物理性能期末复习

1、材料材料金属金属陶瓷陶瓷高分子高分子静态拉伸、断裂、疲劳静态拉伸、断裂、疲劳微观结构的变化微观结构的变化低碳钢拉伸试验低碳钢拉伸试验弹性弹性变形变形屈服点屈服点不均不均匀屈匀屈服塑服塑性变性变形形均匀均匀屈服屈服塑性塑性变形变形缩颈缩颈断裂断裂那些具体物理性能那些具体物理性能E屈服强度屈服强度弹性极限弹性极限断裂强度断裂强度断裂伸长率断裂伸长率 虎克定律泊松比，是材料横向应变与纵向应变的比值泊松比，是材料横向应变与纵向应变的比值的绝对值的绝对值 屈服、屈服点、屈服强度屈服、屈服点、屈服强度塑性的意义塑性的意义韧性断裂和脆性断裂韧性断裂和脆性断裂韧性断裂：韧性断裂：金属断裂前产生明显的金属断裂前

2、产生明显的宏观塑性变形宏观塑性变形的断裂，的断裂， 有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。u脆性断裂脆性断裂：突然发生断裂，基本上不发生塑性变形，突然发生断裂，基本上不发生塑性变形， 没有明显征兆，因此危害性很大。没有明显征兆，因此危害性很大。 值越大，表示应力状态越值越大，表示应力状态越“软软”，金属越易于，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。产生塑性变形和韧性断裂。 值越小，表示应力值越小，表示应力状态越状态越“硬硬”，金属越不易于产生塑性变形而易，金属越不易于产生塑性变形而易于产生于产生脆性断裂脆性断裂。 拉伸时塑性很好的材

3、料，在压缩时只发生压拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。缩变形而不断裂。为什么用反映塑性大小反映塑性大小弯曲弯曲弯曲弯曲缺口试样静载荷试验缺口试样静载荷试验 缺口根部产生缺口根部产生应力集中应力集中，同时缺口截面上的应力同时缺口截面上的应力分布发生改变。分布发生改变。缺口效应缺口效应FF理论应力集中系数理论应力集中系数Kt 由于由于裂纹裂纹破坏了材料的破坏了材料的均匀连续性均匀连续性，改变了材料内，改变了材料内部应力状态和部应力状态和应力应力分布，所以机件的结构性能就不分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学

4、强度理论就不再适用。就不再适用。 断裂力学断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提宏观裂纹的前提下，下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度断裂判据和材料断裂韧度。断裂韧性断裂韧性 裂纹包括：裂纹的萌生和发展裂纹包括：裂纹的萌生和发展o 应力应变分析方法：应力应变分析方法：考虑考虑裂纹尖端附近裂纹尖端附近的的 应力场强度，得到相应的应力场强度，得到相应的断裂断裂K判据判据。(2) 能量分析方法：能

5、量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量考虑裂纹扩展时系统能量 的变化，建立的变化，建立能量转化平衡方程能量转化平衡方程，得到相，得到相 应的应的断裂断裂G判据判据。线弹性条件下金属断裂韧度线弹性条件下金属断裂韧度分析裂纹体断裂问题的方法：分析裂纹体断裂问题的方法：裂纹扩展能量释放率裂纹扩展能量释放率GI及断裂韧度及断裂韧度GIC防止应力腐蚀的措施防止应力腐蚀的措施合理选择金属材料合理选择金属材料减少或消除机件中的残余拉应力减少或消除机件中的残余拉应力改善化学介质改善化学介质采用电化学保护采用电化学保护选用合适的合金材料。选用合适的合金材料。将构件所承受的应力降低到临界应力以下将构件所承受的应力降低

6、到临界应力以下加更活泼的金属，高分子涂料加更活泼的金属，高分子涂料断裂方式不同：断裂方式不同： 室温室温 高温高温 1. 静载荷静载荷 位错塞积位错塞积 脆性解理脆性解理 蠕变蠕变 穿晶、沿晶穿晶、沿晶 2. 循环载荷循环载荷 疲劳疲劳 穿晶穿晶 疲劳、蠕变疲劳、蠕变 穿晶、沿晶混合穿晶、沿晶混合环境影响：环境影响： 影响不大影响不大 高温氧化高温氧化金属的高温力学性能金属的高温力学性能一一. . 磨损的概念磨损的概念磨损是摩擦的结果！磨损是摩擦的结果！二二. . 磨损的特点磨损的特点 材料表面发生材料表面发生微观变形与断裂微观变形与断裂 变形与断裂反复发生的变形与断裂反复发生的动态过程动态过

7、程 受受诸多因素诸多因素的影响的影响三三. . 磨损曲线磨损曲线磨损曲线磨损曲线磨损的类型磨损的类型磨损的类型磨损的类型改善方法改善方法六六. . 粘着磨损粘着磨损改善方法改善方法六六. . 粘着磨损粘着磨损陶瓷材料的塑性变形陶瓷材料的塑性变形（1 1）室温下，大多数陶瓷塑性变形极小。）室温下，大多数陶瓷塑性变形极小。（2 2）10001000以上，大多数陶瓷可发生塑性变形（主滑以上，大多数陶瓷可发生塑性变形（主滑移系运动）。移系运动）。实际强度远小于理论强度的原因实际强度远小于理论强度的原因引起陶瓷实际抗拉强度较低的原因是陶瓷中因工引起陶瓷实际抗拉强度较低的原因是陶瓷中因工艺缺陷导致的艺缺陷

8、导致的微裂纹微裂纹，在裂纹尖端引起很高的应，在裂纹尖端引起很高的应力集中，裂纹尖端之最大应力可达到理论断裂强力集中，裂纹尖端之最大应力可达到理论断裂强度。因而使陶瓷晶体的抗拉强度远低于理论度。因而使陶瓷晶体的抗拉强度远低于理论屈服强度。屈服强度。 抗压强度大于抗拉强度的原因抗压强度大于抗拉强度的原因由于陶瓷中总是存在微裂纹，拉伸时当裂纹一达到由于陶瓷中总是存在微裂纹，拉伸时当裂纹一达到临界尺寸就失稳扩展立即断裂，而压缩时裂纹或闭合临界尺寸就失稳扩展立即断裂，而压缩时裂纹或闭合或呈稳态缓慢扩展，使压缩强度提高。或呈稳态缓慢扩展，使压缩强度提高。陶瓷材料的增韧（细密、纯、匀，减少应力集中）（细密、

9、纯、匀，减少应力集中）（1）改善显微结构）改善显微结构（2）相变增韧）相变增韧（3）微裂纹增韧）微裂纹增韧当主裂纹遇到微裂纹时，发生分叉转向前进，增当主裂纹遇到微裂纹时，发生分叉转向前进，增加扩展过程中的表面能；并松弛主裂纹尖端的应加扩展过程中的表面能；并松弛主裂纹尖端的应力集中，减慢裂纹扩展速度。力集中，减慢裂纹扩展速度。陶瓷的抗热震性（热冲击）材料承受温度骤变而不破坏的能力。材料承受温度骤变而不破坏的能力。在各种热环境下引起的热应力，以及与之在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因。相应的应力强度因子是热震破坏的原因。由热震引起的瞬时断裂，即热振断裂。由热震引

10、起的瞬时断裂，即热振断裂。 高分子材料相对于金属，陶瓷材料的高分子材料相对于金属，陶瓷材料的优势优势是是什么？什么？ 原因：原因：1. 种类繁多；种类繁多；2. 制造加工便利、质轻、制造加工便利、质轻、耐化学腐蚀，耐化学腐蚀，3. 还因为它具有较高的力学强还因为它具有较高的力学强度和韧性。度和韧性。塑料塑料橡胶橡胶纤维纤维塑料的弹性模量介于橡胶和纤塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约维之间，约107108Pa；受力形受力形变可达百分之几至几百。变可达百分之几至几百。 室温弹性高；形变大（可达室温弹性高；形变大（可达1000%1000%），），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模外力去除后，能迅速

11、恢复原状；弹性模量小，约量小，约10105 510104 4PaPa。弹性模量较大，约弹性模量较大，约1091010Pa。形变。形变小，机械性能随温度变化不大小，机械性能随温度变化不大 y -y -屈服点屈服点e-e-弹性极限点弹性极限点冷拉冷拉应变软化应变软化应变硬化应变硬化 e b y e b yp-比例极限比例极限 p pb -b -断裂点断裂点p-比例极限比例极限线型非晶态高聚物的应力线型非晶态高聚物的应力-应变曲线应变曲线拉伸过程高分子链的三种运动情况：拉伸过程高分子链的三种运动情况：弹性形变（开始弹性形变（开始e e点）点）强迫高弹形变强迫高弹形变塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形

12、是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形塑性变形是一种不可逆变形. .塑性变形主要是由于塑性变形主要是由于切应力切应力引起的。材料塑性变形引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。结晶态高分子材料结晶态高分子材料: :塑变机制：塑变机制： 塑性变形是由薄晶塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列转变为沿应力方向排列的微纤维束的过程的微纤维束的过程非晶态高分

13、子材料非晶态高分子材料：塑变机制：在正应力作用下形成银纹和塑变机制：在正应力作用下形成银纹和切应力作用切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束下无取向分子链局部转变为排列的纤维束冷拉和成颈冷拉和成颈玻璃态高聚物在玻璃态高聚物在TbTg之间之间部分结晶高聚物在部分结晶高聚物在TbTm之间之间 玻璃态高聚物的玻璃态高聚物的强迫强迫高弹形变高弹形变 对于玻璃态高聚物，当环境温度处于对于玻璃态高聚物，当环境温度处于 Tb T Tg时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形（参

14、见图中变形（参见图中T = 80，60的情形），这种的情形），这种变形称强迫高弹形变。变形称强迫高弹形变。 （2 2）强迫高弹形变的本质是在高应力下，原来）强迫高弹形变的本质是在高应力下，原来卷曲卷曲的分子链的分子链段段被强迫被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（T T T Tg g）仍可恢复或部分恢复。）仍可恢复或部分恢复。 （1 1）既）既不同于不同于高弹态下的高弹形变，也高弹态下的高弹形变，也不同于不同于粘流态下的粘流态下的粘性流动，

15、是一种独特的力学行为。粘性流动，是一种独特的力学行为。（3 3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化活化”作用。作用。l玻璃态高聚物强迫高弹形变的特点玻璃态高聚物强迫高弹形变的特点晶态高聚物的应力晶态高聚物的应力- -应变曲线应变曲线第一阶段第一阶段OY段：段：出现出现“细细颈颈”。第二阶段，第二阶段，细颈的发展阶段。细颈的发展阶段。第三阶段（第三阶段（DB）：）：成颈变细成颈变细的试样重新被均匀拉伸，直的试样重新被均匀拉伸，直

16、到断裂点到断裂点B。 第二阶段是由于应力增加到第二阶段是由于应力增加到C点时足已点时足已克服其晶格能克服其晶格能，结晶，结晶发生发生熔融熔融，链段开始运动，并沿外力方向，链段开始运动，并沿外力方向取向取向。如果在此温。如果在此温度下，聚合物度下，聚合物结晶结晶速率足够大，则沿外力方向取向后链段能速率足够大，则沿外力方向取向后链段能重新排入晶格而重新结晶；如果结晶速度太低，则会成为重新排入晶格而重新结晶；如果结晶速度太低，则会成为 非晶态的取向高聚物。由于取向后分子链间排列紧密，分子非晶态的取向高聚物。由于取向后分子链间排列紧密，分子间作用力增大，故强度增大。取向后强度增大，致使试样不间作用力增

17、大，故强度增大。取向后强度增大，致使试样不会迅速变细拉断，而是在细颈两端发展，也就是粗细交接处会迅速变细拉断，而是在细颈两端发展，也就是粗细交接处的分子链继续取向，直至细颈发展完全。此后，必须进一步的分子链继续取向，直至细颈发展完全。此后，必须进一步增加应力，才能破坏晶格能或克服链间作用力，使分子发生增加应力，才能破坏晶格能或克服链间作用力，使分子发生位移，甚至断裂，从而导致材料破坏。位移，甚至断裂，从而导致材料破坏。熔融熔融- -重结晶重结晶温度的影响温度的影响l非晶态高聚物不同温度下的应力非晶态高聚物不同温度下的应力- -应变曲线应变曲线1，2-温度低于脆性温度，材料处于硬玻璃温度低于脆性

18、温度，材料处于硬玻璃态，无强迫高弹性态，无强迫高弹性3，4，5-温度处于脆性温度与玻璃化温度温度处于脆性温度与玻璃化温度之间，为软玻璃态之间，为软玻璃态6，7，8-温度处于玻璃化温度与黏流温度温度处于玻璃化温度与黏流温度之间，为高弹态之间，为高弹态9-温度处于黏流温度以上，为黏流态温度处于黏流温度以上，为黏流态123456 789形变速率的影响形变速率的影响拉伸速率提高屈服强度上升拉伸速率提高屈服强度上升. .时时- -温等效原理温等效原理高聚物的屈服行为高聚物的屈服行为脆性断裂时，试样没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方脆性断裂时，试样没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方向垂直（图向垂直（图a）

19、，断裂面很光洁；），断裂面很光洁；韧性破坏过程中，当拉伸至屈服点时，试样常出现与拉伸韧性破坏过程中，当拉伸至屈服点时，试样常出现与拉伸方向呈约方向呈约45角倾斜的剪切滑移变形带角倾斜的剪切滑移变形带 剪切带为何为剪切带为何为4545o o银纹面之间是由维系两银纹面的银纹质银纹面之间是由维系两银纹面的银纹质 高度取向的微纤束和空穴组成的高度取向的微纤束和空穴组成的 l银纹的内部结构银纹的内部结构银纹是高聚物所特有的一种现象，脆性材料拉伸中的微观银纹是高聚物所特有的一种现象，脆性材料拉伸中的微观屈服现象主要是银纹屈服现象主要是银纹 银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象银纹和剪切带均有

20、分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象分子链结构的影响分子链结构的影响极性基团和氢键极性基团和氢键 低压聚乙烯，聚氯乙烯，尼龙低压聚乙烯，聚氯乙烯，尼龙 - 拉伸强度拉伸强度 但不能密度过大，但不能密度过大， 妨碍链段运动，不能实现强迫妨碍链段运动，不能实现强迫高弹，高弹， 表现为脆性断裂表现为脆性断裂芳杂环芳杂环 其强度和模量都比脂肪族高，因此，新颖的工程其强度和模量都比脂肪族高，因此，新颖的工程塑料大都主链含芳杂环的。塑料大都主链含芳杂环的。分子链的支化程度分子链的支化程度（分子间距离）（分子间距离） -作用力减少，拉伸强度低，作用力减少，拉伸强度低， 冲击强度高冲击强度高 交联度交联度提高，

21、橡胶材料的拉提高，橡胶材料的拉伸模量和强度都大大提高，达到伸模量和强度都大大提高，达到极值强度后，又趋于下降（结晶极值强度后，又趋于下降（结晶取向下降）；断裂伸长率则连续取向下降）；断裂伸长率则连续下降下降。 交联可以提高材料的交联可以提高材料的抗蠕变能力抗蠕变能力，也能提高，也能提高断裂强度断裂强度。对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高弹对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高弹态材料的强度影响很大。态材料的强度影响很大。交联的影响交联的影响 分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起起决定性作用决定性作

22、用的结构参数。的结构参数。 低分子有机化合物一般没有力学强度（多为液体），高分子低分子有机化合物一般没有力学强度（多为液体），高分子材料要获得强度，必须具有一定材料要获得强度，必须具有一定聚合度聚合度，使分子间作用力足够大，使分子间作用力足够大才行。才行。分子量的影响分子量的影响 超过最小聚合度，随分超过最小聚合度，随分子量增大，子量增大，材料强度（材料强度（拉伸拉伸强度）强度）逐步增大逐步增大。到一定的。到一定的值，值，拉伸强度变化不大，拉伸强度变化不大，冲冲击强度继续增大（超高分子击强度继续增大（超高分子量量PE）。）。 但当分子量相当大，致但当分子量相当大，致使分子间作用力的总和超过使分

23、子间作用力的总和超过了化学键能时，材料强度主了化学键能时，材料强度主要取决于化学键能的大小，要取决于化学键能的大小，这时材料强度不再依赖分子这时材料强度不再依赖分子量而变化。量而变化。分子量的影响分子量的影响主要影响因素有主要影响因素有结晶度、晶粒尺寸和晶体结构结晶度、晶粒尺寸和晶体结构。 一般影响规律是：一般影响规律是： 1 1）随着）随着结晶度结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均模量均提高提高，但断裂伸长率和韧性，但断裂伸长率和韧性下降下降。这是由于结晶使分子链。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。然而

24、如果结晶排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。然而如果结晶度太高，材料将发脆。度太高，材料将发脆。结晶的影响结晶的影响聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系聚乙烯的断裂性能与结晶度的关系结晶度结晶度 / 65758595断裂强度断裂强度 /14.4182540断裂伸长率断裂伸长率 / 50030010020 3 3）晶体形态晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。 2 2）晶粒尺寸和晶体结构晶粒尺寸和晶体结构 均匀小球晶均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模

25、量和韧性得能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到到提高提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降，冲击强度下，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降，冲击强度下降。降。 原因：原因：大量的大量的均匀小球晶均匀小球晶分布在材料内，起到类似分布在材料内，起到类似交交联点联点作用，使材料应力作用，使材料应力- -应变曲线由软而弱型转为软而韧应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有屈服的硬而韧型。型，甚至转为有屈服的硬而韧型。 方法：方法：因此改变结晶历史，如采用添加成核剂，如在因此改变结晶历史，如采用添加成核剂，如在聚丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，聚丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从而可以提高材料强度和韧性。从而可以提高材料强度和韧性。聚丙烯应力聚丙烯应力-应变曲线与球应变曲线与球晶尺寸的关系晶尺寸的关系 加工过程中分子链沿一定方向取向，使材料力学性能加工过程中分子链沿一定方向取向，使材料力学性能产生产生各向异性各向异性，在取向方向得到增强。，在取向方向得到增强。 对于对于延性、易结晶材料延性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、，在平行于取向方向的强度、模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。模量提高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。取向的影响取向的影响 双轴取向双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴时，在该双轴