并不脆。延伸率很低而并不脆。 D 溫度升高到玻璃化轉變溫度以上，原子可溫度升高到玻璃化轉變溫度以上，原子可動性顯著增大動性顯著增大

5、, 粘度明顯降低，發生晶化而粘度明顯降低，發生晶化而失去非晶態結構。失去非晶態結構。B 具有很高的硬度和強度，具有很高的硬度和強度，A 呈非晶態合金，呈非晶態合金，某些金屬合金某些金屬合金2. 無機非金屬無機非金屬(nonmetals)的力學狀態的力學狀態D 絕大多數無機材料在絕大多數無機材料在彈性變形后立即發生脆性彈性變形后立即發生脆性斷裂斷裂，總彈性應變能很小。，總彈性應變能很小。C 陶瓷材料也存在玻璃化轉變溫度陶瓷材料也存在玻璃化轉變溫度TgB 玻璃相玻璃相熔點熔點低，熱穩定性差，強度低，低，熱穩定性差，強度低，氣相（氣相（氣氣孔）的存在導致陶瓷的彈性孔）的存在導致陶瓷的彈性模量模量和機

6、械和機械強度強度降低。降低。A 內部呈晶相和非晶相共存結構，非晶相包括玻璃內部呈晶相和非晶相共存結構，非晶相包括玻璃 相和氣相。相和氣相。高模量高模量陶瓷陶瓷材料的力學特征材料的力學特征高硬度高硬度高強度高強度低延伸率低延伸率以上性質主要由陶瓷材料的原子鍵合特點決定的。以上性質主要由陶瓷材料的原子鍵合特點決定的。共價鍵共價鍵=離子鍵離子鍵金屬鍵金屬鍵3. 聚合物的力學狀態聚合物的力學狀態 (Polymer)（1） 非晶態聚合物非晶態聚合物的的三種三種力學狀態力學狀態 玻璃態玻璃態 （1091010pa） 高彈態高彈態 （ 104pa） 粘流態粘流態 此外，具有三維微交聯結構的聚合物，不發此外，

7、具有三維微交聯結構的聚合物，不發生粘性流動，只有高彈行為；而具有高度交聯結生粘性流動，只有高彈行為；而具有高度交聯結構時，高彈行為也失去。過小分子量的聚合物無構時，高彈行為也失去。過小分子量的聚合物無高彈態。高彈態。圖圖4.2 非晶態聚合物的熱機械曲線非晶態聚合物的熱機械曲線（2） 結晶聚合物結晶聚合物的力學狀態的力學狀態 A 結晶聚合物常存結晶聚合物常存 在一定的在一定的非晶非晶部分，也有部分，也有玻璃化轉變。玻璃化轉變。 B 在在T g 以上以上模量模量下降不大下降不大 C 在在T m 以上以上模量模量迅速下降迅速下降 D 聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，T m T f ，則熔融之后即

8、轉變成，則熔融之后即轉變成粘流態粘流態 圖圖4.3 結晶聚合物的溫度形變曲線結晶聚合物的溫度形變曲線 1分子量較低分子量較低, TfTm 2分子量較高分子量較高, Tm AT工程應力工程應力 ： =F / A 0工程應力工程應力 小于小于 真實應力真實應力 TF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 切應變：切應變： =tan （2）簡單剪切簡單剪切(shear)切應力：切應力： s( )= F / A 0壓縮應變壓縮應變 V：Compression stress-stain tests may be conducted w

9、hen in-service forces are of this type. A com- -pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction of the stress. V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0（3）均勻壓縮均勻壓縮(compress)F：周圍壓力：周圍壓力p實心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0

10、3（1- d 1 4 /d 0 4）/16 切應變切應變 =tg = d 0 / (2l 0 ) 100%（4）扭轉扭轉 Torsional deformation切應力切應力 =M / W M: 扭矩扭矩; W: 截面系數截面系數（5）彎曲彎曲 Flexural deformation彎矩彎矩 M 最大擾度最大擾度 max3. 應力應力應變曲線應變曲線(Stress-strain curve)常用的試驗方法：常用的試驗方法：= F / A0和和 = l / l0 曲線（曲線（F l）轉換為應力）轉換為應力應變曲線應變曲線 （ ）A .以勻速拉伸試樣，用測力裝置測量以勻速拉伸試樣，用測力裝置測

11、量F，伸長計同時測量，伸長計同時測量 l。B .采用適當的坐標轉換因子采用適當的坐標轉換因子彈性彈性-均勻塑性均勻塑性型型純彈性純彈性型型彈性彈性-不均勻塑性不均勻塑性型型彈性彈性-不均勻塑性不均勻塑性-均勻塑均勻塑性性型型彈性彈性-不均勻塑性（屈服不均勻塑性（屈服平臺）平臺）-均勻塑性均勻塑性型型拉伸拉伸應力應力應變曲線（應變曲線（ ）五種類型五種類型下一頁下一頁應力應力 應變應變實例實例4-1-3彈性形變彈性形變 Elastic deformationA 任何材料任何材料起始起始總是有彈性形變總是有彈性形變; B 有一定的彈性形變有一定的彈性形變范圍范圍，它取決，它取決 于應力的大小于應力

12、的大小和形態。和形態。彈性形變有普遍性彈性形變有普遍性1、Hooke定律和彈性模量定律和彈性模量 Hooks raw and Modulus of elasticity彈性形變的力學特點彈性形變的力學特點:小形變、可回復小形變、可回復Hooke定律定律 E E -彈性模量彈性模量, 量綱量綱 GN/m2, Gpa 彈性模量表示材料對于彈性變形的抵彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力抗力 彈性模量彈性模量正應力在正應力在 狀態下狀態下: 正彈性模量正彈性模量 E 純剪切力純剪切力 作用下作用下: 切彈性模量切彈性模量 G 均勻壓縮均勻壓縮: 體積彈性模量體積彈性模量 K 0( VV0) 泊松比泊

13、松比為縮短應變與伸長應變的比值，為縮短應變與伸長應變的比值， =- ey/ex轉化關系轉化關系 E=3G/1+G/3K K=E/3(1-2) E=2G(1+) E=3K(1-2)E=3K(1-2)材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力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合能力主要取決于原子間的結合能力 金屬的模量金屬的模量值主要取決于 10-102 A 晶體中原子原子的本性、電子結構 B 原子的結合力結合力 C 晶格晶格類型以及晶格常數等。 D 合金元素降低彈性模量。 陶瓷陶瓷材料具有較高模量 10-102 A 原子鍵合鍵合的特點 B 構成材料相相的種類，分布、

14、比例及 氣孔率有關。 高分子材料高分子材料低模量FIGURE 7.19 Typical stressstrain behavior to fracture for aluminum oxide and glass. 查表知泊松比查表知泊松比 =0.34查表知模量查表知模量E =97GPa例題例題4-4. 一硫化的橡膠球受到一硫化的橡膠球受到6.89MPa的靜水壓力的靜水壓力，直徑直徑減少了減少了1.2%，而相同材質的試棒在受到，而相同材質的試棒在受到516.8KPa的的拉應力時伸長拉應力時伸長2.1%，則此橡膠棒的，則此橡膠棒的泊松比泊松比為多少？為多少？ 例題例題E=3K(1-2)So =0

15、.5(1-E/3K)=0.51-(24.6MPa)/(3 193.7MPa)=0.48E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=/(V/V) =6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7Mpa金屬晶體、離子晶體、共價晶體金屬晶體、離子晶體、共價晶體等的變形通常表現等的變形通常表現為為普彈性普彈性，主要的特點是：，主要的特點是： A 應變在應力作用下瞬時產生，應變在應力作用下瞬時產生， B 應力去除后瞬時消失，應力去除后瞬時消失，C 服從虎克定律。服從虎克定律。高分子材料通常表現為高彈性和粘彈性高分子材料通常表現為高彈性和粘彈性 2. 有機聚合物的高彈性、粘彈性有機聚合物的

16、高彈性、粘彈性 Elasticity and Visco-elasticity of PolymersCarswell和Nason將聚合物應力應變曲線分為五大類型，即：硬而脆、硬而強、強而韌、軟而韌、軟而弱。硬而脆、硬而強、強而韌、軟而韌、軟而弱。應力-應變行為有以下幾個重要指標：楊氏模量E剛性（以“硬”或“軟”來形容）屈服應力 或斷裂應力（又稱抗張強度 ） 強度（以“強”或“弱”來形容） 圖 非晶態聚合物的應力-應變曲線整個曲線可分成五個階段： 彈性形變區，從直線的斜率可以求出楊氏模量，從分子機理來看，這一階段的普彈性是由于高分子的鍵長、鍵角和小的運動單元的變化引起的。 屈服（yield，又

17、稱應變軟化）點，超過了此點，凍結的鏈段開始運動。 大形變區，又稱為強迫高彈形變，本質上與高彈形變一樣，是鏈段的運動，但它是在外力作用下發生的。 應變硬化區，分子鏈取向排列，使強度提高。 斷裂高彈性高彈性，即，即橡膠彈性橡膠彈性 (rubberlike elasticity) 彈性模量小、形變大彈性模量小、形變大。 表現如下表現如下:A 一般材料，如銅、鋼等，形一般材料，如銅、鋼等，形 變量最大為變量最大為 1 左右，左右， B 而橡膠的高彈性形變很大，可拉伸至而橡膠的高彈性形變很大，可拉伸至 5 10 倍。倍。 C 橡膠的彈性模量則只有一般固體物質的萬分之一左右，即橡膠的彈性模量則只有一般固體

18、物質的萬分之一左右，即10100 10 4 Pa。 彈性模量隨溫度升高而上升彈性模量隨溫度升高而上升(本質決定，熵變本質決定，熵變) 一般固體的模量則隨溫度的提高而下降。一般固體的模量則隨溫度的提高而下降。 形變時有熱效應，拉伸時放熱，回縮時吸熱。形變時有熱效應，拉伸時放熱，回縮時吸熱。 在一定條件下，高彈形變有明顯的松弛現象。在一定條件下，高彈形變有明顯的松弛現象。（2）粘彈性粘彈性 viscoelasticity 聚合物既有粘性又有彈性的性質，實質是聚合物的力松弛行為。靜態靜態粘彈性 固定應力下形變隨時間延長而發展的性質。固定應力下形變隨時間延長而發展的性質。 A 蠕變蠕變(creep)

19、開爾文開爾文模型（Kelvin model) 并聯并聯 在蠕變過程中形變 是時間的函數。即柔量D是時間的函數D (t) = (t) / 形變隨時間而增加形變隨時間而增加B. 應力松弛應力松弛(stress relaxation) 麥克斯維麥克斯維模型 (Maxwell model) 串聯串聯高分子鏈的構象重排和分子鏈滑移高分子鏈的構象重排和分子鏈滑移是導致材料蠕變和應力松弛的是導致材料蠕變和應力松弛的根本原因。根本原因。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) / ，應力（模量）隨時間而減小應力（模量）隨時間而減小 凡是能增加分子間作用力和鏈段運動阻力的結構因

20、素，均能提高聚合物抗蠕變和應凡是能增加分子間作用力和鏈段運動阻力的結構因素，均能提高聚合物抗蠕變和應力松弛能力。力松弛能力。 如：主鏈剛性大；相對分子質量高；分子極性強，分子間作用力大；聚合物如：主鏈剛性大；相對分子質量高；分子極性強，分子間作用力大；聚合物交聯等。交聯等。 聚四氟乙烯分子鏈雖然剛性大，但分子間作用力小，所以抗蠕變松弛能力弱。聚四氟乙烯分子鏈雖然剛性大，但分子間作用力小，所以抗蠕變松弛能力弱。 聚氨脂橡膠由于分子極性強，分子間作用力大，所以抗蠕變性能好。聚氨脂橡膠由于分子極性強，分子間作用力大，所以抗蠕變性能好。 蠕變：蠕變：材料在一定溫度，應力作用下，變形隨時間的延續而緩慢增

21、長的現材料在一定溫度，應力作用下，變形隨時間的延續而緩慢增長的現象。象。應力松弛應力松弛：材料在一定溫度，恒定變形條件下，應力隨時間的延續而逐漸：材料在一定溫度，恒定變形條件下，應力隨時間的延續而逐漸減少的現象。減少的現象。 動態粘彈性動態粘彈性 Dynamic viscoelasticity （高聚物）（高聚物） 周期性、交變應力下的力學行為。周期性、交變應力下的力學行為。0 2 tt 聚合物的應變隨時間的變化始終落后于應力的變化，這一滯后效應稱為動態粘彈性現象。由于存在滯后效應，使聚合物在交變應力作用下，應變來不及完全恢復。未能釋放的彈性能消耗于克服分子間的內摩擦上，即產生了內耗。這種內耗

22、轉化為熱能。取決于溫度和荷載的頻率取決于溫度和荷載的頻率 3、滯彈性滯彈性無機固體和金屬的與時間有關的彈性無機固體和金屬的與時間有關的彈性比例極限比例極限 (proportional limit) 彈性變形時應力彈性變形時應力與應變嚴格成與應變嚴格成正比正比關關系的上限應力系的上限應力 p = F p / S 0 條件比例極限條件比例極限 tan /tan =150% p50 代表材料對極微代表材料對極微量塑性變形的抗力量塑性變形的抗力 切線切線4、 彈性極限與彈性比功彈性極限與彈性比功（金屬）（金屬）（條件）彈性極限（條件）彈性極限 最大彈性變形最大彈性變形時的應力值。 條件彈性極限 0.0

23、1、條件屈服極限 0.2 應力正比于應變的比例關系(胡克定律)保持不變的最大應力稱為比例極限比例極限。彈性極限彈性極限是使材料開始發生范性形變的應力。工程上往往采用比例極限來代替彈性極限。工程上往往采用比例極限來代替彈性極限。 材料屈服屈服是使試樣產生給定的永久變形時所需要的應力，金屬材料試樣承受的外力超過材料的彈性極限時，雖然應力不再增加，但是試樣仍發生明顯的塑性變形，這種現象稱為屈服，即材料承受外力到一定程度時，其變形不再與外力成正比而產生明顯的塑性變形，產生屈服時的應力稱為屈服極限。 彈性比功彈性比功 彈性應變能密度。材料吸收變形功而又不發生永久變形的能力 W = /2= 2/2E4.1.4 永久形變永久形變 材料永久形變是一種流動過程：包括兩種基本類型：晶質材料的塑性流動通常表現為晶體的一部分相對于另一部分的滑動；非晶質材料中的原子小基團自由調換其相鄰基團的過程，此過程為粘性流動。塑性流動塑性流動 當外加的應力超過晶質材料（主要是金屬）的彈當外加的應力超過晶質材料（主要是金屬）的彈性極限，晶質材料就會發生塑性變形。性極限，晶質材料就會發生塑性變形。A.材料塑性變形機理材料塑性變形機理 常見的塑性變形機理或方式主要有兩種常見的塑性變形機理或方