四川大学教案

1、四川大学教案【理、工科】周次第 11 周，第 11次课备注尸片 早节 名称第四章材料的性能；第一节 固体材料的力学性能 第二节材料的热性能授课 方式理论课2；实践课；实习教学 时数3教学 目的 及要求1. 掌握疲劳的概念，了解其在工业中的重要性，疲劳寿命曲线与疲劳 强度，疲劳断裂机制，提高材料耐疲劳性的途径。2. 掌握不同材料热物理性能的差异及其与组成和结构的关系。3. 掌握热导率的定义，热容和比热的定义。4. 掌握材料热膨胀的内在因素及影响因素，热性能与温度的关系。5. 有机咼分子材料的热物理和热化学稳定性、表征方法、耐热性和阻 燃性。教学内容提要时间 分配学时14.1.8 疲劳 Fatig

2、ueat cyclic stresses疲劳的概念疲劳：工程构件在服役过程中，由于承受变动载荷或反复承 受应力和应变，即使应力低于屈服强度，也会导致裂纹萌生和扩 展，以至构件材料断裂而失效，或使其力学性质变坏。疲劳寿命：特疋振动下使材料破坏必需的周期数。标准宏观格式A疲劳寿命曲线W?hler曲线、S-N曲线。B说明S、N的关系。25分图 4-47难点疲劳破坏的根本特征是：(1). “潜藏的失效方式，其断裂常是突发性的，没有预兆。(2).破坏过程可明显分出裂纹萌生、扩展、最终断裂三个组成局部。疲劳源(或疲劳核)：局部应力集中引起的裂纹萌生处。应力的循环特征参数：应力幅 CT a 或应力范围 心了

3、，CT a =gl2 =( CT max - CT min ) / 2， 平均应力 Cm 或应力比 R O"m = (C max + C min ) / 2，R =Cmin l C max。疲劳寿命曲线S-N曲线的绘制：不同应力下试验一组试件，得到 一组点，连点成线。疲劳寿命曲线分为三个区。(1) 低循环疲劳区很高应力和很少循环次数，并有较明显的塑性变形。短寿命疲劳。(2) 咼循环疲劳区循环应力低于弹性极限，疲劳寿命长，有限寿命区N f >10 5次循环。长寿命疲劳。(3) 平安区疲劳寿命趋于无限。无限寿命区疲劳极限一条水平渐进线，其高度a ac理解并掌 握疲劳寿 命曲线图 4

4、-48疲劳极限和疲劳强度疲劳强度一一用疲劳极限表示。工程实践中，疲劳极限定义为：在指疋的疲劳寿命下，上限应力幅值。对于结构钢，指疋的疲劳寿叩通常取 N f =10 cycles。测定疲劳极限A采用单点试验法。B该法精度不冋，因而常采用升降法头质上疋单点法的屡次重复。疲劳强度影响因素：A疲劳裂纹。B外表组织结构改善疲劳强度的方法：(1) 机械处理，如喷丸(合金)、冷滚压、研磨和抛光；(2) 热处理，如火焰和感应加热淬火；(3) 渗、镀处理，如氮化和电镀等。 改善疲劳裂纹扩展的抗力。疲劳断裂所有材料以根本相冋的方式发生疲劳断裂。(1 )反复塑性变形导致局部应变；疲劳断裂过程的三阶段(2)局部化应变

5、的结果产生初始裂纹；(3 )裂纹扩展，最终发生失效、断裂。 裂纹萌生成核疲劳破坏过程的三个组成局部裂纹扩展最终断裂成核的条件：缺陷、局部应力集中、其它杂质等。材料的耐疲劳性 组成结构陶瓷不好金属好，40%50%c拉高分子 较好，o疲 20%30%口拉 温度 T上升0疲下降 纤维增强复合材料，界面有效地阻止纹的扩展，破坏从纤维的 溥弱环节开始。故复合材料疲劳破坏前有预兆，疲劳极限比拟咼。掌握疲劳 强度的概 念了解一些 常用材料的耐疲劳 性咼分子材料宏观疲劳断裂过程：a不管何种原因出现银纹后，有一个银纹增长过程，经过一定的周期后，银纹的数量和密度到达一个极限值；b其中有一个或相邻的几个最具有开展条

6、件的银纹开始形成疲劳裂纹；c然后，裂纹扩展的尖端又形成新的银纹，这样裂纹尖端经 过失稳，疲劳裂纹快速开展，疲劳断裂立即发生。疲劳寿命(强度)影响因素A 平均应力B组织结构C外表状况改善疲劳强度的方法(外表处理)(1) 机械处理，如喷丸(合金)、冷滚压、研磨和抛光；(2) 热处理，如火焰和感应加热淬火；(3) 渗、镀处理，如氮化和电镀等。改善疲劳裂纹扩展的抗力。蠕变(Creep) con sta nt stress and temperature咼温或较大静负何(1) 金属材料高温蠕变(2) 陶瓷高温高载荷压缩蠕变(3) 高分子材料粘弹性蠕变Fig 9.40three regions,.Prim

7、ary or transient creepContinuously decreasing creep rate; the slope of the curve diminishes with time.Secondary creep steady-state creepThe rate is con sta nt; the plot becomes lin ear.Bala nee betwee n the compet ing processes of stra in harde ning and recovery,Steady-state creep rateTertiary creep

8、, ruptureAcceleration of the rate ； grain boundary separation, and the formation of internal cracks, cavities, and voids.接触疲劳图 4-49难点了解并理 解疲劳断 裂机理4-2材料的热性能前面物理状态T力学性能1热导率本节材料自身热物理性能：比热容热膨胀耐热性热化学性能：热稳定性燃烧特性材料的热学性质1. 热传递三种方式：热传导、热辐射、热对流热传导一根本的传递方式一机制a自由电子金属b晶格振动，离子和共价晶体陶瓷c分子传导高分子、小分子气体、液体热流量q =-人d T /

9、 d X两平面稳态热流量与时间无关q =九a Ti - T2/d式中a为平板面积，为热导率非稳态：ot-"Cp.P 式中a为热扩散系数，单位m2s-1 ； Cp为比热容；卩为密度2. 热导率九定义：单位温度梯度下，单位时间内通过单位垂直面积上的热量，九=-q/ d T / d X。单位 J.s-1 m-1.K-1 。金属 k高 一般为100左右；银最高，到达 427。九高的原因：自由电子运动的传送热量合金：杂原子参加，晶格畸变，阻止自由电子运动，上降低，为40左右无机非金属：传热方式，热振动。晶体有序：如金刚石，最咼 接近合金 为30完全共价键一一原子、晶格振动一一近程相互作用非晶体

10、无定形、无序：如玻璃，人1。高分子远程无序九很小，之间原因： 远程无序，分子间力弱热传导沿主链，主要取决于聚集态结构分子间传导泡沫、空气，X很小。20分Chapter 17要点图4-50热导率比拟表 4-12例题中文4-83.比热容Cp或Cv定义：1Kg质量的固体或液体升咼或降低1P时，所增加或减少的振动能量热量。固体多用CP。单位：Jmol-1 K-1。Cp>5比热=热容/原子量，单位J Kg-1 K-1比热容的大小：主要取决于化学结构等容热容内能对温度的曲线上的斜率等压热容：焓对温度的曲线上的斜率固体热容理论原子的振动-晶格的振动经典理论谐振子量子理论随机振动德拜模型金属 Cp &l

11、t;1，容易加热、容易冷却。单原子晶体 24.9 ;银 24.3;铝 25.1 o银 Cp=0.25Fe Cp=0.50热容小，很快冷高分子Cp 1.0 2.0热容大例HDPE2.31LDPE1.90PS1.20天然橡胶1.92PVC1.05环氧树脂1.05影响咼分子比热容 Cp的因素1分子链柔顺性温度的升高是由于分子过其间内摩擦引起的，柔性 链，运动单元小内摩擦小， 反上升慢，热高量大，热 能 动能2与温度T相关Tt TgCp发生突变DSC 示差扫描量热仪DTA 差热分析测试原理示意图。比热容与温度 比热容与相变 一级相变，二级相变要点区分：热 容和比热Fig17.1难点：理解 热容的宏 观

12、效应，及 影响因素Fig17.2图 4-51 难点学时2422热膨胀性(1)热膨胀材料的体积随温度升高而增大的现象20分原因：原子或分子的热运动晶体：原子在晶格内平衡位是附近震动，T|，振幅,原子平均间距.非晶体：原子的振动和转变。高分子沿主振动；链节、链段，转Fig17.3 图 4-54动；-1(2)热膨胀类型，单位：K线膨胀 ：i =(1/ l )d l /dT自由体积一运动的空间一维，温度升高度，线尺寸相对变表 4-13体膨胀 : v=(1/ V )d V /dT三维，温度升高度，体积相对变化热膨胀系数不是常数，其影响因素：温度T升高，增大结构键能大，：减小取向交联度结晶度柔顺性刚性柔性

13、无机材料:小，10-510-6金属中，13X 10-5高分子大，2.525X 10-5难点4-2-2耐热性1 概念耐热性指在受负荷下，材料失去其物理机械性能而发生永久 变形的温度。指材料的使用上限温度高分子材料常温及中温条件下使用，<500 C, 般170 C。钢 550 C;合金 900 C;石墨 3000 C。25分表 4-14陶瓷 2000 Co2 .耐热性表征：高分子材料一一物理状态< Tg 无定形Tm 结晶工业上的表征方法及指标b、£马丁耐热温度热变形温度> 材料在一定负荷条件下，产生规定变形的温度维卡软化温度屈服脆韧转变影响因素(1) 结构因素：刚性链结

14、晶耐热性交联(2) 分子量耐热性(3) 增塑剂耐热性f(4) 填料，纤维增强耐热性Fig7.25 表 4-15学时34-2-3热稳定性结构发生变化的温度。1 .表征方法指聚合物化学结合结构开始发生变化的温度，即起始分解温度Td 。因难以准确测定，常采用相对标准。1 半分解温度在真空中加热30min重量损失一半所需要的温 度。2热失重曲线TG热天平、热重分析评价时比拟曲线给定温度下的失重给定失重的温度 起始分解温度外推3DSC和DTA :热和热焓的变化2 .热稳定性与结构的关系化学结构的变化热分解一种化学反响。k =Ae5k 分解速率数；心E分解活化能一一与原子间的结合能键能相对应。键能大一一矩

15、大一一k大一一热稳定性高C链咼聚物：单链高聚物一一分段梯形一一梯形一一片状热稳定性增大。杂环、环状结构：稳定，耐热性高。元素高分子：热稳定结构。结晶交联结构稳定性提高体型环状和杂链3热分解机理略讲1只受热惰性气体，或真空中大分子链成自由基。开链一一单体；随机断链。PMMA。2热氧分解氧环境参加，分解快20分图 4-57图 4-58图 4-594-2-4高分子材料的燃烧特性有机材料、有机聚合物(含C、H元素)。1.高分子材料引燃和燃烧(略讲)燃烧：较高温度下与氧剧烈反响，并发出热和光。引燃过程：外部热原分解固体材料的外表层；产生可燃气化物， 与空气混合一一致燃烧燃烧过程：材料不断热分解，始终在外

16、表空气中燃烧，无残渣。2 燃烧特性及影响因素临界氧指数：能够维持稳定燃烧的最小氧浓度>0.27的聚合物是有自熄性。(1) 仅由C、H、O元素组成，临界氧指数为0.160.18(2) 含卤族元素(F、Cl、Br、1),临界氧指数大于 0.40(3) 含磷、氮等元素，临界氧指数咼(4) 参加阻燃剂和无机填料，可以提高临界氧指数。(吸收热量，温度下降；隔氧)(5)3 .高分子材料的阻燃flame retarda ncy结构和组成提高热稳定性引入卤族、磷、氮等元素阻燃剂和无机填料吸收热量降低温度 隔离氧25分不同材料 燃烧速度， 燃烧放热 值以及临 界氧指数 之间的差 异。图 4-60表 4-16表 4-17临界氧指 数的影响 因素表 4-18高分子材