物理性能期末復(fù)習(xí)

材料金屬陶瓷高分子靜態(tài)拉伸、斷裂、疲勞微觀結(jié)構(gòu)的變化應(yīng)力-應(yīng)變曲線金屬低碳鋼拉伸試驗(yàn)彈性變形屈服點(diǎn)不均勻屈服塑性變形均勻屈服塑性變形縮頸斷裂那些具體物理性能E屈服強(qiáng)度彈性極限斷裂強(qiáng)度斷裂伸長率應(yīng)力-應(yīng)變曲線金屬真應(yīng)力與工程應(yīng)力的關(guān)系？金屬虎克定律彈性形變泊松比，是材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值的絕對值

金屬屈服、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度金屬塑性塑性的意義斷裂韌性斷裂和脆性斷裂韌性斷裂：金屬斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形的斷裂，有一個緩慢的撕裂過程，在裂紋擴(kuò)展過程中不斷消耗能量。脆性斷裂：突然發(fā)生斷裂，基本上不發(fā)生塑性變形，沒有明顯征兆，因此危害性很大。

α值越大，表示應(yīng)力狀態(tài)越“軟”，金屬越易于產(chǎn)生塑性變形和韌性斷裂。α值越小，表示應(yīng)力狀態(tài)越“硬”，金屬越不易于產(chǎn)生塑性變形而易于產(chǎn)生脆性斷裂。拉伸時塑性很好的材料，在壓縮時只發(fā)生壓縮變形而不斷裂。為什么用α反映塑性大小彎曲彎曲缺口試樣靜載荷試驗(yàn)缺口根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時缺口截面上的應(yīng)力分布發(fā)生改變。缺口效應(yīng)FF理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt由于裂紋破壞了材料的均勻連續(xù)性，改變了材料內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分布，所以機(jī)件的結(jié)構(gòu)性能就不再相似于無裂紋的試樣性能，傳統(tǒng)的力學(xué)強(qiáng)度理論就不再適用。斷裂力學(xué)就是在這種背景下發(fā)展起來的一門新型斷裂強(qiáng)度科學(xué)，是在承認(rèn)機(jī)件存在宏觀裂紋的前提下，建立了裂紋擴(kuò)展的各種新的力學(xué)參量，并提出了含裂紋體的斷裂判據(jù)和材料斷裂韌度。斷裂韌性裂紋包括：裂紋的萌生和發(fā)展應(yīng)力應(yīng)變分析方法：考慮裂紋尖端附近的應(yīng)力場強(qiáng)度，得到相應(yīng)的斷裂K判據(jù)。(2)能量分析方法：考慮裂紋擴(kuò)展時系統(tǒng)能量的變化，建立能量轉(zhuǎn)化平衡方程，得到相應(yīng)的斷裂G判據(jù)。線彈性條件下金屬斷裂韌度分析裂紋體斷裂問題的方法：裂紋擴(kuò)展能量釋放率GI及斷裂韌度GIC防止應(yīng)力腐蝕的措施合理選擇金屬材料減少或消除機(jī)件中的殘余拉應(yīng)力改善化學(xué)介質(zhì)采用電化學(xué)保護(hù)選用合適的合金材料。將構(gòu)件所承受的應(yīng)力降低到臨界應(yīng)力以下加更活潑的金屬，高分子涂料斷裂方式不同：室溫

高溫

1.靜載荷

位錯塞積脆性解理蠕變穿晶、沿晶2.循環(huán)載荷疲勞穿晶疲勞、蠕變穿晶、沿晶混合環(huán)境影響：影響不大高溫氧化金屬的高溫力學(xué)性能一.磨損的概念磨損是摩擦的結(jié)果！二.磨損的特點(diǎn)材料表面發(fā)生微觀變形與斷裂變形與斷裂反復(fù)發(fā)生的動態(tài)過程受諸多因素的影響三.磨損曲線磨損曲線磨損的類型磨損的類型改善方法六.粘著磨損改善方法六.粘著磨損陶瓷材料的塑性變形（1）室溫下，大多數(shù)陶瓷塑性變形極小。

（2）1000℃以上，大多數(shù)陶瓷可發(fā)生塑性變形（主滑移系運(yùn)動）。

實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度的原因引起陶瓷實(shí)際抗拉強(qiáng)度較低的原因是陶瓷中因工藝缺陷導(dǎo)致的微裂紋，在裂紋尖端引起很高的應(yīng)力集中，裂紋尖端之最大應(yīng)力可達(dá)到理論斷裂強(qiáng)度。因而使陶瓷晶體的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論屈服強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度的原因由于陶瓷中總是存在微裂紋，拉伸時當(dāng)裂紋一達(dá)到臨界尺寸就失穩(wěn)擴(kuò)展立即斷裂，而壓縮時裂紋或閉合或呈穩(wěn)態(tài)緩慢擴(kuò)展，使壓縮強(qiáng)度提高。陶瓷材料的增韌（細(xì)密、純、勻，減少應(yīng)力集中）（1）改善顯微結(jié)構(gòu)（2）相變增韌（3）微裂紋增韌當(dāng)主裂紋遇到微裂紋時，發(fā)生分叉轉(zhuǎn)向前進(jìn)，增加擴(kuò)展過程中的表面能；并松弛主裂紋尖端的應(yīng)力集中，減慢裂紋擴(kuò)展速度。陶瓷的抗熱震性（熱沖擊）材料承受溫度驟變而不破壞的能力。

在各種熱環(huán)境下引起的熱應(yīng)力，以及與之相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子是熱震破壞的原因。由熱震引起的瞬時斷裂，即熱振斷裂。

高分子材料相對于金屬，陶瓷材料的優(yōu)勢是什么？？？原因：1.種類繁多；2.制造加工便利、質(zhì)輕、耐化學(xué)腐蝕，3.還因?yàn)樗哂休^高的力學(xué)強(qiáng)度和韌性。塑料橡膠纖維塑料的彈性模量介于橡膠和纖維之間，約107~108Pa；受力形變可達(dá)百分之幾至幾百。

室溫彈性高；形變大（可達(dá)1000%），外力去除后，能迅速恢復(fù)原狀；彈性模量小，約105~104Pa。彈性模量較大，約109~1010Pa。形變小，機(jī)械性能隨溫度變化不大y-屈服點(diǎn)e-彈性極限點(diǎn)冷拉σε應(yīng)變軟化應(yīng)變硬化ebyebyp-比例極限ppb-斷裂點(diǎn)p-比例極限線型非晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線拉伸行為拉伸過程高分子鏈的三種運(yùn)動情況：▲彈性形變（開始～e點(diǎn)）▲強(qiáng)迫高彈形變▲塑性變形拉伸行為塑性變形

是微觀結(jié)構(gòu)的相鄰部分產(chǎn)生永久性位移，而不引起材料斷裂的現(xiàn)象。塑性變形是一種不可逆變形.塑性變形主要是由于切應(yīng)力引起的。材料塑性變形過程中仍然保留著彈性變形，所以整個變形過程是彈性加塑性變形過程，可稱為彈塑性變形。結(jié)晶態(tài)高分子材料:塑變機(jī)制：塑性變形是由薄晶轉(zhuǎn)變?yōu)檠貞?yīng)力方向排列的微纖維束的過程非晶態(tài)高分子材料：塑變機(jī)制：在正應(yīng)力作用下形成銀紋和切應(yīng)力作用下無取向分子鏈局部轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕械睦w維束塑性變形冷拉和成頸玻璃態(tài)高聚物在Tb~Tg之間部分結(jié)晶高聚物在Tb~Tm之間玻璃態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈形變對于玻璃態(tài)高聚物，當(dāng)環(huán)境溫度處于Tb

＜T

＜Tg時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖中T=80℃，60℃的情形），這種變形稱強(qiáng)迫高彈形變。（2）強(qiáng)迫高彈形變的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強(qiáng)迫發(fā)生運(yùn)動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強(qiáng)迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（T

＞Tg）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。（1）既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下的粘性流動，是一種獨(dú)特的力學(xué)行為。（3）強(qiáng)迫高彈形變能夠產(chǎn)生，說明提高應(yīng)力可以促進(jìn)分子鏈段在作用力方向上的運(yùn)動，如同升高溫度一樣，起到某種“活化”作用。玻璃態(tài)高聚物強(qiáng)迫高彈形變的特點(diǎn)晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線第一階段OY段：出現(xiàn)“細(xì)頸”。第二階段，細(xì)頸的發(fā)展階段。第三階段（DB）：成頸變細(xì)的試樣重新被均勻拉伸，直到斷裂點(diǎn)B。第二階段是由于應(yīng)力增加到C點(diǎn)時足已克服其晶格能，結(jié)晶發(fā)生熔融，鏈段開始運(yùn)動，并沿外力方向取向。如果在此溫度下，聚合物結(jié)晶速率足夠大，則沿外力方向取向后鏈段能重新排入晶格而重新結(jié)晶；如果結(jié)晶速度太低，則會成為非晶態(tài)的取向高聚物。由于取向后分子鏈間排列緊密，分子間作用力增大，故強(qiáng)度增大。取向后強(qiáng)度增大，致使試樣不會迅速變細(xì)拉斷，而是在細(xì)頸兩端發(fā)展，也就是粗細(xì)交接處的分子鏈繼續(xù)取向，直至細(xì)頸發(fā)展完全。此后，必須進(jìn)一步增加應(yīng)力，才能破壞晶格能或克服鏈間作用力，使分子發(fā)生位移，甚至斷裂，從而導(dǎo)致材料破壞。結(jié)晶聚合物應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)廴?-重結(jié)晶外部因素

溫度的影響非晶態(tài)高聚物不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線1，2-溫度低于脆性溫度，材料處于硬玻璃態(tài)，無強(qiáng)迫高彈性3，4，5-溫度處于脆性溫度與玻璃化溫度之間，為軟玻璃態(tài)6，7，8-溫度處于玻璃化溫度與黏流溫度之間，為高彈態(tài)9-溫度處于黏流溫度以上，為黏流態(tài)123456789形變速率的影響拉伸速率提高屈服強(qiáng)度上升.時-溫等效原理屈服與銀紋化高聚物的屈服行為脆性斷裂時，試樣沒有明顯的變化，斷裂面一般與拉伸方向垂直（圖a），斷裂面很光潔；韌性破壞過程中，當(dāng)拉伸至屈服點(diǎn)時，試樣常出現(xiàn)與拉伸方向呈約45°角傾斜的剪切滑移變形帶剪切帶為何為45o屈服與銀紋化脆性與韌性銀紋面之間是由維系兩銀紋面的銀紋質(zhì)

——高度取向的微纖束和空穴組成的銀紋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)銀紋銀紋是高聚物所特有的一種現(xiàn)象，脆性材料拉伸中的微觀屈服現(xiàn)象主要是銀紋銀紋和剪切帶均有分子鏈取向，吸收能量，呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象銀紋實(shí)際強(qiáng)度強(qiáng)度的影響因素分子鏈結(jié)構(gòu)的影響極性基團(tuán)和氫鍵低壓聚乙烯，聚氯乙烯，尼龍----拉伸強(qiáng)度但不能密度過大，妨礙鏈段運(yùn)動，不能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫高彈，表現(xiàn)為脆性斷裂芳雜環(huán)

其強(qiáng)度和模量都比脂肪族高，因此，新穎的工程塑料大都主鏈含芳雜環(huán)的。分子鏈的支化程度（分子間距離）

----作用力減少，拉伸強(qiáng)度低，沖擊強(qiáng)度高

交聯(lián)度提高，橡膠材料的拉伸模量和強(qiáng)度都大大提高，達(dá)到極值強(qiáng)度后，又趨于下降（結(jié)晶取向下降）；斷裂伸長率則連續(xù)下降。

交聯(lián)可以提高材料的抗蠕變能力，也能提高斷裂強(qiáng)度。對于玻璃態(tài)聚合物，交聯(lián)對脆性強(qiáng)度的影響不大；但對高彈態(tài)材料的強(qiáng)度影響很大。交聯(lián)的影響強(qiáng)度的影響因素

分子量是對高分子材料力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性、韌性）起決定性作用的結(jié)構(gòu)參數(shù)。低分子有機(jī)化合物一般沒有力學(xué)強(qiáng)度（多為液體），高分子材料要獲得強(qiáng)度，必須具有一定聚合度，使分子間作用力足夠大才行。分子量的影響強(qiáng)度的影響因素

超過最小聚合度，隨分子量增大，材料強(qiáng)度（拉伸強(qiáng)度）逐步增大。到一定的值，拉伸強(qiáng)度變化不大，沖擊強(qiáng)度繼續(xù)增大（超高分子量PE）。但當(dāng)分子量相當(dāng)大，致使分子間作用力的總和超過了化學(xué)鍵能時，材料強(qiáng)度主要取決于化學(xué)鍵能的大小，這時材料強(qiáng)度不再依賴分子量而變化。強(qiáng)度的影響因素分子量的影響主要影響因素有結(jié)晶度、晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)。

一般影響規(guī)律是：

1）隨著結(jié)晶度上升，材料的屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、硬度、彈性模量均提高，但斷裂伸長率和韌性下降。這是由于結(jié)晶使分子鏈排列緊密有序，孔隙率低，分子間作用增強(qiáng)所致。然而如果結(jié)晶度太高，材料將發(fā)脆。結(jié)晶的影響聚乙烯的斷裂性能與結(jié)晶度的關(guān)系結(jié)晶度

/％65758595斷裂強(qiáng)度

/14.4182540斷裂伸長率

/％50030010020強(qiáng)度的影響因素

3）晶體形態(tài)對聚合物拉伸強(qiáng)度的影響規(guī)律是，同一聚合物，伸直鏈晶體的拉伸強(qiáng)度最大，串晶次之，球晶最小。

2）晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)

均勻小球晶能使材料的強(qiáng)度、伸長率、模量和韌性得到提高，而大球晶將使斷裂伸長和韌性下降，沖擊強(qiáng)度下降。

原因：大量的均勻小球晶分布在材料內(nèi)，起到類似交聯(lián)點(diǎn)作用，使材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線由軟而弱型轉(zhuǎn)為軟而韌型，甚至轉(zhuǎn)為有屈服的硬而韌型。

方法：因此改變結(jié)晶歷史，如采用添加成核劑，如在聚丙烯中添加草酸酞作為晶種，都有利于均勻小球晶生成，從而可以提高材料強(qiáng)度和韌性。強(qiáng)度的影響因素聚丙烯應(yīng)力-應(yīng)變曲線與球晶尺寸的關(guān)系強(qiáng)度的影響因素

加工過程中分子鏈沿一定方向取向，使材料力學(xué)性能產(chǎn)生各向異性，在取向方向得到增強(qiáng)。

對于延性、易結(jié)晶材料，在平行于取向方向的強(qiáng)度、模量提高，在垂直于取向方向的強(qiáng)度下降，伸長率增大。取向的影響

雙軸取向時，在該雙軸構(gòu)成的平面內(nèi)，性能不像單軸取向那樣有薄弱的方向。為此，利用雙軸取向，可以改進(jìn)材料的性能。聚合物的增強(qiáng)

吸附有多條大分子鏈的炭黑粒子具有均勻分布應(yīng)力的作用，當(dāng)其中某一條大分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力時，可通過炭黑粒子將應(yīng)力傳遞到其他分子鏈上，使應(yīng)力分散。而且即便發(fā)生某一處網(wǎng)鏈斷裂，由于炭黑粒子的“類交聯(lián)”作用，其他分子鏈仍能承受應(yīng)力，不致迅速危及整體，降低發(fā)生斷裂的可能性而起增強(qiáng)作用。

活性填料的增強(qiáng)主要來自表面活性。炭黑粒子表面帶有好幾種活性基團(tuán)（羧基、酚基、醌基等），這些活性基團(tuán)與橡膠大分子鏈接觸，會發(fā)生物理的或化學(xué)的吸附。圖