第五章材料的變形5.1材料的拉伸試驗(yàn)1）屈服平臺(tái)或不連續(xù)塑性變形對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服強(qiáng)度。2）形變強(qiáng)化段試樣所能承受的最大應(yīng)力稱為抗拉強(qiáng)度。3）試樣中某處突然變小，發(fā)生所謂的“頸縮”現(xiàn)象。4）脆性是指材料在斷裂前不產(chǎn)生塑性變形的性質(zhì)。5）塑性表示材料在斷裂前發(fā)生永久變形的性質(zhì)。6）材料的強(qiáng)度是指材料對(duì)塑性變形和斷裂的抗力。7）材料的塑性大小表示材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力（可用伸長(zhǎng)率和斷面收縮率表示）。材料脆性的大小可用材料的彈性模量和脆性斷裂強(qiáng)度表示。8）材料的韌性指斷裂前單位體積材料所吸收的變形能和斷裂能，即外力所做的功。包括三部分能量：彈性變形能、塑性變形能、斷裂變形能。玻璃態(tài)9）高分子高彈態(tài)粘流態(tài)高分子拉伸曲線：<<T——>應(yīng)力與應(yīng)變成正比直至斷裂。[T（脆化溫度），T（玻璃化溫度）]——>出現(xiàn)屈服點(diǎn)后應(yīng)力下降。略低T，應(yīng)變?cè)黾樱敝翑嗔?gt;T,無(wú)屈服點(diǎn)，應(yīng)變很大。5.2材料的其他力學(xué)試驗(yàn)1）彎曲試驗(yàn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)：試樣總在最大彎矩附近處斷裂。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)：在兩加載點(diǎn)間，試樣受到等彎矩的作用，試樣通常在該長(zhǎng)度內(nèi)的組織缺陷處發(fā)生斷裂，因此能較好地反映材料的性質(zhì)，結(jié)果較準(zhǔn)確。指標(biāo)：撓度、抗彎強(qiáng)度。陶瓷材料拉伸試驗(yàn)困難，通常采用彎曲試驗(yàn)，用抗彎強(qiáng)度表征力學(xué)性能彎曲試驗(yàn)不能測(cè)試高塑性材料，可測(cè)脆性材料、陶瓷、灰鑄鐵及硬質(zhì)合金。2）壓縮試驗(yàn)常用于測(cè)定脆性材料。塑性材料壓縮時(shí)只發(fā)生壓縮變形而不斷裂，壓縮曲線一直上升。指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度、相對(duì)壓縮率、相對(duì)斷面擴(kuò)張率。試樣高徑比越大，抗壓強(qiáng)度越低。端面需光滑平整，相互平行，減小摩擦。3）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)eq\o\ac(○,1)可用于測(cè)定在拉伸時(shí)表現(xiàn)為脆性的材料，如淬火低溫回火鋼的塑性。eq\o\ac(○,2)扭轉(zhuǎn)曲線不出現(xiàn)拉伸時(shí)的頸縮現(xiàn)象，因此可用此測(cè)定高塑性材料的變形抗力和變形能力。eq\o\ac(○,3)可明確區(qū)分材料的斷裂方式，正斷或切斷：對(duì)于塑性材料，斷口與試樣軸線垂直，斷口平整并有回旋狀塑性變形痕跡，這是由切應(yīng)力造成的切斷。對(duì)于脆性材料，斷口約與試樣軸線呈45,斷口呈螺旋狀；木材、帶狀偏析嚴(yán)重的合金板材扭轉(zhuǎn)斷裂時(shí)可能出現(xiàn)層狀或木片狀斷口。指標(biāo)：扭轉(zhuǎn)比例極限、切變模量、扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度。但扭轉(zhuǎn)很難測(cè)定材料的微量塑性變形抗力。5.3彈性變形1）材料的彈性是指在外力作用下發(fā)生變形，外力去除后變形消失的性質(zhì)，這種可恢復(fù)的變形就稱為彈性變形。應(yīng)力與應(yīng)變成正比---------金屬、陶瓷應(yīng)力與應(yīng)變非線性---------橡膠（高彈態(tài)高分子）2）彈性變形的本質(zhì)是晶體點(diǎn)陣內(nèi)的原子具有抵抗相互分開、接近或剪切移動(dòng)的性質(zhì)。3）高分子的高彈態(tài)高分子的彈性變形量很大，小變形時(shí)，應(yīng)力與應(yīng)變符合胡克定律，變形由分子鏈內(nèi)鍵長(zhǎng)和鍵角發(fā)生改變產(chǎn)生，為普彈變形。高彈變形是在外力下，原先卷曲的鏈沿受力方向逐漸伸展產(chǎn)生，伸展長(zhǎng)度和應(yīng)力不成線形關(guān)系。當(dāng)外力去除后，由于分子鏈之間力的作用，分子鏈又回復(fù)至卷曲狀態(tài)。4）彈性指標(biāo)eq\o\ac(

,1)彈性模量表明了材料對(duì)彈性變形的抗力，代表了材料的剛度。也反映了材料內(nèi)原子的鍵合強(qiáng)度。彈性模量是材料最穩(wěn)定的力學(xué)性能參數(shù)，對(duì)成分和組織的變化不敏感。eq\o\ac(

,2)彈性極限是材料發(fā)生最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力值。eq\o\ac(

,3)彈性比功是材料吸收變形功而又不發(fā)生永久變形的能力。W=1/2=螺旋彈簧除材料的彈性外，其螺旋結(jié)構(gòu)使變形量均勻分布到材料上，因此彈簧能承受更大的彈性變形量。5）彈性不完整性現(xiàn)象：應(yīng)變滯后于應(yīng)力。原因：組織不均勻，各晶粒應(yīng)變不均勻。eq\o\ac(□,1)彈性后效與內(nèi)耗：加載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力而和時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象稱為正彈性后效，卸載時(shí)應(yīng)變落后于應(yīng)力的現(xiàn)象稱為反彈性后效。加載線與卸載線不重合而形成封閉回線，稱為彈性滯后，封閉回線為彈性滯后環(huán)。有部分變形功被材料所吸收，為材料的“內(nèi)耗”。大小由回線面積表示。常用于樂(lè)器。小提琴的弦：內(nèi)耗??；車床床身：內(nèi)耗大---吸震。eq\o\ac(□,2)包申格效應(yīng)：金屬材料預(yù)先經(jīng)少量塑性變形后再同向加載，彈性極限升高，反向加載則彈性極限降低。其機(jī)理與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)所受阻力有關(guān)。→后果：交變應(yīng)力作用(疲勞)，彈性極限下降→軟化?！锰帲焊咚匐x心處理、軋制時(shí)來(lái)回交替運(yùn)動(dòng)。6）超彈性材料超彈性定義：材料在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于其彈性極限時(shí)的應(yīng)變量，外力去除自動(dòng)恢復(fù)其變形的現(xiàn)象。原因：馬氏體相變，形狀記憶。溫度誘發(fā)相變，應(yīng)力誘發(fā)相變。5.4材料的塑性1）塑性變形方程：K為強(qiáng)度系數(shù)，n為形變強(qiáng)化系數(shù)。n是材料的加工硬化性指標(biāo)，可用來(lái)表征金屬材料在均勻塑性變形階段的變形。n越小變形強(qiáng)化能力越弱。應(yīng)力增加時(shí)，往往應(yīng)變的速率也會(huì)相應(yīng)增加。應(yīng)變速率敏感性：是應(yīng)變速率敏感性，m是應(yīng)變速率敏感指數(shù)；K是常數(shù)。m=1為粘性固體，m越大，拉伸時(shí)抗縮頸能力越強(qiáng)，m=0表示材料無(wú)應(yīng)變速率敏感性。2）塑性指標(biāo)：有伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。若材料的伸長(zhǎng)率大于斷面收縮率，則該材料只有均勻塑性變形而無(wú)頸縮現(xiàn)象，是低塑性材料，反之為高塑性材料。3）塑性變形機(jī)理金屬材料中存在位錯(cuò)，金屬塑性變形的本質(zhì)是位錯(cuò)在外力的作用下發(fā)生滑移和孿生。滑移系越多，越容易發(fā)生塑性變形。使位錯(cuò)產(chǎn)生滑移所需的分切應(yīng)力為臨界分切應(yīng)力。孿生：切變后已變形區(qū)的晶體取向與未變形區(qū)的晶體取向成鏡面對(duì)稱關(guān)系。孿生可改變晶體取向，使晶體的滑移系由原先難滑動(dòng)的取向轉(zhuǎn)到易于滑動(dòng)的取向，孿生對(duì)塑性變形直接作用下但間接作用大。孿生變形量小，但可改變位錯(cuò)滑移方向。高分子塑性變形是由于分子鏈團(tuán)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，即粘性流動(dòng)。剪切帶和銀紋是玻璃態(tài)高分子局部塑性變形的兩種形式。銀紋垂直于應(yīng)力方向，它是由于高分子在塑性伸長(zhǎng)時(shí)局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生大量的空穴引起的?？昭ㄕ凵渎什煌斐扇瓷?，但銀紋與裂紋不同，裂紋是空的，銀紋中含有40%左右空穴。多晶體除位錯(cuò)外，還存在晶界的移動(dòng)和晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)等，發(fā)生在高溫蠕變、超塑性等現(xiàn)象中。4）在載荷不增加或在某一載荷附近波動(dòng)的情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)變形，這便是屈服現(xiàn)象。屈服強(qiáng)度的大小反映了材料對(duì)起始塑性變形的抗力。材料在變形前可動(dòng)位錯(cuò)密度很小屈服現(xiàn)象的產(chǎn)生有關(guān)因素隨塑性變形的發(fā)生，位錯(cuò)能快速增殖位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率與外應(yīng)力有強(qiáng)烈的依存關(guān)系應(yīng)變速率b為柏氏矢量，為位錯(cuò)密度，v為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)平均速率。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率取決于應(yīng)力的大小。所以：要提高v就要較高的應(yīng)力，這就是上屈服點(diǎn)。一旦塑性變形產(chǎn)生，位錯(cuò)大量增殖，增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速率必須下降，相應(yīng)的應(yīng)力也就突然降低，形成了下屈服點(diǎn)。此后大量位錯(cuò)中某些位錯(cuò)在切應(yīng)力的作用下滑移，產(chǎn)生變形，當(dāng)它們的運(yùn)動(dòng)受阻時(shí)，另一些位錯(cuò)在力的作用下開始運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)產(chǎn)生變形，由此形成了鋸齒狀曲折線段。5）形變強(qiáng)化：其機(jī)理是金屬在外力的作用下通過(guò)位錯(cuò)的滑移、孿生產(chǎn)生變形。由于大量的位錯(cuò)之間發(fā)生交互作用，位錯(cuò)的滑移受阻，要讓位錯(cuò)繼續(xù)滑移，使金屬產(chǎn)生進(jìn)一步的變形，就必須有更大的應(yīng)力作用于材料。材料有阻止繼續(xù)塑性變形的抗力，即形變強(qiáng)化性能。形變強(qiáng)化指數(shù)n大，塑性變形均勻，可防止局部塑變導(dǎo)致構(gòu)件失效。因?yàn)榫植克茏儚?qiáng)化，防止進(jìn)一步塑變。6）材料的強(qiáng)化金屬塑性變形的本質(zhì)是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。金屬的強(qiáng)化機(jī)理是如何使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)阻力有：eq\o\ac(○,1)點(diǎn)陣阻力eq\o\ac(○,2)位錯(cuò)間交互作用產(chǎn)生的阻力eq\o\ac(○,3)位錯(cuò)與其他晶體缺陷交互作用的阻力1固溶強(qiáng)化：溶質(zhì)原子與位錯(cuò)之間產(chǎn)生交互等阻礙作用。2第二相強(qiáng)化：第二相質(zhì)點(diǎn)周圍形成應(yīng)力場(chǎng)阻礙位錯(cuò)。材料的強(qiáng)化3晶粒細(xì)化強(qiáng)化：位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)須克服晶界阻力，位錯(cuò)在晶界附近塞積，造成應(yīng)力集中，激發(fā)相鄰晶粒位錯(cuò)源開動(dòng)引起宏觀屈服應(yīng)變。4相變強(qiáng)化：可通過(guò)處理獲得高位錯(cuò)滑移阻力的組織結(jié)構(gòu)而強(qiáng)化。5無(wú)缺陷強(qiáng)化：如晶須等，制造少缺陷或無(wú)缺陷材料。高分子可加入纖維、無(wú)機(jī)顆粒強(qiáng)化，形成交聯(lián)作用，力的傳遞。，還可復(fù)合強(qiáng)化。陶瓷強(qiáng)度高，只有彈性變形而無(wú)塑性變形，更多的是對(duì)其增韌而非強(qiáng)化。5.5材料的蠕變1）金屬的蠕變是指在恒定的作用力下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會(huì)發(fā)生緩慢塑性變形的現(xiàn)象，它是高溫與應(yīng)力對(duì)金屬共同作用的結(jié)果。高溫是指>(0.4-0.5)T的溫度。蠕變曲線：分為過(guò)渡蠕變段、穩(wěn)態(tài)蠕變段（蠕變速率是高溫材料一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)）、加速蠕變段。當(dāng)溫度或應(yīng)力很小時(shí)，穩(wěn)態(tài)蠕變段會(huì)很長(zhǎng)。2）蠕變變形機(jī)理：方式：eq\o\ac(○,1)位錯(cuò)滑移：高溫下位錯(cuò)通過(guò)熱激活和空位擴(kuò)散來(lái)克服某些短程障礙使變形不斷產(chǎn)生，即軟化。而塞積為強(qiáng)化。穩(wěn)定時(shí)強(qiáng)化和軟化同時(shí)發(fā)生，速率保持一定。eq\o\ac(○,2)晶界滑動(dòng)：高溫時(shí)晶界原子容易擴(kuò)散，因此晶界受力易產(chǎn)生滑動(dòng)，促進(jìn)蠕變eq\o\ac(○,3)空位擴(kuò)散：在無(wú)力作用時(shí)，空位移動(dòng)無(wú)方向性，拉力時(shí)空位會(huì)流動(dòng)，擴(kuò)散蠕變?cè)诮饘俳咏埸c(diǎn)、應(yīng)力較低的情況下進(jìn)行。3）高溫變形指標(biāo)：蠕變極限（高溫長(zhǎng)期載荷作用下材料的塑性變形抗力）、松弛極限（總應(yīng)變保持不變而應(yīng)力隨時(shí)間自行降低的現(xiàn)象為應(yīng)力松弛，原因是時(shí)間增加，一部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃危?、持久長(zhǎng)度4）高分子粘彈態(tài)：粘性流動(dòng)的內(nèi)在原因是高分子中分子間沒(méi)有化學(xué)交聯(lián)的線形高分子產(chǎn)生分子間的相對(duì)滑移。粘彈性分為靜態(tài)粘彈性（固定應(yīng)力下表現(xiàn)蠕變和應(yīng)力松弛）和動(dòng)態(tài)粘彈性（周期應(yīng)力下的力學(xué)行為）。5）超塑性是多晶材料在斷裂前各向同性地顯示極高拉伸伸長(zhǎng)率的能力。大的變形能力材料的超塑性無(wú)通常的應(yīng)變硬化應(yīng)變速率敏感性高（有效抑制了超塑性變形中的拉伸失穩(wěn)）伸長(zhǎng)率和應(yīng)變速率敏感指數(shù)是評(píng)價(jià)材料超塑性的重要指標(biāo)。m-曲線，II區(qū)m最大。III區(qū)晶內(nèi)位錯(cuò)滑移起主要作用，也存在少量晶界滑動(dòng)；I和II區(qū)晶內(nèi)位錯(cuò)極少，II區(qū)以晶界滑動(dòng)為主，I區(qū)以擴(kuò)散蠕變?yōu)橹?。超塑性變形機(jī)理不是晶內(nèi)位錯(cuò)滑移，而是晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和晶界滑動(dòng)，甚至換位。5.6材料的硬度硬度是材料表面抵抗外物壓入時(shí)引起塑性變形的能力，它是衡量材料抵抗局部變形能力的參數(shù)。壓入法：布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度回跳法：肖氏硬度、里氏硬度1）摩氏硬度確定礦物間相對(duì)硬度的標(biāo)準(zhǔn)。是半定量硬度，還包括鉛筆硬度等2）用一定壓力將淬火鋼球或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除壓力，于是在試件表面留下壓痕，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力即為布氏硬度值（HB）。布氏硬度：eq\o\ac(○,1)壓痕直徑越大，則布氏硬度越低。eq\o\ac(○,2)先考慮試樣的厚度—>確定壓頭直徑。eq\o\ac(○,3)HBS：壓頭為淬火鋼球HBW：壓頭為硬質(zhì)合金鋼球。eq\o\ac(○,4)150HBS10/100/10表示10mm直徑淬火鋼球加壓100kgf，保持10s。eq\o\ac(○,5)優(yōu)點(diǎn)：分散性小，重復(fù)性好。不受個(gè)別相和不均勻影響。eq\o\ac(○,6)缺點(diǎn)：不宜進(jìn)行無(wú)損測(cè)定，不能測(cè)定薄壁件或表面硬化層的硬度，不能測(cè)大件，壓痕直徑測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，效率低。3）洛氏硬度直接測(cè)量壓痕深度，并以壓痕深淺表示材料的硬度。洛氏硬度：eq\o\ac(○,1)分HRA、HRB直徑為1.588(鋼球?yàn)閴侯^)、HRC直徑為1.588[金剛石壓頭，HRC=（0.2-e）/0.02，e=h-h]eq\o\ac(○,2)先加初載荷，再加主載荷，之后卸除主載荷。eq\o\ac(○,3)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單迅速，效率高，對(duì)試樣表面損傷小，可用于成品檢驗(yàn)。eq\o\ac(○,4)缺點(diǎn)：重復(fù)性差，精度低。對(duì)成分不均勻敏感，重復(fù)性差。eq\o\ac(○,5)表面層硬度：表面硬度計(jì)（滿足薄零件或鍍層）?？蓽y(cè)滲層。4）維氏硬度：eq\o\ac(○,1)HV=0.1891F/dd=(d+d)/2。eq\o\ac(○,2)不知厚度時(shí)，載荷從小到大進(jìn)行試驗(yàn)。eq\o\ac(○,3)金剛石四方角錐體壓頭，表示方法與HB一樣。eq\o\ac(○,4)優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍寬，能更好地測(cè)定薄件或膜層的硬度，精度高。eq\o\ac(○,5)缺點(diǎn)：操作不方便。5）顯微維氏硬度（HV）和努氏硬度（HK）：測(cè)定微小部件或極小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)，以及陶瓷等脆性材料。顯微維氏硬度實(shí)際上是小載荷的維氏硬度。努氏（HK）為金剛石長(zhǎng)菱形壓頭。6）肖氏硬度又叫回跳硬度，測(cè)定原理是將一定質(zhì)量的具有金屬石圓頭或鋼球的標(biāo)準(zhǔn)沖頭從一定高度h自由下落到試樣表面，回跳到h。硬度值大小取決于材料的彈性性質(zhì)。eq\o\ac(○,1)HS=Kh/hK為肖氏硬度系數(shù)h為下落高度，h為回跳高度。eq\o\ac(○,2)彈性越大，塑性變形越小，硬度值越大。eq\o\ac(○,3)彈性模量不同的材料不能相互比較。eq\o\ac(○,4)優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、測(cè)量迅速、壓痕小、儀器攜帶方便。eq\o\ac(○,5)缺點(diǎn)：重復(fù)性差，精度低。里氏硬度：HL=1000v/v，v為沖擊體回彈速度，v為沖擊體沖擊速度在大件和現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)用廣泛。邵氏硬度：HA表示，是將一定形狀的鋼制壓針，在載荷作用下壓入試樣表面，當(dāng)壓足平面與試樣表面緊密貼合時(shí)，測(cè)量壓針相對(duì)與壓足平面的伸出長(zhǎng)度。第六章材料的斷裂和磨損1）斷裂都經(jīng)過(guò)裂紋形成與裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。2）根據(jù)斷裂形成的微觀機(jī)理：斷裂包括解理斷裂、沿晶斷裂、延性斷裂。3）根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑：包括穿晶斷裂、沿晶斷裂。4）斷裂韌度K可用來(lái)衡量材料中存在裂紋時(shí)斷裂的難易程度。不易斷裂的材料韌性好。不考慮裂紋：斷裂難易是由斷裂強(qiáng)度大小決定。存在裂紋：斷裂強(qiáng)度高的材料反而可能容易發(fā)生斷裂。eq\o\ac(○,1)斷裂失效1/3材料失效eq\o\ac(○,2)腐蝕失效1/3eq\o\ac(○,3)磨損失效1/3（磨損是材料在外力和環(huán)境作用下發(fā)生質(zhì)量損失導(dǎo)致部件失效）6.1材料的斷裂1）脆性斷裂：斷裂前無(wú)塑性變形。eq\o\ac(○,1)脆性斷裂的宏觀特征是斷裂前不發(fā)生塑性變形，而且裂紋的擴(kuò)展速度很快，在無(wú)明顯的征兆下突然斷裂。eq\o\ac(○,2)脆性材料的斷裂面一般與正應(yīng)力垂直，斷口平齊而光亮，常呈放射狀或結(jié)晶狀。eq\o\ac(○,3)解理斷裂是在拉應(yīng)力作用下，原子間結(jié)合鍵遭到破壞，嚴(yán)格沿一定的結(jié)晶學(xué)平面，即解理面劈開而造成的，解理面一般是表面能最小的面。eq\o\ac(○,4)不同高度的平行解理面構(gòu)成解理臺(tái)階，形成“河流狀花樣”。河流的流向與裂紋擴(kuò)展方向一致，因而可由河流反方向去尋找裂紋源。eq\o\ac(○,5)“舌狀花樣”是解理裂紋沿孿晶界擴(kuò)展而留下的舌狀凸臺(tái)或凹坑。eq\o\ac(○,6)沿晶裂紋是指裂紋斷裂過(guò)程中裂紋沿晶界擴(kuò)展。斷口一般為冰糖狀。晶界有脆性第二相；有害雜質(zhì)晶界偏聚；環(huán)境導(dǎo)致晶界弱化應(yīng)力腐蝕開裂、高溫蠕變斷裂等。2）韌性斷裂eq\o\ac(○,1)韌性斷裂是材料在斷裂前產(chǎn)生明顯宏觀塑性變形的斷裂。eq\o\ac(○,2)斷裂擴(kuò)展中無(wú)須消耗能量，斷裂面一般平行最大切應(yīng)力并與主應(yīng)力成45，斷口呈纖維狀，灰暗色。eq\o\ac(○,3)中低強(qiáng)度鋼光滑圓柱的斷口呈杯錐狀，一般由纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇三個(gè)部分組成。放射區(qū)是裂紋快速低能撕裂形成，有放射線花樣特征。剪切唇是在平面應(yīng)力條件下的快速不穩(wěn)定斷裂。纖維區(qū)形成包括微孔成核、張大、聚合直至斷裂。eq\o\ac(○,4)雜質(zhì)或第二相破碎或脫離基體界面形成微孔——>微孔長(zhǎng)大和聚集形成顯微裂紋——>微孔形成——>微孔聯(lián)接中心空腔——>沿45方向切斷形成杯錐狀斷口——>重復(fù)過(guò)程形成鋸齒形的纖維區(qū)eq\o\ac(○,5)微孔形成的位錯(cuò)模型：位錯(cuò)線遇到第二相質(zhì)點(diǎn)形成位錯(cuò)環(huán)——>位錯(cuò)環(huán)在應(yīng)力作用下堆積——>界面滑移形成微孔——>新位錯(cuò)不斷進(jìn)入微孔，微孔長(zhǎng)大細(xì)小、圓形的第二相質(zhì)點(diǎn)有助防止裂紋產(chǎn)生eq\o\ac(○,6)韌窩：等軸韌窩（垂直微孔平面的正應(yīng)力）和拉長(zhǎng)韌窩（在扭轉(zhuǎn)載荷或雙向不等拉伸條件下的切應(yīng)力）。發(fā)現(xiàn)河流必然是脆性斷裂；但發(fā)現(xiàn)韌窩不一定就是韌性斷裂。韌性斷裂肯定有韌窩。eq\o\ac(○,7)影響韌性斷裂因素：基體、第二相（種類與基體一致好，數(shù)量少好、分布均勻、形狀球形）。3）斷裂強(qiáng)度eq\o\ac(○,1)在外加應(yīng)力的作用下，將晶體的兩個(gè)原子面沿垂直于外力方向拉斷所需的應(yīng)力，即理論斷裂強(qiáng)度。eq\o\ac(○,2)理想晶體解理斷裂的理論斷裂強(qiáng)度：，是表面能，a是原子間的平衡距離?？梢岳斫饨饫砻嫱潜砻婺茏钚〉拿?。eq\o\ac(○,3)Griffith理論裂紋理論：實(shí)際材料中存在裂紋，即使外加應(yīng)力低于理論斷裂強(qiáng)度，由于裂紋尖端應(yīng)力集中作用，使裂紋尖端附近應(yīng)力超過(guò)材料的理論強(qiáng)度，結(jié)果導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展，引起脆性斷裂。解決了“實(shí)際斷裂強(qiáng)度與理論值之間存在巨大差異”的問(wèn)題。半長(zhǎng)為a的裂紋的板材中，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界應(yīng)力和臨界裂紋半長(zhǎng)a=（裂紋半長(zhǎng)一定）a=（應(yīng)力一定）[此公式適用于脆性材料]塑性變形要消耗變形功，與位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)能力有關(guān)。Griffith理論的前提是材料中已存在裂紋，它不涉及裂紋的來(lái)源。4）斷裂韌度eq\o\ac(○,1)應(yīng)力強(qiáng)度因子K：張開型（I型）[最危險(xiǎn)，容易引起脆斷]裂紋擴(kuò)展有三種形式：滑開型（II型）撕開型（III型）K值越大，該點(diǎn)各應(yīng)力、位移分量值越高。K反映了裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的強(qiáng)度，故稱應(yīng)力強(qiáng)度因子。K=Y單位為：MPa.meq\o\ac(○,2)K為臨界K值，為I型裂紋材料的斷裂韌度指標(biāo)。它是材料內(nèi)部存在裂紋時(shí)抵抗斷裂的能力，與材料成分、組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。K=Y裂紋斷裂失穩(wěn)擴(kuò)展而脆斷的判據(jù)：KK或YK時(shí)，當(dāng)裂紋受力，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂。反之，即使存在裂紋，若KK也不會(huì)斷裂，這種情況為破損安全。eq\o\ac(○,3)斷裂韌度的測(cè)量：常用緊湊拉伸試樣和三點(diǎn)彎曲試樣。測(cè)試所選材料的屈服強(qiáng)度，估計(jì)K值——>確定試樣尺寸——>按比例關(guān)系確定長(zhǎng)度和寬度——>開缺口——>在疲勞試驗(yàn)機(jī)上預(yù)制裂紋——>彎曲試驗(yàn)——>得F-V曲線確定臨界載荷F——>用顯微鏡測(cè)量裂紋長(zhǎng)度a———>帶入K，算出K——>進(jìn)行有效性檢驗(yàn)——>若不滿足，將試樣尺寸加大一半，重新測(cè)定。新方法：顯微硬度壓痕法。壓頭作用：產(chǎn)生裂紋；根據(jù)裂紋的形狀和長(zhǎng)度，通過(guò)材料力學(xué)模型計(jì)算出K；優(yōu)點(diǎn)是方便；缺點(diǎn)為只是微區(qū)的斷裂韌性。6.2材料的脆性和韌性eq\o\ac(○,1)表征脆性材料兩參數(shù)：彈性模量E和斷裂強(qiáng)度。材料脆性本質(zhì)除其內(nèi)部位錯(cuò)滑移困難外，通常與其對(duì)裂紋的敏感性高有關(guān)。eq\o\ac(○,2)材料的韌性表示斷裂前單位體積材料所吸收的變形和斷裂能。韌性包括三部分能量：彈性變形能、塑性變形能、斷裂能。eq\o\ac(○,3)脆性-韌性轉(zhuǎn)變：1）應(yīng)力條件：切應(yīng)力引起材料的塑性變形（切應(yīng)力是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力）。拉應(yīng)力只促進(jìn)材料的斷裂。2）溫度對(duì)斷裂強(qiáng)度影響不大，但對(duì)屈服強(qiáng)度影響顯著。原因是高溫易激活位錯(cuò)源，有利位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。低溫時(shí)，位錯(cuò)源激活受阻，難以產(chǎn)生塑性變形，斷裂可能變成脆性。如儲(chǔ)放液氮的容器，需考慮其韌脆轉(zhuǎn)變溫度。提高加載速率，則相對(duì)變形速率增加，在一定限度它會(huì)使塑性變形極不均勻，結(jié)果塑性變形抗力提高，并使局部高應(yīng)力區(qū)形成裂紋，有變脆傾向。如爆炸斷口。3）晶粒細(xì)化可降低材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度。它提高材料的強(qiáng)度，又提高了它的塑性變形和韌性。這是形變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化與彌散強(qiáng)化等方法不及的。eq\o\ac(○,4)缺口沖擊試驗(yàn)：沖擊功：A=mg(H-H)V型缺口（夏氏）和U型缺口（梅氏）缺口沖擊韌度a或a=A/A（凈斷面積）單位為J/mm。缺口斷裂經(jīng)三個(gè)階段：裂紋在缺口根部形成、裂紋擴(kuò)展和最終斷裂。缺口沖擊韌度還可測(cè)定韌脆轉(zhuǎn)變溫度，方法是將試樣冷卻到不同溫度測(cè)定沖擊功。還可處理原材料冶金質(zhì)量、熱處理缺陷。eq\o\ac(○,5)陶瓷材料增韌：增韌機(jī)理：減少裂紋形成和抑制裂紋擴(kuò)展。陶瓷與金減少裂紋形成的方法：減少材料中的缺陷（陶瓷致密度）和表面壓應(yīng)力。1）陶瓷與金屬?gòu)?fù)合的增韌金屬自身的塑性變形使裂紋尖端區(qū)域高度集中的應(yīng)力得以部分松弛以吸收能量的作用。裂紋擴(kuò)展所需的能量大于形成新裂紋面所需的表面能，從而提高了材料對(duì)裂紋擴(kuò)展的抗力，改善了材料的韌性。2）相變韌性相變要吸收能量而體積膨脹可松弛裂紋尖端的拉應(yīng)力，改善材料的斷裂韌度。如ZrO2相變。3）微裂紋增韌微裂紋可使主裂紋尖端鈍化，增大裂紋尖端鈍化半徑可提高斷裂韌度。另外可使主裂紋分叉，改變主裂紋的應(yīng)力場(chǎng)，增加擴(kuò)展的表面能，使其擴(kuò)展受阻增加了材料的斷裂韌度。（主要是改變裂紋擴(kuò)展方向）。4）晶須增韌和納米增韌使裂紋擴(kuò)展的路徑改變或使裂紋尖端鈍化。6.3材料的疲勞eq\o\ac(○,1)材料在循環(huán)應(yīng)力作用下，即使所受應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度，也會(huì)經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為疲勞。循環(huán)應(yīng)力是指應(yīng)力隨時(shí)間呈周期性變化。應(yīng)力幅=）/2平均應(yīng)力=）/2應(yīng)力比R=疲勞斷口常分為三個(gè)區(qū)：疲勞源、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)、瞬時(shí)斷裂區(qū)。疲勞源一般在零件表面較光滑，裂紋擴(kuò)展區(qū)有貝殼花樣，稱貝紋線或疲勞線。瞬時(shí)斷裂區(qū)靠近中心為平口區(qū)，邊緣處為剪切唇。eq\o\ac(○,2)疲勞斷裂機(jī)理：1）裂紋形成包括三個(gè)階段：微裂紋的形成、長(zhǎng)大和聯(lián)結(jié)。表面滑移帶開裂疲勞裂紋形成的三種方式夾雜物與基體相界面分離或夾雜物本身斷裂晶界或亞晶界開裂在循環(huán)載荷作用下，即使循環(huán)應(yīng)力不超過(guò)宏觀屈服強(qiáng)度，也會(huì)在試樣表面形成滑移帶，為循環(huán)滑移帶。循環(huán)滑移帶的形成，擠出或擠入會(huì)在表面形成微裂紋。2）疲勞裂紋的擴(kuò)展：第一階段：裂紋沿最大切應(yīng)力的晶面方向發(fā)展，由于位向不同及晶界的阻礙作用，擴(kuò)展方向逐漸轉(zhuǎn)向與最大拉應(yīng)力垂直。此階段擴(kuò)展速率較慢。第二階段裂紋擴(kuò)展方向與拉應(yīng)力垂直，擴(kuò)展途徑是穿晶的，擴(kuò)展速率較快，會(huì)形成疲勞條帶。第二階段疲勞條帶形成的塑性鈍化模型：在交變應(yīng)力作用下，裂紋受拉應(yīng)力作用先張開，裂紋尖端處于應(yīng)力集中，沿45方向發(fā)生滑移——>拉應(yīng)力最大時(shí)，滑移區(qū)擴(kuò)大，裂紋尖端變半圓形，發(fā)生鈍化，裂紋停止擴(kuò)展——>當(dāng)為壓應(yīng)力時(shí)，滑移方向相反，裂紋尖端被壓成耳狀切口——>當(dāng)壓應(yīng)力最大時(shí)，裂紋表面被壓合，裂紋尖端又由鈍變銳，形成一對(duì)銳角——>循環(huán)一周期，斷口變留下一條疲勞條帶，裂紋向前擴(kuò)展一段距離——>如此反復(fù)進(jìn)行，不斷形成條帶，疲勞裂紋不斷向前擴(kuò)展。（第二階段就是應(yīng)力循環(huán)時(shí)裂紋尖端鈍、銳變化的過(guò)程。）條帶間距表示裂紋擴(kuò)展速率，間距越寬，則裂紋擴(kuò)展速率越大。貝紋線是由于交變應(yīng)力振幅變化或載荷大小改變等原因，在宏觀斷口上遺留的裂紋前沿痕跡，是疲勞斷口的宏觀特征。疲勞條帶是其微觀特征。eq\o\ac(○,3)疲勞性能指標(biāo)：從加載開始到試樣斷裂所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)定義為該試樣的疲勞壽命，符號(hào)為N。在不同應(yīng)力幅下試驗(yàn)一組試樣，得到lg-lgN曲線，這就是疲勞壽命曲線。1）低循環(huán)疲勞區(qū)（短壽命區(qū)）：有較明顯的塑性變形。2）高循環(huán)疲勞區(qū)（長(zhǎng)壽命區(qū)）：無(wú)明顯的塑性變形，表現(xiàn)為脆性斷裂。3）無(wú)限壽命區(qū)（安全區(qū)）：臨界應(yīng)力為，為材料的理論疲勞極限或耐久極限。工程上的疲勞極限為：在給定的疲勞壽命下，試樣所能承受的上限應(yīng)力幅值。對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼，給定壽命常取N=10周次，在應(yīng)力比R=-1時(shí)測(cè)定的疲勞極限，時(shí)疲勞壽命小于10周次，時(shí)疲勞壽命大于10周次，并且-。eq\o\ac(○,4)疲勞裂紋擴(kuò)展速率：研究疲勞有兩目的：1）定壽；2）延長(zhǎng)疲勞壽命疲勞壽命N由“裂紋形成壽命N”和“裂紋擴(kuò)展壽命N”裂紋由初始尺寸擴(kuò)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的加載循環(huán)次數(shù)。eq\o\ac(○,5)影響疲勞的因素eq\o\ac(□,1)影響疲勞極限的因素：1）頻率有影響。2）金屬在低于或接近疲勞極限的應(yīng)力下運(yùn)轉(zhuǎn)一定循環(huán)次數(shù)后，其疲勞極限提高，這種現(xiàn)象稱為“次載鍛煉”。3）表面存在缺口時(shí)，引起缺口應(yīng)力集中，而使疲勞壽命短，疲勞壽命降低。4）表面粗糙度越高，材料的疲勞極限越低。粗糙、加工痕跡、記號(hào)等導(dǎo)致疲勞極限下降。5）提高疲勞極限——表面強(qiáng)化處理：表面淬火、滲碳、氮化；噴丸、滾壓等表面冷塑性變形加工。eq\o\ac(□,2)影響疲勞壽命的因素：1）當(dāng)裂紋尖端存在粗大的夾雜物或脆性相時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展不以韌性條帶，而是以韌窩形成或脆性解理的機(jī)理進(jìn)行，結(jié)果疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大，使壽命降低。2）細(xì)化晶?？裳娱L(zhǎng)疲勞壽命，由于晶界兩側(cè)晶粒位向不同，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到晶界時(shí)，被迫改變擴(kuò)展方向，并使疲勞條帶間距改變，可見晶界是擴(kuò)展的障礙。6.4材料的環(huán)境脆性eq\o\ac(○,1)高溫蠕變斷裂1）金屬在高溫下發(fā)生蠕變變形，最后導(dǎo)致材料的斷裂，稱為蠕變變形。2）蠕變斷裂的斷口特征為：斷口附近有塑性變形、變形區(qū)附近有很多裂紋、表面呈龜裂現(xiàn)象，且斷口表面被氧化膜覆蓋。微觀特征為沿晶斷裂為主。3）斷裂機(jī)理：在三叉晶界處形成的楔形裂紋和在晶界上由空洞形成的晶界裂紋兩種方式。4）楔形裂紋形成：高應(yīng)力和低溫下，晶界滑動(dòng)在三晶粒處會(huì)受阻，造成應(yīng)力集中而形成空洞，空洞相互連接而成。晶界裂紋形成：低應(yīng)力高溫下，晶界上突起部位或細(xì)小第二相質(zhì)點(diǎn)附近因晶界滑動(dòng)產(chǎn)生微孔，微孔連接形成裂紋?？傊畽C(jī)理為：晶界上空洞形成和長(zhǎng)大、相互連接。eq\o\ac(○,1)楔形裂紋：晶界滑動(dòng)三叉晶界受阻。eq\o\ac(○,2)晶界裂紋：晶界第二相質(zhì)點(diǎn)。5）持久強(qiáng)度是衡量高溫蠕變斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)，它代表了材料在高溫長(zhǎng)時(shí)間載荷作用下抵抗斷裂的能力。定義為在給定溫度下，恰好使材料經(jīng)過(guò)規(guī)定時(shí)間（壽命）t發(fā)生斷裂的應(yīng)力值。6）蠕變極限：高溫長(zhǎng)期作用下材料的塑性變形抗力。7）抗蠕變方法：基體強(qiáng)化：固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。晶界強(qiáng)化：晶界處形成大量細(xì)小析出硬化相，表面活性元素。eq\o\ac(○,2)應(yīng)力腐蝕開裂1）金屬在拉應(yīng)力和特定環(huán)境作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)出現(xiàn)低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。拉應(yīng)力：工作應(yīng)力、加工及裝配中的殘余應(yīng)力。它不是應(yīng)力對(duì)金屬機(jī)械性的破壞和在腐蝕介質(zhì)作用下的簡(jiǎn)單相加，是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，按特定機(jī)理斷裂的。2）應(yīng)力腐蝕斷裂一般屬于脆性斷裂。其斷口與疲勞斷口類似：有亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)（腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，常為黑色或灰黑色）和最后斷裂區(qū)。顯微裂紋有主裂紋，上有樹枝狀分叉。應(yīng)力腐蝕斷裂可以沿晶界擴(kuò)展，也可能穿晶擴(kuò)展，斷面上還有腐蝕坑和界面滑移等形貌。宏觀斷口表面有腐蝕痕跡，斷口粗糙。3）應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理——保護(hù)膜破壞理論：形成鈍化膜（阻止金屬發(fā)生均勻腐蝕）——>拉應(yīng)力作用下,局部保護(hù)膜破裂,形成初裂紋——>破裂處與金屬表面形成原電池,使腐蝕加速，保護(hù)膜為大陰極、新鮮表面為小陽(yáng)極，產(chǎn)生點(diǎn)蝕坑——>另外,其在蝕坑或裂紋的尖端會(huì)形成應(yīng)力集中,使陽(yáng)極電位降低加速腐蝕。若表面無(wú)鈍化膜,金屬會(huì)在介質(zhì)中發(fā)生均勻全面腐蝕,不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。4）材料抵抗應(yīng)力腐蝕的兩個(gè)性能指標(biāo)為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt.在一定條件下K為一個(gè)常數(shù),它表示含有宏觀裂紋的材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度..eq\o\ac(○,3)氫脆氫脆是指環(huán)境中氫和應(yīng)力共同作用下而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象。斷口微觀形貌沿晶斷裂，有氣孔狀。氫脆的機(jī)理:1)氫蝕氫和第二相作用生成高壓氣體,使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致脆化。2)白點(diǎn)溫度降低,氫分子在缺陷處聚集,應(yīng)力把材料撕裂在鋼中形成白點(diǎn),實(shí)質(zhì)為微裂紋。3)氫化物致脆4)氫致延滯斷裂氫脆與應(yīng)力腐蝕都是由于環(huán)境效應(yīng)而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，總是伴隨著氫脆現(xiàn)象。氫脆預(yù)防:1)環(huán)境介質(zhì)2)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度3)材質(zhì)6.5材料的磨損eq\o\ac(○,1)磨損：相互接觸的固體在力的作用下相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由此造成的材料損失稱為磨損。產(chǎn)生磨損的的要素為：力、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、相互接觸。材料在環(huán)境與力共同作用下會(huì)引起塑性變形、形變強(qiáng)化以及微區(qū)的斷裂。eq\o\ac(○,2)磨損可分為4類：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損。磨損機(jī)理：1）粘著磨損（咬合磨損）微凸點(diǎn)——>粘著——>剪斷（較軟的部分）——>材料轉(zhuǎn)移或形成磨損磨損量w=KFL/3HF為接觸壓力，L為相對(duì)滑移距離，H為布氏硬度。2)磨粒磨損硬顆?；蛲钩鑫镌诓牧媳砻娴哪Σ吝^(guò)程中,使表面材料發(fā)生損耗的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。材料硬度越高,抗磨粒磨損的性能越好。3)腐蝕磨損在磨損過(guò)程中,磨損表面與環(huán)境介質(zhì)會(huì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng),形成腐蝕產(chǎn)物,產(chǎn)物脫落就引起腐蝕磨損。氧化磨損是最常見的腐蝕磨損。4)疲勞磨損疲勞磨損是兩接觸表面在交變壓應(yīng)力長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生的磨損,也稱接觸疲勞。常發(fā)生在滾動(dòng)軸承,齒輪上,其形貌特征為接觸表面上出現(xiàn)許多因金屬剝落形成的麻點(diǎn)或凹坑。機(jī)理：表面滾動(dòng)線接觸時(shí)亞表層切應(yīng)力最大（表面為零）位錯(cuò)滑移、交互作用→空穴→孔洞、裂紋→坍塌。5）沖蝕磨損：它是指材料受到小而松散的流動(dòng)粒子沖擊時(shí)，表面出現(xiàn)材料的損耗。脆性材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在正面沖擊表面時(shí)；塑性材料在入射角與表面成20-30，沖蝕率最大。機(jī)理：沖擊時(shí)表面產(chǎn)生彈、塑性變形；切削等進(jìn)行探討。6）微動(dòng)磨損：兩接觸表面間的小幅度相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為微動(dòng)，由此產(chǎn)生的磨損。微動(dòng)磨損兼有粘著、氧化、磨粒、疲勞磨損。凸粒微動(dòng)——>塑性變形并粘著——>粘著點(diǎn)脫落形成磨屑——>磨屑被氧化形成氧化物——>氧化物被限制在兩表面間成為磨粒，形成磨粒磨損。eq\o\ac(○,3)磨損試驗(yàn)及性能指標(biāo)耐磨性指標(biāo)：磨損量。相對(duì)耐磨性=標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損量/被測(cè)試樣磨損量磨損過(guò)程曲線分為：1）跑臺(tái)階段2）穩(wěn)定磨損階段3）劇烈磨損階段7.1復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。通常有一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相，稱為增強(qiáng)材料?；w有金屬、陶瓷、高分子，而分散相可以是纖維、顆粒等。復(fù)合材料質(zhì)量輕、比強(qiáng)度與剛度大，耐疲勞性能好。根據(jù)基體材料不同，有PMCs、MMCs、CMCs晶須是具有一定長(zhǎng)徑比的小單晶體，其特點(diǎn)是沒(méi)有微裂紋、位錯(cuò)、空洞和表面損傷等缺陷，強(qiáng)度接近理想晶體的理論值。通過(guò)對(duì)纖維的表面改性，選擇最佳的復(fù)合工藝，以達(dá)到預(yù)期的界面設(shè)計(jì)，制取具有優(yōu)異綜合性能的復(fù)合材料，就是所謂的界面工程。當(dāng)外力與層面垂直，E=EE/（VE+VE）當(dāng)外力與層面平行，E=VE+VE任何兩相材料的彈性模量介于兩者間，兩相對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)與它們的體積分?jǐn)?shù)成正比，這種關(guān)系為混合定則。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料為：E=VE+KVEm為顆粒，p為基體。短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度與連續(xù)纖維的作用機(jī)理不同，復(fù)合材料所受的應(yīng)力是通過(guò)纖維與基體界面之間的剪切應(yīng)力從基體傳遞給纖維的。1）斷裂性能：裂紋的擴(kuò)展必須克服由于纖維的加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂功，使得材料斷裂更為困難。斷裂并非發(fā)生在同一裂紋平面。這樣裂紋將沿纖維斷裂位置不同而發(fā)生裂紋轉(zhuǎn)向，這樣也增加裂紋阻力。對(duì)于層合板復(fù)合材料，當(dāng)裂紋沿垂直于層合板的方向擴(kuò)展時(shí)，其裂紋擴(kuò)展可能受到抑制。因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展時(shí)，層間界面要開裂為分層裂紋需消耗大量的能量。2）沖擊性能：當(dāng)纖維方向與外力垂直時(shí)，沖擊性能最高。纖維端頭附近應(yīng)力集中的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使沖擊性能下降。3）疲勞性能：復(fù)合材料有很多疲勞損傷形式，如界面脫粘、分層、纖維斷裂，一般沒(méi)明顯的疲勞極限。其疲勞壽命有很大的分散性，這與增強(qiáng)相及基體材料性能的分散性有關(guān)。復(fù)合材料對(duì)缺口有不敏感性。這主要由于在缺口根部形成損傷區(qū)，緩和了應(yīng)力集中。在疲勞過(guò)程中，損傷區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展，同時(shí)松弛了缺口根部的應(yīng)力集中。因此難以用疲勞裂紋擴(kuò)展速率來(lái)預(yù)估壽命，而需用累積損傷理論。較大的應(yīng)變將使纖維與基體變形不一致，引起纖維與基體界面的破壞，形成疲勞源，壓縮應(yīng)變會(huì)使復(fù)合材料縱向開裂。所以復(fù)合材料對(duì)應(yīng)變特別是對(duì)壓縮應(yīng)變很敏感。eq\o\ac(○,1)高分子基復(fù)合材料：材料具有較高的比強(qiáng)度，并且耐化學(xué)腐蝕性能好，缺點(diǎn)是剛性和耐熱性差。且其抗疲勞性能好，當(dāng)疲勞裂紋產(chǎn)生時(shí)，因纖維與基體的界面能組織裂紋的擴(kuò)展，并且疲勞總是從纖維的薄弱環(huán)節(jié)開始逐漸擴(kuò)展到結(jié)合面上，因此破壞前有明顯的預(yù)兆。eq\o\ac(○,2)金屬基復(fù)合材料：金屬基目的是提高強(qiáng)度、硬度、耐磨性和高溫力學(xué)性能?；w一般不用鐵是因?yàn)殍F可通過(guò)相變來(lái)提高強(qiáng)度，而鋁，銅等不行。在顆粒狀增強(qiáng)相金屬基復(fù)合材料中，根據(jù)顆粒的直徑和體積分?jǐn)?shù)，又可分為彌散強(qiáng)化復(fù)合材料和顆粒復(fù)合材料。彌散強(qiáng)化顆粒直徑范圍為0.01-0.1m，增強(qiáng)機(jī)理是顆粒阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使基體得到強(qiáng)化。彌散強(qiáng)化一般高溫性能比較好。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的顆粒直徑范圍為1-50m，當(dāng)顆粒比基體硬時(shí)，顆粒通過(guò)界面用機(jī)械約束的方式限制基體變形，從而產(chǎn)生強(qiáng)化。而大直徑顆粒容易成為應(yīng)力集中源，因此強(qiáng)度可能反而降低。硼纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的斷裂斷口有：1）全為基體破裂2）同時(shí)含有基體破裂和縱向纖維破裂3）基體破裂和纖維-基體界面破裂。eq\o\ac(○,3)陶瓷基復(fù)合材料：最多的是氧化鋁、碳化硅和氮化硅基體。增強(qiáng)相最多的是纖維、晶須和顆粒。顆粒的增強(qiáng)效果一般不如晶須，裂紋擴(kuò)展必須克服由于纖維加入而產(chǎn)生的拔出功和纖維斷裂，從而起到增韌的作用。晶須增韌陶瓷的機(jī)理相似，主要靠晶須的拔出橋連與裂紋轉(zhuǎn)向機(jī)理。另外界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響了陶瓷基復(fù)合材料的韌化機(jī)理與效果。7.2多孔材料1）結(jié)構(gòu)上分為通孔和閉孔（如同蜂窩：可看成是晶體結(jié)構(gòu)：晶粒為空和晶界為蜂窩的固體部分）。通孔是連續(xù)貫通的三維多孔結(jié)構(gòu)，也稱為泡沫結(jié)構(gòu)，典型代表為海綿。2）壓縮曲線1）線彈性區(qū)2）應(yīng)力平臺(tái)區(qū)（屈服平臺(tái)）：多孔材料發(fā)生彎曲、塑性變形或破裂的固體組分三個(gè)區(qū)增多，在該應(yīng)力下持續(xù)產(chǎn)生較大的變形，這就是為什么多孔材料具有高能量吸收能力的原因。3）致密化區(qū)：此時(shí)支撐梁或胞壁完全損壞，它們?cè)趹?yīng)力作用下同時(shí)發(fā)生變形。壓縮曲線受多孔材料的密度、梁及壁材料的性質(zhì)等影響。壓縮模量及屈服應(yīng)力隨密度的增加而增加，而應(yīng)變則隨之減小。應(yīng)力平臺(tái)有三種情況：支撐梁/壁彈性變形、塑性變形和開裂。3）多孔材料變形時(shí)，臨界應(yīng)力對(duì)于多孔材料的彈性應(yīng)變量只與結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與材料無(wú)關(guān)。曲線形狀隨固體組分性質(zhì)變化：彈性材料：應(yīng)力平臺(tái)變化平緩塑性材料：伴隨出現(xiàn)應(yīng)力下降陶瓷材料：顯示出鋸齒狀的應(yīng)力波動(dòng)，對(duì)應(yīng)各個(gè)梁或壁的斷裂。4）能量的吸收：多孔材料作為減振和緩沖材料有很大發(fā)展?jié)摿?。如包裝箱、汽車防震等。因?yàn)槎嗫撞牧嫌袃?yōu)異的吸收性能。相同峰值應(yīng)力（包裝防護(hù)設(shè)計(jì)的參數(shù)）下，多孔材料吸收能量大。吸收相同能量時(shí)，密度越大，峰值應(yīng)力越大。7.3生物材料包括天然生物材料和生物醫(yī)用材料。醫(yī)用生物材料最重要的是材料與周圍活組織的相互作用，即生物性能。包括材料在生物環(huán)境中的腐蝕、吸收、降解、磨損和失效。1）骨有各向異性，也有一定的蠕變和應(yīng)力松弛性能，就是粘彈性。2）牙表面的牙釉質(zhì)具有很高的硬度和剛性，而牙本質(zhì)具有韌性和柔順性。3）生物材料選用：首先考慮力學(xué)性能，再考慮其耐久性。人造髖關(guān)節(jié)必須堅(jiān)固并有剛性；肌腱要求強(qiáng)度高、韌性好；心臟瓣膜必須易彎曲，強(qiáng)度高；透析膜必須堅(jiān)固，不能有彈性；人造軟骨必須柔軟，富有彈性。生物醫(yī)用材料：4）生物醫(yī)用金屬材料：高強(qiáng)度和抗疲勞性能。常用有不銹鋼、鈷基合金、鈦基合金、形狀記憶合金和金等。5）生物醫(yī)用高分子材料6）生物陶瓷：韌性差，極脆。7）生物醫(yī)用復(fù)合材料天然生物材料：8）蜘蛛絲：橋架絲：第一根絲，是建構(gòu)骨架粘絲：粘住落網(wǎng)獵物（類似橡膠，低模高延伸）框絲：蛛網(wǎng)最外層的絲