20091210材料的力学性能121

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 材料的力学性能,一、力学性能的主要物理量,二、高分子材料的力学性能,三、金属材料的力学性能,四、陶瓷材料的力学性能,五、复合材料的力学性能,1,本次课的内容与要点,内容,1、材料的强度、塑性、屈服与硬化、韧性、硬度、疲劳等力学性能物理量的定义；,2、各项力学性能指标的本质、物理含义；,3、材料力学性能的测试技术，计算方法；,4、复习聚合物材料的特殊力学性能。,2,材料在力的作用下所表现出来的特性即为材料的,力学性能,。,一、力学性能的主要物理量和指标,1 、强度与塑性,2、韧性,3、硬度,4 、耐磨性,5 、疲劳特性,力学,性能,的主,要物,理量,主,要,指,标,1 、应力，应变，模量,2、冲击韧性，断裂韧度,3、布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度,4 、磨损量,5 、疲劳曲线,3,应力和应变,材料在外力作用下不能产生惯性移动时其几何形状和尺寸的变化，称,应变,(Strain)，,e,；%。,材料发生宏观形变时，内部产生了原子间及分子间的附加内力，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的附加内力为,应力,(Stress)，,s,；N/m,2,(Pa)。,4,简单拉伸,习用应变,(相对伸长或伸长率),拉伸应力,(习用应力),真应力,真应变,5,简单剪切,简单剪切：,切应变,g,和剪切应力,s,s,6,弹性模量,弹性模量为应力与应变之比。,模量是材料发生形变时的应力，表征材料抵抗变形能力的大小，模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。,对应拉伸、剪切、均匀压缩的模量分别称,杨氏模量,E,、剪切模量,G,和体积模量,B,。,模量的倒数称柔量，对应地有拉伸柔量,D,，剪切柔量,J,，和体积模量的倒数可压缩度。,7,各种模量的关系,其中,u,称泊松比,，为拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位长度的增加值之比。,对于理想不可压缩体，形变时没有体积变化：,u,=0.5,，,E=3G；,对于一般材料，形变时有体积变化，0.2,u,0.5；,橡胶和小分子液体,u,0.5。,E,、,G,、,B,、,u,四个参数，只要知道两个就足以描述材料的弹性力学行为。,对于各向同性材料：,8,应力-应变曲线,9,1、强度与塑性,1)强度,在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力称为,强度,。,包括,拉伸强度、弯曲强度、冲击强度,等。,把负荷不增加而应变仍在增大的现象叫屈服。材料在外力作用下发生塑性变形的最小应力叫,屈服强度,，与此相对应的应力即为,屈服应力,。,弹性模量E,即直线部分的斜率。如果应力-应变曲线的直线部分不清楚，则以曲线在原点处切线的斜率作为弹性模量。应力-应变曲线上最大的应力值称为,极限强度或拉伸强度,。,10,拉伸强度,拉伸强度：,在规定的温度湿度和试验速度下，标准试样沿轴向拉伸至断裂，断裂前试样承受的最大载荷,P,与试样横截面积之比。,拉伸模量：,由拉伸初始阶段应力应变之比来计算。,11,例1.,设计一铝棒承受200kN (0.2MN)的力。为确保安全，棒上最大应力不能超过170MPa。棒长度至少为3.8m，受力时弹性形变不能超过6mm。所用铝材的弹性模量为69GPa。求棒的最小直径。,解,：先利用工程应力的定义计算棒的截面积：,只要保证截面积，可以为任何形状。,为方便起见，设计一圆棒，其直径为d:,12,最大容许弹性形变为6mm，而170MPa应力所对应的应变约为0.0025，由工程应变的定义可确定棒的最大长度：,但规定的最小长度为3.8m。加长棒的长度，截面,积必须随之变大。3.8m长的棒的最小应变为：,13,这一应变相应于110MPa的应力，小于最大应力,170MPa。则最小截面积为：,所以，为同时满足最大应力最小伸长两项条件，,棒的截面积至少为1820mm,2,，即直径至少48mm。,14,弯曲强度,也称挠曲强度，在规定试验条件下，对试样施加静弯曲力矩直至折断，取最大载荷,P,计算弯曲强度：,弯曲模量,d,称挠度,，是着力处的位移,弯曲强度也可以将试样一端固定，另一端来施加载荷。也可以采用圆形试样。,15,例2：一玻璃纤维增强复合材料的挠曲强度为315MPa，挠曲模量为124GPa。一样品宽12mm，厚9.5mm ，长200mm，置于相距125mm两圆辊之间。计算使样品断裂所需的力以及样品断裂时的挠曲。假设无塑性形变。,解：将样品尺寸代入挠曲强度公式：,又由挠曲模量公式：,16,冲击强度,试样受到冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。,落重式冲击：逐渐升高重物的下落高度直至材料破坏，从重物的高度和重量计算冲击强度。,快速拉伸得到的应力应变曲线下的面积为冲击强度。,Charpy,Izod,17,2)塑性,材料在断裂前发生永久变形的能力叫塑性。塑性以材料断裂后永久变形的大小来衡量。,量度指标：,延伸率,和,断面收缩率,延伸率：,金属材料受外力作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比,断面收缩率,：断面缩小的面积与原面积之比值叫断面收缩率,为塑性材料,18,压缩实验中的塑性材料 压缩实验中的脆性材料,19,2 韧性,材料在塑性形变过程中吸收能量，抵抗裂纹萌生与发展的能力称为,韧性,。韧性可以用应力-应变曲线下的面积来度量。,20,2 韧性,冲击强度往往被用来作为材料韧性的度量。,韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。,度量指标,冲击韧性,：用材料受冲击而破坏的过程所吸收的冲击功来表征,断裂韧性,：用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值,Kic来表征,21,3,硬度,衡量材料表面抵抗压力的能力，反映材料表面抵抗微区塑性变形的能力。,在矿物中常用莫式硬度。最硬的金刚石为十级，最软的滑石为一级，中间的级别用划痕法确定。,现代采用压痕法，有布氏法、维氏法、洛氏法等。,22,将直径,D,的钢球压入试样表面，保持压力使材料充分变形，测量压入深度,h,，计算凹痕单位面积上的载荷(Kg/mm2)为,布氏硬度,。,布氏硬度 (HB),(a)布氏硬度测试法 (b)维氏硬度测试法,23,4 耐磨性,一个物体相对另一物体摩擦的结果，引起摩擦表面有微小颗粒分离出来，使接触面尺寸变化、重量损失及其他性能下降的这种现象称为,磨损,。,耐磨性,又称耐磨耗性，可用磨耗指数或由用磨耗试验机在规定条件下进行试验所测得的材料减量（g/cm2）表示。,磨损的种类,：氧化磨损、咬合磨损、热磨损、磨粒磨损、卷曲磨损、冲击磨损、表面疲劳磨损等，多是数种磨损共同作用的结果。,24,摩擦系数与磨损,摩擦,是在法线负荷作用下，两表面压在一起时，使界面产生相对运动所需的切向力。,摩擦系数,是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值。,磨损,是两材料表面摩擦时，由于力学(有时还有温度、介质等物理、化学因素)作用，材料从自身表面以各种形式剥落的有害现象。,影响因素,包括材料的硬度、拉伸强度、撕裂强度、疲劳强度、温度等。,降低材料的摩擦系数、提高材料的硬度有助于增加材,料的耐磨性。,25,5 疲劳,若将应力或应变反复施加于材料上，即使应力的最大值低于材料的屈服强度，材料在某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或完全断裂的现象，称为,疲劳,。在特定的振动条件下，使材料破坏所必需的周期数称为,疲劳寿命,。,在疲劳试验中，应力交变循环大至无限次而试样仍不破损时的最大应力叫,疲劳极限,。,许多塑料事实上并不存在疲劳极限，为此，特用循环次数达到10次而试样尚有50%不破坏情况下的应力表示疲劳极限。,26,27,塑料的疲劳极限仅为其拉伸强度的2030%；碳纤维增强聚酯树脂的疲劳极限相当于其拉伸强度的70 80%；复合材料具有优良的抗疲劳性能，这与疲劳断裂的方式有直接相关的。,疲劳破坏就是裂纹不断扩展产生的突然断裂，纤维增强复合材料即纤维和基体间的界面能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。外加载荷由增强纤维来承担，疲劳破坏往往是从纤维的薄弱环节处开始，逐渐扩展到结合面上，在破坏前由预兆。复合材料的疲劳极限比较高。,28,疲劳现象主要出现在具有较高塑性的材料中。,金属材料,的失效形式之一就是疲劳。疲劳断裂往往没有任何先兆，因而由此造成的后果往往是灾难性的。,高分子材料的塑性一般很好,，但在长期使用过程中首先发生的是材料的老化失效，因而疲劳破坏不占主导地位。,陶瓷材料的塑性很低,，其疲劳现象不如金属材料的明显，而且疲劳机理也不同于金属。,29,二、高分子材料的力学性能,特点：,高弹性。,是其它任何材料所不具备的；,粘弹性。,高聚物材料常同时表现出粘性液体和弹性固体的力学行为，这些力学特性对于温度和时间的依赖性特别强烈；,与金属材料相比，高聚物的实际强度和刚度较低，这也是高聚物尚不能大量取代其它材料的原因，其潜力很大，前景乐观。,高聚物所呈现的上述特点是由其内部的大分子链结构和特殊的分子热运动规律所决定的。,30,高弹态是链段运动产生的一种物理状态，室温下处于高弹态的高聚物称为橡胶。,特点：,弹性模量小，形变大；弹性模量与绝对温度成正比；形变时有热效应，伸长时放热，回缩时吸热；在一定条件下，高弹形变表现明显的松弛现象；形变时体积基本不变。,拉伸强度,是橡胶最基本的性能指标(MPa)。如聚氨酯橡胶的拉伸强度可达35MPa，而有些橡胶，则可小于10 MPa。随着交联密度的增加(硫化时含硫量增加)，拉伸强度也增大。,撕裂强度,是表征橡胶裂口处撕开的性能(N/m)。它与拉伸强度有密切关系。,定伸应力,是将橡胶试样拉伸至一定长度时，单位面积所需的力。交联密度越大(交联点间平均分子量越小)， 橡胶越坚韧， 定伸强度增大。这一性能指标通常反映橡胶的交联密度。,2.形变,永久变形,是指橡胶经一定时间外力作用后，不能恢复的那部分变形量。,扯断伸长率,是表示橡胶伸长应变的性能指标。它是试样拉断后伸长部分与试样原长之比。,回弹率,用以表征橡胶受冲击后复原的程度。,用以表征橡胶制品硫化后收缩的程度(一般为11.5),。,1.强度的抗撕性,3.硬度与耐磨性,橡胶硬度常用邵氏硬度计测量。,橡胶制品的硬度：40,90A。,橡胶的耐磨性用阿克隆磨耗值来表征(,cm,3,/1.61km,)：在规定的1.61km距离内磨耗损失的橡胶体积(cm,3,)。,硫化的天然橡胶使用温度上限只有70,80，在102经8小时拉伸强度下降25%，在176经8小时则失去使用价值，此外还发生臭氧龟裂、氧化降解。通过改变化学组成和分子链结构可提高橡胶的耐高温性能，如硅橡胶和氟橡胶的最高使用温度可达315。用脆性温度来表征橡胶的耐寒性，一般在-30,-50，硅橡胶则为-100。通过加入增塑剂可降低,T,g,，改善耐寒性；通过共聚(如乙烯与丙烯共聚物：乙丙橡胶)，既降低,T,g,，又降低结晶能力，也可改善耐寒性。,4.橡胶的使用温度范围,高弹性(橡胶弹性),31,. 静态粘弹性,1. 蠕变,1)概念,在恒定的应力作用下，随时间的延长，形变不断增加的现象。,2)原因,是,分子运动,的结果,。如图为蠕变前后大分子链构象变化示意图，原来蜷曲交联的分子链，在外加应力作用下，通过链段热运动，改变着构象，缓慢地趋向受力方向，一部分发生整个链位移的分子链将导致蠕变后出现不可逆变形。,3)实例,聚氯乙烯电线套管，在架空情况下，受自身重力作用，时间久了就会弯曲；,扎辫子用的软聚氯乙烯细丝，越用越长；,塑料雨衣，挂在衣帽钩上，时间一长就会顶起一个鼓泡。,4)蠕变过程的三种变化(,从分子运动变化角度看,),普弹形变,当高分子材料受到外力作用时，分子链内部键长和键角立即发生变化，这种变量是很小的，称为普弹形变。,外力除去后，普弹形变能立即完全回复。,1,=/E,1,。,高弹形变,它是分子链通过链段运动逐渐伸展的过程，其形变量要比普弹形变大得多。,形变与时间成指数关系：,2,=(/E,2,)(,1,-e,-t/,),，为松弛时间(=,2,/ E,2,)，,2,为链段运动粘度，,E,2,为高弹模量。,除去外力后，高弹形变逐渐回复的。,粘性流动,分子间没有化学键交联的线型高聚物，还会产生分子链与分子链间的相对滑移，称为粘性流动。,外力消除后，粘性流动是不能回复的。,3,=(/,3,)t,。,5)影响因素,温度与外力：温度升高、外力增加都使蠕变过程显著加剧；,材料,本身；,粘弹性,32,1)概念,在高聚物材料上作用一个外力后，便产生一定的形变，维持这一恒定的形变量的应力随着时间的延长逐渐衰减的现象。,2)原因,是材料内部分子运动随时间发展的结果。如图为应力松弛过程中分子链构象变化示意图。处于自由蜷曲状态的分子链，在外力作用下产生形变时，众多分子链就要被迫沿外力方向舒展开来，偏离以来平衡状态，经过一段时间后，链段的热运动使沿外力方向舒展开来的分子链，逐渐回缩至原来的低能量的平衡状态，这时原来强迫链舒展开来所需的力逐渐衰减。,3)实例,4)影响因素,温度等：,T,T,g,时，分子量越高，交联密度和结晶度越高，应力松弛越缓慢。,材料本身：未交联的线型无定形高聚物，经过足够长时间后，应力可降低为零；有一定交联的高聚物，时间即使足够长，应力也只衰减至一个有限值。,起始形变、压力等均对应力松弛有一定影响。,应力松弛与蠕变是一个问题的两个方面，都反映高聚物局部分子的三种运动情况。,衣服上使用的松紧带，越用越松；,接管道用的硬橡胶法兰垫片，用久之后会泄漏。,应力松弛,33,1. 滞后,在交变应力作用下，高聚物要通过链段运动，产生与相应的形变，由于分子间的内摩擦力阻碍，使得链段运动产生的形变跟不上应力变化的现象。,形变落后于应力的相位差值越大，说明链段运动越困难，滞后现象越严重。,并不是所有高聚物在受到交变应力作用后，都会产生滞后现象,，而是与许多因素有关，如：柔性链高聚物滞后严重，刚性链高聚物则滞后不明显；外力作用频率和分子链段运动所需的松弛时间接近(处于同一数量级)，滞后最明显；温度不同，滞后现象也不同，在一定频率外力作用下，温度高，链段运动跟得上应力变化，滞后小，温度低，链段运动被冻结，也无所谓滞后，只有在,T,g,温度附近时，滞后最严重。温度对滞后现象的影 响，与外力的交变频率类似。,2. 内耗,受交变应力作用的高聚物材料，由于滞后现象存在，每一次应力循环过程中就要消耗功，这种消耗称为内耗。,如图为橡胶的拉伸回缩应力 -应变曲线。滞后圈由拉伸曲线oba和回缩曲线ado组成的封闭曲线，其面积为拉伸曲线和回缩曲线下所包围的面积之差，滞后圈大小表示了一个拉伸 - 回缩循环过程中克服分子链间内摩擦所损耗的功。内耗的大小与温度和外力作用频率有关，温度高，外力作用频率低，链段运动完全跟得上外力的变化，内耗很小，反之，完全跟不上，内耗也小，介于两者之间，内耗最大。,高速行驶的汽车轮胎，由于滞后产生内耗导致温度高达80,100，促使轮胎老化。,分子链上有两个侧基的丁基胶，滞后圈大，内耗大，吸震能力强，是制做减震件的理想材料。,实例,动态粘弹性,34,-曲线,类 型,弹性,模量,屈服,极限,强度,极限,断裂,伸长,形变,产生,屈服,现象,典型高聚物,(a)软而弱,低,低,低,中,易,有,聚合物凝胶、低分子量树脂等,(b)硬而脆,高,高,中,低,难,无,PS、PMMA、固化酚醛树脂等,(c)硬而强,高,高,高,中,难,有,硬聚氯乙烯等,(d)软而韧,低,低,低,高,易,有,橡胶、LDPE、软PVC、聚四氟乙烯,(e)硬而韧,高,高,高,高,难,有,聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯、ABS,1)高聚物五种类型的-曲线,2)高聚物五种类型的-曲线的性能特点,高聚物五种类型的-曲线及其性能特点,35,无定型线形高聚物的拉伸曲线,曲线a为硬玻璃态的-曲线。由于链段运动完全冻结，受拉时只有键长的弹性伸长和键角的扭转对外力做出反应，这时产生微小的变形都需要很大外力。这类高聚物的模量较高，试样拉伸后的断裂伸长小(10%)具有典型的与拉应力垂直的脆性裂口。室温下拉伸PS试样即得到此类曲线。,曲线b为软玻璃态的-曲线。软与硬玻璃态之分界点在脆化温度,T,B,处(,T,B,是高聚物在,T,g,以下的一个特征温度)。如图为脆化温度(脆点)示意图。它表示低于,T,g,以下的温度拉伸玻璃态高聚物时，断裂应力随着温度下降而不断增加，断裂方式在,T,g,温度时发生转折。,当,T PE),交联度增加,分子量适度增加,但是：,极性基团过密或取代基过大，材料变脆；,分子链支化程度增加，拉伸强度降低，冲击强度提高；,交联中使聚合物结晶度下降，取向困难，并不总对强度有利；,分子量过大对拉伸强度影响不大，但可提高冲击强度。,42,结晶和取向的影响,结晶度适当提高，拉伸强度、弯曲强度、弹性模量增大；(PP中无规结构含量增加，其结晶度下降，拉伸和弯曲强度都降低),但结晶度太高使材料变脆，冲击强度和断裂伸长率下降；,对冲击强度影响更大的是球晶结构，大球晶使冲击强度下降；(往往加入成核剂使球晶变小甚至只形成微晶而不形成球晶),取向使材料强度提高,43,应力集中物的影响,应力集中：材料中如果存在缺陷，受力时缺陷局部范围内的应力急剧增加，远远超过应力平均值，称,应力集中,；缺陷即是应力集中物，包括裂缝、空隙、缺口、银纹和杂质等。是造成聚合物实际强度与理论强度差别巨大的主要原因之一。,加工过程中的,杂质,、,气泡,以及冷却过程中材料表面与内部先后冷却造成的,表面裂缝,是主要的缺陷。,(,表面吸附水油等会降低表面能，加速扩展裂缝,),纤维减小直径以减少缺陷，提高强度,锐口缺陷比钝口缺陷的应力集中系数大得多。,44,增塑剂与填料的影响,增塑剂减小了分子间作用力，强度降低(使纤维吸湿性降低，提高湿态强度)；也使链段活动能力增强，冲击强度提高。,惰性填料稀释聚合物材料，使强度降低,活性填料使强度提高，与材料本身的强度、填料与聚合物的亲合性等有关,粉状填料,纤维状填料,45,填料的影响,粉状填料：填料在聚合物中起到类似交联点的作用,增强作用与聚合物和填料之间的浸润性有很大关系：,炭黑(亲油)与碳粉对橡胶增强的差别；氧化锌对天然橡胶和合成橡胶的补强差别；,同一填料对不同状态下的聚合物有不同的增强效果：,炭黑增强对不结晶的聚合物比对结晶的聚合物效果好(结晶排斥了填料粒子)；,纤维状填料,棉、麻、丝、玻璃纤维等；,在轮胎中形成骨架,(,帘子线,),；,玻璃钢,(,环氧、不饱和树脂等玻璃布,),；,应考虑纤维本身的强度纤维与聚合物的粘合力,46,共聚和共混的影响,共聚和共混可综合两种均聚物的性能,ABS树脂：丙烯腈(A)、丁二烯(B)、苯乙烯(S)共聚；丁腈橡胶和丙烯腈-苯乙烯共聚物共混,高抗冲苯乙烯：丁二烯苯乙烯共聚,聚苯乙烯与天然橡胶共混增韧,两相结构：橡胶相以微粒状分散于连续的塑料相中,冲击强度与两相的化学组成与结构，两相的分子量，橡胶相的含量、粒径、交联度和接枝率有关,相容性,太好：形成均相体系，得不到塑料相的模量、硬度和耐热性等性能；,太差：冲击时两相界面分离，起不到增韧作用。,47,温度和外力作用速度的影响,温度提高和外力作用速度降低具有类似的结果：,拉伸强度降低、伸长率提高、冲击强度提高、模量降低,破坏轨迹：不同温度和拉伸速率下得到的应力应变曲线的断裂点连接的曲线，曲线,ABC,。,沿箭头方向温度降低、拉伸速率提高,D,：维持应力，应变增加到,E,点断裂；维持应变，应力减小到,F,点断裂,48,