材料的機(jī)械性能是指使用過程中受到外界各種作用力（如壓縮、拉伸力、彎曲力、剪切力、摩擦力和撞擊力）的作用而使形狀和體積發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致斷裂的行為。包括：彈性變形、塑性變形、蠕變性、硬度、脆性斷裂與耐磨性。第三章材料的機(jī)械性能與檢測

3.1材料的變形及力學(xué)性能

一．材料的變形二．材料的強(qiáng)化三．材料力學(xué)試驗(yàn)及測試原理

3.2材料的硬度及檢測

3.3

材料的斷裂、磨損及評(píng)定方法一．材料變形

3—1材料的變形與力學(xué)性能應(yīng)力（σ）：作用于被測試樣單位面積上產(chǎn)生形變的力。應(yīng)力是作用負(fù)載與起始橫截面積之比。單位：N／cm2應(yīng)變（ε）：伸長度與試樣的計(jì)量長度之比，簡而言之就是單位原始長度試樣的長度變化。無量綱。伸長率（δ）：拉伸負(fù)載所引起試樣長度的增加。屈服點(diǎn)：應(yīng)力—應(yīng)變曲線上的應(yīng)力不再增加的點(diǎn)。屈服強(qiáng)度：應(yīng)力—應(yīng)變偏離比例關(guān)系時(shí)材料所承受的極限應(yīng)力。即屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。比例極限：一種材料能夠承受所施加的負(fù)載而不使應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系發(fā)生任何偏離虎克定律時(shí)的最大應(yīng)力。單位：N／cm2彈性模量（E）：在材料的比例極限以下，應(yīng)力與相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變之比，通常用F／A表示，單位：N／cm2。也稱楊氏模量：表征材料剛度的量。極限強(qiáng)度：當(dāng)材料受到壓縮、拉伸或剪切作用時(shí)所能承受的最大的單位應(yīng)力。單位：N／cm2表示。正割模量：在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上任何一點(diǎn)的應(yīng)力與應(yīng)變之比。單位：N／cm2表示。參考：關(guān)振鐸P3可以看出：陶瓷只有彈性變形階段且彈性變形量很小，即只有應(yīng)力－應(yīng)變間呈直線關(guān)系段；橡皮的彈性變形所需載荷很小，彈性變形量很大；低碳鋼彈性變形量小，塑性變形量較大。

（一）

彈性變形：外力除去后就能恢復(fù)原狀的變形。

胡克定律σ＝Eε，E

—彈性模量彈性模量:

可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。多數(shù)無機(jī)非金屬材料彈性變形后，沒有塑性形變（或塑性形很?。又褪菙嗔?，總彈性應(yīng)變能非常小。彈性變形的本質(zhì)：從微觀上講，材料彈性變形是外力作用所引起的原子間距離發(fā)生可逆變化的結(jié)果。因此，材料對(duì)彈性變形的抗力取于原子間作用力的大小，即與原子間結(jié)合鍵類型、原子大小、原子間距離有關(guān)。共價(jià)鍵和離子鍵結(jié)合的晶體，結(jié)合力強(qiáng)，E都較大；分子鍵結(jié)合力弱，這樣結(jié)合的物體E較低。

高分子材料在玻璃化溫度以上處于高彈性態(tài)，彈性變形最高可達(dá)1000%，一般金屬材料的彈性變形不超過1%。普彈形變：變形小于5%,應(yīng)力與應(yīng)變符合胡克定律，變形由分子鏈內(nèi)部鍵長和鍵角發(fā)生變化產(chǎn)生。高分子的高彈性高彈變形：分子鏈在外力作用下，原先卷曲的鏈沿受力方向逐漸伸展產(chǎn)生的，伸展長度與應(yīng)力不成線性關(guān)系。分子鏈的質(zhì)量中心并未產(chǎn)生移動(dòng)，因?yàn)闊o規(guī)則纏結(jié)在一起的大量分子鏈之間有許多結(jié)合點(diǎn)（分子間的作用和交聯(lián)點(diǎn)）。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)，宏觀變形消失。

此結(jié)構(gòu)調(diào)整，回復(fù)需要一定時(shí)間，故高彈變形行為與時(shí)間有顯著的關(guān)系，需用變形速率表示變形的能力。

高分子的高彈態(tài)是在玻璃化溫度Tg以上存在的：橡膠Tg＜室溫，故橡膠在室溫下具有極高的彈性。某些高分子在室溫下處于玻璃態(tài)，在外力作用下發(fā)生的很大變形。當(dāng)外力撤除后并不能回復(fù)到原來的狀態(tài)，只有加熱到玻璃化溫度附近才能回復(fù)。因此從機(jī)理上來說，發(fā)生的是高彈變形，而不是粘流變形，將這種變形稱為“強(qiáng)迫高彈形變”。故討論高分子的彈性變形必須考慮溫度的影響。彈性模量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。

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。材料彈性模量越大，材料的彈性變形越難進(jìn)行，在相同應(yīng)力作用下，彈性變形量也越小。材料E（GPa）材料E（GPa）

鎢411.0金剛石～965鉻279.1碳化鎢534.4鐵211.4碳化硅～470

鎳199.5氧化鋁～415

銅129.8

鉛玻璃80.1鈦115.7水晶73.1

鈮104.9

聚苯乙烯2.7～4.2

銀82.7

有機(jī)玻璃2.4～3.4金78.0尼龍661.2～2.9鋁70.3聚乙烯0.4～1.3鎘49.9

橡膠0.02～0.8鎂44.7氣體0.01材料彈性模量材料E（GPa）材料E（GPa）密實(shí)SiC（氣孔率5%）470燒結(jié)MgO（氣孔率5%）210燒結(jié)MgSi2（氣孔率5%）407鎂質(zhì)耐火磚170燒結(jié)氧化鋁（氣孔率5%）366燒結(jié)穩(wěn)定ZrO2（氣孔率5%）150高鋁瓷（90-95%Al2O3）366熱壓BN（氣孔率5%）83燒結(jié)氧化鈹（氣孔率5%）310SiO2玻璃72燒結(jié)TiC（氣孔率5%）310莫來石瓷69熱壓B4C（氣孔率5%）290滑石瓷69燒結(jié)MgAl2O4

（氣孔率5%）238石墨（氣孔率20%）9無機(jī)材料彈性模量（二）

塑性形變：外力除去后不能恢復(fù)的變形。塑性變形中，隨材料的不同，應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系相當(dāng)分散，據(jù)經(jīng)驗(yàn)固體的塑性變形行為：

στ=K(ετ)nστ、ετ—真實(shí)應(yīng)力、應(yīng)變；

K—強(qiáng)度系數(shù)；n—形變強(qiáng)化系數(shù)：n=1理想彈性體；n=0材料沒有形變強(qiáng)化能力金屬材料n=0.1～0.5；

塑性變形中應(yīng)變受速率、溫度影響，與塑性變形的微觀機(jī)理有關(guān)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)描述速率敏感性：

στ=K’(ετ)mετ—真實(shí)應(yīng)變速率；m—應(yīng)變速率敏感指數(shù)；K’—常數(shù),單位應(yīng)變速率材料流動(dòng)應(yīng)力m=1粘性固體；m值越大，拉伸時(shí)抗縮頸的能力強(qiáng)；m=0材料沒有應(yīng)變速率敏感性塑性變形機(jī)理：由晶體滑移和孿生晶引起的。晶體受力時(shí)，晶體的一部分（主要晶面）對(duì)另一部分發(fā)生平移滑動(dòng)（滑移）。滑移面：原子最密排晶面。滑移方向：原子最密排方向。滑移面和滑移方向組成滑移系統(tǒng)，滑移系統(tǒng)多，材料塑性好。

金屬材料：金屬鍵沒有方向性，滑移系統(tǒng)很多，如體心立方金屬（Fe、Cu等）滑移系統(tǒng)有48之多。無機(jī)非金屬材料：離子鍵和共價(jià)鍵構(gòu)成，有明顯的方向性，只有個(gè)別滑移系統(tǒng)才能滿足條件。晶體結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，滑移系統(tǒng)越少。因此只有為數(shù)不多的無機(jī)非金屬材料晶體在常溫下具有延性。如AgCl、KCl、MgO、KBr、LiF。塑性研究意義：材料承受載荷的能力是強(qiáng)度，但塑性指標(biāo)的評(píng)價(jià)也很重要。若是強(qiáng)度高、塑性低，材料在最終斷裂前無任何征兆出現(xiàn)的現(xiàn)象很危險(xiǎn)：通常強(qiáng)度高的材料塑性低，塑性高的材料強(qiáng)度低。真正好的材料應(yīng)該是強(qiáng)度和塑性都高，也就是σ-ε曲線下所包圍的面積應(yīng)該大。面積反映了材料發(fā)生斷裂時(shí)外界做功的大小，這個(gè)量稱之為韌性。與韌性相對(duì)的是脆性，實(shí)際表現(xiàn)是材料在很低的應(yīng)力下（常常低于屈服應(yīng)力）發(fā)生突然的斷裂。（三）

材料的蠕變?nèi)渥儯狠d荷作用下，形變隨載荷作用時(shí)間的增加而增加的現(xiàn)象。主要為：非晶態(tài)高分子和非晶合金材料

oa—主要是發(fā)生彈性、塑性變形；ab—過渡蠕變段，蠕變速率（Δε/Δt）隨時(shí)間的增加而減小。到b點(diǎn)達(dá)最小值。bc—穩(wěn)態(tài)蠕變段，即（Δε/Δt）＝常數(shù)，形變硬化與高溫產(chǎn)生的軟化過程平衡。

cd—加速蠕變段，隨時(shí)間延長，蠕變速率逐漸增大，至d點(diǎn)產(chǎn)生蠕變斷裂。愈來愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開始產(chǎn)生縮頸，試件實(shí)際受力面積減小而真實(shí)應(yīng)力加大，因此在塑性變形速率加快，隨后試樣斷裂。

T-常數(shù)σ-常數(shù)二．材料的強(qiáng)化

材料克服脆性、改善韌性、提高強(qiáng)度的方法目前主要是增韌和控制材料中的微裂紋。具體有如下方法：（一）微晶、高密度與高純度

為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細(xì)、密、勻、純是當(dāng)前陶瓷發(fā)展的一個(gè)重要方面。近年來出現(xiàn)了許多微晶、高密度、高純度陶瓷，如熱壓工藝制的Si3N4陶瓷，密度接近理論值，幾乎無氣孔。另外，塊體材料制成細(xì)纖維（強(qiáng)度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)）或晶須（強(qiáng)度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，接近理論強(qiáng)度）也能提高強(qiáng)度。

幾種無機(jī)材料的塊體纖維晶須的抗拉強(qiáng)度比較

材料抗拉強(qiáng)度（Gpa）塊體纖維晶須Al2O30.282.121BeO0.14—13.3ZrO20.142.1—Si3N40.12~0.14—14填料對(duì)尼龍66復(fù)合材料性能的影響（二）提高抗裂能力與預(yù)加應(yīng)力——熱韌化

人為地預(yù)加應(yīng)力，在材料表面造成一層壓應(yīng)力層，可以提高材料的抗拉強(qiáng)度。脆性斷裂通常是在拉應(yīng)力作用下，自表面開始斷裂的。如果在表面造成一層殘余壓應(yīng)力層，則在材料使用過程中，表面受到拉伸破壞之前首先要克服表面上殘余壓應(yīng)力。

熱韌化：通常加熱、冷卻，在表面層中人為地引入殘余壓應(yīng)力過程，稱為熱韌化。如制造安全玻璃（銅化玻璃：門窗、眼鏡用玻璃）。方法為：將玻璃加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上、熔點(diǎn)以下，然后淬冷，這樣表面立即冷卻變成剛性的，而內(nèi)部仍處于熔融狀態(tài)。因內(nèi)部的軟化狀態(tài)不會(huì)破壞，在繼續(xù)冷卻中，內(nèi)部將比表面以更大的速率收縮，使表面受壓、內(nèi)部受拉，結(jié)果在表面形成殘留應(yīng)力。

這種熱韌技術(shù)近年來也用于其他結(jié)構(gòu)陶瓷材料。如將Al2O3在17000C下于硅油中淬冷，強(qiáng)度提高。淬冷不僅在表面造成壓應(yīng)力，而且還可使晶粒細(xì)化。利用表面層與內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)不同，也可達(dá)到預(yù)加應(yīng)力的效果。（三）化學(xué)強(qiáng)化

若要求表面殘余應(yīng)力更高，熱韌化方法難以實(shí)現(xiàn)，采用化學(xué)強(qiáng)化（離子交換）的辦法。這種技術(shù)是改變材料表面化學(xué)的組成，使表面的摩爾體積比內(nèi)部的大（通常用大離子置換小離子實(shí)現(xiàn)）。表面體積膨大受到內(nèi)部材料的限制，就產(chǎn)生兩相狀態(tài)的壓應(yīng)力。（四）相變增韌

利用多晶多相陶瓷中某些成分在不同溫度的相變，從而達(dá)到增韌的效果。如用ZrO2能夠增韌莫來石陶瓷、尖晶陶瓷等。

ZrO2存在三種晶型，立方、四方、單斜。

其中四方相向單斜相的相變伴隨有較大的體積變化～7％，這種相變體積變化是相變增韌的基礎(chǔ)。（五）彌散增韌

在基體中滲入具有一定顆粒尺寸的微細(xì)材料，達(dá)到增韌的效果。微細(xì)粉體既可以是金屬粉末（加入陶瓷基體之后，以其塑性變形，來吸收彈性應(yīng)變能的釋放量，從而增加斷裂的表面能，改善了韌性），也可以是非金屬顆粒（在與基體生料顆粒均勻混合之后，在燒結(jié)或熱壓時(shí)，多半存在于晶界相中,以高強(qiáng)度增加了整體的斷裂表面能，特別是高溫?cái)嗔秧g性）。（六）纖維增韌

在陶瓷中加入高彈性模量的纖維，纖維均布于陶瓷基體中，達(dá)到增韌的目的為纖維增韌。纖維增韌的機(jī)理在于：陶瓷受力時(shí)，由于纖維的強(qiáng)度及彈性模量高，大部分應(yīng)力由纖維承受，減輕了陶瓷的負(fù)擔(dān)；而且纖維還可以阻止裂紋擴(kuò)展，起到增韌的作用。（七）層狀化結(jié)構(gòu)

將陶瓷材料層狀化，增加裂紋擴(kuò)展時(shí)的阻力，也能達(dá)到增強(qiáng)、增韌的效果。從下圖可看出層狀結(jié)構(gòu)使得裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。Al2O3/SiC層狀結(jié)構(gòu)陶瓷（八）納米陶瓷

制備出納米級(jí)晶粒尺寸的陶瓷材料也使得陶瓷材料的性能得到改善，目前已有納米Al2O3、ZrO2、TiO2、Si3N4、SiC等陶瓷粉料和陶瓷制品。納米陶瓷根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，有不同的效果。一種是全納米陶瓷，組成材料的晶粒全部是納米級(jí)的晶粒，另一種是晶內(nèi)型納米結(jié)構(gòu)陶瓷

全納米結(jié)構(gòu)晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)

全納米結(jié)構(gòu)晶內(nèi)型結(jié)構(gòu)

一．硬度的定義硬度：材料抵抗另一物體壓入的能力，用局部變形特征變化表示。其能敏感反映出材料化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)的差異，與強(qiáng)度之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系，是一個(gè)綜合力學(xué)性能指標(biāo)；硬度大小大致可判斷材料的脆性、耐磨性等實(shí)用性能檢測設(shè)備簡單，操作迅速方便，是廣泛應(yīng)用的力學(xué)性試驗(yàn)方法。

3-2

材料的硬度及檢測遠(yuǎn)古時(shí)代，利用固體互相刻劃來區(qū)分材料的軟硬，據(jù)此來選用材料。半定量測定方法：如摩氏硬度、鉛筆硬度、標(biāo)準(zhǔn)銼刀等，表征了材料表面對(duì)切斷破壞方式的抗力。定量測定硬度方法：壓入法：布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度，表征了材料表面抵抗外物壓人時(shí)引起塑性變形的能力；回跳法：肖氏硬度和里氏硬度，表征了材料彈性變形功的大小。二．硬度的測試方法(一）摩氏硬度摩氏硬度由奧地利礦物學(xué)家創(chuàng)立，確定10個(gè)礦物間相對(duì)硬度的標(biāo)準(zhǔn)。硬度材料硬度高低硬度材料硬度高低12345678910滑石石膏方解石螢石磷灰石正長石石英黃玉剛玉金剛石極軟極硬123456789101112131415滑石石膏方解石螢石磷灰石正長石SiO玻璃石英黃玉石榴石熔融氧化鋯

剛玉碳化硅碳化硼金剛石極軟極硬日常物品：如指甲為2.5，銅幣為3.5，鐵釘為4.5，玻璃為5.5，鋸片和美工刀為6.5。碳化硅、碳化硼等硬度大于9。摩氏硬度的數(shù)字之間沒有比例上的關(guān)系，如石英的硬度為7，并不表示其硬度為滑石的7倍。鉛筆硬度：利用標(biāo)準(zhǔn)鉛筆的硬度，對(duì)所測試產(chǎn)品的表面進(jìn)行刮傷測試，來判別產(chǎn)品表面的硬度。這種方法適用于檢測油漆表面的硬度，鉛筆檢測角度45°，鉛筆規(guī)格：6B-9H。（二）

布氏硬度用一定的壓力將淬火鋼球(10mm)或硬質(zhì)合金球壓頭壓入試樣表面，保持規(guī)定的時(shí)間(10-60s)后卸除壓力，試件表面留下壓痕，單位壓痕表面積上所承受的平均壓力為布氏硬度值。HBP壓痕是在兩個(gè)相互垂直方向上測量的平均值。布氏硬度法主要用來測定高分子、金屬材料中較軟及中等硬度的材料，很少用于陶瓷。式中：P——負(fù)荷(kgf) D——鋼球直徑(mm) d——壓痕直徑(mm)布氏硬度儀P優(yōu)：布氏硬度測定采用大直徑的壓頭和壓力，壓痕面積大，能反映出較大范圍內(nèi)材料各組成相的綜合平均性能，而不受個(gè)別相和微區(qū)不均勻性的影響，因此布氏硬度測定值的分散性小，重復(fù)性好，特別適合測定灰鑄鐵和軸承合金這樣的具有粗大晶?；虼执蠼M成相的材料硬度。劣：壓痕大，不宜進(jìn)行無損測定，

不能測定薄壁件或表面硬化層的硬度壓痕直徑測定時(shí)間長、效率低。（三）

洛氏硬度

直接測量壓痕深度，并以壓痕深淺表示材料的硬度。金剛石圓錐體鋼球φ1.588mm120°洛氏硬度標(biāo)尺：不同壓頭并施加不同的壓力組成A、B和C標(biāo)尺，記為HRA：金剛石壓頭，主載荷為4