材料科学与工程基础__第四章2013
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第四章 材料的性能 Materials property
材料的性能决定材料用途 本章对材料的机械性能、热性能、 电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀 性,复合材料及纳米材料的性能进 行阐述。
第四章 内容
4-1 固体材料的力学性能
4-2 材料的热性能 4-3 材料的电学性能
4-4 材料的磁学性能 4-5 材料的光学性能 4-6 材料的耐腐蚀性 4-7 复合材料的性能 4-8 纳米材料及效应
弯曲强度 f 3FL 2 2bh
3. 应力—应变曲线(Stress-strain curve)
常用的试验方法: A .以匀速拉伸试样,用测力装置测量F,伸长计同时 测量l。 B .采用适当的坐标转换因子 = F / A 0和 =l / l 0 曲线(F—l)转换为应力—应变曲线 ( — )
•结晶聚合物的力学状态
A 结晶聚合物常存 在一定的非晶部分,也有玻璃化
转变。
B 在T g 以上模量下降不大 C 在T m 以上模量迅速下降 D 聚合物分子量很大,T m < T f ,则在T m 与T f 之间将 出现高弹态。
E 分子量较低,T m > T f ,则熔融之后即转变成粘流态
Tm、 Tf
Hooke定律和弹性模量 Hook’s raw and Modulus of elasticity
=E·
E -----弹性模量, 量纲 GN/m2, GPa 弹性模量表示材料对于弹性 变形的抵抗力
弹性形变的力学特点: 小形变、可回复
弹性模量
正应力状态下: 正弹性模量 E=/
纯剪切力作用下: 切弹性模量 G=/ 均匀压缩: 体积弹性模量 K=0/(V/V0) 泊松比为缩短应变与伸长应变的比值, ν=- εy/εx
E=3K(1-2ν) ν=0.5(1-E/3K)
ν=0.5[1-(24.6MPa)/(3193.7MPa)=0.48
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为 普弹性,主要的特点是:
A 应变在应力作用下瞬时产生,
B 应力去除后瞬时消失, C 服从虎克定律。
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
2. 有机聚合物的弹性、粘弹性 Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
应变:受到外力不惯性移动时,几何形状和尺寸 的变化。
材料的应变方式
各向同性材料,三种基本类型:
简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
tension shear compression
还有扭转和弯曲形变。
(1)简单拉伸(tension)
工程应力: =F / A 0 单位MPa
l
l0
工程应变(): ( ) = ( l – l 0 ) / l 0 = l / l 0
疲劳断裂
高分子材料:银纹→裂纹→断裂。 高分子之间的摩擦效应。
橡胶屈挠龟裂实验
原理:反复屈挠使硫化胶受到 周期性应力应变的作用而损坏。
试样
屈挠试验机
4.2 材料的热性能
4.2.1 热导率和比热容 4.2.2 热膨胀性 4.2.3 耐热性 4.2.4 热稳定性 4.2.5 高分子材料的燃烧特性
4.2.1 热导率和比热容
切应变: =tanθ
切应力: s()= F / A 0
(3)均匀压缩(compress)
材料受到周围压力P,发 生体积形变
压缩应变 V:
V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0
F:周围压力p
(4)弯曲 Flexural deformation
最大扰度 max
疲劳:材料反复承受应力和 应变而导致破坏。 疲劳寿命:在特定的振动条 件下,使材料破坏所需的 周期数。 疲劳极限:达到规定的失效 周期数而不发生疲劳失效 时的应力上限值。
疲劳强度
材料的疲劳强度通常用疲劳极限表示,疲劳强度值远低 于静态强度。 金属的疲劳极限为其拉伸强度的40~50%; 高分子材料的疲劳极限为其拉伸强度的20~30%; 纤维增强的复合材料疲劳强度高(70~80%)。
弯曲强度 塑料三点弯曲
σt=1.5Fmaxl0/(bd2)
冲击强度
某一标准试样在断裂时单位面积上所需要的能量。
单位: KJ/m2
悬臂梁式 Izod 简支梁式 Charpy
冲击破坏是塑料构件一种常见的破坏形式
改善脆性聚合物冲击强度的途径:共混改性 橡胶增韧塑料 刚性粒子增韧,分散相颗粒能引发大量银 纹,又能及时将银纹终止。 纤维增强,提高材料的抗张强度、增加σ-ɛ 曲线下的面积。
4.1.6 硬度
测定材料硬度的方法: (1)压痕(压力)硬度法 表征材料对变形的抗力,应用最广,可分为布氏硬 度、洛氏硬度、维氏硬度、邵氏硬度等。 (2)回跳硬度法 表征材料弹性变形功的大小,肖氏硬度法。 (3)刻痕(刻划)硬度法 表征材料对破坏的抗力。
布氏硬度
测量原理:单位压痕表面积 上所承受的平均压力。 HB=P/S=P/πhD =2P/{πD[D-(D2-d2) 1/2]}
B 气相(气孔)的存在导致陶瓷的弹性模量和 机械强度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。 D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆 性断裂,总弹性应变能很小。
陶瓷材料的力学特征 高模量 高硬度 高强度
低延伸率
聚合物(Polymer)的力学状态 •非晶态聚合物的三种力学状态
① 玻璃态 (Tg以下) ② 高弹态 (Tg ~ Tf) ③ 粘流态 (Tf以上)
优点:重复性好。金属
缺点:不适用薄试样及弹性 变形较大的材料。
洛氏硬度
测定原理:用压痕深度t来表征材料的硬度。 洛氏硬度:HR=K-t/0.002,K为常数, 金刚石圆锥头K=100,钢球压头K=130 优点:操作迅速,压痕小,测量范围广。
邵氏硬度
测量原理:用外力把硬度计的压针 压入试样表面,用压入的深浅来 表示硬度。
⑴高弹性,即橡胶弹性 (rubberlike elasticity)
① 弹性模量小、形变大。
A 一般材料,如铜、钢等,形变量最大
为 1 左右, B 而橡胶的高弹性形变很大, 可拉伸至 5 ~ 10 倍。
C 橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的
万分之一左右,即10—100 10 4 Pa。
② 弹性模量随温度升高而上升, 一般固体的模量则随温度的提高而下降。 熵弹性
热传递
三种方式:热传导、热辐射、热对流。 热传导机制 自由电子(金属) 晶格振动(离子键和共价键晶体) 分子传导(有机物)
热导率(λ)
热导率是材料传输热量的 速率的量度。
Q T A X
铜
λ单位:W/(m· K)或J/(s· m· K) 金属是优良的导热体,自由电子 非金属热扩散速率取决于临近 原子的振动和基团的结合强力。 高分子材料的导热率很低, 分子传导。
邵A型:橡胶硬度;0~100。 邵D型:塑料硬度,0~100。
4.1.7 摩擦和磨损
摩擦和磨损是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种 现象,摩擦是磨损的原因。 摩擦力是阻碍相对运动的力。 摩擦系数:摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比。 一般情况下总是力图减小摩擦系数,降低摩擦力,但有 些材料需要较大的摩擦系数如车辆的制动器、轮胎、 鞋底等。
4.1 固体材料的力学性能
Mechanical Properties of Solid Materials
应力和应变(stress and strain )
材料的形变( Deformation of materials)
不同材料(金属、陶瓷和高分子)的力学行为
4.1.1 材料的力学状态
Mechanical states of materials
结晶聚合物的温度-形变曲线
玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度
是橡胶使用的下限温度
熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度
4.1.2 应力和应变 (stress and strain)
应力和应变的定义
应力:单位面积上的内力,其值与外加的力相等。
应力=外加力F/面积A
工程应力(名义应力):面积为材料受力前的初始 面积(A0)的应力。 真实应力:面积为受力后的真实面积(AT)的应力。
转化关系 E=3G/[1+G/3K]
K=E/[3(1-2ν)] E=2G(1+ν) E=3K(1-2ν)
材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 主要取决于原子间的结合能力, 构件刚度 金属的模量值主要取决于 10-102GPa A 晶体中原子的本性、电子结构
B 原子的结合力、 C 晶格类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。 陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102GPa A 原子键合的特点 特种陶瓷 B 构成材料相的种类,分布、比例及气孔率有关。 高分子材料低模量
金属(Metals)的力学状态
A 晶态结构, B 较高的弹性模量和强度, C 受力开始为弹性形变,接着一段塑性 形变,然后断裂,总变形能很大, D 具有较高的熔点。
弹性模量随温度升高而降低
金属材料的模量取决于原子间的作用力
无机非金属(nonmetals)的力学状态
A 玻璃相熔点低,热稳定性差,强度低。
F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上
拉伸试样
金属材料试样
橡胶试样
同一拉伸实验中,工程应力(或名义应力)
与真实源自文库力比较哪个数值大?
工程应力: =F / A 0 真实应力 T: T =F / AT
A0 > AT 工程应力 小于 真实应力 T
(2)简单剪切(shear)
F与截面平行、大小相等,方向相反且不在同一 直线上的两个力
E* = E ˊ + i E 〞
滞弹性——无机固体和金属的与时间有关的弹性
取决于温度和荷载的频率
弹性极限与弹性比功(金属)
比例极限 (proportional limit)
弹性变形时应力与应变严 格成正比关系的上限应力 p= Fp/ S0 条件比例极限
tanˊ /tan=150%
切线
. P′
在应力松弛过程中,模量随时间而减小,称为松弛模量,
E (t) = (t) /
应力(模量)随时间而减小
②动态粘弹性 Dynamic viscoelasticity
周期性、交变应力 内耗值E/E的量度: tan = E 〞 / E ˊ tan ,E 〞, E ˊ与频率的关系
在周期性应力作用下,模量 E可采用复数表示式。
p50
代表材料对极微量塑性变 形的抗力
(条件)弹性极限
最大弹性变形时的应力值。 W=/2=2/2E
弹性比功 弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力
残留变形时的应力
4.1.5 强度、断裂及断裂韧性
强度
材料抵抗变形和破坏的能力。
• 抗张强度(拉伸强度)
σ=Fmax/A 单位:MPa 屈服强度 抵抗塑性变形
例题:一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力,直
径减少了 1.2% ,而相同材质的试棒在受到 516.8KPa 的拉应力时伸长2.1%,则此橡胶棒的泊松比为多少?
K=σ/(ΔV/V)
=6.89MPa/[(1-0.9883)/1]=193.7MPa
E=σ/ε=516.8KPa/2.1%=24.6MPa
拉伸应力—应变曲线( - )五种类型
纯弹性型
弹性-均匀塑性型
弹性-不均匀塑性型
弹性-不均匀塑性-均匀塑性型
弹性-不均匀塑性(屈服平台) -均匀塑性型
应力 —应变实例
4.1.3 弹性形变Elastic Deformation
弹性形变有普遍性
A 任何材料起始总是有弹性形变;
B 有一定的弹性形变范围,它取决 于应力的大小和形态。
(2)粘弹性 viscoelasticity ①静态粘弹性 固定应力 A 蠕变(creep) 开尔文模型
并联
在蠕变过程中形变 是 时间的函数。即柔量 D 是时 间的函数D (t) = (t) /
形变随时间而增加
B. 应力松弛(stress relaxation)
麦克斯韦模型 (Maxwell model) 串联
耐磨性评价及磨损试验方法
胶轮
砂轮
负荷
橡胶阿克隆磨耗试验 原理:使试样与砂轮在一定倾 斜角度和一定负荷的作用下 进行摩擦,测量试样在1.61k m里程内的磨损体积。 试样:宽为12.7mm,厚为3.2 mm,长度为胶轮周长。 磨耗量V(cm3):
电机
调节倾斜角
V
m1 m2
阿克隆磨耗试验机
4.1.8 疲劳
材料的性能决定材料用途 本章对材料的机械性能、热性能、 电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀 性,复合材料及纳米材料的性能进 行阐述。
第四章 内容
4-1 固体材料的力学性能
4-2 材料的热性能 4-3 材料的电学性能
4-4 材料的磁学性能 4-5 材料的光学性能 4-6 材料的耐腐蚀性 4-7 复合材料的性能 4-8 纳米材料及效应
弯曲强度 f 3FL 2 2bh
3. 应力—应变曲线(Stress-strain curve)
常用的试验方法: A .以匀速拉伸试样,用测力装置测量F,伸长计同时 测量l。 B .采用适当的坐标转换因子 = F / A 0和 =l / l 0 曲线(F—l)转换为应力—应变曲线 ( — )
•结晶聚合物的力学状态
A 结晶聚合物常存 在一定的非晶部分,也有玻璃化
转变。
B 在T g 以上模量下降不大 C 在T m 以上模量迅速下降 D 聚合物分子量很大,T m < T f ,则在T m 与T f 之间将 出现高弹态。
E 分子量较低,T m > T f ,则熔融之后即转变成粘流态
Tm、 Tf
Hooke定律和弹性模量 Hook’s raw and Modulus of elasticity
=E·
E -----弹性模量, 量纲 GN/m2, GPa 弹性模量表示材料对于弹性 变形的抵抗力
弹性形变的力学特点: 小形变、可回复
弹性模量
正应力状态下: 正弹性模量 E=/
纯剪切力作用下: 切弹性模量 G=/ 均匀压缩: 体积弹性模量 K=0/(V/V0) 泊松比为缩短应变与伸长应变的比值, ν=- εy/εx
E=3K(1-2ν) ν=0.5(1-E/3K)
ν=0.5[1-(24.6MPa)/(3193.7MPa)=0.48
金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为 普弹性,主要的特点是:
A 应变在应力作用下瞬时产生,
B 应力去除后瞬时消失, C 服从虎克定律。
高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性
2. 有机聚合物的弹性、粘弹性 Elasticity and Visco-elasticity of Polymers
应变:受到外力不惯性移动时,几何形状和尺寸 的变化。
材料的应变方式
各向同性材料,三种基本类型:
简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
tension shear compression
还有扭转和弯曲形变。
(1)简单拉伸(tension)
工程应力: =F / A 0 单位MPa
l
l0
工程应变(): ( ) = ( l – l 0 ) / l 0 = l / l 0
疲劳断裂
高分子材料:银纹→裂纹→断裂。 高分子之间的摩擦效应。
橡胶屈挠龟裂实验
原理:反复屈挠使硫化胶受到 周期性应力应变的作用而损坏。
试样
屈挠试验机
4.2 材料的热性能
4.2.1 热导率和比热容 4.2.2 热膨胀性 4.2.3 耐热性 4.2.4 热稳定性 4.2.5 高分子材料的燃烧特性
4.2.1 热导率和比热容
切应变: =tanθ
切应力: s()= F / A 0
(3)均匀压缩(compress)
材料受到周围压力P,发 生体积形变
压缩应变 V:
V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0
F:周围压力p
(4)弯曲 Flexural deformation
最大扰度 max
疲劳:材料反复承受应力和 应变而导致破坏。 疲劳寿命:在特定的振动条 件下,使材料破坏所需的 周期数。 疲劳极限:达到规定的失效 周期数而不发生疲劳失效 时的应力上限值。
疲劳强度
材料的疲劳强度通常用疲劳极限表示,疲劳强度值远低 于静态强度。 金属的疲劳极限为其拉伸强度的40~50%; 高分子材料的疲劳极限为其拉伸强度的20~30%; 纤维增强的复合材料疲劳强度高(70~80%)。
弯曲强度 塑料三点弯曲
σt=1.5Fmaxl0/(bd2)
冲击强度
某一标准试样在断裂时单位面积上所需要的能量。
单位: KJ/m2
悬臂梁式 Izod 简支梁式 Charpy
冲击破坏是塑料构件一种常见的破坏形式
改善脆性聚合物冲击强度的途径:共混改性 橡胶增韧塑料 刚性粒子增韧,分散相颗粒能引发大量银 纹,又能及时将银纹终止。 纤维增强,提高材料的抗张强度、增加σ-ɛ 曲线下的面积。
4.1.6 硬度
测定材料硬度的方法: (1)压痕(压力)硬度法 表征材料对变形的抗力,应用最广,可分为布氏硬 度、洛氏硬度、维氏硬度、邵氏硬度等。 (2)回跳硬度法 表征材料弹性变形功的大小,肖氏硬度法。 (3)刻痕(刻划)硬度法 表征材料对破坏的抗力。
布氏硬度
测量原理:单位压痕表面积 上所承受的平均压力。 HB=P/S=P/πhD =2P/{πD[D-(D2-d2) 1/2]}
B 气相(气孔)的存在导致陶瓷的弹性模量和 机械强度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。 D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆 性断裂,总弹性应变能很小。
陶瓷材料的力学特征 高模量 高硬度 高强度
低延伸率
聚合物(Polymer)的力学状态 •非晶态聚合物的三种力学状态
① 玻璃态 (Tg以下) ② 高弹态 (Tg ~ Tf) ③ 粘流态 (Tf以上)
优点:重复性好。金属
缺点:不适用薄试样及弹性 变形较大的材料。
洛氏硬度
测定原理:用压痕深度t来表征材料的硬度。 洛氏硬度:HR=K-t/0.002,K为常数, 金刚石圆锥头K=100,钢球压头K=130 优点:操作迅速,压痕小,测量范围广。
邵氏硬度
测量原理:用外力把硬度计的压针 压入试样表面,用压入的深浅来 表示硬度。
⑴高弹性,即橡胶弹性 (rubberlike elasticity)
① 弹性模量小、形变大。
A 一般材料,如铜、钢等,形变量最大
为 1 左右, B 而橡胶的高弹性形变很大, 可拉伸至 5 ~ 10 倍。
C 橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的
万分之一左右,即10—100 10 4 Pa。
② 弹性模量随温度升高而上升, 一般固体的模量则随温度的提高而下降。 熵弹性
热传递
三种方式:热传导、热辐射、热对流。 热传导机制 自由电子(金属) 晶格振动(离子键和共价键晶体) 分子传导(有机物)
热导率(λ)
热导率是材料传输热量的 速率的量度。
Q T A X
铜
λ单位:W/(m· K)或J/(s· m· K) 金属是优良的导热体,自由电子 非金属热扩散速率取决于临近 原子的振动和基团的结合强力。 高分子材料的导热率很低, 分子传导。
邵A型:橡胶硬度;0~100。 邵D型:塑料硬度,0~100。
4.1.7 摩擦和磨损
摩擦和磨损是物体相互接触并作相对运动时伴生的两种 现象,摩擦是磨损的原因。 摩擦力是阻碍相对运动的力。 摩擦系数:摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比。 一般情况下总是力图减小摩擦系数,降低摩擦力,但有 些材料需要较大的摩擦系数如车辆的制动器、轮胎、 鞋底等。
4.1 固体材料的力学性能
Mechanical Properties of Solid Materials
应力和应变(stress and strain )
材料的形变( Deformation of materials)
不同材料(金属、陶瓷和高分子)的力学行为
4.1.1 材料的力学状态
Mechanical states of materials
结晶聚合物的温度-形变曲线
玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度
是橡胶使用的下限温度
熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度
4.1.2 应力和应变 (stress and strain)
应力和应变的定义
应力:单位面积上的内力,其值与外加的力相等。
应力=外加力F/面积A
工程应力(名义应力):面积为材料受力前的初始 面积(A0)的应力。 真实应力:面积为受力后的真实面积(AT)的应力。
转化关系 E=3G/[1+G/3K]
K=E/[3(1-2ν)] E=2G(1+ν) E=3K(1-2ν)
材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 主要取决于原子间的结合能力, 构件刚度 金属的模量值主要取决于 10-102GPa A 晶体中原子的本性、电子结构
B 原子的结合力、 C 晶格类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。 陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102GPa A 原子键合的特点 特种陶瓷 B 构成材料相的种类,分布、比例及气孔率有关。 高分子材料低模量
金属(Metals)的力学状态
A 晶态结构, B 较高的弹性模量和强度, C 受力开始为弹性形变,接着一段塑性 形变,然后断裂,总变形能很大, D 具有较高的熔点。
弹性模量随温度升高而降低
金属材料的模量取决于原子间的作用力
无机非金属(nonmetals)的力学状态
A 玻璃相熔点低,热稳定性差,强度低。
F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上
拉伸试样
金属材料试样
橡胶试样
同一拉伸实验中,工程应力(或名义应力)
与真实源自文库力比较哪个数值大?
工程应力: =F / A 0 真实应力 T: T =F / AT
A0 > AT 工程应力 小于 真实应力 T
(2)简单剪切(shear)
F与截面平行、大小相等,方向相反且不在同一 直线上的两个力
E* = E ˊ + i E 〞
滞弹性——无机固体和金属的与时间有关的弹性
取决于温度和荷载的频率
弹性极限与弹性比功(金属)
比例极限 (proportional limit)
弹性变形时应力与应变严 格成正比关系的上限应力 p= Fp/ S0 条件比例极限
tanˊ /tan=150%
切线
. P′
在应力松弛过程中,模量随时间而减小,称为松弛模量,
E (t) = (t) /
应力(模量)随时间而减小
②动态粘弹性 Dynamic viscoelasticity
周期性、交变应力 内耗值E/E的量度: tan = E 〞 / E ˊ tan ,E 〞, E ˊ与频率的关系
在周期性应力作用下,模量 E可采用复数表示式。
p50
代表材料对极微量塑性变 形的抗力
(条件)弹性极限
最大弹性变形时的应力值。 W=/2=2/2E
弹性比功 弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生
永久变形的能力
残留变形时的应力
4.1.5 强度、断裂及断裂韧性
强度
材料抵抗变形和破坏的能力。
• 抗张强度(拉伸强度)
σ=Fmax/A 单位:MPa 屈服强度 抵抗塑性变形
例题:一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力,直
径减少了 1.2% ,而相同材质的试棒在受到 516.8KPa 的拉应力时伸长2.1%,则此橡胶棒的泊松比为多少?
K=σ/(ΔV/V)
=6.89MPa/[(1-0.9883)/1]=193.7MPa
E=σ/ε=516.8KPa/2.1%=24.6MPa
拉伸应力—应变曲线( - )五种类型
纯弹性型
弹性-均匀塑性型
弹性-不均匀塑性型
弹性-不均匀塑性-均匀塑性型
弹性-不均匀塑性(屈服平台) -均匀塑性型
应力 —应变实例
4.1.3 弹性形变Elastic Deformation
弹性形变有普遍性
A 任何材料起始总是有弹性形变;
B 有一定的弹性形变范围,它取决 于应力的大小和形态。
(2)粘弹性 viscoelasticity ①静态粘弹性 固定应力 A 蠕变(creep) 开尔文模型
并联
在蠕变过程中形变 是 时间的函数。即柔量 D 是时 间的函数D (t) = (t) /
形变随时间而增加
B. 应力松弛(stress relaxation)
麦克斯韦模型 (Maxwell model) 串联
耐磨性评价及磨损试验方法
胶轮
砂轮
负荷
橡胶阿克隆磨耗试验 原理:使试样与砂轮在一定倾 斜角度和一定负荷的作用下 进行摩擦,测量试样在1.61k m里程内的磨损体积。 试样:宽为12.7mm,厚为3.2 mm,长度为胶轮周长。 磨耗量V(cm3):
电机
调节倾斜角
V
m1 m2
阿克隆磨耗试验机
4.1.8 疲劳