材料基础-第八章材料力学性能

1、8.1 材料的性能材料的性能 当材料作为结构或器件使用时，必须考虑二大性能：使用性能和工艺性能使用性能和工艺性能。同时还要考虑性价比性价比。（1） 使用性能使用性能 力学性能、物理性质和化学性质。（2） 工艺性能工艺性能 成型过程中适应加工及其连接的性能。 1） 金属的铸造、锻压、切削、热处理、焊接等。 2） 陶瓷的制粉、成型与烧结等。 3） 聚合物的成型、流变、挤出、注塑、连接等。 这些性能直接关系到材料的使用效能、成本、成型过程中的难易程度以及制品的质量控制等。 第八章 固体材料的基本性能8.2 金属的性能金属的性能8.2.1 力学性能力学性能 金属的力学性能，有时也称机械性能，是指材料在

2、载荷和环境因素（温度、介质）联合作用下所表现出抵抗变形和断裂的能力，包括强度、塑性、韧性、硬度、疲劳、断裂等。 外加载荷的作用形式如图8-1所示。 通常在试验室里模拟结构的实际使用条件，用以确定结构的破坏方式和承载能力。 不同的试验方法可以测定材料特有的力学性能及其性能指标。性能指标是材料在设计、选用、工艺评定、质量检验及控制的重要依据。 以下是几种常用的力学性能指标及测定方法。 图图8-1 外力载荷的作用类型外力载荷的作用类型1. 拉伸应力拉伸应力-应变曲线应变曲线 将材料加工成圆棒或板形的光滑试样装夹在拉伸试验机上(图8-2)，沿试样轴向以一定速度施加载荷，使其发生拉伸变形直至断裂。 通过

3、力与位移传感器可获得载荷F(P)与试样伸长量l之间的关系曲线，即拉伸曲线,如图8-3所示。 图图8-2 拉伸机示意图拉伸机示意图 图图8-3 碳钢应力应变曲线图碳钢应力应变曲线图 拉伸试验可以确定材料在静载作用下的力学行为，即弹性变形、塑性变形、断裂失效的三个基本过程，进而确定材料最基本的力学性能指标。 用纵坐标表示应力，横坐标表示应变，这时的拉伸曲线与试样尺寸无关，称为应力-应变曲线或-曲线，见图8-3。 = F/A0， =l/l0 =(l-l0)/l0100 (8-1) ：试样单位面积上的拉伸应力（MPa）， 注：与截面垂直的应力叫拉应力，与截面平行的叫剪应力。 ：试样上的拉伸应变（m/m

4、）； F：试样上的外力（N）1kg=9.8N； A0: 试样的原始截面积（m2）； l: 试样拉伸变形后的实际长度（m）； l0: 试样的原始标距长度，通常为圆棒直径d的10倍（m）。 如果截面上作用剪切力S（Q）（图8-4）,剪应力与剪应变的关系可表示为： = S/F0， = a/h=tan (8-2) :试样截面上的剪应力（ MPa）； :试样上的剪应变（m/m）; S :试样上的剪切力（N)； a :试样的剪切位移（m）； :剪切角变形（度）； h :剪切力作用的高度（m） 图8-4 受剪切力的变形2.2.弹性弹性 材料在外力作用下产生变形，外力去除后变形完全消失，材料恢复原状，这种可逆

5、变形叫弹性变形。(1)(1)弹性模量弹性模量 在弹性变形阶段，材料的应力与应变成正比关系，两者的比值称为弹性模量（MPa），记为E, E =/ (8-3)（8-3）式也称为虎克定律（Hooks 定律）。 弹性模量反映材料内部原子间结合键的强弱，一般随温度升高而逐渐降低，与显微组织及其热处理工艺无关。 弹性模量表征材料对弹性变形的抗力。其值愈大，材料产生一定量的弹性变形所需要的应力愈大，工程上也称E为材料的刚度。 需要指出的是，材料的刚度和零部件的刚度不是一回事。提高零部件刚度的办法主要是增加零部件的横截面积或改变截面形状。 如果材料受到的是剪切变形，则（8-3）式变为 G = / (8-4)

6、G为抗剪模量（MPa）、 为剪应力（MPa）、 为剪应变（mm/mm）。 G与E的关系为： GE/2(1+) (8-5) 为泊松比，是抵抗材料收缩变形的能力。 通常碳钢的为0.3, 陶瓷为0.25, 聚合物为0.35。 对于连续纤维增强聚合物基复合材料，其弹性模量可计算为： E1= Ef Vf + Em Vm (8-6)其中， E1为复合材料的纵向弹性模量； Ef 、Em 分别为纤维和基体的弹性模量； Vf 、Vm 分别为纤维和基体的体积分数。 同理， E2为横向弹性模量,可计算为： 1 / E2 = Vf /Ef + Vm / Em (8-7) (2)(2)弹性极限弹性极限 材料产生微量塑性

7、变形的抗力，记为e，用下式表示: e = Fe/A0 (8-8)式中Fe：弹性极限载荷，通常很难确定。 在国家标准中把产生0.01%残余伸长所需的应力作为规定的弹性极限，记0.01。(3)(3)弹性滞后弹性滞后 实际工程材料，特别是高分子，加载后应变不立即达到平衡值，卸载时变形也不马上消失，这种应变落后于应力的现象称为弹性滞后。 对易受振动的部件，利用弹性滞后效应吸收振动能；对仪表上的传感元件则不希望有弹性滞后现象。3.3.强度强度 材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力，称为强度强度。 根据载荷的不同，强度可分为屈服强度、抗拉强度、抗弯强度、抗扭强度和断裂强度等。(1) (1) 屈服强度屈

8、服强度 屈服强度表征材料发生明显塑性变形时的抗力。 在拉伸过程中，载荷不增加但试样继续伸长的现象称为屈服。屈服时对应的应力称为屈服强度，记为s,可由下式求出: s = Fs/A0 (8-9)式中Fs为屈服时的外载荷。 许多材料没有明显的屈服现象。规定产生0.2%残余伸长所对应的应力作为条件屈服强度，记为0.2。(2) (2) 抗拉强度抗拉强度 试样屈服后，要继续变形，需要不断增加载荷。但载荷达到最大值Fb后，试样某一部位的截面开始急剧缩小，出现“缩颈”致使载荷下降，直到最后断裂。 试样能承受的最大载荷除以原始截面积所得的应力称为抗拉强度，记为b, 即: b = Fb / A0 (8-10) 抗

9、拉强度是材料在拉伸条件下能够承受最大载荷的应力值, 是表征材料对最大均匀变形的抗力。 脆性材料由于没有明显的屈服强度s ，在强度设计时常用b来计算。4.4.塑性塑性 材料断裂前发生塑性变形的能力叫塑性。 常用塑性指标有伸长率和断面收缩率。其数值由下式求出： =(l1 - l0)/ l0100 % (8-11) =(A0 - Ak)/A0 100 % (8-12) 式中l0为试样原始标距长度；l1为试样断裂后标距的长度；A为试样原始截面积；Ak为试样断裂处截面积。 材料的与值越大，说明塑性越好。两者相比较, 表示的塑性更接近材料的真实应变。 长试样的延伸率写成10；短试样的延伸率写成5，同一材料

10、,5 10, 所以对不同的材料，10值和5值不能直接比较。8.2.2 硬度试验硬度试验 材料抵抗局部变形的能力叫硬度材料抵抗局部变形的能力叫硬度。 硬度与材料的抗拉强度、弹性模量和抗压强度有一定关系，对材料的加工、摩擦和磨损均有重大影响。 常用测试方法有三种：压痕法、回跳法和刻痕法。1. 布氏硬度布氏硬度 布氏硬度是把直径D的淬火钢球，用载荷P压入被测材料表面，保持一定时间后卸载，通过测量压痕直径d或压痕表面积F来得到（图85），其计算式为: HB =P /F = 2P/D(D - (D2-d2)1/2) (8-13) 例如，布氏硬度记为200HB10/1000/30, 表示直径为10mm的钢

11、球，在1000kg力的载荷下保持30s时测得的硬度为200。HB主要用于退火状态下的钢铁、铸铁、有色金属及一些非金属材料，适用于HB 450的材料。 图图8-5 布氏硬度试验示意图布氏硬度试验示意图2. 洛氏硬度洛氏硬度 洛氏硬度是用压头的压痕深度来量度。根据压头和载荷不同，可分为HRC、HRB和HRA三种(见表8-1)。 洛氏硬度可以直读，操作方便，适用广泛，可测量低硬度、高硬度材料。但洛氏硬度载荷大，标尺不统一，不宜测定硬而脆的薄层，硬薄层工件用维氏硬度衡量。 3. 维氏硬度维氏硬度 维氏硬度的压头为金刚石四棱锥体，两对面的夹角为136，通过测量压痕对角线长度(图8-6)求出，HV1.85

12、44P/d2。d为压痕对角线长度，用此值查表得硬度值。 陶瓷材料常用维氏硬度和显微硬度测定，见表8-2。 布氏、洛氏和维氏三种硬度的试验法，由于载荷大，只能测定材料组织的平均硬度值，不适合测定小范围材料的硬度，如薄模、偏析、微相、扩散深度等。表 8-1 洛氏硬度种类及应用 表表8.2 常见陶瓷材料的硬度与熔点常见陶瓷材料的硬度与熔点 图图8-6 维氏硬度试验示意图维氏硬度试验示意图 4.小载荷硬度小载荷硬度(1) 维氏显微硬度维氏显微硬度 维氏显微硬度, 简称显微硬度, 是用来测量组织中某一相微区的硬度， 如图8-7所示。 显微硬度的压头和表示符号与维氏硬度相同，但所用的载荷更小，只有几克至几

13、百克, （2g、5g、10g、50g、100g、200g），并且长度以微米计量，其表达式为： HV1854.4P/d2 ，（P的单位是g，d为m），故有时称为小载荷的维氏硬度。由于压痕微小，需要做成金相样品。适合于陶瓷的硬度测定。 例如，HV50900表示载荷为50g下的显微硬度值为900 或表示为900HV0.05 。 图图8-7 合金相的显微硬度压痕合金相的显微硬度压痕(2) 努氏硬度努氏硬度 努氏硬度是从维氏显微硬度发展而来。 主要差别：一是压头形状为金刚石长棱形，两个长棱夹角为172.5。，两个短棱夹角为130。，试样上长短对角线长度之比L/W为7.11倍的棱形压痕；二是硬度值不是试验

14、力P除以压痕的表面积之商值，而是除以压痕投影面积之商值。其定义为: HK1.451P/L2 其中，L为实际压痕对角线长度(m) ，K为Knoop的缩写, P为载荷（N）, 其值在0.4903-19.61N之间。 努氏硬度精度高，适用于无机材料，尤其是先进陶瓷材料，硬度的测量比维氏硬度更精确些，样品的表面光清洁度要求高。（3）邵氏硬度）邵氏硬度 使用硬度计，在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计上的压针压入试样，以压入深度转换为硬度值，直接由硬度计读出邵氏值HS。 HS分为邵氏A和邵氏D。邵氏A适合于软塑料如橡胶、泡沫塑料等，邵氏D适合于硬塑料。（4）肖氏硬度）肖氏硬度 肖氏硬度又叫回跳硬度，

15、是动载试验法。其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或钢球的标准冲头从一定高度h。自由落体到试件表面，然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。肖氏硬度无量纲，冲头回跳高度越高，则试样的硬度越高。（5）莫氏硬度）莫氏硬度 陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度称为莫氏硬度。 它表示硬度从小到大的顺序，不表示软硬的程度。后面的材料可以划破前面材料的表面。 莫氏硬度以前仅分为10级， 1级最小，10级最硬。相应硬度的排序为： 1滑石，2石膏，3方解石，4萤石，5磷灰石，6正长石，7石英，8黄玉，9刚玉，10金刚石。 后来又出现了一些人工合成的高硬度陶瓷，莫氏硬度等级范

16、围扩大，现分为15级。其顺序为： 1滑石，2石膏，3方解石，4萤石，5磷灰石，6正长石，7 SiO2玻璃，8石英，9黄玉，10石榴石，11熔融氧化锆，12 刚玉，13碳化硅，14 碳化硼，15金刚石。8.2.3 8.2.3 冲击韧性与试验冲击韧性与试验 有些零部件是在冲击载荷下工作的，如锻锤、冲头等，要用冲击韧性来评定材料抵抗冲击的能力。 还有一些金属、高分子、陶瓷等材料在使用过程中会发生劣化和损伤，材料性能变脆，需要用冲击韧性来评定。 冲击韧性冲击韧性k是材料在冲击载荷作用下抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，物理意义是试样受冲击载荷时单位横截面上所吸收的冲击功J，单位为J/m2。 金属的冲击

17、韧性通常在100kJ/m2以上。 材料的冲击韧性一般是在一次摆锤冲击试验机上进行测试，如图8-8所示。将试样放在试验机的支座上，将具有一定质量的摆锤举至一定高度，再将其释放，冲断含缺口试样。 图8-8 8-8 夏氏（夏氏（CharpyCharpy）冲击试验示意图冲击试验示意图 标准冲击试样类型有两种：梅氏试样（缺口为U形）和夏氏试样（缺口为V形，见图8-8）。 一般梅氏试样值显著大于夏氏试样值，两种试样的测试值不能互相比较。夏氏试样的值必须注明，梅氏试样适合韧性材料，夏氏试样适用于脆性材料。 高分子常用伊氏(Izod)冲击试样,是一种悬臂梁式的含缺口试样。 材料的k值随温度的降低而下降，而且在

18、某一温度范围会发生急剧降低，由韧性断裂变成脆性断裂，这种现象称冷脆，这个温度范围称为冷脆转变温度范围。 一般说来，体心立方结构金属或以其为主的低强度钢，其冷脆转变温度明显而且该温度较高。 高强度钢或面心立方结构金属，如铝及奥氏体合金钢等，基本上没有这种温度效应。 8.2.4 8.2.4 疲劳试验疲劳试验 许多零部件是在交变载荷下服役的，载荷的大小及方向都在变化，在这种载荷作用下，材料常在远低于屈服应力下发生断裂，这种现象叫材料的“疲劳”。 疲劳断裂与静载荷下的断裂不同，无论在静载荷下是脆性或韧性的材料，在疲劳载荷下都不产生明显的塑性变形，断裂是突然发生的，具有很大危险性。1.1.疲劳极限疲劳极

19、限 材料在规定次数（一般钢铁材料取107次，有色金属及其合金取108次）的交变载荷作用下，而不致引起断裂的最大应力称为“疲劳极限”(r),单位为kg/cm2。 通常用拉伸或弯曲试验的方法测定材料在对称应力循环条件下的疲劳极限(-1)。 试验时用多组试样，在不同的交变应力下测定试样发生断裂的周次N, 绘制-N曲线(图8-9)。 对钢铁材料和有机玻璃等，当应力降到某值后，-N曲线趋于水平直线，此直线对应的应力即疲劳极限。大多数有色金属、合金及聚合物，其疲劳曲线上没有水平直线部分，工程上常规定N=108次时对应的应力作为条件疲劳极限。 非金属材料的疲劳极限远低于金属材料，这是因为非金属材料塑性较小，

20、本质上属于脆性。 提高零部件的疲劳抗力可通过合理选材。改善材料的结构形状，避免应力集中，减少材料缺陷，提高零件表面光洁度，对表面进行强化处理而解决。图图8-9 疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图2. 蠕变试验蠕变试验 蠕变是指材料在较高的恒定温度下，外加应力低于蠕变是指材料在较高的恒定温度下，外加应力低于屈服强度时，会随时间的延长发生缓慢的塑性变形，直屈服强度时，会随时间的延长发生缓慢的塑性变形，直至断裂的现象至断裂的现象 (图8-10)。 金属和陶瓷在较高温度(0.30.5Tm, 其中Tm是材料的熔点)时会发生蠕变，聚合物在室温下就会发生蠕变。 材料的蠕变过程可用蠕变曲线来描述。典型的蠕变曲线如图

21、8-10所示。图中AB段为第一阶段，称减速蠕变阶段，这一阶段开始蠕变速率增大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减小。BC段为第二阶段，称为恒速蠕变阶段，这一阶段蠕变速率几乎保持不变。通常蠕变速率就是以这一阶段的变形速率来表示。CD段是第三阶段，称为加速蠕变阶段，至D点时产生蠕变断裂。 图图8-10 蠕变试验及其蠕变曲线蠕变试验及其蠕变曲线8.2.5 断裂试验断裂试验 材料的断裂韧性是指含缺陷材料抵抗裂纹快速失稳扩展的能力。 在实际生产中，有的大型转动零件、高压容器、船舶、桥梁等，常在工作应力远低于屈服应力下发生低应力脆断事故。大量失效案例的分析表明，这种破坏与零部件本身存在的裂纹和裂纹的疲劳扩展有

22、关。 实际上，零部件及其材料本身不可避免地存在的各种冶金、加工及制造缺陷，相当于微观裂纹，有的在使用中发展为宏观裂纹。在外加应力作用下，这些裂纹发生疲劳扩展，一旦达到材料固有的缺陷尺寸便失稳扩展，发生低应力脆断。 材料的理论断裂强度可简单估算如下。 晶体材料拉断是晶体在拉应力作用下，沿与拉应力垂直的原子面被拉开的过程。 在这一过程中，外力作的功消耗在断口上，即断口的表面能。 设想完整晶体材料被解理面分开成两半晶体，其解理面间距为a0, 沿力方向发生相对位移x, 当位移很大时，位移和作用力的关系并不是线性关系，原子间的相互作用力最初是随x的增大而增大，达到一峰值m后就逐渐下降，如图8-11所示。

23、 图图8-11 原子间作用力与位移的关系原子间作用力与位移的关系 为了近似地求出图8-11下的面积，用一正函数代替原来的波长，其关系式为： （8-10）式中为正弦曲线的波长，x为原子间距， m为使原子分开所需的最大应力，即晶体的理论断裂强度。 因此，发生断裂时，单位面积所作的功近似为 （8-11） xm2sinmmdxx2sin2/0 晶体拉断后要产生两个新表面。 令单位面积的表面能用s表示。在拉伸过程中，应力所作的功（811）式应等于2s，则有 （ 8-12）再设曲线开始部分近似为直线，服从虎克定律，即 （8-13）式中a0为平衡状态时的原子间距。 由（8-10）与（8-13）得sm20aE

24、x （8-14）由（8-12）与（8-14）得 （8-15） 若上式中的E、s 、 a，分别用材料的物性参数代入, 就可得该材料的理论断裂强度值。02aEm0aEsm例如，铁的E2105 MPa, a02.510-10 m, s 2 J /m2 则 m4.0104 MPa。 若用E的百分数表示, 则mE/5.5, 通常mE/10。 实际金属的断裂应力仅是理论值m的1/10 1/100 ，陶瓷和高分子则更低。 材料的实际强度远低于理论强度，其原因在于材料内部存在固有缺陷。早在1921年，英国Griffith就研究了陶瓷与玻璃的脆性断裂问题。 假定有一宽板在远处受均匀应力作用，两端固定, 此时板为

25、一隔离系统。 如果板内制造一个长2a的穿透裂纹，裂纹扩展的动力来自系统内部存储的弹性能的释放, 如图812所示。裂纹扩展时裂纹的表面积增加，增加单位面积所需的能量叫表面能s 。 单位体积储存的弹性能为 若形成裂纹2a，释放的弹性应变能表面能为 Us2s2a=4sa,这两项能量的变化如图812所示。系统总能量变化为 （816） 系统的能量变化有一极值，它对应于22121EEaUE22EaaUs22 4 a. 含裂纹板的拉伸含裂纹板的拉伸 b. 裂纹尖端的应力场裂纹尖端的应力场 图图8-12 Griffith裂纹的能量平衡模型裂纹的能量平衡模型 当 即弹性应变能的释放率大于或等于表面能的增长速率，

26、系统自由能降低，裂纹会自动扩展。对应此值的裂纹尺寸是临界裂纹尺寸2ac，小于此值；裂纹不扩展，大于此值，裂纹便失稳扩展。 由公式（8-16）、（8-17）, 若用2a代替图中的2ac ，断裂应力和裂纹尺寸的关系则为 （818） 这是著名的Griffith公式，也是断裂力学的基础。0)2()2()2(addUaddUadUdEs, 0)2( , )2()2(adUdaddUaddUsE（817）a 2E s 这公式表明断裂应力和裂纹尺寸的平方根成反比。 由于 ，将此式与理论断裂强度 （815）相比较，二者完全相似。若用裂纹尺寸a代替点阵参数，取a104b ，则实际断裂强度只有理论值的1/100。

27、 由图8-12b看出，裂纹尖端的应力存在奇异性, 1957年，美国Irwin在Griffith理论基础上导出了裂纹尖端附近的应力场为 （8-19）式中KI为I型应力强度因子 r, 分别为裂纹尖端附近的极坐标和极角。, 1 2aE s)23cos2cos2sin2 )23sin2sin1 (2cos2 )23sin2sin1 (cos2 rKrKrKIxyIyIx, a 材料断裂试验证明，当脆性材料中存在裂纹时，裂纹尖端就是一个应力奇异场，形成应力分布特殊的应力场。Irwin进一步指出,（819）式中应力场强弱程度由应力强度因子KI参数来控制，KI值大小与裂纹尺寸半长a、外加均匀拉伸应力存在以下

28、关系： (8-20)式中，Y裂纹形状系数，与加载方式和试样几何形状有关，为外加应力（MPa）； 裂纹尖端附近的环向应力；a裂纹半长(m), r 离裂纹尖端的距离（m）。KI的量纲为MN/m3/2 。 (8-19)或(8-20)是现代线性断裂力学的基础公式。)(2 frKaYIIK 由(8-20）可见，随应力的增大，KI增大到某一临界值时，裂纹前沿某一区域内的内应力达到足以使材料分离，导致裂纹突然失稳扩展而发生断裂，即 KI KIC （8-21）其中KIC为材料固有的断裂韧性，量纲为MN/m3/2 ，该值由材料断裂试验测得。 KI与KIC的关系和拉伸试验中的应力与s的关系相类似。当外加应力增加到

29、屈服应力s时，试样才开始发生明显的塑性变形，是一个不断变化的值；KI也是一个不断变化的值；KIC是材料固有的值。只有当KI KIC时，材料才会失稳断裂。 因此，KIC表示材料抵抗I型裂纹失稳扩展能力的断裂性能指标，是材料失稳扩展的重要判据。同样，也可测得II型和III型的KIIC和KIIIC的断裂韧性值。 事实上，各种脆性材料都有其固有的KIC值。它与裂纹形状及其大小无关，也和外加应力无关，只决定于材料本身的特性（成分、热处理条件、加工工艺等情况）,可用断裂性能试验求得。 目前还发展了考虑材料发生塑性变形时的断裂韧性参数，如J积分、裂纹张开位移COD、应变能扩展速率 G等。 上述弹塑性断裂力学

30、参数可以较为精确地分析和描述材料断裂前有一定塑性变形的断裂行为及其损伤机制，为结构完整性和可靠性分析提供了理论基础。8.2.6 物理性能物理性能 金属的物理性能是指材料内部固有的特性，以及金属的物理性能是指材料内部固有的特性，以及承受热、电、磁等作用所反映的能力承受热、电、磁等作用所反映的能力。 材料的物理性能主要包括密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性及其磁性等。 这些性能衡量材料的物理性能，即功能性质。1 1相对密度相对密度(g/cm(g/cm3 3) ) 密度是指单位体积含有物质的质量（m/V），单位是(g/cm(g/cm3 3) )。 不同材料的相对密度各不相同。普通钢铁为7.9。 密

31、度小于5的金属称为轻金属，如Mg，Al，Ti等。 密度大于5的金属称为重金属，如Fe，Pb，W等。 普通陶瓷为2.2-2.5，金属陶瓷为3.8以上；聚合物为0.9-1.9。 材料密度直接关系到产品的自重。轻金属通常用于航空航天工业。 复合材料中通常用的是比强度，即抗拉强度与密度之比（/）；或比模量，即弹性模量E与密度之比(E/)。这两项也是考虑某些零件材料性能的重要指标。2 熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。 纯金属是晶体结构，都有固定的熔点。 熔点高的金属称为难熔金属，如W，Mo，V等，可以用来制造耐高温零件，如导弹，火箭，燃气轮机和喷气飞

32、机。 熔点低的金属称为易熔金属，如Sn，Pb，可用于保险丝和安全阀等。 陶瓷的熔点显著高于金属及合金的熔点，高分子通常不是完全晶体，所以没有固定的熔点。 3热膨胀性热膨胀性 金属随着温度变化而膨胀或收缩的特性叫热膨胀性。加热时体积增大，冷却时收缩。 材料的热膨胀通常用线膨胀系数表示(m/m. 0 C), 其计算式为： (L2-L1)/ tL1 (8-22)式中L1 ，L2分别为材料膨胀前后的长度，t为温差。 对精密仪器或机器的零件，热膨胀系数是一个非常重要的性能指标，选用时热膨胀系数要小。 在异种金属材料焊接中，常因材料的热膨胀性相差过大而使焊件变形或破坏。 一般而言，陶瓷的热膨胀系数最低，金

33、属次之，高分子则最高。 4磁性磁性 磁性是指材料被磁铁磁化或吸引的能力。磁性是指材料被磁铁磁化或吸引的能力。 衡量磁性材料的磁化难易程度的性能指标是磁道率，或称导磁系数。用符号 表示。 =B/H (8-23)式中B、H分别为材料磁感应强度(T、斯拉)和磁场强度(A/m)。 金属按磁性强弱可分以下三种： (1) 铁磁性材料 在外磁场中，能强烈地被磁化，如Fe、Co、Ni等。(2) 顺磁性材料 在外磁场中，只有微弱地被磁化，如Mn、Cr、Mo等。超声波探伤不能用。(3) 抗磁性材料 能够抗拒或被减弱外加磁场磁化作用的材料，如Cu、Au、Ag、Pb、Zn、Ti等。 在铁磁材料中，又分软磁性材料和硬磁

34、性材料,用 表示: =B/H (8-24)式中B、H分别为材料磁感应强度(T、斯拉)和磁场强度(A/m)。a. 软磁性材料 软磁性材料易磁化和导磁性良好，但外磁场去掉后磁性基本消失, 如电工用纯铁、硅钢片等。b. 硬磁性材料 硬磁性材料去磁后保持磁场，磁性不易消失。如淬火的钴钢、稀土钴等。 铁磁性材料铁磁性材料可用于制造变压器、电动机、测量仪表等；抗磁性材料抗磁性材料用于要求避免电磁场干扰的零件，如航海罗盘等。铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体。这个转变温度称居里点。如铁的居里温度为7700C。 一般而言，许多金属如铁、镍、钴等均具有较高的磁性。但也有许多金属,如铝、铜、

35、铅等,是无磁性的。非金属材料一般无磁性。5导热性导热性 导热性是指材料在加热时传导热能的性能导热性是指材料在加热时传导热能的性能, 用热导率（）表示，单位为（W/m.K）。 热导率越高，导热性越好。 金属导热性最好的是Ag ，Cu、Al次之。合金的导热性比纯金属差一些。 材料的导热性差，零件在加热或冷却时，由于表面和内部产生温差和热膨胀系数的不同而会产生破裂。导热性好的金属材料散热也好，在制造热交换器、散热器与活塞等传热设备的零部件时，要选导热性好的材料。 金属及合金的导热系数通常远高于非金属材料。 6导电性导电性 导电性是指材料传导电流的性能，用电阻率来衡量，单位为.m。材料的导电性用电导率

36、表示，单位是(S/m)，是电阻率单位的倒数。 金属的电阻率随温度升高而增加，非金属则与此相反。 金属及其合金一般具有良好的导电性，Ag的导电性很好，Cu、Al次之。合金差一些。电阻率小的金属（纯Cu、纯Al）适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属（W，Mo，Fe，Cr）适于做电热元件。 高分子大多是绝缘体，但有的高分子复合材料却具有良好的导电性。 陶瓷虽然也是良好的绝缘体，但某些特殊成分的陶瓷却是有一定导电性的半导体。 7相对介电常数相对介电常数 表示绝缘材料电性能的物理量称介电常数，单位是（F/M）。 虽然电的绝缘体不传导电荷，但它们对电场并不是无效的。真空介电常数为 绝缘材料的介电常数与真

37、空介电常数0之比，称为该材料的相对介电常数 r（ / 0 ）。 总之，一些常见金属的物理性能见表8-3。mF /1085. 8120表8-3 一些常见金属的物理性能8.2.7 化学性能化学性能 金属的化学性能是指材料在常温或高温下抵抗氧气和各种化学腐蚀介质侵蚀的能力。 化学性能一般包括耐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。1耐蚀性耐蚀性 腐蚀分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀三种。耐蚀性是指金属抵抗各种介质侵蚀的能力。 化学腐蚀化学腐蚀是指金属与非电解质直接发生化学反应但不产生电流的破坏过程。例如，金属在干燥气体中的腐蚀（飞机发动机燃烧室内壁、火焰筒的腐蚀）、金属在有机物液体酒精、石油中的腐蚀、铝在乙

38、醇中的腐蚀，以及镁和钛在甲醇中的腐蚀。 电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属表面与电解质溶液发生电化学反应引起的破坏过程。 其腐蚀过程必须有电极反应并产生电流，即有一个阴极反应和一个阳极反应。 金属在大气、海水、土壤、介质中的腐蚀均属电化学腐蚀，这是最普遍、最常见的腐蚀形式。例如，钢铁生锈、铜生铜绿等。 物理腐蚀物理腐蚀是指由于单纯的物理溶解而产生的腐蚀，如钢铁在液态锌中的溶解等。 材料耐蚀性常用每年腐蚀深度来评定耐蚀等级。 非金属材料由于没有自由电子或自由电子很少，其耐蚀性远远高于金属。 2.2.高温抗氧化性高温抗氧化性 金属在室温和高温条件下抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 金属在加热条件下，氧

39、化作用会加速。 现代工业中许多在高温下工作的机器与设备，首先必须具备抗氧化性。抗氧化性并不是指高温下完全不被氧化，而是指材料在迅速氧化后，能在表面形成一层连续而致密并与母体结合牢靠的膜，从而阻止进一步氧化的特性。 高分子虽然也有氧化问题，但其氧化温度不高，而且氧化机制也不相同。 陶瓷材料也会氧化，但基本上是高温氧化。3 化学稳定性化学稳定性 化学稳定性是指材料的耐蚀性和抗氧化性的总称。 一般合金钢如钛钢、不锈钢等的耐蚀性均较好 例如，铁素体不锈钢（Cr17，Cr25）、奥氏体不锈钢（18-8,（1Cr18Ni9Ti, 304）和马氏体不锈钢(2Cr13,1Cr13)的耐酸性较好（盐酸例外）。

40、金属在高温下的化学稳定性称热稳定性，有时称耐热钢,如12Cr1MoV，X20CrMOV121，10CrMo910，P91钢、T91钢等。 8.2.8 工艺性能工艺性能 金属工艺性能的好坏，直接影响制造零件的工艺方法、质量及成本。因此，选材时也必须充分考虑。 工艺性能主要有以下几方面。1 1铸造性铸造性 液体金属浇注在形状复杂模具中并获得优质铸件液体金属浇注在形状复杂模具中并获得优质铸件的能力叫铸造性能的能力叫铸造性能。流动性好、收缩率小、偏析倾向小是铸造性能好的衡量指标。 某些工程塑料在成型加工过程中，也要求好的流动性，如熔融指数MI和小的收缩率。 2 锻造性锻造性 材料采用锻压加工方法是否易

41、于进行的压力加工材料采用锻压加工方法是否易于进行的压力加工能力叫锻造性能力叫锻造性。 可锻性好坏主要以材料的延性及变形抗力来衡量。铸铁不能进行任何压力加工。热塑性塑料可挤压和模塑成型，这与金属挤压和模压成型相似。 3可焊性可焊性 材料对焊接加工的适应性叫焊接性材料对焊接加工的适应性叫焊接性。 焊接在一起并能保证焊缝质量的性能，一般用焊接处出现各种缺陷的倾向来衡量。 低碳钢具有优良的可焊性；铸铁和铝合金的可焊性就很差。某些工程塑料也有良好的可塑性，但与金属的焊接机制及工艺方法并不相同。 4. 切削加工性切削加工性 金属是否易于进行切削加工的性能叫金属是否易于进行切削加工的性能叫切削加工切削加工性

42、性。 它与材料的种类、成分、硬度、韧性、导热性及内部组织状态等许多因素有关。 有利切削的硬度为HB160-230。切削加工性好的材料，切削容易，刀具磨损小，加工表面光洁。5.5.热处理工艺性能热处理工艺性能 钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火的能力。 含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性就比较差。 8.3 聚合物的性能聚合物的性能8.3.1 机械性能机械性能 聚合物的物理力学状态聚合物的物理力学状态 线性非晶态聚合物的三种力学状态 线性非晶态聚合物在不同温度下表现出三种物理状态：玻璃态、高弹态和粘流态。 在恒定载荷作用下

43、，聚合物的变形温度曲线如图8-13所示，图中Tb为脆化温度、Tg为玻璃化温度、Tf为粘流温度，Td为分解温度。1. 图图 8-13 线性非晶态聚合物的变形与温度曲线的关系 玻璃态玻璃态 TTg时，变形量很大，弹性模量显著降低，但外力去除后变形仍可回复，弹性是可逆的，见图8-13b。 聚合物表现为柔软性而富弹性，具有橡胶特性，处于所谓高弹态或橡胶态。 图 8-14 高聚物材料的形变机理a.普弹形变TTg；c.流动变形 TTf 当T Tg时，分子动能增大，足以使分子链段运动，但还不能使整个大分子链运动。此时分子链的柔性已大大增加，卷曲状态的分子链可沿外力方向逐渐伸展，变形量可达1001000，处于

44、高弹变形状态，见图8-14b。这是高聚物所独有的力学状态。c. 粘流态粘流态 温度高于Tf后，变形迅速发展，聚合物开始产生粘性流动，处于粘流态，此时变形已不可逆。 由于分子动能的增强，聚合物不仅链段运动，整个分子链也能运动，产生很大的不可逆的流动变形，出现聚合物的粘性流动,见图8-14 c。 所以，粘流态主要是与大分子链的运动有关。(2)(2)晶态聚合物的力学状态晶态聚合物的力学状态 聚合物结晶一般不完整，存在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。由于部分结晶存在(结晶度大于40%)，在Tg以上，链段运动仍受到限制，模量下降不大。在Tm以上模量才迅速下降。若聚合物分子量很大，TmTf 则熔融之后转变

45、成粘流态。因此，结晶度和分子量对聚合物的物理状态和性能有显著影响。(3)体型聚合物的力学状态体型聚合物的力学状态 对于体型非晶态聚合物，具有网状分子链，交联点的密度对聚合物的物理状态有重要影响。 若交联点密度小，链段仍可运动，具有高弹态，弹性好，如轻度硫化的橡胶材料。若交联点密度大，此时，TgTf，高弹态消失，聚合物与玻璃一样，其性能硬而脆，如酚醛塑料、不饱和聚酯和环氧树脂等。2. 聚合物的机械性能聚合物的机械性能 与金属相比，聚合物有以下特点：（1）强度低）强度低 聚合物的平均强度为100MPa，比金属低得多，但由于密度小（0.9-1.9）, 其比强度仍较高，某些工程塑料的比强度比金属高，如

46、PEEK，PAI等，经纤维增强后，其比强度更高。 聚合物的强度由分子链的化学键和分子链的相互作用构成，其理论值近似为1/10E,该值比实际强度高1001000倍。这是由于材料内部的缺陷引起的。 对于粘弹性聚合物，其强度十分依赖于温度，见图8-15, 又依赖于变形速度。加载速度快时，分子链段来不及变形，材料变脆，如图8-16。a.W2W3）（2) 弹性高、弹性模量低弹性高、弹性模量低 聚合物的弹性变形量大，可达100-1000；一般金属仅为 1%-30%。 聚合物的弹性模量低，通常在1-20GPa；金属的弹性模量在200GPa以上。 它们之间的差别主要在于聚合物的高弹性。聚合物的高弹性一方面与分

47、子链的柔顺性有关；另一方面与本身的相对分子量以及分子间交联密度有关。 聚合物的相对分子质量愈大，弹性区范围就愈宽。适度的交联可以防止分子链间的滑动。 大多数聚合物的高弹性是平衡高弹性，应力与应变同步发生。但有些聚合物如橡胶，特别在老化和低温状态下表现出与时间的依赖性，即应变与应力不同步，有些滞后，见图8-17。 粘弹性是指聚合物的应变不仅取决于应力，而且取决于加载速率，或聚合物的应力同时依赖于应变和应变速率的变形行为。 粘弹性产生的原因是链段的运动遇到困难，需要有一定的时间来调整构象以适应外力的要求。 所以，应力作用的速度愈快，链段愈来不及作出反应，粘弹性愈显著。 粘弹性的表现主要有蠕变、应力

48、松弛和内耗等。（3) 粘弹性粘弹性 图 8-17 高聚物的应力与应变与时间的关系 蠕变是在应力保持恒定的情况下应变随时间的增长而增加的现象，见图8-18。 聚合物的蠕变比其它材料严重得多，在室温和在外力作用下即可发生不可恢复的塑性变形，它是分子链在外力持久作用下逐渐产生构象的变化和位移。例如，电线用PVC套管。 PPO，PC，PSF有较好的抗蠕变性。a. 蠕变蠕变 图 8-18 蠕变前后分子构象变化的示意图 b.b.应力松弛应力松弛 聚合物受力变形后产生的应力随时间而逐渐衰减的现象叫应力松弛。 例如，法兰密封垫圈经长时间使用后发生渗漏现象。 与蠕变一样，应力松弛也是大分子链在力的作用下逐渐改变

49、构象并发生位移，如图8-19所示。 聚合物的应力松弛与分子链的结构有关。 线性高聚物随时间的增长，可依次产生普弹、高弹和流动变形，在足够长的时间里，应变衰减为零。 对于交联聚合物，应力则衰减到一定值。 图 8-19 应力松弛过程中分子构象的变化c. 滞后与内耗滞后与内耗 聚合物受周期载荷作用时，会产生拉伸和压缩的循环应变，如图8-20所示，如橡胶轮胎、减震器等。 聚合物受载拉伸时，应力与应变沿ACB线变化，卸载回缩时沿BDA变化，回缩是平衡的，伸张则达不到平衡。应变落后于应力，出现应变滞后现象。 由于应变对应力的滞后，在重复加载时，就出现上一次变形还没有回复或分子链的构象跟不上改变时，又施加了

50、下一次载荷，造成分子间的内摩擦，产生所谓的内耗，变形储存的弹性能转变为热能。储存的能量等于滞后回线ACBDA所包围的面积。 内耗会引起聚合物温度的升高，加速老化，但内耗能吸收震动波，有利于聚合物的减震性能。 图图8-20 橡胶在一个周期循环后的应力与应变曲线橡胶在一个周期循环后的应力与应变曲线 聚合物具有绝热性。加热时一部分分子链受热，另一部分不会受热或少受热，因此材料不会立即熔化，先有一个软化过程，表现出明显的塑性。 在应力应变曲线中，聚合物变形有二大特点：a. 屈服点处应变大 聚合物应变可高达20以上，金属一般小于1。b. 颈缩变形阶段长 断裂时聚合物塑性变形量大，比金属大得多。 这些现象

51、与聚合物分子链的柔顺性有关。在外力作用下，卷曲的分子链会伸展产生高弹变形，并且在Tg以下因链段运动被冻结，变形后不能恢复。这种变形叫受迫高弹性。但是加热后，变形可完全恢复。（4）塑性和受迫弹性）塑性和受迫弹性 线性聚合物的韧性较好，断裂前能吸收较大的能量。体型聚合物的韧性差。 热塑性塑料的冲击韧性一般在2-15kJ/m2；热固性塑料则为0.5-5kJ/m2。其值比金属材料小得多。 由于冲击韧性低及拉伸强度低，纯树脂的塑料就不能作为结构材料来使用。 为了提高塑料的韧性和强度，可以通过纤维增强方式来提高，即制成聚合物基复合材料。 例如，不饱和聚酯树脂用纤维增强后成为玻璃钢，其强度由40-80MPa

52、，提高到200-340MPa，冲击韧性由1-2.16kJ/m2, 提高到27-162kJ/ m2, 而断裂伸长量仍不很高（0.5%-2%)。（5）韧性）韧性 摩擦是接触表面间的机械粘接和分子粘着引起的。 大多数塑料对金属和塑料的摩擦系数值在0.2-0.4之间。有些塑料更低。例如，PTFE对PTFE的摩擦系数只有0.04, 几乎是工程材料中最低的。 PTFE摩擦系数低是由于分子链长且键强高，碳原子被周围的氟原子有效地屏蔽，分子间的实际粘着力变得很低，表面上的分子能够佷容易地相互滑动或滚动；另一方面，分子之间的机械连锁，提高了材料的硬度和抗剪强度，使摩擦抗力大大提高。 塑料的另一优点是自润滑性能好

53、，能吸震和消音，在无润滑和少润滑的条件下，其耐磨和减摩性能是金属材料难于比拟的，例如，PA，PEEK等。（6）减摩和耐磨性）减摩和耐磨性绝缘体绝缘体 聚合物分子的化学键为共价键，不能电离，没有自由电子和可移动的离子，因此是良好的绝缘体。 聚合物的绝缘性与陶瓷相当。另外，由于聚合物分子细长、卷曲，在受热、受声之后振动困难，所以对热、声也有良好的绝缘性。 例如，塑料的导热性只有金属的1以下。2.2.耐热性耐热性 聚合物的耐热性是指它对温度升高时机械性能聚合物的耐热性是指它对温度升高时机械性能降低的抵抗能力降低的抵抗能力。实际耐热性是聚合物开始软化或变形一定量时的温度来表达。8.3.2 聚合物的物理

54、性能聚合物的物理性能 对于线性非晶态聚合物，其力学状态与玻璃化温度Tg有关，使用温度必须低于Tg ；对晶态聚合物，则与熔点Tm有关，即可在此温度下使用。 塑料的耐热性常用马丁耐热温度表达短时耐热性。将标准试样（120mm 15mm 10 mm）置于耐热仪中，施加一定的弯应力（5MPa），缓慢加热，使试样末端弯曲到指定大小的挠度达6mm时的温度，即为该塑料的马丁耐热温度。 有时, 工程上常用热变形温度THDT(1.8MPa) 来表示塑料的短时耐热性。该值是用三点弯曲试样测定的。 通用塑料的使用温度一般在1000C以下；高性能工程塑料在1000C-2000C使用（PEEK，PES）,热固性酚醛塑料

55、可在1300C-1500C使用。有机硅塑料可在2000C-3000C使用。但它们的使用温度比金属低的多。3. 耐蚀性耐蚀性 聚合物的化学稳定性很高，能耐水、耐酸、耐碱和无机试剂。塑料王PTFE几乎可耐所有的介质。 耐蚀性好是塑料的最大优点。4. 老化老化 老化是指聚合物在长期使用或存放过程中，由于环境因素的作用，性能随时间不断劣化，逐渐丧失使用价值的过程。这是聚合物的主要缺点。 高聚物的老化一般分为物理老化和化学老化。 化学老化是一种不可逆的化学反应，其表现为橡胶变脆、龟裂、发粘，塑料退色、失去光泽和开裂。这些现象是不可逆的。 化学老化化学老化是聚合物链的结构发生降解和交联。 降解降解是聚合物

56、化学键受到光、热、机械作用力等因素的影响，分子链发生断链或裂解，分子量降低，强度、模量、熔点、溶解度、粘度等下降。 交联交联是指断裂了的自由基再相互作用产生交联结构，使材料变脆、变硬和伸长率下降。 物理老化物理老化是指玻璃态聚合物通过小区域链段的微布朗运动，使其凝聚态结构从非平衡态向平衡态过渡。它使材料的物理、力学性能发生变化，材料的密度、模量、抗拉强度增加，断裂伸长率和冲击韧性下降，材料由韧性变为脆性。 物理老化是一种可逆过程，与聚合物的构象变化有关，这时分子间的堆砌更加紧密，分子间的此价键力的作用出现物理交联，自由体积下降。8.4.1 陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能刚度刚度 刚度由弹性模量来

57、衡量，反映结合键的强度。 陶瓷的化学键合是强大的离子键或离子键与共价键的混合键，具有很高的弹性模量，是各类材料中属最高的（表8-4）。 陶瓷的弹性模量比金属高若干倍，比聚合物高2-4各数量级。几种典型陶瓷的弹性模量见表8-5。 像金属一样，陶瓷的弹性模量对组织不敏感，但受气孔率影响较大，随温度的提高而下降。1. 8. 4 陶瓷的性能陶瓷的性能 表表 8-4 常见材料的弹性模量和硬度常见材料的弹性模量和硬度 表表 8-5 几种典型陶瓷的弹性模量和强度几种典型陶瓷的弹性模量和强度2. 硬度硬度 与刚度一样，硬度也取决于化学键的强度，所以陶瓷也是各类材料中硬度最高。这是陶瓷材料的最大特点。 例如，大多数陶瓷的显微硬度Hv在10005000之间，淬火钢仅为500800，而聚合物最硬不超过20。