《材料及其成形技术》-第二章 材料的基木性能

材料在外力作用下或外力与环境因素(温度、介质、加载速率)联合作用下所表现出的各种与变形和断裂相关的性能称为力学性能，用力学性能指标来表示。常见的力学性能指标有强度(屈服强度、抗拉强度、疲劳强度、高温强度等)、塑性、冲击韧性、硬度、断裂韧性、耐磨性、劲弹性等。它们各自可按国家标准在实验室条件下进行测试，但应注意实验室条件与实际使用条件的差别。一、单向静拉伸性能单向静拉伸试验是工业上应用最广泛的材料力学性能试验方法之一。这种试验方法的特点是温度、应力状态和加载速率是确定的。常用标准的光滑圆柱试样进行试验，试验在拉伸试验机上进行，将试样缓慢拉伸使其变形直至断裂。第一节材料的力学性能下一页试验中，记录载荷一伸长量曲线并转化为应力一应变曲线。通过静拉伸试验可获得材料的弹性性能、屈服强度、抗拉强度等强度指标和断后伸长率、断面收缩率等塑性指标。

1.弹性性能

图2-1是退火态低碳钢的静拉伸应力一应变曲线。从该图可以看出，当应力不超过σe时试样只产生弹性变形，卸载后弹性变形立即消失，试样恢复原状。σe为不产生永久变形的最大应力，称为弹性极限，量纲为MPa，它属于材料的强度指标，所谓强度是指材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。σe是材料由弹性变形过渡到弹塑性变形时的应力值，由于工程上很难测出准确而唯一的oe数值，国家标准中第一节材料的力学性能下一页上一页第一节材料的力学性能已将其删除，实际测量时用规定残余伸长应力代替。它和下面将要介绍的材料屈服强度概念一致，都表示材料对微量塑性变形的抗力。在弹性变形范围内，大多数材料的应力和应变呈正比关系，即符合虎克定律，σ=Eξ式中比例常数E称为弹性模量，量纲为MPa，它是衡量材料抵抗弹性变形能力的指标，工程上将其称为材料的刚度。材料弹性模量的大小主要取决于原子、分子间的作用力。对金属材料而言，弹性模量是一个对组织不敏感的材料性能参量，晶粒和第二相大小、形态及分布等显微组织变化对弹性模量几乎无影响，低合金化、热处理、冷塑性变形、加载速率对弹性模量的影响也很小。陶瓷材料主要以离子键或共价键结合，其弹性模量一般比金属高。下一页上一页第一节材料的力学性能陶瓷的晶粒大小对弹性模量基本无影响，但陶瓷显微组织中存在的气孔会对陶瓷的弹性模量产生影响，气孔率增加将降低弹性模量。此外，与金属在拉、压状态下弹性模量一致不同，陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量。对于高分子材料而言，由于高分子链之间的键合力依赖于高分子链间的取向关系、高分子链的分布形态和高分子链的填充密度等，所以其弹性模量对其组织结构变化非常敏感，如聚合物中结晶区的增加、高分子链填充密度的增加、高分子链折叠程度的减小等都会使弹性模量明显增大。对于金属、陶瓷以及非高弹性的高分子材料，其弹性模量都随着下一页上一页温度升高而下降，但对于具有高弹性的高分子材料，随着温度升高，其弹性模量增大。

2.屈服强度与抗拉强度当应力水平超过σe时试样开始产生塑性变形，此时卸载后，试样的变形不能完全消失，而保留一部分残余变形，这种不能恢复的残余变形称为塑性变形。对于退火态低碳钢一类的材料，其应力一应变曲线上将出现屈服平台，它是宏观塑性变形的标志。这类材料从弹性变形到塑性变形的过渡是明显的，试验过程中外力不增加(保持恒定)，试样仍继续伸长;或外力增加到一定数值时突然下降，随后在外力不增加或上下波动的情况下试样继续变形。工程上将屈服平台所对应的应力称为屈服点或屈服强度，用σs表示，量纲为MPa。下一页上一页第一节材料的力学性能有些材料的应力一应变曲线上没有明显的屈服点σs，难以确定开始塑性变形的最低应力值，如图2-2中的曲线2所示。工程上规定用试样产生0.2%残余应变时的应力值作为该材料的屈服点，用σr0.2或σ0.2表示。工程上绝大多数零构件在使用过程中不允许产生塑性变形，所以屈服强度是材料的重要力学性能指标，也是零构件设计时依据的主要材料性能参量。应力超过屈服点σs时，拉伸试样发生均匀而显著的塑性变形，如图2-1。此时，随变形量增加应力水平不断提高。当应力达到B点时试样开始局部变形，即产生“缩颈”现象。此后应力开始下降，变形主要集中于缩颈部位，直到最后在缩颈处断裂。下一页上一页第一节材料的力学性能B点对应着应力一应变曲线上的最高值，此点对应的应力值称为抗拉强度，用σb表示，量纲为MPa。它反映了材料对最大均匀塑性变形的抗力σb也是零构件设计和选材的主要性能参量。

σs与σb的比值称为屈强比，它反映了材料强度的利用率或强度储备的大小。屈强比越小，工程构件的可靠性越高，但材料强度的利用率越低。屈服强度σs与材料密度的比值称为比强度，它对于在航空航大领域广泛使用的轻质材料十分重要。弹性极限σe、屈服强度σs、抗拉强度σb都是对材料组织十分敏感的材料力学性能指标，合金化、热处理、冷热加工都对它们产生很大影响。下一页上一页第一节材料的力学性能下一页上一页第一节材料的力学性能

3.塑性材料在外力作用下断裂前产生不可逆永久变形的能力称为塑性。通过静拉伸试验可得到材料的两个塑性指标，即断后伸长率和断面收缩率。断后伸长率是试样拉断后标距的伸长(拉断后标记间距L1与原始标记间距L0之差)与原始标记间距L0的百分比，用符号δ表示。断面收缩率是试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量(原始横截面积A0与缩颈处横截面积A1之差)与原始横截面积A0的百分比，用符号ψ表示。

δ、ψ的值越大，表明材料的塑性越好。δ值与试样尺寸有关，试验过程中一般选用比例试样，规定L0=5d0或L0=10d0，相应的δ值用δ5或δ10表示。同一种材料测得的δ5一般大于δ10，但必值基本上不受试样长度影响。金属材料具有良好的塑性是其获得广泛应用的重要原因。良好的塑性使其能承受各种塑性加工成形，塑性是塑性加工成形的重要指标参量。同时，金属材料的塑性变形能力可提高其使用安全性，防止发生脆性断裂，因为塑性变形可使过载应力得到松弛。二、疲劳强度工程上很多零构件都是在变动载荷下工作，如曲轴、连杆、齿轮、第一节材料的力学性能下一页上一页弹簧、辊子、叶片、桥梁等。所谓变动载荷，是指载荷大小甚至方向随时间变化的载荷，单位面积上所承受的变动载荷值称为交变应力，如图2-3是几种变动应力的示意图。其中最简单的情况是对称交变应力，如图2-3(b)。零构件在交变应力长期作用下，即使最大工作应力值低于材料的屈服强度，也有可能发生突然断裂，这种现象称为疲劳。疲劳断裂属于低应力脆性断裂，其发生是由于在变动载荷长期作用下，材料内部产生累积损伤而萌生裂纹，最后裂纹失稳扩展导致材料断裂。疲劳破坏在零构件失效中约占80%，危害性极大。疲劳强度被用于表征材料在变动载荷作用下抵抗疲劳断裂的能力。理论和实验研究表明，随疲劳应力水平的降低，材料的疲劳寿命提高。第一节材料的力学性能下一页上一页对于碳钢、合金结构钢、灰铸铁等材料，其疲劳曲线(如图2-4所示)上有明显的水平段，所对应的应力值称为疲劳强度或疲劳极限，用σ-1表示。它是材料在交变载荷作用下不发生疲劳断裂的最大应力。对于铝合金、不锈钢、高强度钢等材料，疲劳曲线上没有明显的水平段，工程上将材料在交变应力循环周次N=108时不发生疲劳断裂的最大应力值作为其条件疲劳极限。疲劳极限与静强度之间存在经验关系。如，对于合金结构钢: ;对于灰铸铁:,对于铝合金：

；对于青铜: 。三、高温强度下一页上一页第一节材料的力学性能在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、化工炼油设备以及航空发动机中，很多机件长期在高温条件下运转。用于制造这类零构件的材料仅考虑常温短时静载下的力学性能是不够的。高温和高温下持续的时间对材料力学性能产生很大影响。高温下金属力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变，就是材料在长时间高温、恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象。因这种变形而最后导致的材料断裂称为蠕变断裂。蠕变断裂属于低应力静载延滞断裂，即使工作应力小于屈服强度也有可能发生。金属蠕变发生的机理十分复杂，其中，高温促使原子活动能力增强而引起晶界在应力作用产生滑动是重要原因之一(晶界滑动产生的变形量最高可达50%)。下一页上一页第一节材料的力学性能因此，对于在高温下工作的材料而言，细化晶粒将导致金属高温强度降低。材料的高温强度用蠕变极限和持久强度来表示。蠕变极限是指材料在给定温度下和规定时间内产生一定变形量的应力，用表示。例如，表示材料在500℃温度下，100000h后总伸长率为1%的蠕变极限为100MPa。而持久强度表示材料在给定温度下和规定时间内发生蠕变断裂的应力，用表示。如表示材料在800℃温度下，承受175MPa的应力，经100h发生蠕变断裂。蠕变在较低温度下也会发生，但只有在试验温度大于熔点温度的0.3倍时才比较明显。下一页上一页第一节材料的力学性能如碳钢温度超过300℃，合金钢温度超过400℃时就必须要考虑蠕变的影响。但工程塑料在室温下受到应力作用就可能发生蠕变，这在用塑料制作受力件时应予以注意。四、冲击性能许多机器零件在服役时往往受到冲击载荷的作用。冲击载荷是指以较高速度施加到零件上的载荷。当零件受冲击载荷作用时，瞬间冲击所引起的应力和变形可比静载荷下大得多，而且极不均匀。因此，设计和制造这类零件时就必须要考虑材料抵抗冲击载荷的能力，即材料的冲击性能。通常用缺口试样冲击弯曲试验下测得的冲击吸收功AK或冲击韧度aK来表示。第一节材料的力学性能下一页上一页缺口试样冲击弯曲试验在一次摆锤式冲击试验机上进行，其原理如图2-5所示。试验时，将试样水平放在试验机支座上，缺口位于冲击相背方向。然后将具有一定质量m的摆锤举至一定高度H，使其获得一定位能mgH。释放摆锤冲断试样，摆锤升至高度h。摆锤冲断试样失去的位能为mgH~mgh，此即为试样变形和断裂所消耗的功，即冲击吸收功，简称冲击功，用AK表示，单位为J。用冲击功AK除以试样缺口处的横截面积(cm2)，即为材料冲击韧度，用aK表示，单位J/cm2。冲击弯曲试验标准试样可采用U形缺口或V形缺口。用不同缺口试验测得的冲击吸收功分别记为AKU和AKV。下一页上一页第一节材料的力学性能冲击弯曲试验方法简便易行。对于工作中承受大能量冲击载荷的零件，在选材料时必须考虑冲击功或冲击韧度，以免发生突然断裂，造成严重事故。冲击功对材料的内部组织变化十分敏感，广泛用于控制原材料的冶金质量和热加工后的产品质量。材料冲击性能受温度的影响很大，多数材料的冲击功随温度下降而减小，如图2-6所示。工程上常用的中、低强度结构钢在试验温度低于某一温度TK时，会由韧性状态转变为脆性状态，冲击功明显下降，这就是低温脆性，也称为“冷脆”。转变温度TK称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。TK值越低表明材料的低温性能越好。低温韧性对于低温条件下使用的材料十分重要。五、硬度下一页上一页第一节材料的力学性能硬度是表征材料软硬程度的一种性能，其物理意义随试验方法不同而不同。工程上常用压入法测量材料的硬度，压入法硬度值表征材料在外力作用下抵抗局部塑性变形的能力，简单地说，就是材料抵抗外物压入其表面的能力。硬度是材料综合力学性能的反映，它不是一种独立的力学性能。硬度试验由于设备简单，操作方便、迅速，同时又能敏感地反映出材料的化学成分和组织结构的差异，因而被广泛应用于检查金属材料的性能、热加工工艺的质量或研究金属组织结构的变化。因此，硬度试验特别是压入法硬度试验在生产及科学研究中得到了广泛的应用。常用的压入法硬度试验有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、维氏硬度试验。第一节材料的力学性能下一页上一页

1.布氏硬度试验布氏硬度试验的原理是用一定直径D(mm)的淬火钢球或硬质合金球作为压头，施以一定的试验力F(N)，将其压入试样表面，经保持规定时间，(S)后卸除试验力，试样表面将残留压痕(图2-7)。测量压痕平均直径d(mm)，求得压痕球形表面积A(mm2)。以试验力F除以压痕球形表面积A所得之商即为布氏硬度值，用符号HB表示。布氏硬度值的量纲为MPa，但习惯上不标出。由于压头的材料不同，为了区别，当压头为淬火钢球时所测硬度值用HBS表示，当压头为硬质合金球时所测硬度值用HBW表示。HBS适用于布氏硬度值在450以下的材料，如退火、正火、调质处理的钢及铸铁、第一节材料的力学性能下一页上一页有色合金等材料;HBW通常用于布氏硬度值为450~650的材料。HBS和HBW前面的数字代表其硬度值。为了保证测试数据的可比性，布氏硬度试验要求FlDZ的比值按规定数值进行选取。当压头直径D和F/护的比值选定后，试验力F也就随之确定了。布氏硬度试验时一般采用直径较大的钢球，因而所得压痕面积较大。其优点是硬度值能反映材料在较大范围内各组成相的平均性能，测试结果稳定，数据重复性好，不足之处是不宜在成品上进行试验。此外，布氏硬度对于不同材料进行测试时需要更换压头直径和改变试验力，压痕直径的测量也比较麻烦，用于自动检测时受到一定限制。

2.洛氏硬度试验下一页上一页第一节材料的力学性能第一节材料的力学性能洛氏硬度试验是以一定的压力将一定形状的压头压入被测材料表面，根据压痕深度来度量材料硬度的高低，压痕越深，材料硬度越低，反之硬度越高。试验所用压头有两种:一种是圆锥角为1200的金刚石圆锥体;另一种是直径为1.588mm的淬火小钢球。为了能在一台硬度计上测定不同软、硬或厚、薄的试样硬度，可采用不同的压头和试验力组合成几种不同的洛氏硬度标尺。用不同标尺测定的洛氏硬度在符号HR后面加注标尺字母表示，共有九种标尺，常用的有HRA,HRB和HRC，其中又以HRC用得最多。三种标尺的试验规范见表2-1。下一页上一页第一节材料的力学性能洛氏硬度的测量在洛氏硬度计上进行。图2-8为用金刚石圆锥体测试硬度过程示意图。为保证压头与试样表面接触良好，试验时先加初始试验力F0，在试样表面得到一个压痕，深度为h0。此时，测量压痕深度的指针在表盘上指零[图2-8(a)]。然后加上主试验力F1，压头压入深度为hi。表盘上指针逆时针方向转动到相应刻度位置[图2-8(b)]。试样在Fi作用下产生的总变形hi中包括弹性变形和塑性变形。当将Fi卸除后，总变形中的弹性变形恢复，压头回升一段距离(h1-h)[图2-8(c)]。这时试样表面残留的塑性变形深度h即为压痕深度，而指针顺时针方向转动停止时所指的数值就是洛氏硬度值。由于洛氏硬度试验所用试验力较大，不能用来测试极薄试样、渗氮下一页上一页第一节材料的力学性能层及金属镀层的硬度。为此，人们依据洛氏硬度试验原理，提出了表面洛氏硬度试验方法。洛氏硬度的优点是:操作简便、迅速，硬度可直接读出;压痕小，可在工件上进行试验;采用不同标尺可测定各种软硬不同的金属和厚薄不一的试样硬度，因而广泛应用于热处理质量检验。其缺点是:压痕较小，代表性差;若材料中有偏析及组织不均匀等缺陷，则所测数据重复性差，分散度大;此外，用不同标尺测得的硬度值彼此没有联系，不能直接比较。3.维氏硬度试验维氏硬度的试验原理与布氏硬度相同，也是根据压痕单位面积所承受的试验力计算硬度值。下一页上一页第一节材料的力学性能所不同的是维氏硬度试验的压头不是球体，而是两对面夹角为136。的金刚石四棱锥体，如图2-9所示。维氏硬度用符号HV表示，量纲为MPa，但一般也不标注。试验过程中，压头在试验力F(N)作用下将试样表面压出一个四方锥形的压痕，经一定保持时间后卸除试验力，测量压痕对角线平均长度d,d=(d1+d2)/2用以计算压痕表面积A(mm2)。维氏硬度值(HV)即为试验力F除以压痕表面积所得的商。维氏硬度常用试验力范围为49.03~980.7N。使用时应视零件厚度及材料的预期硬度，尽可能选取较大的试验力，以减少压痕尺寸的测量误差。下一页上一页下一页第一节材料的力学性能如果维氏硬度试验时选用的试验力较小，达到0.098~1.961N，再配上显微放大装置，则可以测定金属箔、极薄的表面层的硬度以及合金中组织相的硬度，这就是显微维氏硬度。维氏硬度试验的优点是不存在布氏硬度试验时要求试验力F与压头直径D之间所规定条件的约束，也不存在洛氏硬度不同标尺的硬度值无法统一的弊端。维氏硬度不仅试验力可以任意选取，而且压痕测量的精度较高，硬度值较为精确。唯一的缺点是工作效率比洛氏硬度试验低得多。值得注意的是，上述三种硬度值之间不能直接进行比较。必须通过相应的硬度换算表换算成同一种硬度值之后才可进行比较。上一页第一节材料的力学性能由于硬度值与材料的抗拉强度间存在一定的对应关系，测量硬度值又不必破坏工件，所以通常零件图上的技术要求只标注硬度值。六、断裂韧性断裂韧性又称为断裂韧度，它是断裂力学中提出的表征材料抵抗裂纹失稳扩展能力的韧性指标。传统的力学强度理论根据材料的屈服强度，用强度储备法确定许用工作应力，认为材料强度越高使用越安全。但是实际情况并非如此，高强度、超高强度钢的机件，中低强度钢的大型、重型机件却经常在屈服应力以下发生低应力脆性断裂。大量的断口分析表明，这种低应力脆断是由宏观裂纹扩展引起的。下一页上一页而裂纹源往往是材料中的夹杂物、气孔、缩孔、微裂纹等，它们可能是在材料冶金过程中产生的，也可能是在加工和使用过程中形成的，所以实际使用的材料中总是不可避免地存在着各种尺度的裂纹。断裂力学就是基于机件中存在宏观裂纹这一前提，建立了描述裂纹尖端应力场的力学参量，并提出了材料的断裂韧度指标和裂纹体的断裂判据。假设有一无限大板，其中有2a长的张开型裂纹，远场应力为σ，如图2-10所示。从图中可以看出，在外力作用下裂纹尖端前沿必然存在着应力集中，导致裂纹尖端应力在外加应力远低于材料屈服强度时就可能已超过该处材料的实际强度。根据断裂力学的研究结果，裂纹尖第一节材料的力学性能下一页上一页第一节材料的力学性能端各点的应力场强弱可用应力场强度因子KI来描述，其表达式为:

式中，Y为裂纹形状系数，是一个无量纲量;σ为外加应力，MPa;a为裂纹半长。当σ和a单独或共同增大时，KI和裂纹尖端各应力分量增加。当KI达到临界值时，裂纹尖端足够大的范围内应力达到了材料的断裂强度，裂纹便失稳扩展而导致材料断裂。这个临界值用KIC来表示，称为材料的断裂韧度。KIC可通过试验测定，它与材料的成分、热处理状态及加工工艺有关。断裂韧度为零构件的设计和使用提供了一个重要的安全性指标。下一页上一页第一节材料的力学性能根据材料的KIC大小，可判断裂纹体在一定工作应力下是否会发生裂纹失稳扩展而引起的断裂。也可以根据工作应力来确定允许存在的最大裂纹尺寸，或根据裂纹长度来估算允许的最大工作应力。在零构件设计中，并不是一味追求材料的高强度就更安全。对于高强度、超高强度材料来说，KIC较低，而工作应力却很高，此时几毫米的裂纹就已经很危险了;然而对于中、低强度材料，其KIC比较高，而工作应力比较低，此时存在几厘米甚至更长的裂纹也不会引起裂纹的失稳扩展和脆性断裂的发生。除KIC.外，断裂力学中还提出了其他几个断裂韧度指标，如GIC、JIC、δC等，使用时应注意它们各自的适用范围和使用条件。七、耐磨性下一页上一页第一节材料的力学性能任何一部机器在运转时各机件之间总要发生相对运动。当两个相互接触的机件表面作相对运动时就会产生摩擦，有摩擦就必然有磨损。据不完全统计，大约80%的机件失效是磨损引起的。耐磨性就是材料抵抗磨损的能力。通常用磨损量来表示材料的耐磨性，磨损量越小，耐磨性越高。为了与通常的概念一致，可以用磨损量的倒数来表示材料的耐磨性。此外.还广泛使用相对耐磨性的概念.相对耐磨性用下式表示。

相对耐磨性的倒数亦称为磨损系数。磨损量既可用试样摩擦表面法线方向的尺寸减少来表示，也可以用试样体积或质量损失来表示。下一页上一页前者称为线磨损，多在实际设备的磨损监测中使用，后者称为体积磨损或质量磨损，多在实验室研究中使用。耐磨性的测试在摩擦磨损试验机上进行，图2-11是摩擦磨损试验机原理图，分为销盘型、环块型、往复运动型、滚子型等不同类型。必须指出，同一材料当用不同方法进行磨损试验时结果往往不同，不同试验条件下的结果不能直接进行比较。耐磨性受材料的成分、表面硬度和硬化层深度、摩擦系数、弹性模量、摩擦副的相对性质等各种因素的影响。八、私弹性纯弹性体的弹性变形只与载荷大小有关，而与加载方向和加载时间无关。第一节材料的力学性能下一页上一页第一节材料的力学性能但实际材料的弹性变形不仅是应力的函数，而且还是时间的函数。弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象称为赫弹性或滞弹性，如图2-12所示。赫弹性应变量与材料成分、组织有关，也与试验条件有关。材料组织越不均匀，赫弹性越明显。钢经淬火或塑性变形后，由于增加了组织的不均匀性，赫弹性倾向加大。高分子材料在受交变载荷作用时由于大分子链改变构象产生变形的速度跟不上应力的变化而使其滞后明显。实际材料由于具有赫弹性，因此在弹性区内单向快速加载、卸载时，加载应力一应变曲线与卸载应力一应变曲线不重合，该现象称为弹性滞后。所形成加载一卸载应力一应变封闭线，称为弹性滞后环[图2-13(a)]。下一页上一页第一节材料的力学性能如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大，则也得到弹性滞后环[图2-13(b)]。若交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，则得到塑性滞后环[图2-13(c)]。滞后环现象的存在说明加载时消耗于材料的变形功大于卸载时材料恢复变形所释放出的变形功，即有一部分变形功被材料吸收了，其大小用滞后环面积度量，这部分能量最终将转化为热能，称为内耗。对于仪表和精密机械中的重要传感元件以及乐器所用金属材料，希望其内耗值要低，以增加其灵敏度或改善音质。但对于减振降噪元件，则希望其内耗值要大，如灰铸铁、橡胶等都属于这类材料。九、高应变率性能下一页上一页第一节材料的力学性能材料在高速冲击载荷作用下的变形具有高应变率特征。所谓应变率是指单位时间内产生的应变。各种构件在实际工程应用中所处的应变率范围大致为10-6~106s-1。一般认为，应变率在10-4~10-2s-1内金属的力学性能没有明显变化，可按静态或准静态处理。当应变率大于10-2s-1时，金属的力学性能将发生显著的变化。这种由于应变率提高而带来的力学性能的变化称为应变率效应。研究材料在不同应变率范围的力学行为需要不同的加载手段。使用传统的材料试验机可进行准静态应变率范围内(10-4~10-1s-1)的材料试验，使用落锤、摆锤、旋转飞轮储能可以满足中等应变率(10-1~102s-1)加载试验，应变率大于102s-1的高应变率试验一般使用分段式Hopkinson压杆、扭杆以及轻气炮或平面波发生器。下一页上一页第一节材料的力学性能提高应变率将使金属材料的变脆倾向加大。一般材料随应变率的提高，塑性变形抗力增加，而塑性、韧性变化又与断裂抗力的变化有关。若变形是在绝热条件下进行的，则力学性能的变化不仅与变形速率有关，还与变形导致的绝热温升有关。

Hopkinson压杆试验是研究材料在高应变率加载条件下力学行为最常用和最有效的试验方法，通常在分段式Hopkinson压杆装置(简称SHPB)上进行。

SHPB试验装置如图2-14所示，其由加载系统和测量记录系统两部分组成。加载系统由两根波导杆(分别称为输入杆和输出杆)、子弹和驱动子弹运动的高压气枪组成。子弹实际上是一根短杆，长度一般小于波导杆长度的一半。下一页上一页第一节材料的力学性能试样多采用圆柱形，直径和长度略小于波导杆直径。试验时将试样放置在两根波导杆之间并与波导杆端面紧密接触。输出杆后面接有吸收杆，用于吸收打击时的多余能量。波导杆中部表面上贴有应变片，并与超动态应变仪和数据采集、处理系统相连接。其测试原理如下:

气枪给子弹加速，子弹速度可通过调节高压气体的压力来控制。子弹与波导杆产生高速同心撞击，在输入杆中产生一压缩脉冲并以弹性应力波的形式向前传播，称为入射波。当入射波传至试样部位时一部分被反射回输入杆，成为反射波，其余部分透过试样给试样加载，使其产生高速压缩变形，并最终传入输出杆成为透射波。应力波在波导杆中的传播过程如图2-15所示。下一页上一页通过感知应力波传过时波导杆上的应变信号，就可以在一维应力假定和试样内应力均匀假定的基础上按一维应力波理论计算试样所产生的应力、应变、应变率。计算公式如下:式中，ξi为入射波引起的波导杆表面应变;ξr为反射波引起的波导杆表面应变;ξt为透射波引起的波导杆表面应变;E,C,A分别为压杆的第一节材料的力学性能下一页上一页弹性模量、波速和横截面积;A0,l0分别为试件的初始横截面积和初始长度。图2-16是利用SHPB装置测得的典型波形和经数据处理后得到的应力一应变曲线。借助Hopkinson压杆的原理，对SHPB装置进行改造，还可以进行材料在高应变率加载条件下的动态拉伸、动态扭转、动态剪切等试验研究。第一节材料的力学性能返回上一页第二节材料的物理性能材料的物理性能主要是指电性能、磁性能、光性能、热性能等内容。物理性能是功能材料所关注的主要性能。随着自动化技术的发展，机电产品中机械与电子技术的结合越来越紧密，具有各种特殊物理性能的各类功能材料的应用越来越广泛。因此材料的物理性能也越来越受到重视。材料的物理性能取决于材料的原子结构、原子排列和晶体结构。一、电性能电性能是指材料在电场中的响应特性，主要表现在两个方面:导电性能和介电性能。1.导电性能下一页材料的导电性能简称导电性，是指其传导电流的能力。通常用电导率σ来表示，电导率σ为电阻率P的倒数，即σ=1/ρ，量纲为Ωcm-1。电导率越大，则导电性越好。金属材料，尤其是纯金属材料具有良好的导电性，这与金属材料原子间的金属键结合有关。电导率除主要取决于材料结构外，还与材料加工工艺和环境温度有关。如金属材料经过冷变形后内部缺陷数量增多，电导率下降。而环境温度的升高同样会造成电导率的降低。若材料的电导率为无限大，即材料的电阻率为零，则电流在材料中可以无限制地传导而不会产生电阻热，这种性质称为超导性。理论和实验研究表明，完整晶体当温度下降到绝对零度时具有超导性，但将材料的温度降低到如此低的程度是不现实的。第二节材料的物理性能下一页上一页第二节材料的物理性能但是研究发现，有些材料即使是含有缺陷，当温度在高于绝对零度的某一临界温度Tc.以下时仍能显示出超导性。进一步提高这一临界温度，研制出高温超导材料或建立能使超导零件正常工作的低温环境是超导材料研究和应用推广的重点。

2.介电性能材料的介电性能是指在电场作用下，材料中无电荷流动时对电场表现出的某些响应特性。利用其介电性能的材料被称为电介质或介电体。介电体具有很高的电阻率(电导率极低)，主要用作电绝缘体和电容器。此外，介电体还具有压电效应、电致伸缩现象和铁电效应。

(1)材料在电场中的极化。材料在电场作用下会使材料中的原子或下一页上一页第二节材料的物理性能分子的正、负电荷中心产生分离，形成偶极子，这种偶极子连同材料中原有的永久偶极子一起沿电场的方向排列，此时材料就被极化了，如图2-17所示。材料发生极化的难易程度决定了介电体的特性。在两个导体极板间的介电材料中，通常要求电容器的电容量高而且尺寸要小，这就要求所用介电材料具有高的介电强度和介电常数。电绝缘体也必须是介电体。电绝缘体要求介电材料具有高的电阻率、高的介电强度、低的介电常数和损耗系数。

(3)压电效应与电致伸缩现象。某些介电材料在受到外力作用时会产生极化从而在材料的两端形成电势，这种效应被称为压电效应，如图2-18(a)。与压电效应相反，一些介电材料在电场作用下发生极化时会下一页上一页第二节材料的物理性能引起材料尺寸产生明显变化，这种现象称为电致伸缩，如图2-18(b)。具有压电效应和电致伸缩的介电材料被称为压电体，广泛应用于各种换能器，如利用电致伸缩效应制作超声波发生器等。

(4)铁电效应。铁电效应是指材料受外加电场极化后除去电场仍能保留一定剩余极化的现象，具有铁电效应的材料称为铁电体，如PZT[Pb(Zrl-xTi)]O3、钦酸钡(BaTiO3)陶瓷等。铁电性能依赖于居里温度，温度高于居里温度材料将不再具备介电性和由此产生的铁电性。居里温度是铁电效应或铁磁效应发生变化的温度。铁电材料一定是介电体和压电体，而且介电常数高，特别适用于电容器和压电换能器。二、磁性能下一页上一页第二节材料的物理性能磁性能是材料对磁场的响应特性，是磁性材料的重要物理性能。所有物质都具有或强或弱的磁性。物质的磁性来源于其组成原子的磁矩(磁矩为表征磁性的一个矢量)，原子的磁矩则来自于电子围绕原子核运动及自旋所产生的轨道磁矩和自旋磁矩。磁性材料被广泛用于能量、信息的存储、转换和输送。材料的磁性能包括磁化强度、磁导率、剩磁、矫顽力等，各种磁性能取决于材料的成分、相结构、组织状态以及外界条件如温度等。磁性能不同的材料适用于不同的场合，如硬磁材料可用在永磁电机、电视机、电子通信及各种电器中提供磁场，软磁材料可用在电动机和变压器等中作为磁导体以及用于磁屏蔽等。

1.物质的磁性分类下一页上一页下一页上一页第二节材料的物理性能单位体积物质所具有的磁矩矢量和称为磁化强度M。将物质放人外磁场中，物质的磁矩与外磁场相互作用将重新排列其方向，称之为磁化。不同物质在外磁场中被磁化的情况可以有很大差别，表现出不同的磁效应。定义: M=X×H式中，H为外磁场强度;X称为磁化率，是表征物质磁化难易程度的一个无量纲参量。根据磁化率的大小和特点可把物质分为五大类。

(1)抗磁性物质。抗磁性物质的X<0，即在外磁场作用下，物质中的磁矩沿与外磁场相反的方向排列产生与外磁场方向相反的磁化强度。下一页上一页第二节材料的物理性能因X值很小，约为-10-6故形成的反向磁场很弱，如图2-19所示。这类物质有Zn,Mg,Ag、惰性气体以及大多数有机物等，其X值不随温度变化。

(2)顺磁性物质。顺磁性物质中的磁矩在无磁场时因热扰动而无序排列，在外磁场作用下，物质中的磁矩与外磁场同方向排列，并产生与外磁场同向的磁化强度，故其X>0。因X数值很小，为10-3~10-5，所以形成的磁场很微弱，如图2-19所示。顺磁性物质的一个重要标志是X与温度的关系服从居里一外斯定律，即:式中，C为居里常数;e对确定的物质也是常数。第二节材料的物理性能顺磁性物质有面心立方结构的铁、钾、钠及稀土金属、含过渡族元素的盐类等。

(3)反铁磁性物质。反铁磁性物质的X>0，约为10-3。反铁磁性的特征表现为在某温度TN(称涅耳点)以下，物质中磁矩分层排列，同一层中磁矩平行且同向(称自发磁化)，相邻两层的磁矩大小相等但反向排列，互相抵消。此时在磁场作用下，可产生十分微弱的磁化，如图2-19所示。在几以上，物质中磁矩的自发磁化消失，表现为顺磁性。Cr,Mn,CoO,CrO和MnO等属于反铁磁物质。(4)铁磁性物质。铁磁性物质的X>0，且数值很大，可达101~106。其磁矩在外磁场作用下很容易沿外磁场方向排列产生与外磁场同向且很强的磁化强度，如图2-19所示。下一页上一页第二节材料的物理性能铁磁性物质X值很大的原因在于其内部存在着因自发磁化而形成的一些微区(称为磁畴)，每个磁畴中，磁矩平行同向。不同磁畴之间的磁矩并不一定同向。无磁场时，各磁畴磁矩互相抵消，但在外磁场作用下，通过与外磁场同方向磁畴的长大(通过磁畴界面的移动)和磁畴转向外磁场方向而形成强烈的磁化。当温度超过某一临界值后，铁磁性物质的自发磁化将消失，转变为顺磁性，该临界温度称为居里温度。铁磁性物质有体心立方结构的Fe和Ni,Co及其合金等。

(5)亚铁磁性物质。亚铁磁性物质的X>0,显著高于顺磁性，为100~103。这类物质中的磁矩与反铁磁性类似，也因自发磁化分层反向排列，但反向排列的磁矩大小并不相等，所以不能完全抵消，保留有静磁矩。下一页上一页第二节材料的物理性能在外磁场作用下，亚铁磁性物质中大的磁矩与外磁场同向排列，小的磁矩与外磁场相反向排列，产生与外磁场同向且较强的磁化强度，如图2-19所示。与铁磁性物质一样，亚铁磁性物质也存在转变为顺磁性的居里温度。这类物质有Fe3O4以及以铁的氧化物为基础形成的铁氧体材料等。

2.磁感应强度、磁导率磁感应强度B定义为单位面积中通过的磁力线密度。磁场在真空中某点产生的磁感应强度可表示为:B=μ0xH式中，μ0称为真空磁导率，是一个量纲为一的参量。将材料置于磁场中，由于磁化，在材料中产生的磁感应强度为:B=μxH下一页上一页第二节材料的物理性能式中，拜称为材料的绝对磁导率。磁导率反映了材料对磁场的响应敏感程度和磁导能力，是软磁材料的重要磁参量。在磁场中，使用磁导率高的磁性材料可以获得高的磁感应强度。通常用相对磁导率μr来描述磁性材料对磁场的响应。相对磁导率是被测材料的磁导率与真空磁导率的比值，即μr=μ/μ0。由于磁性材料对磁场的响应特性与磁场的方向变化率有关，所以磁导率又分为静态磁导率和动态磁导率，静态磁导率是在直流磁场中测得的磁导率，动态磁导率是在交变磁场中测得的磁导率。

3.磁化曲线、剩余磁化强度、矫顽力与磁滞回线由于热扰动等原因，铁磁性材料中的磁矩以及亚铁磁性材料中的静下一页上一页第二节材料的物理性能磁矩在未经磁化时处于无序随机取向，磁化强度M=0，故对外不显示磁性。当将这些材料置于外磁场中后，其磁矩或静磁矩将趋向与外磁场同向排列，即被磁化，M≠0，从而显示出磁性。随着外磁场强度H的加强，磁矩或静磁矩沿外磁场同向排列的程度相应提高，直至磁矩或静磁矩几乎全部沿外磁场同向排列。此时，进一步增强外磁场，M也不会再提高，即磁化达到饱和。将达到饱和时的磁化强度称为饱和磁化强度，记为Ms,该M随H的非线性变化曲线称为磁化曲线，如图2-20中虚线段1~3所示。材料磁化至饱和后，逐步降低外磁场强度H，由于热扰动等原因的存在，磁矩沿外磁场方向排列的有序度下降，M也相应减小。下一页上一页第二节材料的物理性能但M的下降并不沿磁化曲线反向进行，而是沿图2-17所示的线段3~4变化。当H降至零时，M并不等于零，而是剩余有一定值Mr，称为剩余磁化强度，简称剩磁。一般将磁化饱和并去除外磁场后剩磁很低的材料称为软磁材料;相反，将剩磁很高并可长期保持的材料称为硬磁(永磁)材料。剩磁对于磁性材料具有重要的意义，如磁记录材料需要足够高的剩磁才能将磁信息保存下来;硬磁材料需要高的剩磁以作为磁源产生磁场。如要使M=0，必须加一个反向磁场使材料反向磁化，也称退磁，图2-20中线段4~5为退磁曲线。当反向磁场增至Hc,时，M=0，称Hc为矫顽力。矫顽力体现了磁性材料抵抗退磁的能力，其对磁性材料也具有重要意义。如磁记录材料需要足够高的矫顽力才能防止磁信息在较弱磁场的干扰下轻易丢失。下一页上一页若继续增强反向磁场，材料可以反向磁饱和。对其进行退磁，而后再正向磁化至磁饱和，M-H曲线将构成一个封闭曲线，称为磁滞回线，如图2-20所示。磁滞回线所包围的面积代表了使磁性材料正、反向磁化一周所消耗的能量，称为磁滞损耗。因此，在选择工作于交变磁场中的磁导体时，必须尽量采用磁滞回线面积小的软磁材料。温度对材料的磁性能有重要影响。一般情况下，热扰动将使磁性材料的磁化强度、剩磁、矫顽力、磁导率等参量随温度的升高而下降。当温度升高至居里温度时，各种磁性材料将转变为顺磁性。三、热性能材料的热性能包括热容、热导率和热膨胀系数，它们受材料内部原子振动的影响，其中热导率还与电子对能量的传递有关。第二节材料的物理性能下一页上一页第二节材料的物理性能

1.热容材料的热容分为摩尔热容和比热容，在工程计算中使用比热容更为方便。摩尔热容是将1mol(摩尔)材料的温度升高1K所需要的能量。摩尔热容又分为摩尔定压热容和摩尔定容热容。比热容是指将单位质量材料的温度升高1K所需要的能量。

2.热膨胀系数材料在加热或冷却时其体积及尺寸要发生变化，这种由于温度改变导致体积及尺寸发生改变的现象称为热膨胀。热膨胀的实质是随温度的升高材料内部原子的热振动加剧，原子间的平均距离加大。下一页上一页衡量材料热膨胀现象的主要参数是热膨胀系数，分为线膨胀系数和体膨胀系数。线膨胀系数是指材料的温度每升高1K其单位长度上的变化量，用公式表示如下:热膨胀系数与材料的成分有关。一般来讲，原子键的结合强度越高，热膨胀系数越低，所以具有高熔点的材料往往具有较低的热膨胀系数。此外，热膨胀系数还与温度、材料组成相的性质与数量、材料中的晶体缺陷等有关。热膨胀系数在工程中具有重要的意义。例如在热膨胀系数大的铝材第二节材料的物理性能下一页上一页第二节材料的物理性能表面喷涂热膨胀系数很小的陶瓷涂层时，温度变化将在二者间产生热应力，并可使陶瓷涂层剥落。利用热膨胀也可制作热感应元件，如可将两个热膨胀系数不同的金属片焊合在一起制成双金属片，当温度升高时，因两种金属的热膨胀量不同将使双金属片产生弯曲变形，利用这一现象可以接通或断开电路。

3.热导率任一物体的热量从高温