2第二章生物材料特性〔S第二節機械性能〕變形性能以應力和應變的關系反映:——材料的彈性、黏性、黏彈性等性質斷裂性能可反映材料的機械破壞程度和斷裂類型一、變形性能〔一〕應力和應變在外力或負荷的作用下，任何固體都會發生某種變形。變形有兩種形式：①絕對變形△x、△y、△z;②相對變形△x/x、△y/y、△z/z。相對變形以無單位的比值或百分數來表示。對拉伸來說，該比值稱為伸長率。拉伸示意圖可通過拉伸試驗評定材料的機械性能拉伸試驗是指——一定幾何形狀的試樣在一定受力條件下進行測試的方法〔萬能試驗儀、強伸力儀〕通過負荷(P)－伸長量(△L)曲線來描述材料在拉伸過程中的彈性變形、塑性變形和斷裂的全部力學特性。圖形拉伸試樣為了消除試樣尺寸的影響，真實地反映拉伸過程中材料性能的變化，可用應力(σ)和應變(ε)分別代替P和△L繪出應力－應變曲線，該曲線稱為應力圖。應力是單位截面上的負荷(P／A0)，單位為Pa。應變是單位長度上的變形量(△L，／L0)，百分數

從拉伸試驗得知(圖)，在負荷較小時，試樣伸長與拉力成正比關系。當拉力去除后，伸長也隨之消失，試樣恢復原來狀態，這種變形稱為彈性變形。圖中p點為應力正比于應變時的最大應力(σp)，稱為比例極限。應力σ——應變ε曲線從p點到e點，雖偏離正比關系，但仍保持彈性變形。e點相當于材料所能承受的、不產生永久變形的最大應力，稱為彈性極限(σe)。比例極限與彈性極限很靠近，對于一般材料可粗略認為兩者重合。應力σ——應變ε曲線如果繼續加大負荷，去除外力，試樣的伸長就不能完全恢復，產生一局部殘留伸長，即開始發生塑性變形。應力σ——應變ε曲線當負荷增加到一定值時，不再增加或減少負荷，而變形仍在繼續增加，這種現象稱為屈服現象。此時的應力稱為屈服強度(σs)，它表示材料塑性變形開始的應力值。應力σ——應變ε曲線在屈服之后，負荷重新增加，變形繼續進行，(包括彈性和塑性變形)當到達b點時，在試樣的某處出現“縮頸〞現象，其后不久試樣便在“縮頸〞處斷裂，b點相當于試樣在拉斷前所承受的最大應力，稱為抗拉強度(σb)或強度極限。應力σ——應變ε曲線硬而韌的材料——能承受較大應力和相當大的塑性變形硬而脆材料——能承受很大應力而變形量較小的材料不同類型材料的應力-應變曲線應力－應變的關系垂直于所考察面積的應力分量——法向應力分量平行于所考察面積的應力分量——剪切應力分量。法向應力(σ)根據應力的方向可分為：拉應力，標以正號；壓應力，標以負號。應力-應變的類型剪切應力(τ)傾向于使物體產生切變，其正負可以按習慣任意規定。剪切應力也可由同軸的拉應力和壓應力組成。當作用的應力在力的方向呈45°角時，剪切應力最大。應力-應變的類型應變是材料隨著應力變化而發生的變形每一種應力都有一種表示物體相對變化的應變與其對應。法向應力相對應于法向應變，法向應變表示長度的相對變化，可以是拉伸(正值)或壓縮(負值)剪切應力相對應于剪切應變，剪切應變表示相對切變。

絲膠凝膠應力-應變〔不同回潮時間〕

a不回潮；b3h；c6h；d12h；e24h指應力去除之后，材料即恢復原來尺寸的性質。應變對于應力的反響根本上是瞬時發生，可用虎克定律(Hooke’s定律)表示。拉應力或壓應力為：σ＝Eε剪切應力為：τ＝Gγ式中，E為彈性模量或稱楊氏模量；G為切變模量或稱剪切模量。模量是應力與應變的比值，其單位與應力相同，為Pa。彈性模量實際上反映了材料產生彈性變形的難易程度。〔二〕彈性E是材料剛度的表征參數。E值越大，材料的剛性越好，產生一定彈性變形所需應力也越大。彈性模量是機械性能指標中最穩定的一個值，對材料成分和結構的變化均不敏感，同時也很少受外界條件的影響。各種材料的彈性模量數值差異很大這主要與各種材料內部的結合鍵和鍵能大小不同有關。具有較強化學鍵的材料——彈性模量大以范德華力結合的材料——彈性模量很小材料的彈性模量，取決于粒子間的鍵合強度。彈性材料，分為兩類：普彈性材料高彈性材料普彈性材料表現為在大應力作用下只產生小的線性可逆變形。如：晶體、無機玻璃、網絡高聚物某些玻璃態高聚物，產生的彈性應變，是原子、離子或分子之間的鍵長和鍵角發生變化的一種宏觀表現。隨著粒子間距和鍵角的變化，同時產生原子之間的作用力。所以彈性模量的大小取決于粒子之間的鍵合強度橡膠是典型的高彈性材料絲膠凝膠的壓縮變形回復〔彈性回復〕〔三〕粘性黏性是指理想流體在剪切應力作用下，能持續、均勻地調整其幾何形狀如液體(水或油)、普通氣體。理想液體的黏性服從牛頓定律，即應力與應變率呈正比線性關系應變率隨應力的線性變化式中，η為黏度，單位為Pa×sdr／dt為剪切應變率；τ為剪切應力，單位為Pa。材料的黏度越高，流動性就越差。應力隨時間變化。如果應變在很短時間內完成(dt→0)，那么應力為無窮大；如果應變在很長時間內完成(dt→∞)，那么應力接近于零，與黏度無關。空氣和水的黏性十分小。在一個大氣下，20℃時，空氣的黏度為1.8×10-5Pa·s，水的黏度為10-3Pa·s，Pa·s。液體的黏性隨著溫度升高而減小，氣體的黏性隨著溫度上升而增加。黏性流動是由于分子在外力作用下發生相對位移所引起的。〔四〕黏彈性粘彈性是指材料既有彈性材料的一般特征，又有黏性流體的一些特點理想彈性固體遵循虎克定律σ＝Eε理想黏性流體遵循牛頓定律應力與應變率呈正比線性關系這兩種理想狀態是兩種極端的表現。實際物體的行為往往偏離這兩個定律，表現為兩者均有的黏彈性。黏彈性材料的力學性能依賴于溫度和外力作用的時間。在外力作用下，高聚物的變形性質介于彈性材料和黏性材料之間應力可以同時依賴于應變與應變率。所以，黏彈性材料的線性行為可用虎克定律和牛頓定律來描述。非線性黏彈性那么不符合這兩個定律的組合一些非晶體，有時甚至是多晶體，在比較小的應力作用下，可以同時表現出彈性和黏性的特性。高聚物差不多都可以表現黏彈性的性質。σ總＝σ彈+σ黏ε總＝ε彈+ε黏兩邊微分：

二、斷裂性能材料在某一臨界值的力作用下，分裂成兩局部(或幾局部)，即材料產生破壞，稱為材料的斷裂。造成材料破壞的原因是多方面的，如熱分解、環境腐蝕、強力的作用等。〔一〕延性斷裂在單調增加的載荷作用下，材料首先發生明顯的塑性變形，然后才出現斷裂所以，在材料斷裂之前往往會產生明顯的永久變形，并且經常有縮頸現象，這種斷裂稱延性斷裂，又稱塑性斷裂。表現為斷裂面不光滑，有外沿變形，例如，大多數金屬和合金、鏈狀高聚物的斷裂均可表現為延性斷裂。〔二〕脆性斷裂在材料斷裂之前沒有或只有微量的永久變形，沒有縮頸現象，這種斷裂稱為脆性斷裂。脆性斷裂表現為斷裂面光滑，無外沿變形，應力—應變曲線是線性的，斷裂能量不大，應變速度很快。例如：大多數陶瓷、玻璃、云母、灰口鑄鐵等在室溫下一般表現為脆性斷裂。〔三〕疲勞斷裂材料在交變載荷下發生的斷裂稱為疲勞斷裂。交變載荷是指——應力的大小和方向隨時間做周期性的變化。無論金屬或非金屬都可以發生疲勞斷裂。疲勞斷裂的研究可歸納為兩方面①宏觀方面從應力、應變著手，研究交變載荷下的力學規律；②微觀方面從材料內部著手，研究疲勞斷裂的機理和影響因素。〔四〕蠕變斷裂蠕變斷裂是指在一定外力作用下，隨著時間延長，材料的變形不斷開展，直至斷裂的過程。不同的材料產生蠕變的條件不同，對于金屬材料，當其Tm(以絕對溫度表示)時可產生明顯的蠕變。陶瓷材料Tm的溫度時也可產生蠕變。高分子材料發生蠕變的溫度與其玻璃化溫度Tg有關。抗蠕變的能力反映了材料尺寸的穩定性和對溫度的依賴性蠕變的全過程，包括：蠕變引起的彈性變形、永久變形以及最后的斷裂典型的蠕變曲線大致可分為四個階段加載過程中產生瞬時應變；初始蠕變(蠕變速率遞減)，