20091210-材料的力学性能

B

P V
PV0 V
V
模量的倒数称柔量，对应地有拉伸柔量D，剪切柔量J， 和体积模量的倒数可压缩度。
各种模量的关系
对于各向同性材料：
E 2G(1u) 3B(1 2u),
u m m0 et l / l0 e
• 其中u称泊松比，为拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单
现代采用压痕法，有布氏法、维氏法、洛氏法等。
将直径D的钢球压入试样表面，保持压力使材料充 分变形，测量压入深度h，计算凹痕单位面积上的 载荷(Kg/mm2)为布氏硬度。
度 (HB)＝
压痕表压＝面力积(kg()mm2 )
2F
D D D 2 d 2
P
球
R
r h d
D
(a)布氏硬度测试法 (b)维氏硬度测试法
弹不把力性清负作模楚荷用量，不 下E则即增 发以直曲加 生线线而 塑部在应性分原变变的点斜仍形处率在的切。线增最如的大小果斜的应应率现力力作-象叫应为叫屈变弹曲性屈服线模服强的量。度直。材，线应料与部力在此分-应外相 变对曲应线的上应最力大的即应为力屈值服称应为力极限。强度或拉伸强度。
拉伸强度
拉伸强度：在规定的温度湿度和试
3、材料力学性能的测试技术，计算方法；
4、复习聚合物材料的特殊力学性能。
一、力学性能的主要物理量和指标
材料在力的作用下所表现出来的特性即为材料的 力学性能。
1 、强度与塑性
力学 2、韧性
性能
主
的主 3、硬度
要
要物
指
理量
4 、耐磨性
标
1 、应力，应变， 模量
2、冲击韧性，断 裂韧度
3、布氏硬度、洛 氏硬度、维氏硬度
4 、磨损量
5 、疲劳特性
5 、疲劳曲线
应力和应变
• 材料在外力作用下不能产生惯性移动时其几何形状
和尺寸的变化，称应变(Strain)，e；%。
• 材料发生宏观形变时，内部产生了原子间及分子间 的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相 等，方向相反。单位面积上的附加内力为应力
(Stress)，s；N/m2(Pa)。
简单拉伸
习用应变
e l l0 l
F
(相对伸长或伸长率)
l0
l0
A0
A
拉伸应力
(习用应力)
真应力
s F
A0
s' F
A
mo
lo
m0-m
l
l
真应变
l dli ln l
l l0 i
l0
F
简单剪切
s Fห้องสมุดไป่ตู้

d F A0
• 简单剪切：切应变g和剪切应力ss
g tan
第五章 材料的力学性能
• 一、力学性能的主要物理量 • 二、高分子材料的力学性能 • 三、金属材料的力学性能 • 四、陶瓷材料的力学性能 • 五、复合材料的力学性能
本次课的内容与要点
内容
1、材料的强度、塑性、屈服与硬化、韧性、硬度、 疲劳等力学性能物理量的定义；
2、各项力学性能指标的本质、物理含义；
ss

F A0
弹性模量
• 弹性模量为应力与应变之比。 • 模量是材料发生形变时的应力，表征材料抵抗变形能力
的大小，模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。 • 对应拉伸、剪切、均匀压缩的模量分别称杨氏模量E、
剪切模量G和体积模量B。
F
E
s e

A0 l
l0
G ss F g A0 tan
验速度下，标准试样沿轴向拉伸至
断裂，断裂前试样承受的最大载荷
P与试样横截面积之比。
st

P bd
拉伸模量：由拉伸初始阶段 应力应变之比来计算。
P bd E
l l0
• 例1. 设计一铝棒承受200kN (0.2MN)的力。为 确保安全，棒上最大应力不能超过170MPa。棒 长度至少为3.8m，受力时弹性形变不能超过 6mm。所用铝材的弹性模量为69GPa。求棒的 最小直径。 解：先利用工程应力的定义计算棒的截面积：
冲击强度
• 试样受到冲击载荷而 折断时单位截面积所 吸收的能量。
si

W bd
Izod
•落重式冲击：逐渐升高重 物的下落高度直至材料破坏， 从重物的高度和重量计算冲 击强度。
•快速拉伸得到的应力应变 曲线下的面积为冲击强度。
Charpy
2)塑性
材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑 性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。 量度指标：延伸率和断面收缩率
摩擦系数与磨损
摩擦是在法线负荷作用下，两表面压在一起时，使界 面产生相对运动所需的切向力。摩擦系数是指两表面 间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。
磨损是两材料表面摩擦时，由于力学(有时还有温 度、介质等物理、化学因素)作用，材料从自身表 面以各种形式剥落的有害现象。 影响因素包括材料的硬度、拉伸强度、撕裂强度、 疲劳强度、温度等。
降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材 料的耐磨性。
5 疲劳
若将应力或应变反复施加于材料上，即使应力的最大值 低于材料的屈服强度，材料在某些点产生局部的永久性 损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或完全断裂的现 象，称为疲劳。在特定的振动条件下，使材料破坏所必 需的周期数称为疲劳寿命。
在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次而试样仍不破 损时的最大应力叫疲劳极限。 许多塑料事实上并不存在疲劳极限，为此，特用循环次 数达到10次而试样尚有50%不破坏情况下的应力表示 疲劳极限。
解：将样品尺寸代入挠曲强度公式：
315 3FL 3F 125 0.173F 2wh 2 2 12 9.52
F 315 1819 N 0.173
又由挠曲模量公式： 124 103 L2 F 1253 1819
4wh 3 4 12 9.53 0.7mm
位长度的增加值之比。
• 对于理想不可压缩体，形变时没有体积变化：u=0.5，E=3G； • 对于一般材料，形变时有体积变化，0.2<u<0.5； • 橡胶和小分子液体u≈0.5。
• E、G、B、u四个参数，只要知道两个就足以描述材料的弹性力学行
为。
应力-应变曲线
1、强度与塑性
1)强度 在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。 包括拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等。
sf

P 2
l0 2 bd 2 6

1.5

Pl0 bd 2
d P/2
l0/2
P/2
弯曲模量
Ef

Pl03
4bd 3
称挠度，是着力处的位移
弯曲强度也可以将试样一端固定，另一端来施加 载荷。也可以采用圆形试样。
例2：一玻璃纤维增强复合材料的挠曲强度为 315MPa，挠曲模量为124GPa。一样品宽12mm， 厚9.5mm ，长200mm，置于相距125mm两圆辊之 间。计算使样品断裂所需的力以及样品断裂时 的挠曲。假设无塑性形变。
延伸率：金属材料受 外力作用断裂时，试 棒伸长的长度与原来 长度的百分比 断面收缩率：断面缩 小的面积与原面积之 比值叫断面收缩率
5% 为塑性材料
L L0 100 %
L0
F0 F 100 %
F0
压缩实验中的塑性材料
压缩实验中的脆性材料
2 韧性
材料在塑性形变过程中吸收能量，抵抗裂纹萌 生与发展的能力称为韧性。韧性可以用应力-应 变曲线下的面积来度量。
二、高分子材料的力学性能
[特点]：
①高弹性。 是其它任何材料所不具备的； ②粘弹性。 高聚物材料常同时表现出粘性液体和弹性固体的力学 行为，这些力学特性对于温度和时间的依赖性特别强 烈；
③与金属材料相比，高聚物的实际强度和刚度较低， 这也是高聚物尚不能大量取代其它材料的原因，其潜 力很大，前景乐观。 高聚物所呈现的上述特点是由其内部的大分子链结构 和特殊的分子热运动规律所决定的。
A0
F
s
0.2MN 110MN / m2
1.82 103
/ m2
1820 mm 2
所以，为同时满足最大应力最小伸长两项条件， 棒的截面积至少为1820mm2，即直径至少48mm。
弯曲强度
• 也称挠曲强度，在规定试
P
验条件下，对试样施加静
弯曲力矩直至折断，取最
大载荷P计算弯曲强度：
b
e l l0 l 6 0.0025
l0 l0 l0
即
l0 2400mm 2.4m
但规定的最小长度为3.8m。加长棒的长度，截面 积必须随之变大。3.8m长的棒的最小应变为：
e l 6 0.00158
l0 3800
这一应变相应于110MPa的应力，小于最大应力 170MPa。则最小截面积为：
高弹性(橡胶弹性)
1.强度高的弹抗态撕是性链段运动产生的一种物理状态，室温下处于高弹 23态①..①的形硬的永拉拉变度高久伸与伸聚变强耐强物形度磨度称是可性是为指达橡橡橡3胶5胶M胶最。P经基a，一本而定的有时性些间能橡外指胶力标，作(M则用P可a后)小。，于如不1聚能0 氨M恢酯P复a橡。的随胶那 橡橡橡4[比条变部②断.着②强橡特胶胶胶；件。分后扯交度撕胶点硬制的下③变伸断联有的裂]度品耐，形：形长伸密密使强常的磨高变①量部长度切用度用硬性弹时弹分。率的关温邵度用是形有性与是增系度氏：阿表变热模试表加。范硬克4征表效量0样(示围度隆~橡硫现应小9原硫橡计磨0胶化明，，A长化胶测耗时裂。显伸形之的伸量值含口的长变比长天。来硫处松时大。应表然量撕弛放；变征增橡开现热②(的加胶c的象，弹m性)性；回性使，3/能1缩⑤能模拉用.6指1时形量(伸温Nk标m吸变与强/度m)。：热时绝度)上。它在；体对也它限是规积④温增与只试定基在度大拉有样的本一成。伸拉不定正 710.③~6③81回0k定℃m弹伸距，率应离在用力内1以0是磨2表℃将耗征经橡损橡8胶失小胶试的时受样橡拉冲拉胶伸击伸体强后至积度复一(下c原m定降3的)长。2程5度%度时，。，在单17位6℃面经积8所小需 时④则的用失力以去。表使交征用联橡价密胶值度制越，品大此硫(外交化还联后发点收生间缩臭平的氧均程龟分度裂子(一、量般氧越为化小1降)～，解1.橡5。)。胶通越过坚 改变韧化，学定组伸成强和度分增子大链。结这构一可性提能高指橡标胶通的常耐反高映温橡性胶能的，交如联硅密 橡胶度和。氟橡胶的最高使用温度可达315℃。用脆性温度来表征 橡胶的耐寒性，一般在-30~-50℃，硅橡胶则为-100℃。通过 加入增塑剂可降低Tg，改善耐寒性；通过共聚(如乙烯与丙烯 共聚物：乙丙橡胶)，既降低Tg，又降低结晶能力，也可改善 耐寒性。