1、第四章第四章 材料的性能材料的性能materials property性能決定用途。本章對材料的力學性能、熱性能、電學、磁學、光學性能以及耐腐蝕性，復合材料及納米材料的性能進行闡述。41 固體材料的力學性能固體材料的力學性能Mechanical Properties of Solid Materials結構件：力學性能為主結構件：力學性能為主非結構件：力學性能為非結構件：力學性能為輔，但必不可少輔，但必不可少mechanical property of materialsstress and strainElastic deformationModulusViscoelasticityperm

2、anent deformationStrengthFracture4-1-1 材料的力學狀態材料的力學狀態 mechanical states of matrials1.金屬的力學狀態金屬的力學狀態A 晶態結構，晶態結構，B 較高的彈性模量較高的彈性模量 和強度，和強度，C 受力開始為彈性受力開始為彈性 形變，接著一段形變，接著一段 塑性形變，然后塑性形變，然后 斷裂，斷裂， 總變形能很大，總變形能很大，D 具有較高的熔點。具有較高的熔點。某些金屬合金某些金屬合金A 呈非晶態合金，呈非晶態合金，B 具有很高的硬度和強度，具有很高的硬度和強度，C 延伸率很低而并不脆。延伸率很低而并不脆。D 溫度

3、升高到玻璃化轉變溫度以上，粘度明顯降低，溫度升高到玻璃化轉變溫度以上，粘度明顯降低， 發生晶化而失去非晶態結構。發生晶化而失去非晶態結構。2. 無機非金屬的力學狀態無機非金屬的力學狀態A 玻璃相熔點低，熱穩定性差，強度低。玻璃相熔點低，熱穩定性差，強度低。B 氣相（氣孔）的存在導致陶瓷的彈性模量和機械氣相（氣孔）的存在導致陶瓷的彈性模量和機械 強度降低。強度降低。C 陶瓷材料也存在玻璃化轉變溫度陶瓷材料也存在玻璃化轉變溫度Tg。D 絕大多數無機材料在彈性變形后立即發生脆性斷絕大多數無機材料在彈性變形后立即發生脆性斷 裂，總彈性應變能很小。裂，總彈性應變能很小。陶瓷材料的力學特征陶瓷材料的力學特

4、征 高模量高模量 高硬度高硬度 高強度高強度 低延伸率低延伸率3. 聚合物的力學狀態聚合物的力學狀態（1） 非晶態聚合物非晶態聚合物 的三種力學狀態的三種力學狀態 玻璃態玻璃態 高彈態高彈態 粘流態粘流態（2） 結晶聚合物的力學狀態結晶聚合物的力學狀態T m 、 T f A 結晶聚合物常存結晶聚合物常存 在一定在一定的非晶部分，也有玻璃化轉變的非晶部分，也有玻璃化轉變。 B 在在T g 以上模量下降不大以上模量下降不大 C 在在T m 以上模量迅速下降以上模量迅速下降 D 聚合物分子量很大，聚合物分子量很大，T m T f ，則熔融之后即轉變成粘流態則熔融之后即轉變成粘流態， 玻璃化溫度玻璃化

5、溫度(Tg)是非晶態塑料非晶態塑料使用的上限溫度上限溫度 是橡膠橡膠使用的下限溫度下限溫度 熔點熔點(Tm)是結晶聚合物結晶聚合物使用的上限溫度上限溫度4-1-2 應力和應變應力和應變 stress-strain If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-

6、strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.4-1-2 應力和應變應力和應變 (stress and strain)1. 材料的應變方式材料的應變方式各向同性材料，三種基本類型： 簡單拉伸簡單拉伸 tension 簡單剪切簡單剪切 shear 均勻壓縮均勻壓縮 compression還有扭轉和彎曲扭轉和彎曲形變。應力應力：單位面積上的內力內力，其值與外加的力相等。 名義應力名義應力：面積為材料受力前的初始面積的應力。 真實應力真實應力：面積為受力后的真實面積的應力。應變應變

7、：受到外力不慣性移動時，幾何形狀和尺寸的變化。（1）簡單拉伸）簡單拉伸(tensile) = ( l l 0 ) / l 0 = l / l 0 =F / S 0F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直線上垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直線上 A standard tensile specimenTension is one of the most common mechanical stress-strain test. the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of ma

8、terials that is very important in design.（2）簡單剪切）簡單剪切(shear)切應變切應變 = l / l剪切力剪切力 s= F / S 0F與截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直線上的兩個力與截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直線上的兩個力 （3）均勻壓縮）均勻壓縮(compress)F：周圍壓力p V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0壓縮應變壓縮應變 V Compression stress-stain tests may be conducted when in-serviceforces are of this typ

9、e. A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimencontrasts along the direction of the stress.（4）扭轉）扭轉 Torsional deformation切應力切應力 =M / W切應變切應變 =tg = d 0 / (2l 0 ) 100%實心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1- d 1 4 /d 0 4）/16 （5）彎曲

10、）彎曲 Flexural deformation彎矩 M最大擾度 max2. 應力應力應變曲線類型應變曲線類型常用的試驗方法：A .以勻速拉伸試樣，用測力裝置測量F 伸長計同時測量l。B .采用適當的坐標轉換因子 曲線（曲線（F l）轉換為）轉換為 應力應力應變曲線應變曲線 （ ） = F / S 0和和 = l / l 0 拉伸應力拉伸應力應變曲線（應變曲線（ ）五種類型）五種類型純彈性型純彈性型彈性彈性-均勻塑性型均勻塑性型彈性彈性-不均勻塑性型不均勻塑性型彈性彈性-不均勻塑性不均勻塑性-均勻塑性型均勻塑性型彈性彈性-不均勻塑性（屈服平臺）不均勻塑性（屈服平臺）-均勻塑性型均勻塑性型(1)

11、 純彈性型純彈性型 A 陶瓷、巖石、大多數玻璃 B 高度交聯的聚合物 C 以及一些低溫下的金屬材料。(2) 彈性彈性-均勻塑性型均勻塑性型 A 許多金屬及合金、 B 部分陶瓷 C 非晶態高聚物。(3) 彈性彈性-不均勻塑性型不均勻塑性型 A 低溫和高應變速率下的面心立方金屬， B 某些含碳原子的體心立方鐵合金 C 以及鋁合金低溶質固溶體。 (4) 彈性彈性-不均勻塑性不均勻塑性-均勻塑性型均勻塑性型 A 一些結晶態高聚物 B 未經拉伸的線型非晶態高聚物 (5) 彈性彈性-不均勻塑性（屈服平臺）不均勻塑性（屈服平臺）-均勻塑性型均勻塑性型 A 一些體心立方鐵合金 B 許多有色金屬合金。 3、應力

12、、應力 應變應變 實例實例4-1-3和和4-1-4 材料的形變材料的形變Deformation of MaterialsElastic deformation Modulus of elasticity (Hook) (metal and ceramics) Rubberlike elasticity (elastomer) Viscoelasticity (polymer)permanent deformation Plastic (metal slip system and dislocation) viscous flow(glass and polymer) strengthening

13、413 彈性形變彈性形變 Elastic deformation 彈性形變有普遍性A 任何材料起始起始總是有彈性形變，B 有一定的彈性形變范圍范圍，它取決于應力的大小和形態。1、Hooke定律和彈性模量定律和彈性模量 Hooks raw and Modulus of elasticityHooke定律定律 E E -彈性模量彈性模量 量綱量綱 GN/m2 GPa 力學特點 小形變、可回復小形變、可回復彈性模量彈性模量 正彈性模量正彈性模量 E 正應力在狀態下 切彈性模量切彈性模量 G 純剪切力作用下 體積彈性模量體積彈性模量 K 0（ VV0） 泊松比泊松比為縮短應變與伸長應變的比值， =-

14、e=- ey y/e/ex x 轉化關系轉化關系 E=3G/1+G/3K K=E/3(1-2) E=2G(1+) E=3K(1-2) 各種材料的彈性模量各種材料的彈性模量材材 料料E（GPa）G（GPa）泊松比泊松比 鑄鐵鑄鐵110.351.00.17軟鋼軟鋼206.8 81.40.26鋁鋁 68.924.80.33銅銅110.344.10.36黃銅黃銅70/30100.036.5 鎳（冷撥）鎳（冷撥）213.779.40.30鈦鈦106.9 鋯鋯93.835.8 鉛鉛17.96.20.40花崗巖花崗巖46.219.30.20碳酸鈉石灰玻璃碳酸鈉石灰玻璃68.922.10.23混凝土混凝土10

15、.337.9 0.110.21橡木（縱向）橡木（縱向）12.50.6 橡木（橫向）橡木（橫向）0.7 尼龍尼龍2.8 0.4酚醛樹脂酚醛樹脂5.26.9 硬橡膠硬橡膠2.8 0.43材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力材料的彈性模量表示材料對于彈性變形的抵抗力 主要取決于原子間的結合能力主要取決于原子間的結合能力, 構件剛度構件剛度金屬的模量金屬的模量值主要取決于 10-102 A 晶體中原子原子的本性、電子結構 B 原子的結合力結合力、 C 晶格晶格類型以及晶格常數等。 D 合金元素降低彈性模量。 陶瓷陶瓷材料具有較高模量、原因 10-102 A 原子鍵合鍵合的特點 特種陶瓷特種陶瓷

16、B 構成材料相相的種類，分布、比例及氣孔率有關。 高分子材料高分子材料低模量FIGURE 7.19.4-4. 一硫化的橡膠球受到6.89MPa的靜水壓力的靜水壓力，直徑減少了直徑減少了1.2%，而相同材質的試棒在受到516.8KPa的拉應力時伸長的拉應力時伸長2.1%，則此橡膠棒的泊松比泊松比為多少？ K=/(V/V)=6.89Mpa/1-0.988K=/(V/V)=6.89Mpa/1-0.9883 3=193.7Mpa=193.7Mpa E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa E=/=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa =0.5(1-E/3K)=0.48 =0.5(1-E

17、/3K)=0.48金屬晶體、離子晶體、共價晶體金屬晶體、離子晶體、共價晶體等的變形通常表現為普彈性普彈性，主要的特點是：A 應變在應力作用下瞬時產生，B 應力去除后瞬時消失，C 服從虎克定律。高分子高分子材料通常表現為高彈性和粘彈性高彈性和粘彈性返回2. 有機聚合物的彈性、粘彈性有機聚合物的彈性、粘彈性 Elasticity and Visco-elasticity of Polymers高彈性，即橡膠彈性高彈性，即橡膠彈性 (rubberlike elasticity) 彈性模量小、形變大彈性模量小、形變大。 A 一般材料，如銅、鋼等，形 變量最大為 1 左右， B 而橡膠的高彈性形變很大，

18、 可拉伸至 5 10 倍。 C 橡膠的彈性模量則只有一般 固體物質的萬分之一左右， 即10100 10 4 Pa。 彈性模量隨溫度升高而上升彈性模量隨溫度升高而上升，而一般固體的模量則隨 溫度 的提高而下降。(a) 軟而弱；軟而弱；(b) 硬而脆；硬而脆； (c) 硬而強；硬而強； (d) 軟而粘彈性；軟而粘彈性； (e) 硬而粘彈性硬而粘彈性（2）粘彈性粘彈性 viscoelasticity 靜態靜態粘彈性 固定應力 A 蠕變蠕變(creep) 開爾文開爾文模型（Kelvin model) 并聯并聯 在蠕變過程中形變 是時間的函數。即柔量D是時間的函數 D (t) = (t) / 粘粘壺壺B

19、. 應力松弛應力松弛(stress relaxation) 馬克斯維爾馬克斯維爾模型 (Maxwell model) 串聯串聯在應力松弛過程中，模量隨時間而減小，稱為松弛模量， E (t) = (t) / 0 動態粘彈性動態粘彈性 Dynamic viscoelasticity 周期性、交變應力周期性、交變應力在周期性應力作用下，模量 E可采用復數復數表示式。 E* = E + i E tan = E / E 3、滯彈性、滯彈性無機固體和金屬的與時間有關的彈性。無機固體和金屬的與時間有關的彈性。取決于溫度和荷載的頻率 4、 彈性極限與彈性比功（金屬）彈性極限與彈性比功（金屬） 比例極限比例極限

20、 彈性變形時應力與應變嚴格成正比正比關系的上限應力 p = F p / S 0 條件比例極限條件比例極限 tan /tan =150% p50 代表材料對極微量塑性變形的抗力 切線切線（條件）彈性極限（條件）彈性極限 最大彈性變形最大彈性變形時的應力值。 彈性比功彈性比功 彈性應變能密度。材料吸收變形功而又不發生 永久變形的能力 W = /2= 2/2E殘留變形殘留變形時的應力 4-1-4永久變形永久變形(permanent deformation) 大形變、不可逆大形變、不可逆 兩種基體類型 晶質晶質材料 塑性流動塑性流動金屬為主 晶體一部分相對于另一部分 滑動 非晶質非晶質材料 粘性流動粘

21、性流動高聚物為主 原子集團自由調換位置It is a measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture.A material that experience very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittleDucitilityFIGURE 7.11 Typical engineeringstressstrain behavior tofracture, point F. The tensile strength TS is indicated at point M. The circular insets represent the geometry of the deformed specimen at variouspoints along the curve.FIGURE 7.25 Schematic tensile stressstrain cur