13-材料力学性能121229

一、什么叫磨损？ 相互接触的固体+力作用→相对运动→材料损失力和固体的共同作用导致表面弹塑变形和断裂二、磨损机理磨擦副之间的局部焊合。真空、高温环境高硬度颗粒犁削表面接触疲劳，斑点状剥落，亚表面切应力最大特殊的磨粒磨损（超高分子聚乙烯）

晶界弱化，氧化

多种磨损机理共同作用三、磨损试验及性能指标耐磨性；磨损曲线；磨损试验复习:第八章材料的磨损粘着磨损：磨粒磨损：疲劳磨损：冲蚀磨损：腐蚀磨损：微动磨损：（Shu理论--疲劳机理--磨削中大量位错）第八章材料的磨损三、磨损试验及性能指标耐磨性磨损量（重量损失或尺寸减小量）相对耐磨性磨损试验销盘式、销筒式、往复运动式滚动式、砂纸磨损、快速磨损模拟机理磨损曲线跑合期（磨合阶段）稳定磨损期剧烈磨损期（精度丧失）磨屑的研究纱线与金属的磨损？如何模拟实验？第九章先进材料的力学性能一、前言第1-6章：变形与断裂(包括疲劳)第7-8章：环境与力共同作用：高温、腐蚀环境、磨损第9章：先进材料的力学性能复合材料：颗粒、纤维、晶须等多孔材料：泡沫塑料、包装材料生物材料：医用材料、天然生物纳米材料：纳米金属、纳米陶瓷其他功能材料：块状非晶合金、高温超导材料、光学材料各力学性能指标等已介绍（强度、断裂、疲劳、磨损等）重点介绍：先进材料所涉及的力学性能特点第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能概述两种或两种以上性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料连续相+分散相连续相：基体（金属、陶瓷、高分子等）分散相：增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合的优势：发挥两相各自的优点；可设计性。应用：航空航天、汽车、运动器械等05年的国家发明一等奖：碳碳复合材料---飞机刹车片PAN高分子→碳纤维→编织或无纺布(毡)→PVD碳，浸渍树脂→烧结美国051031航空和空间技术周刊报告：F2飞机：采用大面积复合材料机翼问题：开裂（检查孔周围强度不够），分层（应力集中）二、复合材料的力学性能复合材料分类根据基体：高分子基(PMCs)、金属基(MMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)增强相：材质、形状(纤维、晶须、颗粒)、大小、含量、分布纤维：长纤维、短纤维、编织物晶须：长30-100mm,直径0.3-1mm颗粒：微米、纳米…复合材料研究方法宏观：变形、强度细观：断裂研究界面：表面改性，界面工程表几种增强纤维的力学性能密度g/cm3弹性模量GPa抗拉强度GPa碳纤维2.15002.8硼纤维2.63923.4玻璃纤维2.5702.8芳纶纤维1.441372.8SiC纤维2.551962.9Al2O3纤维3.952502.4不锈钢丝7.82001.8钨丝19.24002.7表几种增强晶须的力学性能密度g/cm3弹性模量GPa抗拉强度GPaAl2O3晶须3.970014~28SiC晶须3.154907~35Si3N4晶须3.23903.5~11第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能复合材料的强度层合板的强度N为a、b相交错排列的层数la、lb为层的厚度a、b相的体积分数：Va=

Vb=水平方向受力，则总伸长量

lc和总应变

c分别为：

lc=

la+

lb

c=

Va

a+

Vb

b

应力相同二、复合材料的力学性能复合材料的强度层合板的强度假设两相都发生弹性变形，则：

c=

Va

a+

Vb

b可写成：因此，复合材料的弹性模量Ec为：垂直方向受力时，复合材料的Ec为：Ec=VaEa+

VbEb

两相对复合材料力学性能的贡献与其体积分数成正比复合材料的“混合定则”第九章先进材料的力学性能

应力相同应变相同第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能复合材料的强度颗粒增强材料的强度：Ec=Vm

Em+

KcVp

Ep

m为基体，p为颗粒；Kc为实验确定的常数，一般小于1，反映非等应变条件抗拉强度：

c=Vm

m+

KsVp

p连续纤维增强材料的强度

c=Vf

f+

Vm

mm为基体，f为纤维；拉力平行于长度方向纤维复合材料的应力-应变图弹性、基体塑性、纤维弹性；断裂纤维体积分数低时，纤维低应力断裂，占体积，强度反下降有临界体积分数。但过高，基体难以润湿、渗透纤维，强度下降

纤维直径方向截面纤维长度方向截面3D编织结构？二、复合材料的力学性能复合材料的其他力学性能断裂性能裂纹源：有缺陷的纤维、界面不良结合裂纹扩展如图所示，受阻。须更大的力才能扩展拔出、纤维断裂等消耗裂纹扩展能量层合板复合材料：垂直扩展困难（层间界面要开裂，消耗能量）冲击性能纤维方向与外力垂直时，冲击性能最高界面结合状态重要疲劳性能失效机理：界面脱离、分层、纤维断裂等无明显的疲劳极限,疲劳数据分散性大

第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能不同复合材料的力学性能高分子基复合材料基体：聚酯、环氧树脂、酚醛树脂强化相：纤维(玻璃、芳纶、碳纤维)、无机颗粒(纳米CaCO3)耐蚀、不耐高温第九章先进材料的力学性能不同复合材料的力学性能高分子基复合材料表

纤维增强高分子基复合材料的力学性能密度g/cm3抗拉强度GPa弹性模量GPa比强度107cm比模量109cm玻璃钢2.01.06400.530.21碳纤维/环氧1.451.51401.030.21芳纶/环氧1.41.4801.00.57硼纤维/环氧2.11.382100.661.0钢7.61.032100.130.27铝2.80.47750.170.26钛4.50.961140.210.25第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能不种复合材料的力学性能金属基复合材料基体：Al、Cu（为何不是Fe？）强化相：颗粒（制备简单价格低）、SiC晶须、短纤维弥散析出Al-Al2O3Al-SiCCu-SiC高性能电子封装材料航空航天铝合金活塞CuAg复合材料第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能不种复合材料的力学性能金属基复合材料表

纤维增强Al合金复合材料的力学性能增强相+基体增强体含量%密度g/cm3弹性模量GPa抗拉强度MPaAl/1.7687.56061（铝合金）/70136碳纤维+Al352.3120800SiC纤维+6061352.7180800Al2O3纤维+Al502.9130750硼纤维+6061502.62201520第九章先进材料的力学性能二、复合材料的力学性能不种复合材料的力学性能陶瓷基复合材料基体：Al2O3、Si3N4韧化相：金属、晶须、纳米陶瓷SiC缺陷问题Al2O3Al2O3-TiC-CoSi3N4陶瓷包覆金属陶瓷刀具、模具耐高温轴承SiC晶须增韧SiC颗粒增韧材料的弹性模量材料E/GPa材料E/GPa材料E/GPa材料E/GPa铝(Al)70.3镁(Mg)44.7金刚石~965聚苯乙烯2.7~4.2镉(Cd)49.9镍(Ni)199.5碳化钨534.4有机玻璃2.4~3.4铬(Cr)279.1铌(Nb)104.9碳化硅~470尼龙661.2~2.9铜(Cu)129.8银(Ag)82.7氧化铝~415聚乙烯0.4~1.3金(Au)78.0钛(Ti)115.7铅玻璃80.1橡胶0.02~0.8铁(Fe)211.4钨(W)411.0水晶73.1气体0.01各种磨损试验机橡胶轮磨损机滑动磨损试验机动载磨损试验机模拟试验机：冲蚀磨损髋关节磨损第八章材料的磨损二、磨损机理腐蚀磨损腐蚀产物易脱落无腐蚀产物但材料表面组织结构恶化高铬铸铁的晶间腐蚀氧化