第九章材料的力学性能_材料科学基础

第九章材料的力学性能第一节金属和无机非金属材料的力学性能1．1单向静拉伸试验和应力一应变图

1.1.1单向静拉伸试验及力-伸长曲线

图9－2

1.1.2典型的工程应力-应变曲线

1.1.3 真应力-真应变曲线

1.1.4弹性变行与弹性模量

(1)弹性变形

(2) 弹性模量

图9- 6原子间接合力随原子间距的变化1. 2强度

1.2.1比例极限σp

1.2.2弹性极限σe

1.2.3弹性比功We

1.2.4屈服强度σs和条件屈服应力σ 0.2 1.2.5抗拉强度σb

1.2.6断裂强度σf

1.3塑性

1.3.1 有明显屈服点材料的塑性特征。

1.3.2无明显屈服点材料的塑性特征。

1.3.3材料塑性衡量指标

（1）伸长率

(2)断面收缩率（ψ）

1．4硬度

●布氏硬度

●维氏硬度

●洛氏硬度

1.5韧性(韧度)

1.5.1摆锤冲击试验

(1)韧脆转变温度

(2)缺口敏感性

1.5.3断裂韧性

（1）断裂力学与断裂韧性

（2）影响材料断裂韧性的因素

(3) 断裂韧性的应用

●材料选择

●构件设计

●优化产品

1.6疲劳强度

1.7蠕变

1.7.1蠕变曲线

1.7.2蠕变性能指标

(1)蠕变极限

(2)持久强度

1.8磨损与耐磨性

第二节高分子材料的力学性能2.1高分子材料的力学状态

2.1.1高分子材料的三种力学状态

玻璃态

高弹态

粘流态

2.1.2不同高分子材料的力学状态

(1)线型非晶态高分子材料的力学状态

(2)晶态高分子材料的力学状态

(3)体型高分子材料的力学状态

2.1.3高分子材料力学状态的实际意义

2．2高分子材料的应力-应变行为

2.2.1应力-应变曲线

2.2.2结构因素对应力-应变行为的影响

(1)相对分子质量

(2)结晶

2.2.3温度和应变速率对应力-应变行为的影响

非晶态高分子材料在不同温度时的应力一应变曲线

高分子材料在不同加载速度时的应力一应变曲线

2.3高分子材料的高弹性与粘弹性

2.3.1高分子材料的高弹性

2.3.2高分子材料的粘弹性

2.4高分子材料的静态粘弹性——蠕变与应力松弛2.4.1高分子材料的蠕变

2.4.2高分子材料的应力松弛

2.4.3高分子材料蠕变与应力松弛的力学模型

2.5高分子材料的动态粘弹性——滞后与内耗2.6.高分子材料的强度

2.7高分子材料的韧性

2.8高分子材料减摩、耐磨性

第三节复合材料的力学性能

3.1力学性能概貌

3.2力学性能特征

●高的比强度和比模量。

●耐疲劳性能好

●减震性好

●高温性能好

●耐磨性能好

第四节材料力学性能的综合比较4.1密度

4.2弹性模量

4.3强度

4.4材料强度及断裂韧性的综合比较

本章小结

材料的性能是指材料在外加载荷作用下表现出的抵抗特性。材料性能这一概念包括材料的使用性能和加工性能。

使用性能是指材料制成零件或产品后，在使用过程中能适应或抵抗外界对它的力、化学、电磁、温度等作用而必须具有的能力，包括材料的力学性能、物理性能和化学性能。材料的力学性能（描述材料在施加应力时的反应），包括各种强度、塑性、韧性、硬度以及断裂韧性等。

材料的拉伸试验是基本的测试方法，通过拉伸试验可以获得材料的各种力学性能指标，主要有；屈服强度、抗拉强度；断后伸长率；均匀延伸率和断面收缩率等。工程上也称弹性模量为材科的刚度。

通过拉伸试验也可以揭示材料在静载荷作用下的变形，即弹性变形、塑性变形和断裂三个基本过程，还可以揭示材料的拉伸性能。所谓拉伸性能,是根据工程应力一应变曲线上某些特征点的应力和应变之值确定的。拉伸性能包括材料的弹性、强度、塑件和韧性。主要有：弹性模量；比例极限（条件比例极限）；弹性极限（规定非比例伸长应力）；弹性比功等。根据断后延伸率和断面收缩率的相对大小,可以判断金属材料拉伸时是否形成缩颈。

真应力与应变曲线反映了材料真实的受力状态，在颈缩开始后，真实应力远大于工程应力。真实应力和真实应变曲线下的面积可反映材料的韧性大小。

强度是材料对塑性变形和断裂的抗力。塑性表示材料在断裂前发生的不可逆的变形晕的多少。韧性则表示断裂前单位体材料所吸收的变形和断裂能.即外力所做的功，是材料强度和塑性的综合指标。韧度（韧性）又分静力韧性、冲击韧性和断裂韧性。

硬度是材料表面局部抵抗变形的能力。包括布氏硬度、维氏硬度和洛氏硬度。疲劳失效与一次脆断不同，其损伤是逐渐积累。

蠕变是材料在一个固定载荷影响下缓慢的形变过程，

材料对磨损的抗力即为材料的耐磨性。

高分子材料由于其结构上的特殊性，在力学性能上与金属材料及无机非金属材料有许多不同之处。线型非晶态高分子材料, 晶态高分子材料和体型高分子材料的三种力学状态和两个转变温度具有重要的实际意义。

高分子材料的应力-应变行为可分为软而弱、硬而脆、硬而强、软而韧和硬而韧等特征。其结构因素对应力-应变行为有影响。高分子材料在一定条件下表现出独特的力学性能一高弹性和粘弹性；由于高分子的链结构与聚集态结构的特殊性，高分子材料表现出特殊的静态粘弹性——蠕变与应力松弛，及动态粘弹性——滞后与内耗。

高分子材料的强度由分子链的化学键和分子链间的相互作用力构成。高分子材料的强度平均比金属低得多,但由于其重量轻、密度小，许多高分子材料的比强度还是很高的。影响高分子材料实际强度的因素很多，主要有高分子本身结构、结晶和取向、应力集中、增塑剂和填料和共聚和共混。

高分子材料的内在韧性较好,即在断裂前能吸收较大的能量, 大多数塑料对金属、塑料对塑料的摩擦系数值一般在0.2~0.4范围内,但有一些塑料的摩擦系数很低。部分塑料除了摩擦系数低以外,更主要的优点是磨损率低。

复合材料区别于单一材料的显著特征是材料性能的可设计性, 复合材料的

最大特点是各向异性,即沿纤维方向的强度和刚度远远高于垂直纤维方向的强度和刚度。高的比强度和比模量，耐疲劳性能好，减震性好，高温性能好和耐磨性能好是复合材料的力学性能特征。

材料力学性能的综合比较可以为适当地选用材料提供理论依据。

本章重点

材料强度、塑件和韧性的内涵，由拉伸试验获得材料的各种力学性能指标的基本概念，真应力与应变曲线的含义及作用。韧度，静力韧性、冲击韧性，断裂韧性。硬度的含义及种类，材料的疲劳失效，蠕变。高分子材料结构上的特殊性，力学性能上与金属材料及无机非金属材料的差异性，应力-应变行为的多种特种，高分子材料的强度及韧性特征，复合材料的力学性能特征。

参考文献

[1]谢希文等. 材料科学基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[2]杨瑞成等. 材料科学与工程导论[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2002.

[3]顾宜. 材料科学与工程基础[M].北京：化学工业出版社2002.

[4]Harmer E. Davis. The testing of engineering materials[M].McGraw-Hill,

c1982.