1、第五章 材料的力學性能一、力學性能的主要物理量二、高分子材料的力學性能三、金屬材料的力學性能四、陶瓷材料的力學性能五、復合材料的力學性能1本次課的內容與要點內容1、材料的強度、塑性、屈服與硬化、韌性、硬度、疲勞等力學性能物理量的定義；2、各項力學性能指標的本質、物理含義；3、材料力學性能的測試技術，計算方法；4、復習聚合物材料的特殊力學性能。2 材料在力的作用下所表現出來的特性即為材料的力學性能。一、力學性能的主要物理量和指標1 、強度與塑性 2、韌性 3、硬度4 、耐磨性 5 、疲勞特性力學性能的主要物理量主要指標1 、應力，應變，模量 2、沖擊韌性，斷裂韌度3、布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度

2、 4 、磨損量5 、疲勞曲線 3應力和應變材料在外力作用下不能產生慣性移動時其幾何形狀和尺寸的變化，稱應變(Strain)，e；%。材料發生宏觀形變時，內部產生了原子間及分子間的附加內力，達到平衡時，附加內力與外力大小相等，方向相反。單位面積上的附加內力為應力(Stress)，s；N/m2(Pa)。4簡單拉伸習用應變(相對伸長或伸長率)拉伸應力(習用應力)真應力真應變5簡單剪切簡單剪切：切應變g和剪切應力ss6彈性模量彈性模量為應力與應變之比。模量是材料發生形變時的應力，表征材料抵抗變形能力的大小，模量越大，越不容易變形，材料剛性越大。對應拉伸、剪切、均勻壓縮的模量分別稱楊氏模量E、剪切模量G

3、和體積模量B。模量的倒數稱柔量，對應地有拉伸柔量D，剪切柔量J，和體積模量的倒數可壓縮度。7各種模量的關系其中u稱泊松比，為拉伸實驗中，材料橫向單位寬度的減小與縱向單位長度的增加值之比。對于理想不可壓縮體，形變時沒有體積變化：u=0.5，E=3G；對于一般材料，形變時有體積變化，0.2u0.5；橡膠和小分子液體u0.5。E、G、B、u四個參數，只要知道兩個就足以描述材料的彈性力學行為。對于各向同性材料：8應力-應變曲線91、強度與塑性1)強度在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強度。包括拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度等。把負荷不增加而應變仍在增大的現象叫屈服。材料在外力作用下發生塑性變形的最

4、小應力叫屈服強度，與此相對應的應力即為屈服應力。彈性模量E即直線部分的斜率。如果應力-應變曲線的直線部分不清楚，則以曲線在原點處切線的斜率作為彈性模量。應力-應變曲線上最大的應力值稱為極限強度或拉伸強度。10拉伸強度 拉伸強度：在規定的溫度濕度和試驗速度下，標準試樣沿軸向拉伸至斷裂，斷裂前試樣承受的最大載荷P與試樣橫截面積之比。拉伸模量：由拉伸初始階段應力應變之比來計算。11例1. 設計一鋁棒承受200kN (0.2MN)的力。為確保安全，棒上最大應力不能超過170MPa。棒長度至少為3.8m，受力時彈性形變不能超過6mm。所用鋁材的彈性模量為69GPa。求棒的最小直徑。 解：先利用工程應力的

5、定義計算棒的截面積：只要保證截面積，可以為任何形狀。為方便起見，設計一圓棒，其直徑為d:12最大容許彈性形變為6mm，而170MPa應力所對應的應變約為0.0025，由工程應變的定義可確定棒的最大長度：但規定的最小長度為3.8m。加長棒的長度，截面積必須隨之變大。3.8m長的棒的最小應變為：13這一應變相應于110MPa的應力，小于最大應力170MPa。則最小截面積為：所以，為同時滿足最大應力最小伸長兩項條件，棒的截面積至少為1820mm2，即直徑至少48mm。14彎曲強度也稱撓曲強度，在規定試驗條件下，對試樣施加靜彎曲力矩直至折斷，取最大載荷P計算彎曲強度：彎曲模量d稱撓度，是著力處的位移彎

6、曲強度也可以將試樣一端固定，另一端來施加載荷。也可以采用圓形試樣。15例2：一玻璃纖維增強復合材料的撓曲強度為315MPa，撓曲模量為124GPa。一樣品寬12mm，厚9.5mm ，長200mm，置于相距125mm兩圓輥之間。計算使樣品斷裂所需的力以及樣品斷裂時的撓曲。假設無塑性形變。 解：將樣品尺寸代入撓曲強度公式：又由撓曲模量公式：16沖擊強度試樣受到沖擊載荷而折斷時單位截面積所吸收的能量。落重式沖擊：逐漸升高重物的下落高度直至材料破壞，從重物的高度和重量計算沖擊強度。快速拉伸得到的應力應變曲線下的面積為沖擊強度。CharpyIzod172)塑性材料在斷裂前發生永久變形的能力叫塑性。塑性以

7、材料斷裂后永久變形的大小來衡量。量度指標：延伸率和斷面收縮率延伸率：金屬材料受外力作用斷裂時，試棒伸長的長度與原來長度的百分比斷面收縮率：斷面縮小的面積與原面積之比值叫斷面收縮率為塑性材料 18壓縮實驗中的塑性材料 壓縮實驗中的脆性材料 192 韌性材料在塑性形變過程中吸收能量，抵抗裂紋萌生與發展的能力稱為韌性。韌性可以用應力-應變曲線下的面積來度量。 202 韌性沖擊強度往往被用來作為材料韌性的度量。韌性越好，則發生脆性斷裂的可能性越小。 度量指標沖擊韌性：用材料受沖擊而破壞的過程所吸收的沖擊功來表征斷裂韌性：用材料裂紋尖端應力強度因子的臨界值Kic來表征213 硬度衡量材料表面抵抗壓力的能

8、力，反映材料表面抵抗微區塑性變形的能力。在礦物中常用莫式硬度。最硬的金剛石為十級，最軟的滑石為一級，中間的級別用劃痕法確定。 現代采用壓痕法，有布氏法、維氏法、洛氏法等。 22將直徑D的鋼球壓入試樣表面，保持壓力使材料充分變形，測量壓入深度h，計算凹痕單位面積上的載荷(Kg/mm2)為布氏硬度。布氏硬度 (HB) (a)布氏硬度測試法 (b)維氏硬度測試法 234 耐磨性 一個物體相對另一物體摩擦的結果，引起摩擦表面有微小顆粒分離出來，使接觸面尺寸變化、重量損失及其他性能下降的這種現象稱為磨損。 耐磨性又稱耐磨耗性，可用磨耗指數或由用磨耗試驗機在規定條件下進行試驗所測得的材料減量（g/cm2）

9、表示。磨損的種類：氧化磨損、咬合磨損、熱磨損、磨粒磨損、卷曲磨損、沖擊磨損、表面疲勞磨損等，多是數種磨損共同作用的結果。24摩擦系數與磨損摩擦是在法線負荷作用下，兩表面壓在一起時，使界面產生相對運動所需的切向力。摩擦系數是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。磨損是兩材料表面摩擦時，由于力學(有時還有溫度、介質等物理、化學因素)作用，材料從自身表面以各種形式剝落的有害現象。影響因素包括材料的硬度、拉伸強度、撕裂強度、疲勞強度、溫度等。降低材料的摩擦系數、提高材料的硬度有助于增加材料的耐磨性。255 疲勞若將應力或應變反復施加于材料上，即使應力的最大值低于材料的屈服強度，材料在某些

10、點產生局部的永久性損傷，并在一定循環次數后形成裂紋、或完全斷裂的現象，稱為疲勞。在特定的振動條件下，使材料破壞所必需的周期數稱為疲勞壽命。在疲勞試驗中，應力交變循環大至無限次而試樣仍不破損時的最大應力叫疲勞極限。許多塑料事實上并不存在疲勞極限，為此，特用循環次數達到10次而試樣尚有50%不破壞情況下的應力表示疲勞極限。2627 塑料的疲勞極限僅為其拉伸強度的2030%；碳纖維增強聚酯樹脂的疲勞極限相當于其拉伸強度的70 80%；復合材料具有優良的抗疲勞性能，這與疲勞斷裂的方式有直接相關的。 疲勞破壞就是裂紋不斷擴展產生的突然斷裂，纖維增強復合材料即纖維和基體間的界面能有效地阻止疲勞裂紋的擴展。

11、外加載荷由增強纖維來承擔，疲勞破壞往往是從纖維的薄弱環節處開始，逐漸擴展到結合面上，在破壞前由預兆。復合材料的疲勞極限比較高。28疲勞現象主要出現在具有較高塑性的材料中。金屬材料的失效形式之一就是疲勞。疲勞斷裂往往沒有任何先兆，因而由此造成的后果往往是災難性的。高分子材料的塑性一般很好，但在長期使用過程中首先發生的是材料的老化失效，因而疲勞破壞不占主導地位。陶瓷材料的塑性很低，其疲勞現象不如金屬材料的明顯，而且疲勞機理也不同于金屬。29二、高分子材料的力學性能特點： 高彈性。是其它任何材料所不具備的； 粘彈性。高聚物材料常同時表現出粘性液體和彈性固體的力學行為，這些力學特性對于溫度和時間的依賴

12、性特別強烈； 與金屬材料相比，高聚物的實際強度和剛度較低，這也是高聚物尚不能大量取代其它材料的原因，其潛力很大，前景樂觀。高聚物所呈現的上述特點是由其內部的大分子鏈結構和特殊的分子熱運動規律所決定的。30 高彈態是鏈段運動產生的一種物理狀態，室溫下處于高彈態的高聚物稱為橡膠。特點：彈性模量小，形變大；彈性模量與絕對溫度成正比；形變時有熱效應，伸長時放熱，回縮時吸熱；在一定條件下，高彈形變表現明顯的松弛現象；形變時體積基本不變。拉伸強度是橡膠最基本的性能指標(MPa)。如聚氨酯橡膠的拉伸強度可達35MPa，而有些橡膠，則可小于10 MPa。隨著交聯密度的增加(硫化時含硫量增加)，拉伸強度也增大。

13、撕裂強度是表征橡膠裂口處撕開的性能(N/m)。它與拉伸強度有密切關系。定伸應力是將橡膠試樣拉伸至一定長度時，單位面積所需的力。交聯密度越大(交聯點間平均分子量越小)， 橡膠越堅韌， 定伸強度增大。這一性能指標通常反映橡膠的交聯密度。2.形變永久變形是指橡膠經一定時間外力作用后，不能恢復的那部分變形量。扯斷伸長率是表示橡膠伸長應變的性能指標。它是試樣拉斷后伸長部分與試樣原長之比。回彈率用以表征橡膠受沖擊后復原的程度。用以表征橡膠制品硫化后收縮的程度(一般為11.5)。1.強度的抗撕性3.硬度與耐磨性橡膠硬度常用邵氏硬度計測量。橡膠制品的硬度：4090A。橡膠的耐磨性用阿克隆磨耗值來表征(cm3/

14、1.61km)：在規定的1.61km距離內磨耗損失的橡膠體積(cm3)。 硫化的天然橡膠使用溫度上限只有7080，在102經8小時拉伸強度下降25%，在176經8小時則失去使用價值，此外還發生臭氧龜裂、氧化降解。通過改變化學組成和分子鏈結構可提高橡膠的耐高溫性能，如硅橡膠和氟橡膠的最高使用溫度可達315。用脆性溫度來表征橡膠的耐寒性，一般在-30-50，硅橡膠則為-100。通過加入增塑劑可降低Tg，改善耐寒性；通過共聚(如乙烯與丙烯共聚物：乙丙橡膠)，既降低Tg，又降低結晶能力，也可改善耐寒性。4.橡膠的使用溫度范圍高彈性(橡膠彈性)31. 靜態粘彈性1. 蠕變1)概念 在恒定的應力作用下，隨

15、時間的延長，形變不斷增加的現象。2)原因 是分子運動的結果。如圖為蠕變前后大分子鏈構象變化示意圖，原來蜷曲交聯的分子鏈，在外加應力作用下，通過鏈段熱運動，改變著構象，緩慢地趨向受力方向，一部分發生整個鏈位移的分子鏈將導致蠕變后出現不可逆變形。3)實例聚氯乙烯電線套管，在架空情況下，受自身重力作用，時間久了就會彎曲； 扎辮子用的軟聚氯乙烯細絲，越用越長； 塑料雨衣，掛在衣帽鉤上，時間一長就會頂起一個鼓泡。4)蠕變過程的三種變化(從分子運動變化角度看)普彈形變 當高分子材料受到外力作用時，分子鏈內部鍵長和鍵角立即發生變化，這種變量是很小的，稱為普彈形變。外力除去后，普彈形變能立即完全回復。1=/E

16、1 。高彈形變 它是分子鏈通過鏈段運動逐漸伸展的過程，其形變量要比普彈形變大得多。形變與時間成指數關系：2=(/E2)(1-e-t/)，為松弛時間(= 2/ E2 )，2為鏈段運動粘度，E2為高彈模量。除去外力后，高彈形變逐漸回復的。粘性流動 分子間沒有化學鍵交聯的線型高聚物，還會產生分子鏈與分子鏈間的相對滑移，稱為粘性流動。外力消除后，粘性流動是不能回復的。 3=(/3)t。5)影響因素溫度與外力：溫度升高、外力增加都使蠕變過程顯著加劇；材料本身；粘彈性321)概念 在高聚物材料上作用一個外力后，便產生一定的形變，維持這一恒定的形變量的應力隨著時間的延長逐漸衰減的現象。2)原因是材料內部分子

17、運動隨時間發展的結果。如圖為應力松弛過程中分子鏈構象變化示意圖。處于自由蜷曲狀態的分子鏈，在外力作用下產生形變時，眾多分子鏈就要被迫沿外力方向舒展開來，偏離以來平衡狀態，經過一段時間后，鏈段的熱運動使沿外力方向舒展開來的分子鏈，逐漸回縮至原來的低能量的平衡狀態，這時原來強迫鏈舒展開來所需的力逐漸衰減。3)實例4)影響因素溫度等：TTg時，分子量越高，交聯密度和結晶度越高，應力松弛越緩慢。材料本身：未交聯的線型無定形高聚物，經過足夠長時間后，應力可降低為零；有一定交聯的高聚物，時間即使足夠長，應力也只衰減至一個有限值。起始形變、壓力等均對應力松弛有一定影響。 應力松弛與蠕變是一個問題的兩個方面，

18、都反映高聚物局部分子的三種運動情況。衣服上使用的松緊帶，越用越松；接管道用的硬橡膠法蘭墊片，用久之后會泄漏。應力松弛331. 滯后 在交變應力作用下，高聚物要通過鏈段運動，產生與相應的形變，由于分子間的內摩擦力阻礙，使得鏈段運動產生的形變跟不上應力變化的現象。 形變落后于應力的相位差值越大，說明鏈段運動越困難，滯后現象越嚴重。并不是所有高聚物在受到交變應力作用后，都會產生滯后現象，而是與許多因素有關，如：柔性鏈高聚物滯后嚴重，剛性鏈高聚物則滯后不明顯；外力作用頻率和分子鏈段運動所需的松弛時間接近(處于同一數量級)，滯后最明顯；溫度不同，滯后現象也不同，在一定頻率外力作用下，溫度高，鏈段運動跟得

19、上應力變化，滯后小，溫度低，鏈段運動被凍結，也無所謂滯后，只有在Tg溫度附近時，滯后最嚴重。溫度對滯后現象的影 響，與外力的交變頻率類似。2. 內耗 受交變應力作用的高聚物材料，由于滯后現象存在，每一次應力循環過程中就要消耗功，這種消耗稱為內耗。 如圖為橡膠的拉伸回縮應力 -應變曲線。滯后圈由拉伸曲線oba和回縮曲線ado組成的封閉曲線，其面積為拉伸曲線和回縮曲線下所包圍的面積之差，滯后圈大小表示了一個拉伸 - 回縮循環過程中克服分子鏈間內摩擦所損耗的功。內耗的大小與溫度和外力作用頻率有關，溫度高，外力作用頻率低，鏈段運動完全跟得上外力的變化，內耗很小，反之，完全跟不上，內耗也小，介于兩者之間

20、，內耗最大。高速行駛的汽車輪胎，由于滯后產生內耗導致溫度高達80100，促使輪胎老化。分子鏈上有兩個側基的丁基膠，滯后圈大，內耗大，吸震能力強，是制做減震件的理想材料。實例動態粘彈性34-曲線 類 型 彈性模量 屈服極限 強度極限 斷裂伸長 形變產生 屈服現象 典型高聚物 (a)軟而弱 低低低中易有聚合物凝膠、低分子量樹脂等 (b)硬而脆 高高中低難無PS、PMMA、固化酚醛樹脂等 (c)硬而強 高高高中難有硬聚氯乙烯等 (d)軟而韌 低低低高易有橡膠、LDPE、軟PVC、聚四氟乙烯 (e)硬而韌 高高高高難有聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、ABS 1)高聚物五種類型的-曲線2)高聚物五種類型的-曲

21、線的性能特點高聚物五種類型的-曲線及其性能特點35無定型線形高聚物的拉伸曲線 曲線a為硬玻璃態的-曲線。由于鏈段運動完全凍結，受拉時只有鍵長的彈性伸長和鍵角的扭轉對外力做出反應，這時產生微小的變形都需要很大外力。這類高聚物的模量較高，試樣拉伸后的斷裂伸長小(10%)具有典型的與拉應力垂直的脆性裂口。室溫下拉伸PS試樣即得到此類曲線。 曲線b為軟玻璃態的-曲線。軟與硬玻璃態之分界點在脆化溫度TB處(TB是高聚物在Tg以下的一個特征溫度)。如圖為脆化溫度(脆點)示意圖。它表示低于Tg以下的溫度拉伸玻璃態高聚物時，斷裂應力隨著溫度下降而不斷增加，斷裂方式在Tg溫度時發生轉折。當T PE)交聯度增加分

22、子量適度增加但是：極性基團過密或取代基過大，材料變脆；分子鏈支化程度增加，拉伸強度降低，沖擊強度提高；交聯中使聚合物結晶度下降，取向困難，并不總對強度有利；分子量過大對拉伸強度影響不大，但可提高沖擊強度。42結晶和取向的影響結晶度適當提高，拉伸強度、彎曲強度、彈性模量增大；(PP中無規結構含量增加，其結晶度下降，拉伸和彎曲強度都降低)但結晶度太高使材料變脆，沖擊強度和斷裂伸長率下降；對沖擊強度影響更大的是球晶結構，大球晶使沖擊強度下降；(往往加入成核劑使球晶變小甚至只形成微晶而不形成球晶)取向使材料強度提高43應力集中物的影響應力集中：材料中如果存在缺陷，受力時缺陷局部范圍內的應力急劇增加，遠遠超過應力平均值，稱應力集中；缺陷即是應力集中物，包括裂縫、空隙、缺口、銀紋和雜質等。是造成聚合物實際強度與理論強度差別巨大的主要原因之一。加工過程中的雜質、氣泡以及冷卻過程中材料表面與內部先后冷卻造成的表面裂縫是主要的缺陷。(表面吸附水油等會降低表面能，