材料性能學石家莊鐵道大學材料科學與工程學院材料科學系：付華聯系電話Q:1115279899

*2緒論第1章材料的彈性變形第2章材料的塑性變形第3章材料的斷裂與斷裂韌性第4章材料的扭轉、彎曲、壓縮性能第5章材料的硬度第6章材料的沖擊韌性及低溫脆性第7章材料的疲勞性能第8章材料的磨損

第9章材料的高溫力學性能

第10章材料在環(huán)境介質作用下的腐蝕

第11章材料的強韌化

*3第12章材料的熱學性能

第13章材料的磁學性能

第14章材料的電學性能

第15章材料的光學性能

單向靜拉伸:最簡單、應用最廣泛的力學性能試驗方法。應力應變曲線（低碳鋼）*5應力應變曲線（低碳鋼）*7*8低碳鋼拉伸應力應變曲線（動畫低碳鋼）彈性變形階段：

線性彈性變形非線性彈性變形塑性變形階段：

屈服變形均勻塑變不均勻塑變斷裂*10第1章材料的彈性變形

Elasticdeformationofmaterials1.1材料的彈性變形機理MechanismsofElasticdeformation

1.1.1金屬與陶瓷材料的彈性變形機理ElasticdeformationMechanismsofMetalsandCeramics

1.1.2高分子材料的彈性變形機理ElasticdeformationMechanismsofPolymers 1.2彈性變形力學性能指標MechanicalPropertiesofElasticdeformation

1.2.1彈性模量

ElasticModulus

1.2.2比例極限與彈性極限proportionallimit

and

Elasticlimit1.2.3彈性比功

Elasticspecificwork

1.3非理想的彈性變形 Non-idealElasticdeformation

1.3.1滯彈性Anelasticity

1.3.2粘彈性Viscoelasticity

1.3.3偽彈性

Pseudoelasticity

1.3.4包申格效應 Bauschinger'seffect

1.3.5內耗InternalFriction*11§1.1材料的彈性變形機理彈性變形定義：去除外力，恢復原形狀的變形。彈性變形：可逆。金屬與陶瓷材料的彈性變形機理

高分子材料的彈性變形機理一、非晶態(tài)聚合物的力學狀態(tài)及其變形機理二、晶態(tài)聚合物的變形機理

汽車板簧——>雙原子模型：解決3個問題?1.1.1金屬與陶瓷的彈性變形機理？*14雙原子

模型:彈性變形的機理？可逆位移？胡克定律？最大理論彈性變形量？*15F合是r的函數平衡位置處r，F合=0引力：正離子與自由電子斥力：離子間

F合=F引+F斥

雙原子模型勢能谷雙原子模型彈性變形的解釋：外力作用下，離子位移，r改變。去除外力后，回到原來的平衡位置，變形消失

—>可逆性。σ-ε:ε較?。ㄐ∮?%）：原子（離子）在平衡位置附近產生可逆位移。勢能谷

胡克定律？F-r：非線性關系，在平衡位置附近，近似線性關系。

胡克定律（<1%）。實際材料的彈性變形量一般小于1%，相當于合力曲線的起始階段；實際材料中存在的各種缺陷\雜質造成材料的塑變或

斷裂引起的。最大理論彈性變形量

（抗力）？最大合力Fmax；當外力F大于Fmax，離子間永久分離，產生塑變或裂紋；Fmax：最大理論彈性變形抗力，彈性變形量為rm-r0=25%r0。*19小結：雙原子模型彈性變形的解釋：原子（離子）在平衡位置附近產生可逆位移。胡克定律：近似線性關系。（<1%）最大理論彈性變形量為25%。實際材料<1%

----缺陷\雜質

----塑變或斷裂。*201.1.2高分子材料的彈性變形機理高分子結構聚集態(tài)結構：鏈結構：幾千埃以上。大分子鏈的構成：大分子鏈的構型：大分子鏈的構象：全同間同無規(guī)立構。線性支化網狀內旋轉（柔順性）折疊鏈薄片結晶伸直鏈片晶。完全結晶困難。晶態(tài)：非晶態(tài)：

遠程無序、近程有序。復習：

線性非晶態(tài)高聚物的σ-ε曲線(Ta<Tb<Tc<Td)晶態(tài)高聚物的σ-ε曲線

*22不同溫度下，力學三態(tài)：玻璃態(tài)；高彈態(tài)；粘流態(tài)。一、非晶態(tài)聚合物的力學狀態(tài)及其變形機理線性非晶態(tài)高聚物：

結構上無交聯、聚集態(tài)無結晶的高分子材料。*23T<Tb：硬玻璃態(tài)。拉伸→→彈性變形ε很小，彈性模量E較大，脆性斷裂→→普彈性變形，符合虎克定律。（一）玻璃態(tài)

(室溫：塑料)Ta<Tb<TgT<Tb：硬玻璃態(tài)。拉伸→→彈性變形ε很小，彈性模量E較大，脆性斷裂→→普彈性變形，符合虎克定律。（一）玻璃態(tài)

(室溫：塑料)*24T<Tb：硬玻璃態(tài)。（一）玻璃態(tài)

(室溫：塑料)分子熱運動能力低，鏈節(jié)和鏈段熱振動，大分子鏈段運動和整個分子鏈的運動處于“凍結”狀態(tài)。普彈性來源于鍵長及鍵角的改變。*25Tb<T<Tg時→→軟玻璃狀態(tài)。oa′以下→→普彈性變形；鍵角和鍵長的變化。a′s段→→受迫高彈性變形：300-1000%。*26受迫高彈性變形機理：外力強迫鏈段運動，沿受力方向取向。

在外力除去后保留下來，為“永久變形”，加熱到Tg以上，變形恢復→→在本質上是可逆的。*27sb段→→塑性變形。分子鏈沿外力取向。*28（二）高彈態(tài)大分子已具有足夠的能量，鏈段運動，

整個大分子鏈尚不能運動。形變可達1000％，稱為高彈性。室溫：橡膠（Tg<室溫)*29卷曲的線團沿外力取向高分子的熵彈性（entropyelasticity)拉伸和回復過程：熵變起作用，內能幾乎不變。熵值大熵值小，有序（混亂度）自發(fā)恢復混亂度？內能???*30金屬、陶瓷彈性變形？熵變？？內能？？高彈態(tài)：高分子材料與低分子材料區(qū)別的重要標志。高聚物的高彈性本質上是一種熵彈性。熵彈性：高聚物形變時克服分子鏈構象變化的勢壘。利用熵彈性：彈性記憶材料（熱收縮膜、管)。金屬、陶瓷普彈性本質上是能量的彈性。原子在晶格位置，變形功改變原子間距。內能變化。*32具有高彈性的必要條件：分子鏈應有柔性。C-C鍵內旋轉，引起鏈段運動。內旋轉但柔性鏈易引于鏈間滑動—>非彈性的粘性流動。采用分子鏈間的適當交聯

防止滑動，保證高彈性。*33（三）粘流態(tài)：分子具有很高的能量，鏈段和整個大分子鏈都能運動。在外力作用下分子間發(fā)生相對

滑動，呈現粘性流動。形變不可逆。熔體的強度很低，無屈服應力的流動變形。二、晶態(tài)聚合物的變形晶區(qū)：鏈段無法運動

——>無高彈性。

普彈性（鍵長及鍵角）有高強度和硬度。非晶區(qū)：

有高彈性,鏈段運動。晶態(tài)聚合物典型應力-應變曲線室溫不自發(fā)回復加熱回復*35小結：1.1彈性變形的機理二、高分子材料的彈性變形機理（一）非晶態(tài)聚合物：普彈性：鍵長及鍵角改變；受迫高彈性：鏈段沿受力方向取向。高彈性：鏈段運動，熵彈性粘流態(tài)：鏈段和整個大分子鏈運動。（二）晶態(tài)聚合物：普彈性（鍵長及鍵角），無高彈性雙原子模型：原子（離子）在平衡位置附近產生可逆位移。能量的彈性一、金屬與陶瓷*361.2彈性變形力學性能指標一、彈性模量（或彈性系數、彈性模數）（一）廣義虎克定律（二）彈性模量的意義？（三）影響彈性模量的因素

1.金屬材料彈性模量的特點

2.陶瓷材料彈性模量的特點

3.高分子材料彈性模量的特點二、比例極限、彈性極限三、彈性比功（彈性比能、應變比能）*37一、彈性模量（彈性模數，彈性系數）（一）廣義虎克定律

力的分解與疊加在彈性范圍內，當變形較小時，應力和應變普遍服從虎克定律。*38一、彈性模量（彈性模數，彈性系數）（一）廣義虎克定律

力的分解與疊加原理：作用在彈性體上的合力產生的位移等于各分力產生的位移之和。*39一、彈性模量（彈性模數，彈性系數）（一）廣義虎克定律

一個應力分量產生6個應變。*40一、彈性模量（彈性模數，彈性系數）（一）廣義虎克定律

Cij：彈性剛度系數，使晶體產生單位應變所需的應力。根據力的疊加原理，有6個如下關系式：*41一、彈性模量（彈性模數，彈性系數）（一）廣義虎克定律

一個應變分量是由6個應力分量產生的變形疊加而成的。Sij：彈性柔度系數，單位應力下的應變量。彈性剛度系數和彈性柔度系數皆為材料的彈性系數。

彈性剛度系數和彈性柔度系數各有36個；Sij=Sji或Cij=Cji，其中i≠j。*4336個比例系數中，獨立：Sii-----6個，Sij(i≠j)----30/2個，獨立彈性系數：21個。

晶體對稱性的提高，21個常數中有彼此相等或為0，獨立的彈性系數進一步減少。晶系三斜單斜正交四方六方立方各向同性體個數211396532表1-1不同晶系獨立彈性系數的個數正交晶系：切應力只影響同方向平行平面的切應變，

不影響正應變。正應力只影響正應變。a≠b≠cα=β=90°=γ*45正交晶系：

6個Sii和3個S12，S13，S23獨立。有9個獨立的彈性系數。正交晶系：切應力只影響同方向平行平面的

切應變，正應力只影響正應變。立方晶系：三個軸向是等同的：S11=S22=S33，S12=S23=S31，S44=S55=S66。獨立的彈性系數僅為3個，即S11、S12和S44。（Cij也是如此）。

*47晶系三斜單斜正交四方六方立方各向同性體個數211396532表1-1不同晶系獨立彈性系數的個數各向同性的彈性體：S44=2(S11－S12)；立方晶系各向同性彈性體：只有2個獨立的彈性柔度系數S11、S12。*48定義E=1/S11，υ=－S12/S11，G=1/2（S11－S12）；則虎克定律的工程應用形式為：；*49在單向拉伸條件下:E為宏觀彈性模量[楊氏模量]；

υ為泊松比；G為切變彈性模量。

，

在單向加載條件下，受拉方向上有伸長變形，垂直于拉伸方向上有收縮變形。

*50對于立方晶系，在任一方向上：ι為方向與｛100｝三個坐標軸夾角的余弦。已知獨立的彈性系數，可計算任意方向的彈性系數。*51例：已知25℃時MgO的彈性柔度系數：

S11=4.03×10-12/Pa，S12=-0.94×10-12/Pa，S44=6.47×10-12/Pa，計算MgO單晶在[100]、[110]、[111]方向上的彈性系數。解：計算出MgO單晶中[100]、[110]、[111]各方向與坐標軸｛100｝的方向余弦，計算結果如表所示。方向E/GPaG/GPa[100]100248.2154.6[110]1/21/20316.4121.9[111]1/31/31/3348.9113.8胡克定律*52*53（二）彈性模量的意義

拉伸時σ=EεE：彈性模量（楊氏模數）切變時τ=GγG：切變模量

（1）表示產生單位彈性應變時的彈性應力。

（2）表征材料的彈性變形抗力，即抵抗彈性變形的能力。（3）剛度ES越大，同應力下材料的彈性變形越小，是結構材料實際的重要力學性能之一。（4）比彈性模量E/ρ：質輕而剛度大。*54材料E/GPa材料E/GPa低碳鋼200尖晶石240低合金鋼200-220石英玻璃73奧氏體不銹鋼190-200氧化鎂210銅合金100-130氧化鋯190鋁合金60-75尼龍28鈦合金96-110聚乙烯1.8-4.3金剛石1039聚氯乙烯0.1-2.8碳化硅414皮革0.12-0.4三氧化二鋁380橡膠<0.08燒結Al2O3（氣孔率5%）366石墨9一些材料的彈性模量*55（三）影響彈性模量的因素溫度加載條件和負荷持續(xù)時間內因外因鍵合方式和原子結構晶體結構化學成分微觀組織成分、結構、組織*56E表征離子或分子間鍵合強度大小。（同熔點、硬度一樣）（1）鍵合方式和原子結構1金屬彈性模量的特點：共價鍵：E較高。金屬鍵：50－300Gpa。分子鍵：E較?。?.4-4Gpa）*57原子半徑：原子半徑越大——>E越小金屬的E

呈周期性變化：同一族元素，原子半徑↑→→E↓。過渡族的E大—>r小,d層電子間結合力大。同一周期元素，原子序數↑→→E↑*58（2）晶體結構

單晶：

各向異性。多晶：偽各向同性。表觀為統(tǒng)計平均值。等軸多晶α-Fe：E=2.1×105Mpa。非晶：各向同性。非晶態(tài)金屬，玻璃等。晶體彈性模量E/MPa＜111>晶向＜100＞晶向α-Fe2.7×1051.25×105MgO3.48×1052.48×105*59（3）化學成分

純金屬→→合金：E變化較小。固溶體合金：E變化小于5%。兩相合金：與第二相有很大關系，金屬間化合物E↑大。成分AlAl+（Ni、Si）E（GPa）6594*60（4）微觀組織：金屬材料E是一個極為穩(wěn)定的力學性能指標，合金化、熱處理、冷熱加工等均難以改變其數值。碳鋼、鑄鐵和各種合金鋼的彈性模量E≈200GPa，而它們的屈服強度和抗拉強度可以差別很大。鋁合金：高E的第二相粒子可提高E

青銅：時效后E增大。20%金屬：大多對組織不敏感。（不改變鍵合強度）冷加工、熱處理對E的影響小于5%；*61大部分固體，受熱后變軟，E隨溫度升高而降低。(5)溫度金屬：原子熱振動加劇，結合力下降。（6）加載條件和負荷持續(xù)時間對金屬/陶瓷的E幾乎無影響。他們的變形速度很快（聲速）對高分子材料E的影響較大。*622.陶瓷彈性模量的特點：（1）彈性模量大：強的離子鍵和共價鍵，高熔點。(2)陶瓷材料壓縮狀態(tài)E壓一般大于拉伸狀態(tài)的E。與陶瓷材料顯微結構的復雜性和不均勻性有關。熔點與E：由原子間結合力的大小所決定的。*63（3）陶瓷材料E與組織狀態(tài)密切相關。對連續(xù)基體內的密閉氣孔，經驗公式：

E=Eo(1－1.9P+0.9P2)適用于P50氣孔對彈性模量的影響（氣孔的彈性模量為零）構成相的種類、粒度、分布、比例及氣孔率有關。陶瓷的工藝過程對陶瓷材料的E有著重大影響。75氧化鋁瓷*64材料E(GPa)材料E(GPa)氧化鋁晶體380燒結TiC(P=5%)310燒結氧化鋁（P=5%

）366燒結MgAl2O4(P=5%)238高鋁瓷（P=5-10%

）366密實SiC(P=5%)470燒結氧化鈹（P=5%

）310燒結穩(wěn)定化ZrO2P=5%

150熱壓BN（P=5%

）83石英玻璃72熱壓B4C（P=5%

）290莫來石瓷69石墨（P=20%

）9滑石瓷69燒結MgO（P=5%

）210鎂質耐火磚170燒結MoSi2（P=5%

）407陶瓷材料E*653.高分子材料的彈性模量高聚物的物理與力學性能與溫度和時間關系密切。彈性模量隨溫度的變化彈性模量隨時間的變化時溫等效E：0.1~1Gpa*66高應變速率：玻璃態(tài)，E值較高；PMMA玻璃態(tài)聚合物在不同拉伸速率下的應力-應變曲線(溫度一定)低應變速率：橡膠態(tài)，E值較低；中應變速率：轉變區(qū)，粘彈性。*67影響晶態(tài)聚合物σ-ε曲線的因素：溫度（與玻璃態(tài)聚合物相似）應變速率（與玻璃態(tài)聚合物相似）結晶度和球晶尺寸等。*68二、比例極限與彈性極限比例極限σp：

彈性變形按正比關系變化的最大應力。彈性極限σe：彈性變形的最大應力。σp，σe難以準確測量；σp：規(guī)定非比例伸長應力。

σp0.01,σp0.05：0.01%,0.05%微量塑性伸長。σe：不允許微量塑變、與σs沒有質的區(qū)別，都表示材料對微量塑性變形的抗力。?測量?*69σp、σe的工程意義:比例極限σp彈性極限σe：不允許產生微量塑性變形的機件。應力應變關系嚴格遵守線性關系的機件：如測力計彈簧。*70三、彈性比功（能，應變比能）ae應變比能：彈性變形過程中吸收變形功的能力

——>減振，儲能元件。應變比能ae*71ae↑→σe↑：彈簧ae大(2.217Mpa)E↓鈹青銅ae大(1.44Mpa)，無鐵磁性。

橡膠

ae大(2.0Mpa)，減震、儲能元件。*73第1章材料的彈性變形1.1材料的彈性變形機理 1.1.1金屬與陶瓷材料的彈性變形機理 1.1.2高分子材料的彈性變形機理 1.2彈性變形力學性能指標 1.2.1彈性模量 1.2.2比例極限與彈性極限 1.2.3彈性比功 1.3非理想的彈性變形 1.3.1滯彈性 1.3.2粘彈性 1.3.3偽彈性 1.3.4包申格效應 1.3.5內耗*741.3非理想的彈性變形彈性變形：可逆、可恢復的。根據應力－應變的響應特點，分2類彈性變形：！理想彈性（完全彈性）：瞬時響應，與時間無關；！非理想彈性（彈性不完整性）：應變響應滯后。與時間有關。1.3非理想的彈性變形彈性變形：可逆、可恢復的。根據應力－應變的響應特點，分2類彈性變形：！理想彈性（完全彈性）：瞬時響應，與時間無關；！非理想彈性（彈性不完整性）：應變響應滯后。與時間有關。理想彈性（完全、平衡彈性）：應力與應變的關系是線性的、同相位的；應變是應力的單值函數。σ＝Ee非理想彈性（彈性不完整性）：應力、應變不同時響應。滯彈性、粘彈性,偽彈性、包申格效應。

*77一、滯彈性（彈性后效）

快速加載或卸載后，隨時間延長產生的附加彈性應變。金屬材料與高分子材料明顯存在。與成分、組織、試驗條件有關。

*78金屬：與點缺陷的擴散有關（時間）；結構、組織愈不均勻，溫度升高、切應力高

------彈性后效明顯。Hcp(Mg)晶格對稱性低，后效明顯；↓扭轉＞彎曲＞拉伸滯彈性產生原因：*79滯彈性的工程意義：影響儀器儀表、精密機械的測量精度。測力彈簧\薄膜傳感器減少滯彈性的方法：長時間退火

鋼---300~450℃；

Cu合金----150~250℃*80二、粘彈性彈性+粘性：所有聚合物、瀝青、水泥混凝土、玻璃、金屬等。緊固零件應力松弛打包帶變松、橡皮筋變松動態(tài)粘彈性：內耗靜態(tài)粘彈性：應力松弛和蠕變現象。*81橡膠、軟聚氯乙烯絲：慢慢伸長；解下砝碼后，慢慢縮回。混凝土徐變：凝膠體顆粒的粘性流動和滑移。

creep粘彈性變形強烈地與時間有關，應變落后于應力。

金屬：高溫蠕變（動畫）蠕變現象。*82靜態(tài)粘彈性模型：應力松弛和蠕變現象。彈簧+粘壺模型彈簧粘杯-阻尼器彈簧：理想彈性變形，服從胡克定律；粘壺：粘性效應，理想粘性液體，服從牛頓粘性定律。=E

*83Maxwell--liquid模型(串聯）：液態(tài)粘彈性物體彈性顆粒+連續(xù)粘性體:水溶物、乳膠

彈性體中的勢能隨時間消失于粘性體中。*84

并聯模型的蠕變現象

Kelvin-Voigt-solid模型(并聯)：固態(tài)粘彈性物體粘性液體填充彈性骨架。一般非勻質材料：水泥混凝土。變形隨時間逐漸增加到最大彈性變形，卸荷后隨時間逐漸消失。

*85（三）偽彈性：形狀記憶合金SMA由于應力誘發(fā)M相變產生大幅彈性變形（可達60%）AM*86*87Ni-Ti形狀記憶合金牙齒矯正器*89*90*91四、包申格效應：Bauschinger

（動畫）德國工程師JohannBauschinger

*92四、包申格效應：Bauschinger

先預加載塑變1~4%，再同向加載，微量塑變抗力↑。再反向加載，塑變抗力↓。（動畫）*93產生包申格效應的原因：

金屬多晶體：具有包申格效應，與位錯運動的阻力變化有關。（動畫）*94有害：反向加載時變形抗力降低，易失效。有利：（動畫）薄板反向彎曲成型，輥壓校直，板材交替通過軋輥，反向應力降低；研究疲勞現象，σ-1＜σb。消除包申格效應：大量塑變＞4%，變形均勻，林位錯均勻分布，位錯增殖，難以重分布。再結晶退火：鋼---400~450℃；銅合金---250~270℃。*95五、內耗（動態(tài)粘彈性）1．定義（粘）滯彈性，加載、卸載曲線不重合，形成一封閉回線，其面積的大小表示材料所吸收的變形功------內耗（循環(huán)韌性）。*96彈性比功是可逆的。（儲存〓釋放）內耗是不可逆的。*972．產生內耗的原因：⑴溶質原子應力感生有序化引起的內耗在外力作用下，溶質擇優(yōu)分布，降低畸變能→→應力感生有序→→原子擴散需一定的弛豫時間,產生附加應變。材料內部微觀組織結構（缺陷）和物理性能（磁性）的變化受到阻礙，要消耗能量。*98

⑵位錯運動引起的內耗

A.釘扎位錯：沉淀粒子強釘扎，點缺陷弱釘扎（空位、雜質）*99B．溶質原子與位錯交互作用→→Controll氣團位錯運動受阻→→馳豫應變→→內耗*100⑶晶界內耗晶界----非晶結構，滑動粘滯性。

⑷磁性改變：鐵磁材料

交變應力←←→→磁致伸縮內耗是物質內部微觀結構的“摩擦”（內摩擦），消耗了振動系統(tǒng)的彈性儲能。

*101高分子材料的內耗：周期性的動載：塑料齒輪、閥門片、凸輪；交變載荷：橡膠輪胎、傳送皮帶、減震器等。外力改變分子鏈的構象?？朔湺伍g內摩擦阻力；內摩擦阻力越大，滯后現象越嚴重，內耗也越大。*1023．內耗的意義材料在交變載荷下吸收不可逆變形功的能力→→消振性（循環(huán)韌性）。高：降噪音、消振性好。石墨鑄鐵、1Cr13→→高的消振性。底座、箱體；葉片。低：靈敏度高、音質好。儀表傳感元件、樂器的彈性元件。*1034．內耗的應用金屬材料：