武理工材料力学性能教案

α=136o的金刚石四棱锥体取α=136o与布氏硬度的计算方法相同。

维氏硬度可分为宏观和显微观两种：

宏观：F=49.03~980.7N六级大载荷

F=1.961~<49.03N七级小载荷

显微F=98.07×10-3~<1.961N五级

通过测量对角线长度d计算出HV。4）努氏硬度（也属显微硬度）采用四棱锥，对面角分别为172o30‘和130o。力F除以压痕投影面积之商。

它比四等角锥测量值精确。

∵试样的表面不一定是很平整，而且组织不均匀，尤其是回旋体的表面。5）肖氏硬度是一种动载荷试验法。

将一定重量的带有金刚石圆头或钢球的重锤，从一定的高度落于金属试样表面，根据重锤回跳的高度来表征金属硬度值的大小。∴也称为回跳硬度。

原理：重锺从一定高度落下，使材料产生弹性变形和塑性变形。塑性变形功被试样吸收；弹性变形功使重锤回跳一定的高度。

材料的屈服强度越高，弹性变形功越大，则金属越硬。

优缺点：方便；可在现场测大型工件的硬度。

在弹性模量相同时才可进行比较。精度和准确度较差。§2-6带缺口试样静载荷试验一、问题的提出

材料内部存在裂纹，或体积较大的缺陷。

零件上有螺纹、键槽、油孔、退刀槽，焊缝等沟槽。

缺口产生应力集中引起三向拉应力状态，使材料脆化；由应力集中产生应变集中；使缺口附近的应变速率增高。∴标准方式的测试结果，已不能满足实际需要。二、缺口效应1、理论应力集中系数

Kt=σmax/σ

Kt值与材料性质无关，只取决于缺口的几何形状。2、拉伸时，缺口试样上的应力分布

（1）弹性状态下

侧面带有缺口的薄板和厚板受拉伸时的应力分布：(a)薄板缺口下的弹性应力(平面应力)(b)厚板缺口下的弹性应力(平面应变)(c)平面应变时的应力分布(d)平面应变时局部屈服后的应力分布（2）塑性状态下塑性较好的材料，若根部产生塑性变形，应力将重新分布，并随载荷的增大，塑性区逐渐扩大，直至整个截面。

应力最大处则转移到离缺口根部ry距离处。σy，σx，σz均为最大值。

随塑性变形逐步向试样内部转移，各应力峰值越来越大。试样中心区的σy最大。

∴出现“缺口强化”（三向拉应力约束了塑性变形）塑性降低，影响材料的安全使用。三、缺口试样静拉伸试验1、方法

缺口试样，轴向拉伸和偏斜拉伸两种。通常用缺口强度比NSR(NotchStrengthRatio)作为衡量静拉伸下缺口敏感度指标：

NSR=σbn/σb

NSR属安全力学性能指标。NSR越大缺口敏感度越小，对于脆性材料如铸铁，高碳钢，其NSR<1，说明这些材料对缺口很敏感。利用缺口拉伸试验还能查明光滑拉伸试样不能显示的力学行为。

偏斜拉伸，α=4o和8o试样承受拉伸和弯曲。2）断口

由于缺口的存在，裂纹源一般在缺口处，然后向内部扩展，一般不存在剪切唇。偏斜拉伸试样

初始阶段可能呈纤维状；第二阶段则可能呈放射状；当初始阶段与第二阶段相交截时，便形成最终断裂区。四、缺口试样静弯曲试验缺口试样的静弯试验则用来评定或比较结构钢的缺口敏感度和裂纹敏感度由于缺口和弯曲所引起的应力不均匀性叠加，使试样缺口弯曲的应力应变分布的不均匀性更大。但应力应变的多向性则减少。静弯曲曲线曲线下所包围的面积，表示试样从变形到断裂的总功。总功由三部分组成：

(1)只发生弹性变形的弹性功Ｉ;

(2)发生塑性变形的变形功以面积Ⅱ表示；

(3)在达到最大载荷Pmax时试样即出现裂纹。如果裂纹到截荷P点时开始迅速扩展，直至试样完全破断。这一部分功以面积Ⅲ表示，叫作撕裂功。可用断裂功，或Fmax/F1,来表示材料的缺口敏感度。Fmax/F1=1时，缺口敏感度最大。

F1——试样发生断裂所对应的作用力。

第三章金属在冲击载荷下的力学性能冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载速度。应变率ε=de/dτe为真应变静拉伸试验ε=10-5～10-2s-1冲击试验ε=102～104s-1一般情况下ε=10-4～10-2s-1，可按静载荷处理§3-1冲击载荷下金属变形和断裂的特点一、冲击失效的特点（1）与静载荷下相同，弹性变形、塑性变形、断裂。（2）吸收的冲击能测不准。时间短；机件；与机件联接物体的刚度。通常假定冲击能全部转换成机件内的弹性能，再按能量守恒法计算。（3）材料的弹性行为及弹性模量对应变率无影响。弹性变形的速度4982m/s（声速）普通摆锤冲击试验的绝对变形速度5～5.5m/s二、影响冲击性能的微观因素（1）位错的运动速率↑，滑移临界切应力↑，材料的冲击去韧性↑。（2）同时开动的位错源增加。∴屈服强度提高得较多。（3）内部的塑性变形不均匀。三、冲击断口同样也为纤维区、放射区、剪切唇三个区。若试验材料具有一定的韧性，可形成两个纤维区。即：纤维区—放射区—纤维区—剪切唇。∵裂纹快速扩展形成结晶区，到了压缩区后，应力状态发生变化，裂纹扩展速度再次减小。∴形成纤维区。§3-2冲击弯曲和冲击韧性一、冲击韧性及其作用1、材料在冲击载荷作用下，吸收塑性变形功和断裂功的大小。单位，J；或kgf/cm22、作用（1）揭示冶金缺陷的影响（2）对σs大致相同的材料，评定缺口敏感性。（3）评定低温脆性倾向。二、冲击试验（视频演示：冲击实验）1、艾氏冲击摆锤，55×10×10试样，跨距45mm；无缺口，有缺口（U；V）记为Ak,Aku,AKV。铸铁（QT、白口铁）110×20×20，跨距70，无缺口。2、小能量多冲击磨球的冲击等单次冲击不足以破坏材料。冲击疲劳、断裂，3、落锤试验模拟试验，半定量测定材料的性能。§3-3低温脆性及韧脆转变温度一、低温脆性现象在低温下，材料的脆性急剧增加。对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。实质为温度下降，屈服强度急剧增加。F.C.C金属，位错宽度比较大，一般不显低温脆性。二、韧脆转变温度冲击试验值，断口的形貌，来判定。§3-4影响冲击韧性和韧脆转变温度的因素一、晶体学特性晶体结构，F.C.C不存在低温脆性。体心立方和某些hcp的低温脆性严重。Sn位错：位错宽度大，不显示低温脆性。层错能↑，韧性↑。形成柯氏气团，韧性↓。二、冶金因素（1）溶质元素间隙原子，使韧性↓。置换式溶质，对韧性影响不明显杂质元素s.p.As.Sn.Sb使韧性↓（2）显微组织（a）晶粒大小（b）金相组织回火索氏体—贝氏体—珠光体，韧性↓。第二相（大小、形状、数量、分布）三、外部因素1、温度钢的“蓝脆”525～550℃（钢的氧化色为蓝色）C．N原子扩散速率增加，形成柯氏气团2、加载速率加载速率↑，脆性↑，韧脆转变温度↑。3、试样尺寸和形状试样增厚，tk↑（表面上的拉压应力最大）带缺口，不带缺口；脆性及tk不同。

第四章金属的断裂韧度断裂是工程上最危险的换效形式。特点：（a）突然性或不可预见性；（b）低于屈服力，发生断裂；（c）由宏观裂扩展引起。∴工程上，常采用加大安全系数；浪费材料。但过于加大材料的体积，不一定能防止断裂。∴发展出断裂力学断裂力学的研究范畴：把材料看成是裂纹体，利用弹塑性理论，研究裂纹尖端的应力、应变，以及应变能力分布；确定裂纹的扩展规律；建立裂纹扩展的新的力学参数（断裂韧度）。主要内容：含裂纹体的断裂判据。固有性能的指标—断裂韧性：用来比较材料拉断能力，KIC,GIC,JIC,δC。用于设计中：KIC已知，σ，求amaxKIC已知,ac已知，求σ构件承受最大承载能力。KIC已知，a已知，求σ。讨论：KIC的意义，测试原理，影响因素及应用。§4-1线弹性条件下的断裂韧度一、裂纹扩展的基本形式1、张开型（I型）2、滑开型（II型）3）撕开型（III型）裂纹的扩展常常是组合型，I型的危险性最大二、应力场强度因子KI和断裂韧度KIC。1、裂纹尖端应力场，应力分析①应力场离裂纹尖端为(，)的一点的应力：（应力分量，极座标）平面应力σx=0平面应变σx=υ（σx+σy）对于某点的位移则有平面应力情况下

位移

平面应变情况时，上式为平面应变状态，位移分量。越接近裂纹尖端（即r越小）精度越高；最适合于r<<a情况。②应力分析在裂纹延长线上，（即v的方向）θ=0拉应力分量最大；切应力分量为0；∴裂纹最易沿X轴方向扩展。2、应力场强度因子KIKI可以反映应力场的强弱。∴称之为应力强度因子。通式：a—裂纹长度/2；Y—裂纹形状系数一般Y=1~2宽板中心贯穿裂纹长板中心穿透裂纹（见表4-1，P84-85）Y是无量纲的量而KI有量纲MPa·m1/2或MN·m-3/23、断裂韧度KIC和断裂判据①断裂韧度当应力达到断裂强度，裂纹失稳，并开始扩展。临界或失稳状态的KI值记作：KIC或KC，称为断裂韧度。KC—平面应力断裂韧度；KIC—平面应变，I类裂纹②断裂判据KI<KIC有裂纹，但不会扩展KI=KIC临界状态KI>KIC发生裂纹扩展，直至断裂4、KI的塑性修正裂纹扩展前，在尖端附近，材料总要先出现一个或大或小的塑性变形区。∴单纯的线弹性理论必须进行修正。①塑性区的形状和尺寸应用材料力学中学过的知识，结合前述的弹性力场表达式得到：（式4-8）（式4-9）由VonMises屈服准则，材料在三向应力状态下的屈服条件为：

将主应力公式代入VonMises屈服准则中，便可得到裂纹尖端塑性区的边界方程，即

整理合并得到（式4-10）r= （平面应力）r= （平面应变）形状：r=f(θ)尺寸：当θ=0r0=f(0)（裂纹扩展方向）平面应力平面应变ν一般为0.3∴平面应变的应力场比平面应力的硬。≤r0区载的材料产生屈服。②应力松驰的塑性区材料屈服后，多出来的应力将要松驰（即传递给r>r0的区域）使r0前方局部地区的应力生高，又导致这些地方发生屈服。σys—屈服应力不考虑加工硬化σys（R-r0）积分应力积分后可知将σys→σsro(前式)代入（平面应力）∴Ro=2ro裂纹尖端区塑性区的宽度计算公式，见表4-2③有效裂纹及KI的修正有效裂纹长度a+ry根据计算ry=（1/2）Ro平面应力平面应变∴不同的试样形状、和裂纹纹形式，KI不同。需要修正的条件：σ/σs≥0.6~0.7时，KI就需要修正。三、裂纹扩展能量释放率G及断裂韧度GIC从能量转换关系，研究裂纹扩展力学条件及断裂韧度。1、裂扩展时能量转换关系w=Ue+(γp+2γs)Aw—外力做功Ue—弹性应变能的变化A—裂纹扩展面积γpA—消耗的塑性功2γsA—形成裂纹后的表面能-（Ue-w）=(γp+2γs)A(4-24)2、裂纹扩展能量释放率GIU=Ue-w系统能量式4-24负号表示系统能量下降量纲为能量的量纲MJ·m-2当裂纹长度为a，裂纹体的厚度为B时令B=1物理意义：GI为裂纹扩展单位长度时系势能的变化率。又称，GI为裂纹扩展力。MN·m-1。恒位移与恒载荷恒位移——应力变化，位移速度不变；恒载荷——应力不变，位移速度变化。格雷菲斯公式，是在恒位移条件下导出。得知：①平面应力②平面应变GI也是应力σ和裂纹尺寸的复合参量，仅表示方式不同。3、断裂韧度GIC和断裂GI判据当即将失效扩展，而断裂所对应的平均应力σc；对应的裂纹尺寸ac[临界值]GI≥GIC裂纹失稳扩展条件4、GIC与KIC的关系∴5）裂纹扩展阻力曲线裂纹扩展分为亚稳扩展和失稳扩展。韧性材料的亚稳扩展阶段较长令：R=(γp+2γs)为裂纹扩展拉力R—a裂纹扩展阻力曲线（图4-7，P93）脆性材料γp≈0，R≈2γs∴R曲线几乎与a平行韧性材料，则不然。裂纹扩展能量释放率∴（亦称为裂纹扩展的动力）GI—a曲线（动力曲线）将两条曲线重合(a) σ≤σ0阻力≥动力(b) σ0<σ≤σc亚稳扩展σ≤σc失效扩展裂纹失稳扩展条件∴GI/a=R/a的交点，就是裂纹扩展的临界点。它所对应的裂纹长度ac（临界长度），σc（临界应力）。一般情况下，平面应变临界点与裂纹相对扩展量为2%的点相对应。R-a曲线的应力：描述构件的断裂行为和估算承载能力。§4-2弹塑性条件下的金属断裂韧性裂纹尖端塑性区尺寸（4-13）线弹性理论，只适用于小范围屈服；在测试材料的KIC，为保证平面应变和小范围屈服，要求试样厚度B≥2.5（KIC/σs）2试样太大，浪费材料，一般试验机也做不好。∴发展了弹塑性断裂力学原则：①将线弹性理论延伸；②在试验基础上提出新的断裂韧度和断裂判据；③常用的J积分法，COD法。一、J积分原理及断裂韧度JIC。1、J积分的概念①来源由裂纹扩展能量释放率GI延伸出来。②推导过程a）有一单位厚度（B=1）的I型裂纹体。b）逆时针取一回路Γ，Γ上任一点的作用力为Tc）包围体积内的应变能密度为ωd）弹性状态下，Γ所包围体积的系统势能，U=Ue-w，弹性应变能Ue和外力功W之差。e）裂纹尖端的f）Γ回路内的总应变能为：dV=BdA=dxdydU=ωdxdy∴g）Γ回路外面对里面部分在任一点的作用应力为T。∴外侧面积上作用力为P=TdS(S为周界弧长)设边界Γ上各点的位移为u∴外力在该点上所做的功dw=u.TdS∴外围边界上外力作功为h）合并i）定义（J·R赖斯）③“J”积分的特性a）守恒性能量线积分，与路径无关b）通用性和奇异性积分路线可以在整个地在裂纹附近的弹性区域内，也可以在接近裂纹的顶端附近。c）J积分值反映了裂纹尖端区的应变能，即应力应变的集中程度。2、J积分的能量率表达式与几何意义①能量率表达式这是测定JI的理论基础②几何意义设有两个外形尺寸相同，但裂纹长度不同，a，a+△a，分别在作用力p，p+△p作用下，发生相同的位移δ。将两条P—δ曲线重在一个图上U1=OACU2=OBC两者之差△U=U1-U2=OAB则物理意义为：J积分的形变功差率③注意事项：∵塑性变形是不逆的。∴测JI时，只能单调加载J积分应理解为裂纹相差单位长度的两个试样加载达到相同位移时的形变功差率。∴其临界值对应点只是开裂点，而不一定是最后失稳断裂点。3、断裂韧度JIC及断裂J判据JIC的单位与GIC的单位相同，MPa.mJI≥JIC裂纹会开裂。实际生产中很少用J积分来计算裂纹体的承载能力。一般是用小试样测JIC，再用KIC去解决实际断裂问题。4、JIC和KIC、GIC的关系（平面应变）上述关系式，在弹塑性条件下，还不能用理论证明它的成立，但在一定条件下，大致可延伸到弹塑性范围。二、裂纹尖端张开位移（COD）及断裂韧度δc裂纹尖端附近应力集中，必定产生应变材料发生断裂，即应变量大到一定程度，但，这些应变量很难测量。∴有人提出用裂纹向前扩展时，同时向垂直方向的位移（张开位移）来间接表示应变量的大小；用临界张开位移来表示材料的断裂韧度。1）COD概念在平均应力σ作用下，裂纹尖端发生塑性变形，出现塑性区ρ。在不增加裂纹长度（2a）的情况下，裂纹将沿σ方向产生张开位移δ，称为COD。2）断裂韧度δc及断裂δ判据δ≥δcδc越大，说明裂纹尖端区域的塑性储备越大。δ、δc是长度量纲为mm，可用精密仪器测量。一般钢材的δc大约为0.几到几mm是裂纹开始扩展的判据。不是裂纹失稳扩展的断裂判据。3）线弹性条件下的COD表达式平面应力时令：σ=2v当θ=π时对于I型穿透裂纹：（σ≤0.6σs）该式可用于小范围屈服条件，进行断裂分析和破损安全设计。4、弹塑性条件下的COD表达式达格代尔，建立了带状屈服模型，D-M模型裂纹长度2a→2c；割面上上、下方的阻力为δs。∴裂纹张开位移级数展开∵∴高次方项可以忽略∴临界条件下5）δc与其他断裂韧度间的关系断裂应力≤0.5σs时平面应力平面应变（三向应力，尖端材料的硬化作用）n为关系因子，1≤n≤1.5~2.0（平面应力，n=1；平面应变n=2）§4-3断裂韧度的测试有严格的测试标准（1）四种试样：三点弯曲，紧凑拉伸，C型拉伸，圆形紧凑拉伸试样。大小及厚度有严格要求预先估计KIC（类比），再逼近。预制裂纹长度有一定要求，2.5%W（2）方法弯曲、拉伸；传感器测量，绘出有关曲线。（3）结果处理根据有关的函数（可以查表）（有兴趣者可以自看）§4-4影响断裂韧度的因素（图片）一、与常规力学性能之间的关系KIC、GIC、JIC、δC最后均是以常规力学性能之一的σ、σS作自变量。AK值~GIC（JIC），均是吸收的能量位AK值的误差本身就较大；缺口形状，加载速率等不同。∴缺乏可靠的理论依据二、影响断裂韧度的因素1）材料因素（内在因素）①晶体特征（晶体结构、位错）②化学成分③显微组织（晶粒大小，各相，第二相，夹杂）④处理工艺（热处理、强化处理）2）（外因）环境因素温度、应变速度等。§4-5断裂韧度在工程上的应用一、高压容器承载能力的计算二、高压壳体的材料选择三、大型转轴断裂分析四、钢铁材料的脆性评定

第五章金属的疲劳材料在交变应力的作用下，经过一段时间，而发生断裂的现象，叫疲劳。疲劳破坏时的最大应力<σb，甚至<σs；不产生明显的塑性变形，呈现脆性的突然断裂。∴疲劳断裂是一种非常危险的断裂。∴要研究疲劳的规律、机理、力学性能指标、影响因素等。§5.1金属疲劳现象及特点一、变动载荷和循环应力1、变动载荷大小、方向或者大小和方向均随时间而变化。变化分为周期性，无规则性，相对应的应力，称为变动应力2、循环应力循环应力的波形一般近似为正弦波、矩形波和三角形波等。（1）循环应力的描叙σmax，σmin；平均应力σm=1/2（σmax+σmin）应力幅σa=1/2（σmax-σmin）应力比γ=σmin/σmax（2）循环应力的种类对称交变应力；脉动应力；波动应力；不对称交变应力。二、疲劳分类及特点1、分类（1）按应力状态弯曲疲劳、扭转疲劳、拉压疲劳、复合疲劳等。（2）按环境腐蚀疲劳、热疲劳、接触疲劳等。（3）按循环周期高周疲劳、低周疲劳。（4）按破坏原因机械疲劳、腐蚀疲劳、热疲劳等。2、特点（1）断裂应力<σb，甚至<σs；（2）出现脆性断裂；（3）对材料的缺陷十分敏感；（4）疲劳破坏能清楚显示裂纹的萌生和扩展，断裂。三、疲劳宏观断口的特征断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位置不同。（表5-1）1、疲劳源裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。由于应力交变，断面摩擦而光亮。加工硬化。随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲劳区（贝纹区）断面比较光滑，并分布有贝纹线。循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。3、瞬断区一般在疲劳源的对侧。脆性材料为结晶状断口；韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。§5.2疲劳曲线及疲劳性能一、疲劳曲线1、对称循环疲劳曲线（σ~N曲线）（1）有水平段的疲劳曲线（钢、QT）（2）无水平段的疲劳曲线（有色金属，不锈钢等）2、σ~N曲线的测定常用旋转弯曲疲劳试验机，有效试样13根以上。用升降法测定σ-1。再用概率统计方法处理数据。（取可信度）最后确定点的位置、联线。二、疲劳极限1、对称疲劳极限循环载荷，一般取周期N=107。σ-1，τ-1，σ-1P（对称拉压）2、不同应力状态下的疲劳极限根据大量的实验结果，弯曲与拉压、扭转疲劳极限之间的关系：钢：σ-1P=0.85σ-1，铸铁σ-1P=0.65σ-1铜及轻合金：τ-1=0.55σ-1，铸铁τ-1=0.8σ-1σ-1>σ-1P>τ-13、疲劳极限与静强度之间的关系钢：σ-1P=0.23（σs+σb）σ-1=0.27（σs+σb）铸铁：σ-1P=0.4σbσ-1=0.45σb铝合金：σ-1P=σb/6+7.5(MPa)σ-1P=σb/6-7.5(MPa)4、不对称循环疲劳极限（σr）利用已知的对称循环疲劳极限，用工程作图法求得各种不对称循环疲劳极限。或者采用回归的公式求得。（1）应力幅σa~平均应力σm图y轴上的边界点为0和σ-1x轴上的边界点为0和σb将σmax分解成不同应力比r时的σa和σm，作图。运用时，已知r，σr=σa+σm。（2）σmax~σm图y轴上的边界点为σ-1和-σ-1，x轴则同前图。σmax=σb，利用不同的应力比r来作图。若为韧性材料σmax=σ0..2（3）公式法上两图中的曲线可用数学公式表示可以很方便利用σb，σ-1，σ0..2和r，求得σr三、抗疲劳过载能力过载持久值材料在高于疲劳极限的应力下运行，发生疲劳断裂的应力循环周次，称为过载持久值，也称有限疲劳寿命。（图）疲劳曲线倾斜部分越陡直，即损伤区窄，则持久值越高，抗疲劳过载的能力越好。过载损伤界由实验测定。疲劳过载损伤是由裂纹的亚稳扩展造成。四、疲劳缺口敏感性疲劳缺口敏感度q0<q<1Kt为理论应力集中系数，决定于缺口的几何形状与尺寸。Kf为有效应力集中系数，,和分别为光滑与缺口试样的疲劳极限，Kf的大小也和材料特性有关。

q=0，表示对缺口完全不敏感；q=1则表示对缺口十分敏感。影响q的因素：强度、硬度上升，q上升，即敏感缺口尖锐度上升，q下降。§5.3疲劳裂纹扩展速率及疲劳门槛值疲劳裂纹扩展曲线高频疲劳试验机；固定裂纹预制长度a0、应力比r和应力幅σaσ2>σ1作a~N曲线曲线斜率da/dN为裂纹扩展速率；裂纹达到ac，da/dN无限大。二、疲劳裂纹扩展速率1、引入断裂韧度的概念△K=Kman-Kmin=Y△σα1/2每一次小扩展，便认为是一次断裂过程。2、lg(da/dN)~lg△K曲线（图5-16）3、曲线分析I区（初始段）△K≤△Kthda/dN↑，裂纹不扩展。△K>△Kth△K↑，da/dN↑，裂纹扩展但不快。II区（主要段）△K↑，da/dN↑，裂纹亚稳扩展，是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要段。III区（最后段）△K↑，da/dN↑↑，裂纹失稳扩展。4、疲劳裂纹扩展门槛值定△Kth为门槛值单位MN·m-3/2或MPa·m1/2△K≤△Kth,裂纹不扩展。△Kth不好测定规定，平面应变条件下，da/dN=10-6~10-7mm/周次对应的△K来代替△Kth，称为工程疲劳门槛值。5、影响疲劳裂纹扩展速率的因素（1）应力比r↑，曲线向左上方移动。（2）过载峰适当过载反而有益。（3）显微组织对I、III区的da/dN影响比较明显。晶粒粗大，△Kth值越高；韧性相可使△Kth↑。三、疲劳裂纹扩展寿命的估算常选用paris公式。da/dN=C(△K)nc、n—材料试验常数，与材料、应力比、环境等因素有关。显微组织对n的影响不大，多数材料的n值在2~4之间变化。§5.4疲劳过程及机理疲劳过程：裂纹萌生、亚稳护展、失稳扩展、断裂一、裂纹萌生及机理常将0.05~0.1mm的裂纹定为疲劳裂纹核。引起裂纹萌生的原因：应力集中、不均匀塑性形变。方式为：表面滑移带开裂；晶界或其他界面开裂。1、滑移带开裂（1）驻留滑移带在交变载荷作用下，永留或能再现的循环滑移带，称为驻留滑移带。通过位错的交滑移，使驻留滑移带加宽。（2）挤出峰和挤入槽滑移带在表面加宽过程中，还会向前或向后移动，形成挤出峰和挤入槽。循环过程中，峰、槽不断增加，增高（或变深）（柯垂耳-赫尔模型）孪晶处也易出现挤出峰和挤入槽。2、晶界处开裂晶界就是面缺陷；位错运动易发生塞积，出现应力集中，晶界开裂。3、相界面开裂两相（包括第二相、夹杂）间的结合力差，各相的形变速率不同，易在相结合处或弱相内出现开裂。只有首先达到临界尺寸的裂纹核，才能继续长大。二、疲劳裂纹扩展过程及机理1、裂纹扩展的两个阶段（图5-24）第一阶段沿主滑移系，以纯剪切方式向内扩展；扩展速率仅0.1μm数量级。第二阶段在da/dN的II区。晶界的阻碍作用，使扩展方向逐渐垂直于主应力方向；扩展速率μm级；可以穿晶扩展。形成疲劳条纹（疲劳辉纹）（见书上图5-25）。一条辉纹就是一次循环的结果。2、疲劳裂纹扩展模型（1）Laird塑性钝化模型（图）裂纹不再扩展的过程，称为“塑性钝化”该模型对韧性材料的疲劳扩展很有用。材料的强度越低，裂纹扩展越快，条带越宽。（2）再生核模型疲劳裂纹的扩展是断续的。主裂纹前方是弹塑性交界点（三向拉应力区）可形成新裂纹核。主裂纹和裂纹核之间发生相向长大、桥接，使主裂纹向前扩展。强度高的材料，可形成解理裂纹。§5.5影响疲劳强度的因素一、材料内因1、化学成分成分决定组织和强化效果。2、显微组织相、相间交互作用、夹杂物、晶粒大小等。3、治金缺陷夹杂、疏松、偏析、裂纹，方向性等。二、材料表面状态和工件结构1、表面状态表面粗糙度；表面强化（机械、热处理、喷涂、化学）2、工件结构：壁厚；壁厚均匀性；表面的沟槽等。三、工况因素1、载荷载荷的大小和加载方式；加载频率；加载间歇；次载锻炼。2、环境温度；周边介质；应力状况。§5.6低周疲劳疲劳寿命为102-105次的疲劳断裂，称为低周疲劳一、低周疲劳的特点局部产生宏观变形，应力与应变之间呈非线性。总应变△εt=△εe+△εp用△εt/2~N或△εp/2~N描叙疲劳规律。2、裂纹成核期短，有多个裂纹源。3、断口呈韧窝状、轮胎花样状。4、疲劳寿命取决于塑性应变幅。二、金属的循环硬化与循环软化1、定义与特点恒应变幅（塑性应变幅或总应变幅）循环加载过程中，材料的形变抗力不断增加，则称为循环硬化；反之为循环软化。应力——应变滞后回线，只有在应力循环达到一定周期后，才是闭合的，即：达到循环稳定态。（图5-31）循环应力——应变曲线高于单次应力——应变曲线，则是循环硬化，反之为循环软化。2、循环软化的危害使材料的形变抗力下降，导致工件产生过量的塑性变形而失效。3、原因决定于材料的初始状态，工件结构特性；应变幅，温度等。σb/σs＞1.4循环硬化σb/σs＜1.2循环硬化微观原因：位错的循环运动；相变强化；应力松驰。低周疲劳的应变——寿命曲线低周疲劳的σ~N曲线，数据离散。1、总应变幅△εt~N曲线（图5-34）△εe/2~2Nf，△εp/2~2Nf，△εt/2~2Nf，两不同斜率的曲线叠放，必然会出现一个交点。提高强度，交点左移；提高塑性，交点右移。2、△ε~N关系式曼森公式断裂真实伸长率曼森——柯芬关系式△εpNzf=CZ、C——材料常数Z=0.2~0.7;C—0.5ef~1.0ef用上述关系式可估算材料的低周疲劳寿命§5.7其他类型疲劳一、热疲劳1、基本概念在循环热应力和热应变作用下，产生的疲劳称为热疲劳。热疲劳属低周疲劳（周期短；明显塑性变形）。由温度和机械应力叠加引起的疲劳，称为热机械疲劳。2、热应力的产生外部约束，不让材料自由膨胀；内部约束，温度梯度，相互约束，产生热应力。热应变，导致裂纹的萌生，扩展3、衡量标准一定温度幅，产生一定尺寸疲劳裂纹的循环次数。4、提高热疲劳寿命的途径材料减小热膨胀系数，提高λ，均匀性，高温强度。工件状况减小应力集中。使用减小热冲击二、冲击疲劳1、基本概念在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂，称为冲击疲劳。冲击次数N>105,具有典型的疲劳断口。Ak~N2、影响冲击疲劳的因素小能量多冲击主要为强度。较大能量时冲击作用下，材料易出现塑性变形，即易出现低周疲劳。能量再大时则冲击疲劳退居次要地位，应考虑材料的断裂韧性。三、接触疲劳1、基本概念对偶件（如轴承、齿轮等）在交变接触压应力长期作用下，而在材料表面产生的疲劳损伤。形貌：点蚀，浅层剥落和深层剥落。（轴承、齿轮表面、钢轨等）接触疲劳曲线两种σ换～N，σ接～1/N，2、接触应力（赫兹应力）两物体接触，表面上产生局部的压应力，称为接触应力。接触处的接触应力为三向压应力。接触处，σz>σy>σx超过一定深度σz>σx>σy相应的最大切应力为：∴在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。3、接触疲劳破坏方式（1）麻点剥落局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂）润滑剂气蚀（高压冲击波）剥落下一块金属而形成一凹坑2、浅层剥落最大切应力处，塑化变形最剧烈，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化3、深层剥落过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。4、影响接触疲劳抗力的因素（1）材料内因组织（晶粒大小，相组成，夹杂物，第二相等）（残余奥氏体，可形成形变M，不利于接触疲劳）表面硬度和心部硬度（2）外因表面粗糙度，接触精度。硬度匹配润滑情况。

第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂§6.1应力腐蚀一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点（1）定义（2）特点特定介质（表6-1）低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆不锈钢——氯脆铜合金——氨脆2、产生条件应力：外应力、残余应力；化学介质：一定材料对应一定的化学介质；金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。二、应力腐蚀1、机理（图6-1）滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）；b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。则裂纹逐步向纵深扩展。（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）2、断口特征宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；断口呈黑色或灰色。微观：显微裂纹呈枯树枝状；腐蚀坑；沿晶断裂和穿晶断裂。（见图6-2）三、力学性能指标1、临界应力场强度因子KISCC恒定载荷，特定介质，测KI~tf曲线。将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。2、裂纹扩展速度da/dtKI>KISCC，裂纹扩展，速率da/dtDa/dt~KI|曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7）可以估算机件的剩余寿命。四、防止应力腐蚀的措施1、合理选材；2、减少拉应力；3、改善化学介质；4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。§6-2氢脆由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂（简称氢脆）一、氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工中带入的氢）；外来的（工作中，吸H）。间隙原子状，固溶在金属中；分子状，气泡中；化学物（氢化物）。二、氢脆类型及其特征1、氢蚀（或称气蚀）高压气泡（对H，CH4）宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。2）白点（发裂）氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。甚至有白线。3）氢化物形成氢化物（凝固、热加工时形成）；或（应力作用下，元素扩散而形成）。氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。裂纹沿界面扩展。4、氢导致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。原因：氢显著降低金属材料的断后伸长率。条件：一定温度范围；慢速加载（恒载）三、钢的氢致延滞断裂机理三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。1）孕育：氢原子数量↑；扩散，偏聚。2）机理氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受阻，产生应力集中，萌生裂纹。3）特点①t<tH氢扩散率很漫，不形成氢脆；t=tH最敏感；t>tH氢气团扩散，无氢脆。②应变速率高，不会出现氢脆。③拉应力促进H溶解。高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。[循环软化]四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。“相互促进”阳极溶解、金属开裂阴极吸氢，延滞断裂。五、防止氢脆的措施1）材料降低含氢量，细化组织2）环境减少吸氢的可能性3）力学因素减小残余应力

第七章金属的磨损和耐磨性一、材料的磨损1、定义：2、磨损过程三阶段：3、磨损分类：摩擦磨损，磨料磨损。a）粘着磨损，接触疲劳b）凿削磨损，高应力磨损，低应力磨损c）其他，腐蚀磨损，微动磨损多种类型的综合4、磨损机理a）粘着机理b）裂纹汇聚，断裂c）显微切削（犁削）5、磨损试验及观察模拟试验；宏观观察，微观分析。二、耐磨性1、是材料的物性与服役工况的综合表现。2、在一定条件下的，相对磨损量。ε=△ω/△w3、显微组织对耐磨性的影响4、服役工况的影响三、提高材料耐磨性的措施1、工况分析2、选材及其强化处理

第八章金属高温力学性能§8-1材料的高温性能锅炉、汽轮机、发动机，飞船的外壳等，长期在高温情况下工作。对材料的高温性能有一定或特别的要求。一、常见的高温性能1、抗氧化性2、抗生长性3、热强性材料在高温、长时间和应力的作用下，抵抗变形和断裂的能力。（包括：持久强度、蠕变强度、高温疲劳强度、高温硬度等）二、影响高温强度的因素σb=f(Tτυ)1、温度温度的高低，是相对金属的熔点而言。故采用约比温度“t/tm”；“弹塑性转变温度”；“晶粒与晶界的等强温度”。2、时间随加载时间延长，σb↓，蠕变行为。3、变形速率变形速率越大，晶粒与晶界的高强温度越低。§8-2金属的蠕变及其断裂一、蠕变1、蠕变及蠕变断裂材料（金属）在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象，叫蠕变。（注意与应力松驰的区别）由蠕变变形导致的材料的断裂，称为蠕变断裂。2、蠕变曲线（图8-2）1）减速蠕变阶段，开始大，逐渐减速；2）恒速蠕变阶段，速度几乎保持不变；3）加速蠕变阶段，逐渐增大，最后产生断裂。3、应力和温度对蠕变曲线的影响应力较小，或温度较低时，第二阶段较长，第三阶段很短；反之，第二阶段很短，很快断裂。二、蠕变机理1、位错运动外来热激活能，有利于加强位错的运动（滑移、攀移、交滑移等），克服短程障碍。∴材料发生塑性变形。蠕变第一阶段，蠕变变形而产生形变硬化，蠕变速率↓。也称为“减速蠕变阶段”。第二阶段：动态回复（软化），硬化与软化达到平衡，蠕变速率为一常数。2、扩散性蠕变约比温度>0.5高温和应力的作用下，空位、原子的定向扩散（不均匀应力场）。∴材料产生蠕变。3、晶界滑动高温和应力的作用下，晶粒发生转动（即晶界滑动）。∴晶粒减小，晶界滑动对蠕变的作用越大。三、蠕变断裂机理裂纹萌生、扩展、断裂1、裂纹萌生（1）三晶粒交会处萌生楔形裂纹（高应力，低温度）晶界滑动，三晶粒交会处造成应力集中，形成空洞，空洞相互连接，便形成楔形裂纹。（2）晶界上空洞汇聚（低应力、高温度）相变形成空洞，第二相质点附近，晶界滑动产生的空洞；空洞长大，汇聚形成裂纹。2、裂纹扩展3、断裂沿界断裂，高温氧化，夹杂物断口宏观特征：断口附近产生塑性变形；变形区域有很多裂纹（龟裂）；高温氧化。§8-3高温力学性能及其影响因素一、蠕变极限相对指标（T、ε）例如：指：在600℃，ε=1×10-5%时的强度。或500℃，10万小时，ε=1%的强度选用哪种表示方法，根据服役工况来确定。“测定蠕变强度的装置和方法”（P183）二、持久强度在规定温度（T），达到规定的持续时间（τ）而不发生断裂的应力值σtτ通过高温拉伸持久试验测定由于时间长，一般是作lgσ～lgτ曲线，用外推法计算持久强度值。如12Cr1MoV钢在580℃，十万小时σtτ=89MPa持久塑性，试样断裂后的伸长率及断面收缩率。三、剩余应力材料抵抗应力松驰的性能称为松驰稳定性应力松驰曲线（图8-5）变形量衡定，加载的应力随时间延长而降低的曲线。任一时间，试样上所保持的应力称为剩余应力σsh初始应力与剩余应力之差，称为松驰应力。σso四、影响高温力学性能的因素1、材料本身（材质）（1）熔点高，自扩散激活能高的金属或合金，增大晶格阻力。（2）显微组织晶粒度适当加大；结构复杂的第二相，并形成网状骨架；减少低熔点夹杂物，晶内形成多边化的亚晶界（热处理后）。§8-4其他高温力学性能一、高温短时拉伸性能（火箭、导弹发射）热塑性；蠕变不起决定作用时。二、高温硬度工具材料（红硬性），高温轴承。测高温硬度的压头高温力学性能与室温力学性能的对比。性能特点：高温室温σb=f(T,τ)σp=C,σε=C蠕变，应力松驰，蠕变与疲劳的交互作用变形机制：不会产生孪晶；滑移晶内滑移和孪晶晶界起主要作用晶界起阻碍作用提高力学性能：增大晶格阻力细化晶粒减少晶界面积提高位错密度提高扩散时的热激活能强化（合金化、第二相）形成复杂、网状的第二相

第九章陶瓷材料的力学性能§9-1陶瓷材料概况陶瓷、金属、高分子材料并列为当代三大固体材料之间的主要区别在于化学键不同。金属：金属键高分子：共价键（主价键）+范德瓦尔键（次价键）陶瓷：离子键和共价键。普通陶瓷，天然粘土为原料，混料成形，烧结而成。工程陶瓷：高纯、超细的人工合成材料，精确控制化学组成。工程陶瓷的性能：耐热、耐磨、耐腐蚀、绝缘、抗蠕变性能好。硬度高，弹性模量高，塑性韧性差，强度可靠性差。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼等。一、陶瓷材料的结构和显微组织1、结构特点陶瓷材料通常是金属与非金属元素组成的化合物；以离子键和共价键为主要结合键。可以通过改变晶体结构的晶型变化改变其性能。如“六方氮化硼为松散的绝缘材料；立方结构是超硬材料”2、显微组织晶体相，玻璃相，气相晶界、夹杂（种类、数量、尺寸、形态、分布、影响材料的力学性能。（可通过热处理改善材料的力学性能）§9-2陶瓷材料的力学性能强度（高温、低温、室温）韧性、硬度、断裂韧度、疲劳等。一、陶瓷材料的弹性变形、塑性变形与断裂（图9-23）（1）弹性A）弹性模量大是金属材料的2倍以上。∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。B）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量结构不均匀性；缺陷C）气孔率↑，弹性模量↓（2）塑性变形a）室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。b）1000℃以上，大多数陶瓷材料可发生塑性变形（主滑移系运动）c）陶瓷的超塑性超细等轴晶，第二相弥散分布，晶粒间存在无定形相。1250℃，3.5×10-2S-1应变速率ε=400%。利用陶瓷的超塑性，可以对陶瓷进行超塑加工（包括扩散焊接）（3）断裂以各种缺陷（表面或内部）为裂纹源裂纹扩展，瞬时脆断。缺陷的存在是概率性的。用韦伯分布函数表示材料断裂F(σ)—断裂概率m—韦伯模数σ0—特征应力，该应力下断裂概率为0.632σ’、σ—试样内部的应力及它们的最大值二、陶瓷材料强度和硬度陶瓷的实际强度比其理论值小1~2个数量级。（1）弯曲强度三点弯曲、四点弯曲四点弯曲试样工作部分缺陷存在的几率较大。∴强度比三点的低。（2）抗拉强度夹持部位易断裂（加橡胶垫）∴常用弯曲强度代之，高20%~40%。（3）抗压强度比抗拉强度高得多，10倍左右。（4）硬度高HRA，AT45N小负荷的维氏硬度或努氏硬度。§9-3陶瓷材料的断裂韧度比金属的低1~2个数量级测定方法（图）单边切口法、山形切口法、压痕法、双扭法、双悬臂梁法。∵KIC值受切口宽度的影响。金属材料：σ↑、δ↓、KIC↓；陶瓷材料：σ↑、KIC↑。∵尖端塑性区很小。陶瓷材料的增韧：（1）改善组织（细密、纯、匀）（2）相变增韧（3）微裂纹增韧§9-4陶瓷材料的疲劳强度静态疲劳，动态疲劳，循环疲劳和热疲劳（1）静态疲劳对应于金属材料的应力腐蚀和高温蠕变断裂。“温度、应力、环境介质”分成的个区（图10-11）孕育区（低于应力强度因子门槛值）低速区da/dt随K↑而↑中速区da/dt仅与环境介质有关，与K无关。高速区da/dt随K↑而呈指数关系↑（2）动态疲劳类似于金属材料应力腐蚀研究中的慢应变速率拉伸。（3）循环疲劳疲劳破坏以慢速龟裂扩展的方式发生。陶瓷材料是脆性材料。（4）热疲劳低周疲劳金属的疲劳寿命通常用循环周次表示陶瓷材料的疲劳寿命则用断裂时间表示疲劳特性评价，同样符合paris公式§9-5陶瓷材料的其他性能1、耐磨性是耐磨材料的一个发展方向。（1）减摩性与耐磨性（2）抗磨性2、抗热震性（热冲击）（1）抗热震断裂急剧加热和冷却缓慢加热和冷却，均与热导率有关。（2）抗热震损伤气孔可钝化裂纹尖端；减小应力集中；降低热导率。反复加热冷却产生的弹性变能是陶瓷材料热震损伤的动力（裂纹扩展的动力）。提高热震损伤抗力，需使用弹性模量大，强度低的材料。

第十章聚合物材料的力学性能§10-1聚合物材料的结构与性能特点分子质量大于1万以上的有机化合物称为高分子材料，是由许多小分子聚合而成，故又称为聚合物或高聚物。原子之间由共价键结合，称为主价键；分子之间由范德瓦尔键连接，称为次价键。分子间次价键力之和远超过分子中原子间主价键的结合力。拉伸时常常先发生原子键的断裂。聚合物的小分子化合物称为单体，组成聚合物长链的基本结构单元则称为链节。聚合物长链的重复链节数目，称为聚合度。天然的聚合物有木材、橡胶、棉花、丝、毛发和角等。人工合成聚合物有工程塑料、合成纤维、合成橡胶等一、聚合物的基本结构1、高分子链的构型（近程结构）由化学键所固定的几何形状——指高分子链的化学组成、键接方式和立体构型等。见图9—1。(图9—2)。长支链、短支链；线型交联分子链、三维交联分子链。由两种以上结构单体聚合而成的聚合物称为共聚物。聚合物的结晶很难完全。（共聚物的几种形式如图9—3。）2、高分子链的构象（远程结构）一根巨分子长链在空间的排布形象，称为巨分子链的构象。无规则线团链、伸展链、折叠链、螺旋链等构象(图9—5)。3、聚合物聚集态结构聚集态结构包括晶态结构、非晶态结构及取向。晶区与非晶区共存。结晶度＜98％，微晶尺寸在100A左右。非晶态结构的高分子链多呈无规则线团形态。在外力作用下，聚合物的长链沿外力方向排列的形态称为聚合物的取向。4、高分子材料结构特征归纳：⑴聚合物为复合物（∵各个巨分子的分子量不一定相同）；⑵聚合物有构型、构象的变化；⑶分子之间可以有各种相互排列。二、性能特点(1)密度小；(2)高弹性；(3)弹性模量小（刚度差）；(4)粘弹性明显。§10-2线型非晶态聚合物的变形线型非晶态聚合物是指结构上无交联、聚集态无结晶的高分子材料。随温度不同而变化，可处于玻璃态、高弹态和粘流态三种力学状态(图9—7)tb一脆化温度tg一玻璃化温度tf一粘流温度图9—8为非晶态聚合物在不同温度下的应力一应变曲线。一、玻璃态下的变形＜tb聚合物处于硬玻璃态，只有弹性变形阶段，且伸长率很小。靠主键键长的微量伸缩和微小的键角变化来实现弹性变形。也为普弹性变形。tb<t<tg聚合物处于软玻璃态。a’点以下为普弹性变形；a’s段变形是由于外力作用迫使链段运动所引起的，是为受迫高弹性变形。去除外力后，温度在tg以下，变形可保留下来，可达300％～1000％。在tg温度以上，这种变形可以消除。在s点屈服后，应力一般会有所下降。试样截面积减小，分子链沿外力方向取向。塑性变形抗力增大，应力一应变曲线复又上升，直至断裂。（图9—9为长链聚合物的变形方式）二、聚合物在高弹态下的变形tg＜t＜tf高弹性，其弹性变形量可达1000％，而其弹性模量E值却只有O．1～1GPa，约为钢的1／10。链段的运动，引起分子构象的变化。原卷曲的链沿拉力方向伸长，宏观上表现为很大的弹性变形。去除外力后，接点及扭结的趋势使聚合物链又回复至卷曲状态，宏观变形消失(回复过程需要一定时间)。如果聚合物链的交联接点过多，会使交联点间的链段变短、降低链段的活动性(柔性)，使弹性下降以至消失，此时，弹性模量和硬度增加。三、聚合物在粘流态下的变形＞tf分子链在外力作用下可进行整体相对滑动，呈粘性流动，导致不可逆永久变形。聚合物处于粘流状态。聚合物在粘流态下可具有部分弹性，其弹性变形符合虎克定律，呈线性粘弹性行为。因为卷曲的分子链在受载时可暂时伸长，卸载后又重新卷曲四、影响线型非晶态聚合物力学性能的因素线型非晶态聚合物力学三状态（玻璃态、高弹态、粘流态）及与之有关的线弹性、滞弹性、粘弹性和粘流性是描述聚合物力学性能的基础。除了与温度、时间和应力等外部因素有关外，还与其微观结构及分子量等因素有关。由图9—11可见，随相对分子质量增大，tg升高，tg～tf温度区间也增大。§10-3结晶聚合物的变形由于晶区内的链段无法运动，结晶度高的聚合物不存在高弹性，但具有较高的强度和硬度。＜tg结晶态tg＜t＜tm结晶态聚合物形成强韧(晶区与非晶区复合作用)的皮革态。t＞tm晶体相熔化，聚合物全部由非晶区组成，转化成为高弹性的橡胶态。未取向的结晶聚合物，其变形过程复杂。受载时，结晶区先被破坏，随后再重新组成新的微纤维束定向排列的结构(图9—13)，其拉伸应力～应变曲线示于图9—14。当结晶聚合物出现屈服(曲线最高点)后，原有的结构开始破坏，试样上出现缩颈，并沿长度方向不断扩展。如果在缩颈开始后不迅速发生断裂，则随应变增加，被破坏的晶体结构又重新组成方向性好、强度高的微纤维新结构。每个微纤维都有很高的强度，再加上微纤维间的联系分子进一步伸展，新结构聚合物的抗变形能力增大。由于应变硬化，应力一应变曲线再度上升，直至达到断裂应力。具有取向的聚合物呈各向异性。图9—13结晶聚合物的变形模型示意图§10-4聚合物的粘弹性聚合物在外力作用下，弹性和粘性两种变形机理同时存在的力学行为称为粘弹性。一、静态粘弹性——蠕变与应力松弛1、蠕变与应力松弛的特点大多数聚合物的tg和tm稍高于室温，所以在室温下聚合物就已有明显的蠕变与应力松弛行为。是大分子在外力长时间作用下，逐渐发生构象改变或位移变化的结果。蠕变变形除不可回复的粘性变形外，还包含普弹性变形和高弹性变形。在外力去除后，普弹性变形迅速回复，而高弹性变形则缓慢地部分回复，与金属蠕变的明显区别。2、蠕变模量与应力松弛模量在恒定时间下的应力一应变曲线如图9—16c，曲线的斜率称为蠕变模量。应力松弛模量也与时间有关。蠕变模量和应力松弛模量是表征聚合物粘弹性的力学性能指标。3、影响蠕变与应力松弛的因素聚合物的抗蠕变能力对温度很敏感，在某些情况下对湿度也敏感。温度每变化一度(K)或相对湿度每变化1％，某些聚合物的蠕变模量能改变4％。温度升高，应力松弛速度加快；反之，温度降低，松弛速度减慢。凡是能增加分子间作用力和链段运动阻力的结构因素，均能提高聚合物抗蠕变和应力松弛能力。如：主链刚性大；相对分子质量高；分子极性强，分子间作用力大；聚合物交联等。聚四氟乙烯分子链虽然刚性大，但分子间作用力小，所以抗蠕变松弛能力弱。聚氨脂橡胶由于分子极性强，分子间作用力大，所以抗蠕变性能好。聚氯乙烯塑料抗蠕变性能差，在架空时会因蠕变而逐渐弯曲。二、动态粘弹性——内耗聚合物的应变随时间的变化始终落后于应力的变化，这一滞后效应称为动态粘弹性现象。由于存在滞后效应，使聚合物在交变应力作用下，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的内摩擦上，即产生了内耗。这种内耗转化为热能。§10-5聚合物的力学性能1、强度比金属低得多，一般为20～80MPa，比强度较金属的高。实际强度仅为其理论值的1／200。此与其结构缺陷(如裂纹、杂质、气泡、空洞和表面划痕等)和分子链断裂不同时性有关。主要的结构因素有：（1)高分子链极性大或形成氢键能显著提高强度。（2)主链刚性大，强度高，但是链刚性太大，会使材料变脆。（3)分子链支化程度增加，降低抗拉强度。（4)分子间适度进行交联，提高抗拉强度；但交联过多，因影响分子链取向，反而降低强度。2、银纹与断裂过程在拉应力作用下，非晶态聚合物的某些薄弱地区，可应力集中产生局部塑性变形，结果在其表面和内部会出现闪亮的、细长形的“类裂纹”，称为银纹(Craze)。“类裂纹”中有空洞，还有称为银纹质的聚合物。银纹区仍有力学强度，但其密度较低，银纹具有可逆性，在压应力作用下或经玻璃化温度以上退火处理，银纹将会减少和消失。银纹是非晶态聚合物塑性变形的一种特殊形式，银纹的形成增加聚合物的韧性，因为它使聚合物的应力得到松弛；同时，银纹中的微纤维表面积大，可吸收能量，对增加韧性也有作用。聚合物形成银纹类似于金属韧性断裂前产生的微孔。3、硬度与耐磨性（1）硬度聚合物的硬度也比金属低得多。由于聚合物具有较大的柔性和弹性，故在不少场合下显示出较高的抗划伤能力。（2）耐磨性聚合物的化学组成