第一章材料的結構及其基本力學行為1．工程材料的變形行為—應力、應變曲線類型（拉伸曲線）—最簡單的表征材料力學特征1.1彈性……第Ⅰ種類型以陶瓷為代表的脆性材料，如，玻璃、巖石、陶瓷；一定條件下的材料，如，低溫下金屬、橫向交聯的聚合物。1.Hooke定律拉伸時 剪切時 ①

彈性的特性(1)變形的可逆性(2)應力與應變成正比，比例常數E②彈性的本質：外力作用下，引起原子間距發生可逆變化的結果。即原子間相互作用吸力——斥力間一種平衡。2．彈性模量E(1)

剛度低、過量的彈性變形→失去精度(2)E是原子間結合強度的標志。

隨原子間結合鍵而異，不同材料E不同；隨原子間距而變（成反比）----與溫度有關。3.各類材料E特點（1）結合鍵金屬：金屬鍵；結合鍵強，無方向性。變形時只使鍵改變方向不易破壞，較高的強度和塑性。陶瓷：共價鍵和離子鍵，結合強、有方向性。高熔點、高硬度、塑性差。

高分子：低強度、高塑性。（2）E穩定性（3）大小E陶瓷>E金屬>E聚合物(4)彈性比功（回彈性）金屬吸收彈性變形功的能力。等于應力、應變曲線下所包含的面積彈性元件：應具有高的彈性極限和彈性比功。＊彈性與剛性是兩個相反概念3．比例極限和彈性極限比例極限：低于該應力，應力與應變成正比；彈性極限：應變完全可逆的?？梢姴牧暇哂蟹蔷€性彈性，如晶須，在大的彈性應變下，E是變化的，大多數情況下，彈性極限近似等于比例極限，彈性極限稍高。1.2彈性—均勻塑性第II種類型具有應變硬化（大多數金屬）

彈性區過后，一般光滑拋物線，即隨應變增加（塑性）變形抵抗力增加。這是晶體內位錯的不可逆運動或是非晶體可能變形機制引起的不可逆變形。（位錯或其它機制）經驗公式：Hollowon

真應力 真應變

n應變硬化指數n代表材料抵抗塑性變形的能力實際n0~1重要的性能指標：1．屈服極限，是塑性變形開始時的應力值是工程上最重要的力學性能指標。在工程設計和選材上作為衡量指標。因為工程構件在服股過程中不允許有過量的塑性變形，塑性變形等于失效。提高σs

優點:缺點:結論：對于應力集中大(截面形狀變化大)、應力狀態硬、應變速率高、溫度低→應取較低。(crackpropagation)2.塑性與塑性指標……為什么需要塑性工程構件在服役條件下都需要有一定的塑性，當機件遇到過載時，產生塑性變形，①通過形變硬化；②塑性材料，削減應力峰值，使應力重新分布，防止脆性斷裂。

塑性重要性：(1)防止脆性斷裂：形變硬化、削減應力集中峰值，應力重新分布；(2)材料成型。1912年4月12日是個悲慘的日子——這一天，英國豪華客輪泰坦尼克號在駛往北美洲的處女航行中不幸沉沒。這次沉船事件致使1523人葬身魚腹，是人類航海史上最大的災難，震驚世界。(重量為6萬6千噸/長度為880英尺)。這艘近275米的豪華客輪，被迎面漂來的冰山撞開了約92米長的裂縫后沉沒;聲波探測儀找到了船的“傷口”有6處小“傷口”，總的損壞面積僅有3.7米—4米。人們很難接受這樣一個事實：一艘如此精良的巨輪只撞了6個小洞就沉沒了！1992年，俄羅斯科學家約瑟夫麥克尼斯博士寫道：“敲擊聲很脆的船體鋼板，或許使人感到它可以在撞擊下被分解成一塊塊?！泵绹茖W家對船體鋼板的研究結果也證實了上面的看法，當時的鋼板有許多降低鋼板硬度的硫磺夾雜物，這是船體鋼板非常脆的原因。普遍認為，冰山撞擊可能并不是致命原因；冰山撞擊來得太突然，加上輪船的速度稍快，再加上鋼板較脆，是這一悲劇發生的真正原因。

3.韌性(靜力韌度)——拉伸下靜力韌度：指靜拉伸應力應變曲線下所包圍的面積減去斷裂前吸收的彈性能?？偟哪芰?=彈性比功+靜力韌度。韌性是抵抗斷裂的能力，是個能量指標取決于強度和韌性最佳配合。說明金屬廣泛應用，韌性最好的。4.塑性失穩和縮頸工程應力應變曲線的最高點對應著宏觀局部塑性變形的開始→導致塑性失穩和縮頸。變形過程：微觀局部塑變→強化→循環→強化→應力達到σmax（變形局限于縮頸區）

標距內均勻伸長均勻變形

不再有應變硬化能力→（泊松效應）在頸縮處產生三向拉應力狀態，使塑變難以發生→達。

斷裂形貌：縮頸的中心，夾雜物、硬相粒子開裂，即微孔形成、生長、匯合、斷裂。1.3彈性——不均勻塑變第Ⅲ種類型——鋸齒形狀的應力應變曲線。包括：在低溫和高應變速率下面心立方金屬；含碳的體心立方鐵合金及鋁的低溶質固溶體。原理：通過孿生方式產生間斷的變形，或空位、溶質與位錯交互作用。(變互作用較強)克服束縛、位錯運動→再束縛→再克服運動。1.4彈性-不均勻塑變-均勻塑變第IV種類型（含屈服點）包括：許多體心立方鐵基合金和若干鋁合金。原理：由位錯與溶質原子交互作用造成——柯氏氣團。一旦克服束縛，位錯就運動下去。

與VI類型比較前者溶質擴散快；后者擴散慢。1.5彈性——不均勻塑性——均勻塑性第V種類型結晶態聚合物材料原理：聚合物內原來結晶結構破壞，隨之屈服，載荷下降；然后破壞的結構重新組織成新的、方向性好的、強度高的結構，出現應變硬化直到最后破斷。1.6T、對拉伸特性的影響規律：總的塑性流變曲線隨T↑、↓而降低。即σ隨T↑、↓而↓；σ=f(T、、ε)不同材料對T、敏感程度不同敏感度增加面心立方金屬→體心立方金屬、陶瓷→聚合物1.7工程陶瓷的組織結構及其變形1.7.1

陶瓷材料的相組成和結構1．相組成及作用

陶瓷的相組成由主晶相、玻璃相和氣孔（數量較多且不可避免，因此可看作一相）。(1)晶相：主要組成相，決定著陶瓷的物理化學性能。(2)玻璃相：是一種低熔點固體，起著粘結晶相、填充氣孔、降低燒結溫度的作用；有時多達20-60%。(3)氣相或氣孔：是陶瓷生產不可避免的，體積為5-10%或更多。2．相結構生產工藝，粉末按比例混合→成型→燒結陶瓷相組成、相結構、數量、形狀分布都受到工藝的強烈影響。(1)晶相：晶體結構比金屬復雜。離子鍵為主晶體MgO、Al2O3等。共價健為主晶體BN、NiC、Si4N3等。（金屬結構：---簡單結構：面心、密排、體心，密度100%，）兩類主要結構

1．氧化物結構—負氧等離子－密排結構，金屬離子－空隙。NaCl型結構：CaO,SrO,MnO,FeO,CoO,NaCl,KCl,LiF---面心，八面體中心閃鋅礦型結構（ZnS）：BeO,SiC----密排，四面體中心螢石型結構：ThO2,CeO2,PrO2,ZrO2---金屬離子－面心立方，O-2，四面體中心逆螢石型結構：LiO2,Na2O,K2O---

O-2，面心立方；金屬離子四面體中心，剛玉結構：Al2O3,Fe2O3,Cr2O3,Ti2O3,V2O3等。密排，八面體中心。2．硅酸鹽結構——由硅氧四面體（SiO4）4-

四個頂點上氧離子能與周圍其它陽離子或另一個硅氧四面體聯結（有不同連結方式）島狀結構（SiO4）4-不發生聯結，鎂橄欖石，Mg2SiO4，鋯石英ZrSiO4組群狀結構、鏈狀結構、層狀結構、架狀結構(2)玻璃相，長程無序，各向同性，常分布于主晶相的晶界。(3)氣相，5-10%，呈不規則形狀（非球狀）。

1.7.2陶瓷的變形1．彈性變形變形特點：(1)彈性模量大（強的離子鍵、共價鍵）(2)E受氣孔影響大

E=E0(1-K1

P+K2

P2)

E0無氣孔時彈性模量

P氣孔率

K1，K2取決于氣孔形狀與取向的常數

(3)E壓>E拉（不同于金屬）2．塑性變形一般陶瓷材料晶體結構復雜，室溫下無塑性。陶瓷在室溫靜拉伸（或彎曲）載荷下，均不出現塑性變形，彈性變形后即發生斷裂。原因：（1）滑移系少。

幾何條件晶體結構復雜。靜電條件，離子鍵、共價鍵有方向性，運動阻力大，形成位錯困難（2）位錯不易傳播：

多晶，由于晶體取向或晶界結構性質的差異（氣孔、玻璃相，微裂紋）。例外情況：少數具有簡單晶體結構陶瓷材料MgO、KCl（NaCl型結構）室溫下具有塑性，1.8聚合物的結構和變形1.8.1聚合物的基本概念及分類高分子化合物與聚合物：高聚物(一般所謂聚合物為高聚合物)-------低聚物。由大量的原子組成大分子,分子量>10000—5000。由簡單的重復單元連接而成——聚合物，僅僅分子量高——不是聚合物。無嚴格界限，通常混用。高分子材料——高分子量原子化合物；（大分子量物質或低聚物），低分子量原子高聚物。1.

分類：(1)

熱塑性塑料線型或支鏈型長鏈聚合物。晶體—線型分子排列整齊非晶體—線型分子排列不整齊。受熱時能夠熔融，可反復成型。(2)橡膠輕度交聯的網狀聚合物。變形時，分子相對運動受分子間交聯的約束，呈高彈性，不能熔融只降解。(3)熱固性塑料高度交聯三維空間網狀大分子。堅硬、難于加工，加熱時與橡膠一樣，不能熔融，只能降解。(4)纖維由線性大分子排列、堆砌配合而成長度是直徑1000倍以上的纖細物質。1.8.聚合物的結構1.

聚合物的結構參數(1)

聚合度聚合物中重復的結構單元的數量。影響強度、熔點、分子量大小，甚至狀態。舉例：隨著聚合度的提高，聚乙稀由氣體、液體、軟蠟狀態、脆性固體、最后達到分子量>1000堅硬塑料。(2)

結構單元：碳鏈高分子:主鏈單獨由碳原子組成,如聚乙稀、聚丙?。浑s鏈高分子:主鏈除C外，還有S.O.N等，如聚酸胺、聚脂；元素有機高分子:主鏈中無C，而由Si.O.N.Al.B.Ti.等元素組成，側基為有機基團，如硅橡膠。(3)

鍵能：分子內部共價健——(鍵能大)分子之間或同一分子折疊部分——(鍵能小)聚合物的強度、熔點和粘性與內部共價健以及分子之間或同一分子的分子鍵有密切關系。聚合度大分子鍵>共價鍵，共價鍵破壞；聚合度小分子鍵總和<共價鍵,分子健發生滑脫→大部分情況。(4)

聚集態結構—分子之間排列。高分子材料結構二部分組成：分子鏈本身結構：單元體、數量（聚合度）、連接方式、鏈幾何形狀、鏈構型—共價鍵；鏈間結構(聚集態結構)：晶態、非晶態、取向結構——分子鍵。

晶體結構：分子鏈有規則地來回折疊，以薄片形式構成晶體。非晶體結構：分子鏈排列短程有序，即分子鏈一段是有序排列。特點：(a).結晶聚合物都是部分結晶，分為結晶區+非結晶區。

(大分子鏈全部規則排列困難)

(b).晶區內分子排列緊密，分子間作用力強，聚合物強度、硬度、剛度等性能提高。彈性、延伸率下降。

但與鏈運動有關的性能為取向結構：在外力作用下分子呈規則排列。(延力方向)——沿一個方向拉伸。1.8.3.聚合物的力學狀態(轉變溫度低)聚合物結構一定后其性能還依賴于T、t。隨T變化其物理性質發生改變現象——轉變。隨t變化其物理性質發生改變現象——松馳，具有粘彈性特征。

σ(T.t)=E(T.t)ε在結構不變時，T.t變化，內部分子運動從一種狀態轉變為另一種狀態。1.非晶態聚合物E(t)——T曲線有三種力學狀態：玻璃態、高彈態(橡膠態)、粘流態。1)玻璃態：保持一定幾何形狀，有一定承載能力。

——整鏈、鏈段凍結不能運動，僅是健角、鍵長變化。2)橡膠態：高彈性，受力伸長率可達100%——1000%。

(卸載后恢復—皮筋)——發生鏈內旋、鏈段運動。(短程)3）粘流態：聚合物加工成形。(整個鏈運動)2.晶態聚合物結晶部分：固定Tm，<Tm無鏈段運動，無玻璃態轉變和橡膠態非晶部分：無固定Tm，>Tg有玻璃態轉變和橡膠態。整體：>Tg，由于晶區對非晶區產生約束，較小彈性變形。呈現硬橡膠態特殊形式——皮革態。分子量低時，Tf<Tm，達到Tf（<Tm），晶區未破壞，整體不流動—玻璃態達到Tm

整體流動----粘流態分子量高時，Tf>Tm，<Tg

玻璃態達到Tg—Tm皮革態

Tm-Tf

橡膠態>Tf

粘流態T進一步提高（非晶+結晶共同作用）：3.聚合物使用溫度非結晶聚合物用作塑料，上限溫度Tg結晶聚合物用作塑料Tm附近非結晶聚合物用作橡膠Tf---Tg聚合物加工溫度>Tf1.8.4.聚合物的變形四種應力——應變曲線類型1.硬玻璃態(T<Tβ脆化溫度)

斷裂伸長率很低，無明顯屈服。如聚苯乙稀，硬、脆材料高模量、高強度2.軟玻璃態(Tβ<T<Tg)非晶三部分:可恢復彈性變形、強迫高彈變形、永久變形。聚三氯乙稀。3.橡膠態下的變形4.粘流態下的變形

非晶態和晶態聚合物拉伸曲線外形相似，但機理不同。非晶態→（拉伸）取向變化→σ提高晶態→（拉伸）結晶破壞

→取向→再結晶→σ提高。

1.9.三類材料結構差異及變形、斷裂特點1.結構異同點：共同點：都有晶體結構(晶體缺陷)、非晶體結構。不同點：（1）化學鍵類型不同。金屬陶瓷聚合物金屬鍵共價健離子鍵共價鍵分子鍵鍵能100—34060—740630—105060—740<40（KJ/mol）

（2）晶體結構不同。金屬、簡單—金屬離子。聚集態結晶、非晶陶瓷較復雜—正、負離子.晶體+非晶高分子更復雜(分子內、分子間)晶體+非晶體、非晶2.變形與斷裂特點金屬：彈性變形、塑性變形、斷裂(多為韌性斷裂)。陶瓷：只有彈性變形，以脆性斷裂為主(有超塑性)。高分子：有彈、塑性變形、粘性流動、粘彈性等多種力學狀態。除玻璃態為脆性斷裂，其余為韌斷。1.9.工程材料的強韌性配合

零件與構件的設計強度設計的依據許用應力[σ]=σs/n

材料強度愈高，承載能力越大，許用應力愈高：減輕重量、節約材料；行走機械節省動力能源。發展趨勢：提高材料強度、采用高比強、高比模材料。2.塑性、韌性——防止脆性斷裂經驗性：把аk、NDT(無塑性溫度)、FATT(斷口形貌轉變溫度)等指標列入設計要求。

不能直接應用于設計計算、不能保證萬無一失的防止脆性斷裂)——試驗條件與工況之間差別。3.斷裂力學：KIC、JIC、COD進行設計計算，建立最低韌性要求，裂紋尺寸與許用應力之間的關系。4.強韌度合理配合：絕大多數材料，強度和塑韌度互相制約，提高強度犧牲韌性，反之亦然。僅有極少方法可以達到強韌性同時提高，如細化晶粒、Ni合金化，形變熱處理?！に噺碗s，設備等局限。盡量能保證安全和降低成本前提，如何兼顧材料強度和塑性、韌性?；驹恚簭牧慵蜆嫾?/p>