第四章第一节前部分

1、Materials property第四章第四章 材料的性能材料的性能 本章对材料的本章对材料的机械性能机械性能、热性能热性能、电学电学、磁学磁学、光学性能光学性能以以及及耐腐蚀性耐腐蚀性，复合材料复合材料及及纳米材料纳米材料的性能进行阐述。的性能进行阐述。材料的性能决定材料用途材料的性能决定材料用途第四章第四章 内容内容4-1 固体材料的机械性能固体材料的机械性能4-2 材料的热性能材料的热性能4-3 材料的电学性能材料的电学性能4-4 材料的磁学性能材料的磁学性能4-5 材料的光学性能材料的光学性能4-6 材料的耐腐蚀性材料的耐腐蚀性4-7 复合材料的性能复合材料的性能4-8 纳米材料及效

2、应纳米材料及效应Mechanical property of materials Stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity Permanent deformation Strength Fracture 4-1 4-1 固体材料的机械性能固体材料的机械性能41 固体材料的机械性固体材料的机械性能能 Mechanical Properties of Solid Materials力学性能设计内容：力学性能设计内容： （1）固体材料在各种使用条件下的失效现象和）固体材料在各种使用条件下的失效现象和微观机理微观机理 （

3、2）各种力学性能指标的物理意义，实用意义）各种力学性能指标的物理意义，实用意义以及它们之间的相互关系以及它们之间的相互关系 （3）影响工程材料力学性能的因素及提高力学）影响工程材料力学性能的因素及提高力学性能的途径性能的途径 （4）力学性能的测试方法）力学性能的测试方法 Mechanical states of materials A 晶态晶态结构结构 。B 较高的弹性较高的弹性模量模量和和强度强度 ， 低的延伸率。低的延伸率。C 受力开始为弹性受力开始为弹性形变形变，接着一段塑性，接着一段塑性形变形变，然后断，然后断裂，总变形能很大。裂，总变形能很大。D 具有较高的具有较高的熔点熔点。4-1

4、-1 材料的力学状态材料的力学状态1. 金属金属(Metals)的力学状态的力学状态固体内部存在晶相和非晶相两种相态。非晶态，在热力学上视为固体内部存在晶相和非晶相两种相态。非晶态，在热力学上视为液相。液相。 当液体冷却固化时，有两种转变过程，一种是规则排列，晶当液体冷却固化时，有两种转变过程，一种是规则排列，晶态，一种是不规则排列，非晶态。态，一种是不规则排列，非晶态。图4.1 温度与弹性模量关系弹性模量随温度升高而降低？弹性模量随温度升高而降低？C 延伸率很低而并不脆。延伸率很低而并不脆。 D 温度升高到玻璃化转变温度以上，原子可温度升高到玻璃化转变温度以上，原子可动性显著增大动性显著增大

5、, 粘度明显降低，发生晶化而粘度明显降低，发生晶化而失去非晶态结构。失去非晶态结构。B 具有很高的硬度和强度，具有很高的硬度和强度，A 呈非晶态合金，呈非晶态合金，某些金属合金某些金属合金2. 无机非金属无机非金属(nonmetals)的力学状态的力学状态D 绝大多数无机材料在绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性弹性变形后立即发生脆性断裂断裂，总弹性应变能很小。，总弹性应变能很小。C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度陶瓷材料也存在玻璃化转变温度TgB 玻璃相玻璃相熔点熔点低，热稳定性差，强度低，低，热稳定性差，强度低，气相（气相（气气孔）的存在导致陶瓷的弹性孔）的存在导致陶瓷的弹性模量模量和机

6、械和机械强度强度降低。降低。A 内部呈晶相和非晶相共存结构，非晶相包括玻璃内部呈晶相和非晶相共存结构，非晶相包括玻璃 相和气相。相和气相。高模量高模量陶瓷陶瓷材料的力学特征材料的力学特征高硬度高硬度高强度高强度低延伸率低延伸率以上性质主要由陶瓷材料的原子键合特点决定的。以上性质主要由陶瓷材料的原子键合特点决定的。共价键共价键=离子键离子键金属键金属键3. 聚合物的力学状态聚合物的力学状态 (Polymer)（1） 非晶态聚合物非晶态聚合物的的三种三种力学状态力学状态 玻璃态玻璃态 （1091010pa） 高弹态高弹态 （ 104pa） 粘流态粘流态 此外，具有三维微交联结构的聚合物，不发此外，

7、具有三维微交联结构的聚合物，不发生粘性流动，只有高弹行为；而具有高度交联结生粘性流动，只有高弹行为；而具有高度交联结构时，高弹行为也失去。过小分子量的聚合物无构时，高弹行为也失去。过小分子量的聚合物无高弹态。高弹态。图图4.2 非晶态聚合物的热机械曲线非晶态聚合物的热机械曲线（2） 结晶聚合物结晶聚合物的力学状态的力学状态 A 结晶聚合物常存结晶聚合物常存 在一定的在一定的非晶非晶部分，也有部分，也有玻璃化转变。玻璃化转变。 B 在在T g 以上以上模量模量下降不大下降不大 C 在在T m 以上以上模量模量迅速下降迅速下降 D 聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，T m T f ，则熔融之后即

8、转变成，则熔融之后即转变成粘流态粘流态 图图4.3 结晶聚合物的温度形变曲线结晶聚合物的温度形变曲线 1分子量较低分子量较低, TfTm 2分子量较高分子量较高, Tm AT工程应力工程应力 ： =F / A 0工程应力工程应力 小于小于 真实应力真实应力 T（2）简单剪切简单剪切(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 切应力：切应力： s( )= F / A 0切应变：切应变： =tan（3）均匀压缩均匀压缩(compress)Compression stress-stain tests may be co

9、nducted when in-service forces are of this type. A com- pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction of the stress.压缩应变压缩应变 V： V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0F：周围压力：周围压力p（4）扭转扭转 Torsional deformati

10、on切应力切应力 =M / W M: 扭矩扭矩; W: 截面系数截面系数空心 W=.d 0 3（1- d 1 4 /d 0 4）/16 实心 W=.d 0 3/16 切应变切应变 =tg = d 0 / (2l 0 ) 100%（5）弯曲弯曲 Flexural deformation弯矩弯矩 M 最大扰度最大扰度 max3. 应力应力应变曲线应变曲线(Stress-strain curve)常用的试验方法：常用的试验方法：= F / A0和和 = l / l0 曲线（曲线（F l）转换为应力）转换为应力应变曲线应变曲线 （ ）A .以匀速拉伸试样，用测力装置测量以匀速拉伸试样，用测力装置测量F

11、，伸长计同时测量，伸长计同时测量 l。B .采用适当的坐标转换因子采用适当的坐标转换因子弹性弹性-均匀塑性均匀塑性型型纯弹性纯弹性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性型型弹性弹性-不均匀塑性不均匀塑性-均匀塑均匀塑性性型型弹性弹性-不均匀塑性（屈服不均匀塑性（屈服平台）平台）-均匀塑性均匀塑性型型拉伸拉伸应力应力应变曲线（应变曲线（ ）五种类型五种类型下一页下一页应力应力 应变应变实例实例4-1-3弹性形变弹性形变 Elastic deformationA 任何材料任何材料起始起始总是有弹性形变总是有弹性形变; B 有一定的弹性形变有一定的弹性形变范围范围，它取决，它取决 于应力的大小于应力的大

12、小和形态。和形态。弹性形变有普遍性弹性形变有普遍性1、Hooke定律和弹性模量定律和弹性模量 Hooks raw and Modulus of elasticity弹性形变的力学特点弹性形变的力学特点:小形变、可回复小形变、可回复Hooke定律定律: E E -弹性模量弹性模量, 量纲量纲 GN/m2, Gpa弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 弹性模量弹性模量:正应力在正应力在 状态下状态下: 正弹性模量正弹性模量 E 纯剪切力纯剪切力 作用下作用下: 切弹性模量切弹性模量 G 均匀压缩均匀压缩: 体积弹性模量体积弹性模量 K 0( VV0)泊松比泊松比

13、为缩短应变与伸长应变的比值，为缩短应变与伸长应变的比值， =- ey/ex转化关系转化关系:E=3G/1+G/3K K=E/3(1-2) E=2G(1+)E=3K(1-2)E=3K(1-2)材料的材料的弹性模量弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力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主要取决于原子间的结合能力 金属的模量金属的模量值主要取决于 10-102A 晶体中原子原子的本性、电子结构 B 原子的结合力结合力 C 晶格晶格类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。 陶瓷陶瓷材料具有较高模量 10-102A 原子键合键合的特点 B 构成材料相相的种类，分布、比例及 气孔

14、率有关。 高分子材料高分子材料低模量A 分子链之间的作用力；B 分子链的刚柔性有关 FIGURE 7.19 Typical stressstrain behavior to fracture for aluminum oxide and glass. 查表知泊松比查表知泊松比 =0.34查表知模量查表知模量E =97GPa例题例题4-4. 一硫化的橡胶球受到一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力的静水压力，直径直径减少了减少了1.2%，而相同材质的试棒在受到，而相同材质的试棒在受到516.8KPa的的拉应力时伸长拉应力时伸长2.1%，则此橡胶棒的，则此橡胶棒的泊松比泊松比为多少？为多少？

15、例题例题E=3K(1-2)So =0.5(1-E/3K)=0.51-(24.6MPa)/(3 193.7MPa)=0.48E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6MpaK=/(V/V) =6.89Mpa/(1-0.9883)/1=193.7Mpa金属晶体、离子晶体、共价晶体金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现等的变形通常表现为为普弹性普弹性，主要的特点是：，主要的特点是： A 应变在应力作用下瞬时产生，应变在应力作用下瞬时产生， B 应力去除后瞬时消失，应力去除后瞬时消失，C 服从虎克定律。服从虎克定律。高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性 2. 有

16、机聚合物的高弹性、粘弹性有机聚合物的高弹性、粘弹性 Elasticity and Visco-elasticity of PolymersCarswell和Nason将聚合物应力应变曲线分为五大类型，即：硬而脆、硬而强、强而韧、软而韧、软而弱。硬而脆、硬而强、强而韧、软而韧、软而弱。应力-应变行为有以下几个重要指标：杨氏模量E刚性刚性（以“硬”或“软”来形容）屈服应力 或断裂应力（又称抗张强度 ）强强度度（以“强”或“弱”来形容） 图 非晶态聚合物的应力-应变曲线整个曲线可分成五个阶段： 弹性形变区，从直线的斜率可以求出杨氏模量，从分子机理来看，这一阶段的普弹性是由于高分子的键长、键角和小的运

17、动单元的变化引起的。 屈服（yield，又称应变软化）点，超过了此点，冻结的链段开始运动。 大形变区，又称为强迫高弹形变，本质上与高弹形变一样，是链段的运动，但它是在外力作用下发生的。 应变硬化区，分子链取向排列，使强度提高。 断裂高弹性高弹性，即，即橡胶弹性橡胶弹性 (rubberlike elasticity) 弹性模量小、形变大弹性模量小、形变大。 表现如下表现如下:A 一般材料，如铜、钢等，形一般材料，如铜、钢等，形 变量最大为变量最大为 1 左右，左右， B 而橡胶的高弹性形变很大，可拉伸至而橡胶的高弹性形变很大，可拉伸至 5 10 倍。倍。 C 橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万

18、分之一左右，即橡胶的弹性模量则只有一般固体物质的万分之一左右，即10100 10 4 Pa。 弹性模量随温度升高而上升弹性模量随温度升高而上升(本质决定，熵变本质决定，熵变) 一般固体的模量则随温度的提高而下降。一般固体的模量则随温度的提高而下降。 能弹性和熵弹性的主导地位决定能弹性和熵弹性的主导地位决定 形变时有热效应，拉伸时放热，回缩时吸热。形变时有热效应，拉伸时放热，回缩时吸热。 在一定条件下，高弹形变有明显的松弛现象。在一定条件下，高弹形变有明显的松弛现象。（2）粘弹性粘弹性 viscoelasticity 聚合物既有粘性又有弹性的性质，实质是聚合物的力松弛行为。静态静态粘弹性 固定应

19、力下形变随时间延长而发展的性质。固定应力下形变随时间延长而发展的性质。 A 蠕变蠕变(creep) 开尔文开尔文模型（Kelvin model) 并联并联 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) / 形变随时间而增加形变随时间而增加蠕变：蠕变：材料在一定温材料在一定温度，应力作用下，变度，应力作用下，变形随时间的延续而缓形随时间的延续而缓慢增长的现象。慢增长的现象。B. 应力松弛应力松弛(stress relaxation) 麦克斯维麦克斯维模型 (Maxwell model) 串联串联高分子链的构象重排和分子链滑移高分子链的构象重排和分子链滑移是导致材料蠕

20、变和应力松弛的是导致材料蠕变和应力松弛的根本原因。根本原因。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）随时间而减小应力（模量）随时间而减小应力松弛应力松弛：材料在一定：材料在一定温度，恒定变形条件下，温度，恒定变形条件下，应力随时间的延续而逐应力随时间的延续而逐渐减少的现象。渐减少的现象。 凡是能增加分子间作用力和链段运动阻力的结构因素，均能提凡是能增加分子间作用力和链段运动阻力的结构因素，均能提高聚合物抗蠕变和应力松弛能力。高聚合物抗蠕变和应力松弛能力。 如：主链刚性大；相对分子质量高；分子极性强，分子如：主链刚性大；相对分子质量高；分子极

21、性强，分子间作用力大；聚合物交联等。间作用力大；聚合物交联等。 聚四氟乙烯分子链虽然刚性大，但分子间作用力小，所聚四氟乙烯分子链虽然刚性大，但分子间作用力小，所以抗蠕变松弛能力弱。以抗蠕变松弛能力弱。 聚氨脂橡胶由于分子极性强，分子间作用力大，所以抗聚氨脂橡胶由于分子极性强，分子间作用力大，所以抗蠕变性能好。蠕变性能好。 动态粘弹性动态粘弹性 Dynamic viscoelasticity （高聚物）（高聚物） 周期性、交变应力下的力学行为。周期性、交变应力下的力学行为。0 2 tt 聚合物的应变随时间的变化始终落后于应力的变化，这一滞后效应称为动态粘弹性现象。由于存在滞后效应，使聚合物在交变

22、应力作用下，应变来不及完全恢复。未能释放的弹性能消耗于克服分子间的内摩擦上，即产生了内耗。这种内耗转化为热能。取决于温度和荷载的频率取决于温度和荷载的频率 3、滞弹性滞弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性无机固体和金属的与时间有关的弹性聚合物的黏弹性可以认为是严重发展的滞弹性聚合物的黏弹性可以认为是严重发展的滞弹性理想弹性材料理想弹性材料滞弹性材料滞弹性材料 大多数聚合物本大多数聚合物本质上是滞弹性材料质上是滞弹性材料,金金属和陶瓷可以基本上属和陶瓷可以基本上视为理想弹性材料体视为理想弹性材料体,也可以是严重滞弹性也可以是严重滞弹性的，取决于温度和载的，取决于温度和载荷的频率荷的频率.比例极限

23、比例极限 (proportional limit) 弹性变形时应力与应变严弹性变形时应力与应变严格成格成正比正比关系的上限应力关系的上限应力 p = F p / S 0 条件比例极限条件比例极限 GB228-63 tan /tan =150% p50 p25 p10代表材料对极微量塑性变形的代表材料对极微量塑性变形的抗力抗力 切线切线4、 弹性极限与弹性比功弹性极限与弹性比功（金属）（金属）（条件）弹性极限（条件）弹性极限 最大弹性变形最大弹性变形时的应力值。 条件弹性极限 0.01、条件屈服极限 0.2 应力正比于应变的比例关系(胡克定律)保持不变的最大应力称为比例极限比例极限。弹性极限弹性

24、极限是使材料开始发生范性形变范性形变的应力。工程上往往采用比例极限来代替弹性极限工程上往往采用比例极限来代替弹性极限(比较接近比较接近)。 工程工程 上规定,以产生0.005%,0.01%,0.05%的残留变形时的的残留变形时的应力作为条件弹性极限应力作为条件弹性极限,分别以分别以 0.005, 0.01, 0.05表示表示. 材料屈服屈服是使试样产生给定的永久变形永久变形时所需要的应力，金属材金属材料料试样承受的外力超过材料的弹性极限弹性极限时，虽然应力不再增加，但是试样仍发生明显的塑性变形，这种现象称为屈服，即材料承受外力到一定程度时，其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形，产生屈服时

25、的应力称为屈服极限( 0.2)。 弹性比功弹性比功 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 W = /2= 2/2E4.1.4 永久形变永久形变 材料永久形变是一种流动过程：包括两种基本类型：晶质材料的塑性流动通常表现为晶体的一部分相对于另一部分的滑动；非晶质材料中的原子小基团自由调换其相邻基团的过程，此过程为粘性流动。塑性流动塑性流动 当外加的应力超过晶质材料（主要是金属）的弹性极限，晶当外加的应力超过晶质材料（主要是金属）的弹性极限，晶质材料就会发生塑性变形。质材料就会发生塑性变形。A.材料塑性变形机理材料塑性变形机理 常见的塑性变形机理或方式主要有两种常见的塑性变形机理或方式主要有两种,即：即：滑移和孪生滑移和孪生（1）滑移）滑移 材料在切应力的作用下，沿着一定的晶