材料科学和人类文明专业知识讲座

1、本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 材料性能 ? 物理性能：密度、熔点、热、电、光、磁 ? 化学性能：抗氧化、耐蚀性、催化性、生物相容性 ? 力学性能：弹性、强度、韧性、硬度、疲劳、耐磨性、高温力学性能 调控材料力学性能的主要方法 ? 金属材料， 强化(塑性变形、细化晶粒、合金化、热处理) ? 无机非金属材料，增强增韧 ? 高分子材料， 增强与改性 材料在给定条件下的行为 成分 组织结构 性能 制备技术、加工过程 不同组织下，Fe-0.45 wt% C性能完全不同 铁素体(F)+珠光体 (P)：较软、韧 马氏体(C原子在?-F

2、e中的过 饱和固溶体 )：较硬、脆 价 键 一般性能特点 金属 金属键 强度较高；塑性韧性好；导电导热性好 无机非金属 离子键、共价键 强度高；塑性韧性差；一般不导电；耐热；耐腐蚀 高分子 共价键、分子键 强度低；绝缘；不导热；耐热差、易燃；轻；软；易加工 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 材料的物理性能 ? 热学性能：热容、热传导、热膨胀、热辐射、耐热性 ? 电学性能：导电、介电、铁电、压电 ? 光学性能：光的透过、吸收和反射；荧光性 ? 磁学性能：铁磁、顺磁、抗磁 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模

3、仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 表征材料从周围环境吸收热量的能力，表示1 mol物质温度升高1 K所吸收的热量 材料的热学性能 热容 热传导 由于温差而发生的、材料相邻部分间的能量迁移 3种热传导方式 ?金属的热传导 自由电子传导 热导率较高(20400 W/m-K) ?无机非金属的热传导晶格振动传导 良好的绝热材料(热导率2-50 W/m-K) ?高分子的热导率 分子或链段传导 热导率低，可用作绝热材料 热膨胀 热膨胀系数温度变化1 K，单位长度(线膨胀系数? l)或体积(体积膨胀系数?v)变化量 主要取决于原子(或分子、链段)间结合力； 结合力越大，热膨胀系数越低 材料 金

4、属 陶瓷 高分子 ? l / ?10-6 K-1 5-25 0.5-15 50-300 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 热应力 约束热胀冷缩，引起热应力 加热时，Tf T0，? 0，为压缩应力 冷却时，Tf 0，为拉伸应力 材料内部温度梯度，引入热应力 急冷时，外部冷得快，尺寸收缩较快，被内部阻碍而在外部产生拉应力，在内部产生压应力 材料的热学性能 温度变化在材料内部引入的应力，导致断裂或塑性变形 热冲击 抗热冲击性(TSR)材料抵抗由于热冲击引起的脆性断裂的能力 提高TSR的简单有效的方法：降低热膨胀系数

5、 例如，普通玻璃 ? l=9?10-6 K-1； 耐热玻璃 ? l=3?10-6 K-1 塑性材料，热应力导致塑性变形 脆性材料，热应力导致脆性断裂 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 欧姆定理： 电导率： ? /1?IRU ? 电导率载流子密度n ? 迁移率? 电子迁移率，反映电子迁移的难易程度 材料的电学性能 迁移率m2/V/S 载流子密度1/m3 Na 0.0053 2.6x1028 Ag 0.0057 5.9x1028 Al 0.0013 1.8x1029 Si 0.15 1.5x1010 GaAs 0

6、.85 1.8x106 InSb 8.00 材料的物理性能 metalsemi metalsemi NN ? ? ? metalsemi ? ? 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 金属键结合的材料 载流子为价电子，密度高，迁移容易，电导率高 共价键结合的材料(半导体或绝缘体材料) 须打开共价键后电子才能迁移，电导率低 离子键结合的材料 载流子为整个离子，通过离子扩散导电 材料的电学性能 材料的物理性能 金属： ? 105 ? -1 m-1 半导体：10-6 ? 105 ? -1 m-1 绝缘体： ? 临界值，晶界处离子被激活

7、，参与导电，电阻值下降 材料的物理性能 载流子：离子 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 单原子中，电子占据不同的能级 在固体材料中， ? 不同原子的能级叠合，构成一个未满的导带(能带) ? 基态时，低能量的能带先被占据，逐步向上填 ? 电场作用下，电子从价带跃迁到导带，金属导电 Na: 1s22s22p23s1 只要存在未充满的导带，电场作用下电子就会定向流动，使材料导电 材料的电学性能 能带理论 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 能带特征

8、 绝缘体满带、导带间有很宽的禁带 半导体禁带宽度较小(本征半导体)，或存在杂质能级(杂质半导体) 导 体满带和导带相连，无禁带 绝缘体 半导体 导体 满带 导带 禁带 由价电子所填充的带，为价带 ?满带 价带中所有状态都被价电子占满 ?导带 未被占满的价带 ?空带 没有电子的能带 满带中的电子，对导电无贡献 导带中的电子，对导电有贡献 材料的电学性能 材料的物理性能 导体、半导体、绝缘体的能带结构 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 Si、Ge禁带宽度较小(1ev)，一些电子有足够的热能从满带跳跃到导带 在满带留下空穴，在导带

9、产生个电子 外加电压作用下，电子向正极、空穴向负极运动 电阻介于导体、绝缘体之间 材料的电学性能 本征半导体 n型半导体 Si、Ge中掺少量五价元素(P、Sb、 Bi)，多出一个价电子，在导带附近 形成杂质能级，电子易跃迁到导带 p型半导体 Si、Ge中掺少量低价元素(Al)，在满带附 近形成杂质能级，电子从满带跃迁到杂质 能级，在满带中留下空穴，以空穴导电 掺杂半导体 ? 化学计量比半导体：常为金属间化合物。晶体结构、能带结构与Si、Ge类似 ?非化学计量比半导体：阳离子(n型)或阴离子(p型)过量 ZnS ZnTe CdTe GaP GaAs GaSb InSb InAs ZnO CdS

10、TiO2 PbS 3.54 2.26 1.44 2.24 1.35 0.67 0.165 0.36 3.2 2.42 3.2 0.37 禁带宽度 (ev) 半导体化合物 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 1957，美国物理学家巴丁、库柏、施里弗提出金属超导理论(BCS理论)，获1972诺贝尔物理奖 材料的电学性能 超导体 永磁环 超导态(c)，电子不是单个运动，而是 一对对地存在(称为库柏对) 结合紧密的电子对的运动，不受晶格作用 的阻碍，出现超导态 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科

11、学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 临界超导温 度Tc：T Tc时，出现零电阻、迈斯纳效应 临界磁场强度Hc：破坏超导态(T800 nm) ?可见光(400-800 nm) ?紫外线(400 nm) 材料对光的反射、吸收和透射 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 反射 强反射微波、红外线、可见光 不反射可见光 反射率小 吸收 吸收微波、红外线、可见光 晶格振动，红外波段有吸收； 含过渡金属、稀土金属离子时，吸 收可见光 吸收可见光、红外光 透射 透过紫外线； 厚1050 nm的薄膜透过可见光 一般透过近红外、可见光 杂质、气孔、多晶，使透过率下降 透光性高 材料对光波的作

12、用与能带结构有关 材料的光学性能 光学性能 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 金属不发光 价带与导带重叠 吸收光后，发射的光子能量 很小，对应波长在可见光范 围内 荧光材料发光时间10-8 s 杂质引入施主能级 价带电子受激跃迁到导带，先落入 施主能级，停留一段时间后逃脱陷 阱，再返回价带，同时释放出光子 应 用：荧光灯、夜光表、彩色电视机、数字显示管等 激发源：电子射线、紫外线、X射线、光波等 材料的光学性能 材料的发光 材料的物理性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不

13、当之处，请联 系本人或网站删除。 也称机械性能，是材料抵抗外力作用所引起的变形和断裂的能力 包括：强度(Strength) 硬度(Hardness) 塑性(Ductility) 韧性(Toughness) 耐磨性(Wear resistance) . 影响因素 ?内因材料的成分、显微组织、应力状况 ?外因载荷大小种类、加载速率、环境温度、介质 载荷 静载荷：静拉伸、压缩、弯曲、扭转 动载荷 周期变动载荷：如交变载荷，大小方向均作周期性变动 随机变动载荷 材料的力学性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 材料的力学性能 几类典

14、型载荷 材料的力学性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 应力?受外加载荷作用时，材料单位面积的内力 应变?(?)单位长度(面积)上的伸长(收缩) l F F0 l0 P P 材料的力学性能 应力、应变 0 P F ? 0 0 ll l ? ? ? 0 0 FF F ? ? ? 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 材料的力学性能 材料静拉伸试验 ? b ? K ? s ? e ? / M P a ? ?e ?K E 塑性材料拉伸应力应变曲线 静拉伸载荷作用下

15、，塑性材料变 形分3个阶段 ? 弹性变形 ? 塑性变形 (加工硬化) ? 断裂 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 弹性模量 抵抗弹性变形的能力 正切弹性模量：E = tan? = ?/? (虎克定理) 对组织不敏感，取决于原子性质、晶格类型 反映原子间作用力大小 原子间作用力大，弹性模量大 熔点越高，弹性模量越大 原子间距增大，弹性模量减小 温度升高，弹性模量减小 弹性极限? e 由弹性变形过渡到塑性变形的应力 一般规定，以产生一定残余伸长(如0.01%)时的应力 为弹性极限，记为? 0.01 弹 性?e 可回复的最大变形量

16、 弹性比功? e 材料吸收弹性变形功的能力 可完全回复的变形 ? / M P a ? ? e ?e ? 2 e eee 1 22E ? ? ? 弹性变形特点 ? 变形可完全回复 ? 变形量小 材料的力学性能 弹性变形 弹性模量熔点关系 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 Ceramics, glasses, semiconductors Diamond (C) 1000 Tungsten Carbide (WC) 450-650 Silicon Carbide (SiC) 450 Aluminum Oxide (Al 2O3)

17、 390 Berylium Oxide (BeO) 380 Magnesium Oxide (MgO) 250 Zirconium Oxide (ZrO) 160-241 Mullite (Al 6Si2O13) 145 Silicon (Si) 107 Silica glass (SiO 2) 94 Soda-lime glass (Na 2O-SiO2) 69 Metals Tungsten (W) 406 Chromium (Cr) 289 Berylium (Be) 200-289 Nickel (Ni) 214 Iron (Fe) 196 Low Alloy Steels 200-2

18、07 Stainless Steels 190-200 Cast Irons 170-190 Copper (Cu) 124 Titanium (Ti) 116 Brasses and Bronzes 103-124 Aluminum (Al) 69 Polymers Polyimides 3-5 Polyesters 1-5 Nylon 2-4 Polystryene 3-3.4 Polyethylene 0.2-0.7 Rubbers 0.01-0.1 材料的力学性能 一些材料的弹性模量(GPa) 弹性模量 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联

19、 系本人或网站删除。 ? 应力-应变关系非线性 ? 通过原子价键的断开、重排实现(晶体材料，通过滑移和孪生方式实现) 材料的力学性能 塑性变形 不可逆的变形 通过位错运动实现，只在少数晶面间发生切向滑动，塑变不均匀 变形使位错密度增加，互相缠结，位错运动越来越困难 经缀饰的位错网络 滑移 孪生 滑移系少，或环境温度低，位错不易进行，以孪生方式实现塑性变形 不改变晶体类型，但使切变区中的晶体变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向 孪晶 一部分相对于另一部分沿一定的晶面、晶向作均匀切向移动 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 塑性变形

20、后，晶粒拉长，晶格变形 位错增殖缠结，阻碍位错运动，使材料强度增加、塑性降低 材料的力学性能 冷变形，产生纤维组织， 材料各向异性 塑性变形 加工硬化(形变强化) 冷变形金属的回复、再结晶 塑性变形 再结晶加热冷变形金属至适当温度，变形组织内部出现等轴晶粒 强度降低、塑性提高，加工硬化消除 回 复低温加热，冷变形金属显微组织无可见变化，性能部分恢复 位错减少，形成亚晶粒，内应力消失，但保持加工硬化效果 冷变形后的 Cu 350?C 再结晶 500?C 再结晶 800?C 再结晶 T回(0.250.30)T熔 T再0.40T熔 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有

21、不当之处，请联 系本人或网站删除。 屈 服 强 度? s 开始产生塑性变形的应力 条件屈服强度? s 产生0.2%残余变形的应力 材料的力学性能 ? s 屈服强度： 0.2%残余变形 屈服点： 开始偏离弹性区 上屈服点 下屈服点(屈服强度) 屈服强度、条件屈服强度 低碳钢 抗拉强度(强度极限，UTS)? b断裂前承受的最大应力 断裂强度? K样断裂时的应力 抗拉强度、断裂强度 强度指标：? s、?b (UTS)、?K 凡是阻碍位错运动的因素，都提高材料强度！ ? b ? s 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 延伸率?K试样拉

22、断后，长度的相对伸长量 断面收缩率? K试样拉断后，截面的相对收缩值 f0 K 0 100% ll l ? ? ? ? ? 0f K 0 100% AA A ? ? ? ? ? 一般规定 延伸率 5%：塑性 材料的力学性能 塑性 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 零件的尺寸、形状，或材料的组织、性能发生变化，不能完满地完成指定的功能 常见的失效形式有变形失效、断裂失效、表面损失失效、老化失效 材料的力学性能 失效 弹性变形失效 不恰当的弹性变形量导致失效 ?增加零件截面 ?采用弹性模量高的材料 ?防止超载 塑性变形失效 外加

23、应力 屈服极限时，发生塑性 变形(永久变形) ?采用屈服强度高的材料 ?进行合理的热处理 ?防止超载 防 止 措 施 防 止 措 施 变 形 失 效 断裂失效 断裂而产生的失效 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 ?按断口宏观形貌 分为韧性断裂、脆性断裂 ?按断裂模式 分为穿晶断裂、沿晶断裂 ?按断裂机制 分为解理断裂、微孔聚集型断裂、纯剪切断裂 材料的力学性能 是材料中裂纹形核、扩展的过程 断裂 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 韧性断裂断裂前产生明显的宏

24、观塑性变形，吸收大量能量 宏观变形方式为颈缩，断口呈韧窝状 脆性断裂断裂前无明显的宏观塑性变形，几乎不吸收能量 包括疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂、蠕变断裂等 圆柱形静拉伸试样 韧性断裂形貌 (杯锥状断口 ) 圆柱形静拉伸试样 脆性断裂形貌 (平直断口) 材料的力学性能 韧性断裂、脆性断裂 人字纹，放射方向平行于裂纹 扩展方向，尖顶指向裂纹源 裂纹源 薄板矩形拉伸试样断口 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 穿晶断裂，可是韧性断裂，或脆性断裂(低温下) 沿晶断裂，多数是脆性断裂 冰糖状断口 沿晶断裂(脆性) 放射状断口

25、穿晶断裂(脆性) 微孔型断口 穿晶断裂(韧性) 材料的力学性能 穿晶断裂、沿晶断裂 解理断裂：沿特定界面发生的脆性穿晶断裂 等轴韧窝 拉长韧窝 韧窝底部的颗粒 ，微孔往往在硬 质点处形核 微孔聚集型断裂 解理断裂、微孔聚集型断裂 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 ?疲劳断裂 交变应力作用下，应力 屈服点，零件经长时间工作而产生裂纹，导致断裂 ?低应力脆性断裂 应力 屈服应力，材料固有裂纹扩展，发生无明显塑性变形的突然断裂 ? t t?sin 0 ? ? ? -1 循环周次N 疲劳曲线 材料的力学性能 疲劳断裂 是损伤累积过程

26、 疲劳是局部永久结构变化的发展过程 某点或某些点承受足够多的循环扰动应力作用，形成裂纹或完全断裂 ? 静载破坏，取决于结构整体 ? 疲劳破坏，由应力或应变较高的局部开始，形成损伤并逐渐累积，发生破坏 局部性是疲劳的明显特点 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 疲劳辉纹，疲劳断口光 亮区裂纹缓慢扩展 裂纹在表面形核，慢慢扩展，形成光亮 区，最后因承载面积减少而快速扩展 材料的力学性能 疲劳断裂 飞机轮毂疲劳断口 裂纹源 裂纹扩展区 海滩条带 最后 断裂区 ? 疲劳断口有裂纹源、裂纹扩展区、最后断裂区 ? 与静载破坏相比，即使是延

27、性材料，也不 发生明显的塑性变形 SEM TEM 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 主要原因，缺陷或裂纹导致的断裂 ? 19世纪3040年代，英国，铁路车辆轮轴，轴肩多次发生破坏(应力=0.4? s) ? 20世纪50年代， 美国，北极星导弹固体燃料发动机壳体，发射时断裂(应力=0.64? s) ? 材料为高强度钢，? s=1.4GPa，工作应力? 0.9GPa ? 1954.01，英国，Comet号喷气客机，机身舱门拐角处开裂，坠入地中海 ? 1965.01，英国，大型氨合成塔，水压试验(应力=0.48? s)时断裂为二段

28、，碎块最重2吨，源于焊缝裂纹 ? 1967.12，美国，西弗吉尼亚Point Pleasant桥倒塌，46人死亡 ? 1980.03，英国，北海油田Kielland号钻井平台倾复，127人落水，救起 89人 材料的力学性能 疲劳断裂 断裂，使美国年损失 1190亿美元 1982，美众院科学技术委员会委托商业部国家标准局(NBS)，调查断裂坏对美经济的影响 国际民航组织(ICAO)发表“涉及金属疲劳断裂的重大飞机失事调查” 上世纪80年代，金属疲劳断裂引起的机毁人亡重大事故，年均100次(不含中、苏) Int. J. Fatigue, 6(1), 1984 工程实际中， 疲劳断裂占全部力学破坏的

29、5090%，是机械、结构失效的最常见形式 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 分压入法、刻划法两类 常用硬度，有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和维氏硬度(HV) 材料的力学性能 硬度 衡量材料软硬程度的性能指标 钢材， b 3.45HB? 硬度测试的优点： ? 制样简单，设备便宜 ? 基本上是非破坏性 ? 可大致预测一些其它力学性能 硬度抗拉强度关系 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 指标：冲击韧性(冲击值) 冲击试验标准试样： ? U

30、型缺口（梅氏试样） ? V型缺口（夏氏试样） 冲击值值越大，料断裂前吸收的能量越大，韧性越好 材料的力学性能 冲击韧性 温度 疲劳强度，产生塑性变形和微裂纹，进而扩展、剥落 形成：接触应力反复作用。轴承、齿轮 现象：表层剥落，形成点蚀凹坑 影响因素：表面硬度、粗糙度，润滑油粘度 疲劳磨损(疲劳点蚀) 磨粒对摩擦面产生的切削、塑性变形、疲劳、脆性断裂 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 流体磨粒、冲蚀磨损 形成：一定速度硬质微粒反复作用，表面受法向力及切向力。燃气涡轮机叶片 现象：表面疲劳，材料损失 影响因素：材料硬度 腐蚀磨损

31、-电化学作用 形成：空气中的酸、润滑油中的无机酸所产生的化学或电化学作用 现象：表面腐蚀并磨损 影响因素：环境、润滑油的腐蚀性 形成：小振幅、大频率、点或线接触 现象：磨损面积小 影响因素：载荷 微动磨损 材料的力学性能 其他磨损 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 键合强度 共价键、离子键 金属键 弹性模量大，是金属的2倍以上 ?共价键结构， 抗晶格畸变、阻碍位错运动的能力高 ?晶体结构复杂，滑移系少，位错运动困难 材料的力学性能 陶瓷材料的力学性能 断 裂 ? 各种缺陷为裂纹源，裂纹从最薄弱处扩展，瞬时脆断 ? 主要机制：

32、解理；易从穿晶变为沿晶断裂 拉应力作用 水平裂纹易失稳扩展，裂纹沿径向扩展 压应力作用 倾斜裂纹易失稳扩展，裂纹沿轴向扩展 陶瓷强度高 ? 实际强度比其理论值低12个数量级。晶须、纤维，实际强度比较接近理论值 ? 抗压强度 抗拉强度，约10倍 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 材料的力学性能 陶瓷材料的力学性能 ? 塑性变形 ? 室温下， 多数陶瓷 塑性变形极小 ? 1000?C 以上，多数陶瓷可发生塑性变形(主滑移系运动) ? 超塑性 ? 是微晶超塑性。晶界滑动，晶界液相流动 ? 存在条件：超细等轴晶、第二相弥散分布、晶粒

33、间存在液相或无定形相 如，含Y2O3的ZrO2陶瓷，超塑性达800% ? 利用超塑性，可对陶瓷进行超塑加工 超塑加工 扩散焊接 陶瓷增韧 ? 改善组织(细密、纯、匀)，减少应力集中 ? 传统陶瓷粒径较大，为脆性 ? 纳米陶瓷晶粒为纳米级。室温下，纳米TiO2陶瓷压缩至1/4长度不破碎 ? 相变增韧(外力诱发相变，伴有体积膨胀) ? 微裂纹增韧(主裂纹遇到微裂纹时，改变前进方向，松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度) 工程陶瓷断裂韧性，比金属低12个数量级 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 高分子材料有3种应力-应变行为

34、 ? 脆 性 ? 塑 性 ? 高弹性 力学性能受外在因素影响巨大 ? 应变速率 ? 温 度 ? 环 境(有机溶液、水等) 材料的力学性能 线形非晶态高分子有3种物理状态 ?玻璃态 变形量小，模量高，瞬时达到平衡 ?高弹态 变形量大，模量显著降低 形变可逆，外力去除后变形可回复 具有橡胶特性 ?粘流态 变形量很大，不可逆 模量很快下降，高分子开始产生粘性流动 高分子材料的力学性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 ? TTg，应力-应变呈正比，脆性断裂，如曲线1 ? T Tg，进入高弹态，无屈服点，有较长的平台，如曲线3 断裂

35、前应力才明显上升 材料的力学性能 高分子材料的力学性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 高分子的一般应力-应变行为 ?线弹性阶段 ?屈服阶段，伴随一个应力下降过程 ?颈缩形成及其扩展 ?应力增大 分子链沿受力方向定向排列，称取向强化 ?断裂 半晶态高分子 非晶热塑性高聚物 纤维与塑料，哪个强度大？ 结晶度越低，取向强化越明显 材料的力学性能 取向强化 过程示意图 高分子材料的力学性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 温度升高， ? 抗拉强度下降 ? 弹

36、性模量下降 ? 塑性增大 材料的力学性能 降低应变速率，与升高温度的作用相同 高分子材料的力学性能 分子量越大，结晶度越高，强度越高 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 韧性 高分子韧性较好，断裂前能吸收较大的能量 但是，高分子强度低，冲击韧性 金属，仅为金属的1% 减摩、耐磨性 塑料的优点是磨损率低 多数塑料对金属、塑料对塑料的摩擦系数一般在0.20.4 有些塑料的摩擦系数很低 聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦系数只有0.04，几乎是 所有固体中最低的 材料的力学性能 高分子材料的力学性能 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作

37、为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 高分子、金属材料一般力学性能比较 材料的力学性能 高分子材料的力学性能 高分子 金属 弹性模量/MPa 7 (高弹性) 4,000 (刚性) 48,000410,000 最大拉伸强度/MPa 200400 伸长率/% 可达1000 很少超过100 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 ? 应变不仅取决于应力，也取决于应力作用的速率 ? 应变较应力有所滞后，不随作用力而建立即时平衡 大多数材料呈现“ 平衡弹性” ? 应变、应力同步发生 ? 应变、应力即时达到平衡 高

38、分子，具有强烈的时间依赖性高分子，具有强烈的时间依赖性 材料的力学性能 高分子材料的粘弹性 粘 弹 性 原因 ? 链段需时间来调整构象，以适应外力 ? 应力作用的速度愈快，链段愈来不及作出反应，粘弹性愈显著 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 1.ABS 2.尼龙 3.聚甲醛 4.ABS(耐热级) 5.改性聚苯醚 6.聚碳酸酯 7.聚苯醚 8.聚砜 应力松弛 高分子变形后，应力随时间而逐渐衰减 如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经长时间工作后发生渗漏，是应力松弛的表现 蠕变 长期受力的作用时，高分子发生不可逆塑性变形 如，架空

39、的PVC电线套管，在电线和自身重量作用下发生缓慢蠕变 蠕变，反映材料在一定外力作用下的尺寸稳定性 ? 改性聚苯醚、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜，抗蠕变性能较好 ? 对尺寸精度要求高的零件，蠕变将导致失效。应选用抗蠕变性好的材料，如聚砜、聚碳酸酯等 高分子的蠕变比其它材料严重 ? 金属在高温时发生明显的蠕变 ? 高分子在室温下蠕变就很明显 材料的力学性能 高分子材料的粘弹性 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 滞后 高分子受周期载荷时，产生伸-缩循环应变。应变随时间的变化始终落后于应力 内耗 一次伸-缩循环所储存的能量 (等于曲线ACB、BDA所包围的面积) ? 内耗导致高分子温度的升高，加速其老化 ? 内耗能吸收震动波，有利于高分子的减震性能 ? 交变应力作用下，滞后效应使高分子应变来不及完全恢复 ? 未能释放的弹性能消耗于克服分子间内摩擦上，产生内耗，转化为热能 材料的力学性能 高分子材料的粘弹性 ? ? t 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联 系本人或网站删除。 除工艺因素外，影响复合材料性能的因素有 ? 增强材料的形状、含量、分布 ? 增强材料与基体的界面结合 ? 界面结构 混合法则 Rule of mixtures 复合材料的力学性能