材料物理性能1

银纹是由聚合物细丝和贯穿其中的空洞所组成的，在银纹内，大分 子链沿应力方向高度取向。银纹可进一步发展成裂缝，所以它常常
是聚合物破裂的先导。
1.5 纳米粒子的力学行为
Nanoparticle chain aggregates (NCAs) are branched structures composed of primary particles with diameters ranging from 1 to 50 nm. It contains TiO2, Al2O3 , Fe2O3, SiO2, and carbon.
A C
O
E B
D e eE
线形非晶态聚合物的冷拉曲线
屈服塑 性变形
不均匀集 中塑性变 形
弹性变形 阶段
均匀塑 性变形
低碳钢的力-伸长曲线
E y
E
B
A
C
O
D e
eE
线形非晶态聚合物的冷拉曲线
在屈服点之前发生断裂的玻璃态聚合物表现为脆性；在屈服 点后发生的断裂表现为韧性。
2. 屈服机理(eg.聚合物)
宽度b
厚度d
t = P / b • d
P
抗弯强度(弯曲强度)
抗弯强度的测定是在规定的试验条件下，对标准试样施
加一静止弯曲力矩，直至试样折断。
P
d b
l0/2
l0/2
抗弯强度测定试验示意图
抗冲强度(冲击强度) 冲击强度定义为试样受冲击负荷时单位截面积所吸收的能量。 i = W / bd
简支梁
悬臂梁
4. 强度
强度是衡量材料抵抗外力破坏的能力，是指在一定条件下材料
所能承受的最大应力。 强度的类型(按作用方式分类): 抗张强度
抗弯强度
抗冲击强度
抗张强度(拉伸强度) 抗张强度的测定是在规定的试验温度、湿度和实验速度下，
在标准试样上沿轴向施加拉伸负荷，直至试样被拉断。
P
试样断裂前所受的最大负荷P与试 样横截面积之比为抗张强度t
1. 材料的力学性能
对于大多数材料，力学性能是最重要的性能。材料的力学
性能指的是其受力后的响应，这些响应可用一些基本的指标来
表征。
力学性能的基本指标
应力和应变
弹性模量
硬度
强度
1.1 力学性能的基本指标
1. 应力和应变
应变（形变） 材料在外力作用下，其几何形状和尺寸所发生的变化称为应 变或形变。 通常以单位长度（面积、体积）所发生的变化来表征。 应力 (单位面积上的内力) 材料在外力作用下发生形变的同时，在其内部还会产生对 抗外力的附加内力，以使材料保持原状，当外力消除后，内 力就会使材料回复原状并自行逐步消除。当外力与内力达到 平衡时，内力与外力大小相等，方向相反。
拉伸模量（杨氏模量）E：E = / e 剪切模量（刚性模量）G：G = s /
体积模量（本体模量）B：B = P / V
三种模量之间的关系：E＝2G（1＋ν ）＝3B（1－2ν ）
ν 为泊松比（拉伸形变中横向应变与纵向应变的比值,大多数材料的ν为 0.2～0.5）
3. 硬度
硬度是衡量材料表面承受外界压力能力的一种指标。
根据材料的力学性能及其应力-应变曲线特征，可将聚合物 的应力-应变曲线大致分为五类：
概念区分：强度和硬度 硬和脆 软和韧
e （1）
（1）材料硬而脆：在较大应力作用下，材料仅发生较小的应 变，并在屈服点之前发生断裂，具有高的模量和抗张强度，但 受力呈脆性断裂，冲击强度较差。如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸 甲酯、酚醛树脂等。
在材料科学研究中，真应力与真应变具有重要意义.
1.4 理论强度与实际强度
聚合物实际强度远低于理论强度的原因：应力集中 在聚合物的加工成型和使用过程中通常会使材料存在各种缺
陷，如裂纹，空隙，银纹和杂质等。缺陷的存在会使材料受
力时内部应力分布不均匀，缺陷附近的应力远远超过应力平 均值，这种现象称为应力集中。应力集中到少数化学键上， 使这些键断裂，产生裂纹，最后导致材料的破裂。这就是实 际强度远低于理论强度的根本原因。
材料的受力方式： 材料受力方式不同，发生形变的方式亦不同。 材料受力方式主要有以下三种基本类型： 简单拉伸 简单剪切 均匀压缩
简单拉伸（单轴拉伸）
材料受到一对垂直于材料截面、大小相等、方向相反并在同一直 线上的外力作用。
简单拉伸示意图: 形状和体 积均发生 改变
材料在拉伸作用下产生的形变称为拉伸应变（或张应变），也称相对伸 长率（ e ）。 拉伸应变（相对伸长率）e = Dl / l0 拉伸应力 = F / A0 （A为材料的起始截面积）
在拉伸温度下，移去外力后形变不能恢复。这是因为在外力的作用下，玻
璃态聚合物中本来被冻结的链段被强迫运动，使高分子链发生伸展，产生大
的形变。但由于聚合物仍处于玻璃态，当外力移去后，链段不能再运动，形 变也就得不到恢复。
1.3 应力-应变曲线的类型
强与弱从断裂强度δ E比较；硬与软从模量E（δ/ε）比较；脆与韧则可从断 裂伸长率比较。
材料物理性能
主讲人：杨雅琦 中北大学 材料科学与工程学院
材料的种类
金属材料
无机非金属材料
有机高分子材料
复合材料
材料的种类 金属材料－－长盛不衰
金属材料与人类文明息息相关 从神秘的形状记忆合金到未来能源材料之星--储氢合金
古老的陶瓷
年轻的高分子材料
20世纪的新兴材料
先进的复合材料
新型功能材料－－人类文明进步的阶梯
简单剪切
材料受到与截面平行、大小相等、方向相反，但不在一条直线 上的两个外力作用，使材料发生偏斜。
F
F 简单剪切示意图
A0
形状改变， 体积不变
其偏斜角的正切值定义为剪切应变（）。 剪切应变 = tg
剪切应力s = F / A0
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均匀压缩 材料受到均匀压力压缩时发生的体积形变称压缩应变（ V）。
e （2）

e （3）
（2）材料硬而强：在较大应力作用下，材料发生较小的应变， 在屈服点附近断裂，具高模量和抗张强度。如硬质聚氯乙烯。 （3）材料硬而韧：具高模量和抗张强度，断裂伸长率较大， 材料受力时，属韧性断裂。 以上三种聚合物由于强度较大，适于用做工程塑料。

e （4）
e （5）
（4）材料软而韧：模量和应力较低，断裂伸长率大，可用于 要求形变较大的材料。如增塑聚氯乙烯和各种橡胶制品。 （5）材料软而弱：模量低，拉伸强度低，断裂伸长率也不 大。如未硫化的天然橡胶。
e （1）
材料硬而脆


e （2）
材料硬而强
e （3）
材料硬而韧


e （4）
材料软而韧
e （5）
材料软而弱
几种典型材料的力-伸长曲线
1为高碳钢
2为低合金结构钢 3为黄铜 4为陶瓷、玻璃类材料 5为橡胶类材料
6为工程塑料
真应力-应变曲线：
低碳钢的真应力-应变曲线
低碳钢的工程应力-应变曲线
工程设计和材料选用中一般以工程应力、工程应变为依据.
线形非晶态聚合物的冷拉曲 线
在曲线上有一个应力出现极大值的转折点B，叫屈服点， 对应的应力称屈服应力（或屈服强度）（ y ）
E y
E
B A
C D e eE
O
线形非晶态聚合物的冷拉曲线
在屈服点之前，应力与应变基本成正比（虎克弹性），经过屈 服点后，即使应力不再增大，但应变仍保持一定的伸长，当材 料继续被拉伸时，将发生断裂，材料发生断裂时的应力称断裂 应力或断裂强度（ E ），相应的应变称为断裂伸长率（ε E）。 当除去应力后，材料也不能恢复到原样，即材料屈服了。
如液体静压 （围压力）p
A0
形状不变 体积改变
材料经压缩以后，体积由V0缩小为V，则压缩应变： V = （V0 - V）/ V0 = DV / V0
2. 弹性模量（模量）
弹性模量是指单位应变所需应力的大小(即应力与应变之比)， 简称模量，是材料刚性的一种表征。
分别对应于以上三种材料受力和形变方式的模量如下：
生物材料、信息材料、环境材料、纳米材料、能源材料和智能 材料
材料的活跃领域 1．生物材料:包括生物医用材料和仿生材料。 2．智能材料:如压电陶瓷和形状记忆合金。 3．环境材料 4．纳米材料 5．功能高分子材料: 吸水性高分子、导电高分子、发光有机高分子、高分子形 状记忆、高分子电解质、高分子压电、有机非线性光学材 料、可降解高分子及高分子液晶等。 6．计算机模拟与材料设计: 通过计算机模拟来预测材料的结构、性能及其关系，从而 达到材料设计，形成了一门“计算材料科学”。
1.2 材料的拉伸破坏 1. 力学屈服现象(eg.非晶聚合物)
E A C
O
E B
出现条件：非晶态聚合物在Tg 之下， y 结晶聚合物在其熔点Tm之下，一般 都有明显的拉伸屈服现象。
在非晶态聚合物的玻璃化温度以下或在 结晶聚合物的熔点以下对聚合物拉伸时， 得到的应力-应变曲线称为冷拉曲线。
D e eE
低碳钢的应力-应变曲线
金属与高聚物都存在力学屈服现象，弹性形变在外力去除后 均可恢复。
一般而言，屈服应力是聚合物作为结构材料使用的最大应力。 屈服点之后，聚合物试样开始出现细颈。此后的形变是细颈的 逐渐扩大，直到D点，全部试样被拉成细颈。然后试样再度被均 匀拉伸，应力提高，直到在E点拉断为止。
E y
银纹
银纹又常称之为微裂纹。许多聚合物，如PMMA、PS等，在存放与使用过程 中由于应力及环境(如蒸气、溶剂、温度等)的影响，出现许多发亮的条纹。 这种条纹称为银纹，这种现象称为银纹化。
产生银纹的直接原因是由于结构的不均或缺陷引起的应力集中所致。
银纹也是一种局部形变。一般仅拉伸应力才产生银纹。
银纹与裂纹：
NCAs of carbon and nano-SiO2
TEM photo showing the sequential stretching and breaking of single NCA chains
SEM images of the stretching of carbon NCA using the AFM tip. 炭黑纳米粒子链的拉伸强度: 4.5±2.5 MPa, 杨氏模量: 3.0 ~ 8.8 MPa