材料科学与工程基础__第四章2013

⑴高弹性，即橡胶弹性 (rubberlike elasticity)
① 弹性模量小、形变大。
A 一般材料，如铜、钢等，形变量最大
为 1 左右， B 而橡胶的高弹性形变很大， 可拉伸至 5 ~ 10 倍。
C 橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的
万分之一左右，即10—100 10 4 Pa。
② 弹性模量随温度升高而上升， 一般固体的模量则随温度的提高而下降。 熵弹性
（2）粘弹性 viscoelasticity ①静态粘弹性 固定应力 A 蠕变(creep) 开尔文模型
并联
在蠕变过程中形变 是 时间的函数。即柔量 D 是时 间的函数D (t) = (t) /
形变随时间而增加
B. 应力松弛(stress relaxation)
麦克斯韦模型 (Maxwell model) 串联
E* = E ˊ + i E 〞
滞弹性——无机固体和金属的与时间有性极限与弹性比功（金属）
比例极限 (proportional limit)
弹性变形时应力与应变严 格成正比关系的上限应力 p= Fp/ S0 条件比例极限
tanˊ /tan=150%
切线
. P′
切应变： =tanθ
切应力： s()= F / A 0
（3）均匀压缩(compress)
材料受到周围压力P，发 生体积形变
压缩应变 V：
V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0
F：周围压力p
（4）弯曲 Flexural deformation
最大扰度 max
第四章 材料的性能 Materials property
材料的性能决定材料用途 本章对材料的机械性能、热性能、 电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀 性，复合材料及纳米材料的性能进 行阐述。
第四章 内容
4-1 固体材料的力学性能
4-2 材料的热性能 4-3 材料的电学性能
4-4 材料的磁学性能 4-5 材料的光学性能 4-6 材料的耐腐蚀性 4-7 复合材料的性能 4-8 纳米材料及效应
p50
代表材料对极微量塑性变 形的抗力
（条件）弹性极限
最大弹性变形时的应力值。 W=/2=2/2E
弹性比功 弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力
残留变形时的应力
4.1.5 强度、断裂及断裂韧性
强度
材料抵抗变形和破坏的能力。
• 抗张强度（拉伸强度）
σ=Fmax/A 单位：MPa 屈服强度 抵抗塑性变形
4.1 固体材料的力学性能
Mechanical Properties of Solid Materials
应力和应变（stress and strain ）
材料的形变（ Deformation of materials）
不同材料（金属、陶瓷和高分子）的力学行为
4.1.1 材料的力学状态
Mechanical states of materials
B 气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和 机械强度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。 D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆 性断裂，总弹性应变能很小。
陶瓷材料的力学特征 高模量 高硬度 高强度
低延伸率
聚合物(Polymer)的力学状态 •非晶态聚合物的三种力学状态
① 玻璃态 （Tg以下） ② 高弹态 （Tg ~ Tf） ③ 粘流态 （Tf以上）
转化关系 E=3G/[1+G/3K]
K=E/[3(1-2ν)] E=2G(1+ν) E=3K(1-2ν)
材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 主要取决于原子间的结合能力, 构件刚度 金属的模量值主要取决于 10-102GPa A 晶体中原子的本性、电子结构
B 原子的结合力、 C 晶格类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。 陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102GPa A 原子键合的特点 特种陶瓷 B 构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。 高分子材料低模量
优点：重复性好。金属
缺点：不适用薄试样及弹性 变形较大的材料。
洛氏硬度
测定原理：用压痕深度t来表征材料的硬度。 洛氏硬度：HR=K-t/0.002，Ｋ为常数， 金刚石圆锥头Ｋ＝100，钢球压头K=130 优点：操作迅速，压痕小，测量范围广。
邵氏硬度
测量原理：用外力把硬度计的压针 压入试样表面，用压入的深浅来 表示硬度。
Hooke定律和弹性模量 Hook’s raw and Modulus of elasticity
＝E·
E -----弹性模量, 量纲 GN/m2, GPa 弹性模量表示材料对于弹性 变形的抵抗力
弹性形变的力学特点: 小形变、可回复
弹性模量
正应力状态下: 正弹性模量 E＝／
纯剪切力作用下: 切弹性模量 G＝／ 均匀压缩: 体积弹性模量 K＝0／(V／V0) 泊松比为缩短应变与伸长应变的比值， ν=- εy/εx
F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上
拉伸试样
金属材料试样
橡胶试样
同一拉伸实验中，工程应力（或名义应力）
与真实应力比较哪个数值大？
工程应力： =F / A 0 真实应力 T： T =F / AT
A0 > AT 工程应力 小于 真实应力 T
（2）简单剪切(shear)
F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一 直线上的两个力
热传递
三种方式：热传导、热辐射、热对流。 热传导机制 自由电子（金属） 晶格振动（离子键和共价键晶体） 分子传导（有机物）

热导率（λ）
热导率是材料传输热量的 速率的量度。
Q T A X
铜
λ单位：W/(m· K)或J/(s· m· K) 金属是优良的导热体，自由电子 非金属热扩散速率取决于临近 原子的振动和基团的结合强力。 高分子材料的导热率很低， 分子传导。
弯曲强度 塑料三点弯曲
σt=1.5Fmaxl0/(bd2)
冲击强度
某一标准试样在断裂时单位面积上所需要的能量。
单位： KJ/m2
悬臂梁式 Izod 简支梁式 Charpy
冲击破坏是塑料构件一种常见的破坏形式
改善脆性聚合物冲击强度的途径：共混改性 橡胶增韧塑料 刚性粒子增韧，分散相颗粒能引发大量银 纹，又能及时将银纹终止。 纤维增强，提高材料的抗张强度、增加σ-ɛ 曲线下的面积。
邵A型：橡胶硬度；0~100。 邵D型：塑料硬度，0~100。
4.1.7 摩擦和磨损
摩擦和磨损是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种 现象，摩擦是磨损的原因。 摩擦力是阻碍相对运动的力。 摩擦系数：摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比。 一般情况下总是力图减小摩擦系数，降低摩擦力，但有 些材料需要较大的摩擦系数如车辆的制动器、轮胎、 鞋底等。
弯曲强度 f 3FL 2 2bh
3. 应力—应变曲线(Stress-strain curve)
常用的试验方法： A .以匀速拉伸试样，用测力装置测量F，伸长计同时 测量l。 B .采用适当的坐标转换因子 = F / A 0和 =l / l 0 曲线（F—l）转换为应力—应变曲线 （ — ）
4.1.6 硬度
测定材料硬度的方法： （1）压痕（压力）硬度法 表征材料对变形的抗力，应用最广，可分为布氏硬 度、洛氏硬度、维氏硬度、邵氏硬度等。 （2）回跳硬度法 表征材料弹性变形功的大小，肖氏硬度法。 （3）刻痕（刻划）硬度法 表征材料对破坏的抗力。
布氏硬度
测量原理：单位压痕表面积 上所承受的平均压力。 HB=P/S=P/πhD =2P/{πD[D-(D2-d2) 1/2]}
E=3K(1-2ν) ν=0.5(1-E/3K)
ν=0.5[1-(24.6MPa)/(3193.7MPa)=0.48
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为 普弹性，主要的特点是：
A 应变在应力作用下瞬时产生，
B 应力去除后瞬时消失， C 服从虎克定律。
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
2. 有机聚合物的弹性、粘弹性 Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
结晶聚合物的温度-形变曲线
玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度
是橡胶使用的下限温度
熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度
4.1.2 应力和应变 (stress and strain)
应力和应变的定义
应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。
应力=外加力F/面积A
工程应力（名义应力）：面积为材料受力前的初始 面积(A0)的应力。 真实应力：面积为受力后的真实面积(AT)的应力。
拉伸应力—应变曲线（ - ）五种类型
纯弹性型
弹性-均匀塑性型
弹性-不均匀塑性型
弹性-不均匀塑性-均匀塑性型
弹性-不均匀塑性（屈服平台） -均匀塑性型
应力 —应变实例
4.1.3 弹性形变Elastic Deformation
弹性形变有普遍性
A 任何材料起始总是有弹性形变;
B 有一定的弹性形变范围，它取决 于应力的大小和形态。
金属(Metals)的力学状态
A 晶态结构， B 较高的弹性模量和强度， C 受力开始为弹性形变，接着一段塑性 形变，然后断裂，总变形能很大， D 具有较高的熔点。
弹性模量随温度升高而降低
金属材料的模量取决于原子间的作用力
无机非金属(nonmetals)的力学状态
A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。
应变：受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸 的变化。
材料的应变方式
各向同性材料，三种基本类型：
简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
tension shear compression