材料性能測(cè)試技術(shù)PerformanceTestingofMaterials主講教師：李愛(ài)香1材料性能測(cè)試技術(shù)主講教師：李愛(ài)香1上次課的主要內(nèi)容第一章材料的力學(xué)性能

1.1描述力學(xué)性能的基本物理量1.2材料單向靜拉伸力學(xué)性能1.2.1低碳鋼拉伸時(shí)的力學(xué)性能1.2.2灰口鑄鐵拉伸時(shí)的力學(xué)性能2上次課的主要內(nèi)容第一章材料的力學(xué)性能2塑性材料的特點(diǎn)：斷裂前變形大，塑性指標(biāo)（δ、ψ）高，抗拉能力強(qiáng)。常用指標(biāo)---彈性極限、屈服極限、強(qiáng)度極限；彈性模量；斷裂伸長(zhǎng)率、斷面收縮率。脆性材料的特點(diǎn)：斷裂前變形小，塑性指標(biāo)低。唯一指標(biāo)---σb。3塑性材料的特點(diǎn)：斷裂前變形大，塑性指標(biāo)（δ、ψ）高，抗拉能力本次課的主要內(nèi)容第一章材料的力學(xué)性能

1.2材料單向靜拉伸力學(xué)性能1.2.3聚合物拉伸時(shí)的力學(xué)性能1.2.4材料的斷裂

1.3材料壓縮的力學(xué)性能4本次課的主要內(nèi)容第一章材料的力學(xué)性能4重點(diǎn)：聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線，壓縮強(qiáng)度難點(diǎn)：

材料斷裂方式的判斷本次課的重點(diǎn)、難點(diǎn)5重點(diǎn)：本次課的重點(diǎn)、難點(diǎn)51.2.3聚合物材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能特點(diǎn)

力學(xué)性能的數(shù)值很寬：包括從熔體、軟橡皮到很硬的固體，各種聚合物對(duì)于機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)相差很大。高聚物由長(zhǎng)鏈分子組成，運(yùn)動(dòng)單元具有多重性，分子運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度和時(shí)間有強(qiáng)烈的依賴性——松弛特性。力學(xué)性能也有松弛特性。表現(xiàn)為粘彈性行為，同時(shí)具有粘性液體和純粹彈性固體的行為強(qiáng)度低，模量低Rubber在低溫下變硬PMMA,T>100C,變軟盡管結(jié)構(gòu)無(wú)變化，但對(duì)于不同溫度或外力，分子運(yùn)動(dòng)是不同的，物理性質(zhì)也不同61.2.3聚合物材料拉伸時(shí)的力學(xué)性能特點(diǎn)力學(xué)性能的數(shù)值很形變溫度TgTf玻璃態(tài)高彈態(tài)橡膠態(tài)粘流態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域非晶態(tài)聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚棏B(tài)，轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化溫度Tg高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)，轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流溫度Tf7形變溫度TgTf玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域粘流轉(zhuǎn)變區(qū)域啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣

常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣中部為測(cè)試部分，標(biāo)距長(zhǎng)度為l0，初始截面積為A0。1.典型聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線實(shí)驗(yàn)條件：一定拉伸速率和溫度8啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣常用的啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣中部為測(cè)試部分，標(biāo)ABOCD明顯的四個(gè)階段1、普彈形變階段OA2、屈服階段AC（應(yīng)變軟化階段）3、強(qiáng)迫高彈形變階段CD4、應(yīng)變硬化階段DB9ABOCD明顯的四個(gè)階段1、普彈形變階段OA2、屈服階段ACABPointofelasticlimit彈性極限點(diǎn)OCD（1）OA段，為普彈形變區(qū)，應(yīng)力－應(yīng)變呈直線關(guān)系變化，符合虎克定律，直線斜率為彈性模量。

10ABPointofelasticlimit彈性極限點(diǎn)AYBYieldingpoint屈服點(diǎn)Strainsoftening應(yīng)變軟化

yOCD（2）屈服階段AC：越過(guò)A點(diǎn)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線偏離直線，材料開(kāi)始發(fā)生塑性形變，極大值Y點(diǎn)稱材料的屈服點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱屈服應(yīng)力（或屈服強(qiáng)度）σy和屈服應(yīng)變?chǔ)舮

。發(fā)生屈服時(shí)，試樣上某一局部會(huì)出現(xiàn)“細(xì)頸”現(xiàn)象，材料應(yīng)力略有下降，“應(yīng)變軟化”。

11AYBYieldingpoint屈服點(diǎn)Strainso（3）強(qiáng)迫高彈形變階段CD：隨著應(yīng)變?cè)黾?，在很長(zhǎng)一個(gè)范圍內(nèi)曲線基本平坦，“細(xì)頸”區(qū)越來(lái)越大，發(fā)生“強(qiáng)迫高彈形變”。AYB強(qiáng)迫高彈形變

yOCD12（3）強(qiáng)迫高彈形變階段CD：隨著應(yīng)變?cè)黾樱诤荛L(zhǎng)一個(gè)范圍內(nèi)曲AYB

yOCD（4）應(yīng)變硬化DB：拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力又急劇上升（應(yīng)變硬化），到達(dá)B點(diǎn)發(fā)生斷裂。與B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變分別稱材料的拉伸強(qiáng)度（或斷裂強(qiáng)度）σb和斷裂伸長(zhǎng)率εb，是材料發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度和極限伸長(zhǎng)率。

Breakingpoint斷裂點(diǎn)Strainhardening

應(yīng)變硬化13AYByOCD（4）應(yīng)變硬化DB：拉伸應(yīng)變很大時(shí)，材料應(yīng)力AYBOCD（5）曲線下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消耗的能量，稱斷裂能或斷裂功。它是表征材料韌性的一個(gè)物理量。

14AYBOCD（5）曲線下的面積等于相當(dāng)于拉伸試樣直至斷裂所消拉伸過(guò)程中高分子鏈的運(yùn)動(dòng)非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)）I普彈形變小尺寸運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)引起鍵長(zhǎng)鍵角變化。形變小可回復(fù)II強(qiáng)迫高彈形變

在大外力作用下凍結(jié)的鏈段沿外力方向取向III粘流形變

在分子鏈伸展后繼續(xù)拉伸整鏈取向排列，使材料的強(qiáng)度進(jìn)一步提高。形變不可回復(fù)。15拉伸過(guò)程中高分子鏈的運(yùn)動(dòng)非晶態(tài)聚合物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（玻璃態(tài)處于玻璃態(tài)的非晶聚合物在拉伸過(guò)程中屈服點(diǎn)后產(chǎn)生的較大應(yīng)變，移去外力后形變不能回復(fù)。若將試樣溫度升到其Tg附近，該形變則可完全回復(fù)，是由高分子的鏈段運(yùn)動(dòng)所引起的。這種形變稱為強(qiáng)迫高彈形變。強(qiáng)迫高彈形變（冷拉）16處于玻璃態(tài)的非晶聚合物在拉伸過(guò)程中屈服點(diǎn)后產(chǎn)生的較大應(yīng)變，移T(a)Differenttemperature溫度a:T<<Tg脆斷b:T<Tg屈服后斷c:T<Tg幾十度韌斷d:Tg以上無(wú)屈服Example-PVC2.影響聚合物拉伸行為的因素17T(a)Differenttemperature溫度a:特征溫度Tb：T<Tb，玻璃態(tài)高聚物就不能發(fā)生強(qiáng)迫高彈形變，而必定發(fā)生脆性斷裂，這個(gè)溫度稱為脆化溫度Tb。溫度升高，材料逐步變軟變韌，斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長(zhǎng)率增加；溫度下降，材料逐步變硬變脆，斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小18特征溫度Tb：溫度升高，材料逐步變軟變韌，斷裂強(qiáng)度下降，斷裂(b)Differentstrainrate應(yīng)變速率Strainrate時(shí)溫等效原理：拉伸速度快=時(shí)間短→溫度低速度速度19(b)Differentstrainrate應(yīng)變速率Sa:脆性材料c:韌性材料d:橡膠b:半脆性材料酚醛或環(huán)氧樹(shù)脂PP,PE,PCPS,PMMANaturerubber,PI(c)CompositionofPolymers物質(zhì)結(jié)構(gòu)組成20a:脆性材料c:韌性材料d:橡膠b:半脆性材料酚醛由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來(lái)，可分為五類。高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型3.聚合物應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型21由于高分子材料種類繁多，實(shí)際得到的材料應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有多種說(shuō)明“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高“弱”和“強(qiáng)”是指強(qiáng)度的大小“脆”是指無(wú)屈服現(xiàn)象而且斷裂伸長(zhǎng)率很小“韌”是指其斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂應(yīng)力都較高的情況，可將斷裂功作為“韌性”的標(biāo)志。22說(shuō)明“軟”和“硬”用于區(qū)分模量的低或高22（2）硬而強(qiáng)型此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率小。通常材料拉伸到屈服點(diǎn)附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)PVC制品屬于這種類型。（1）硬而脆型此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長(zhǎng)率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強(qiáng)度較高。在室溫或室溫之下，PS、PMMA、酚醛樹(shù)脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。23（2）硬而強(qiáng)型此類材料彈性模量高，斷裂強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)硬而韌的材料，在拉伸過(guò)程中顯示出明顯的屈服、細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴(kuò)展，直至全部試樣測(cè)試區(qū)都變成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、PC及醋酸纖維素、硝酸纖維素等屬于這種材料。（3）硬而韌型彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強(qiáng)度都很高，斷裂伸長(zhǎng)率也很大，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積很大，說(shuō)明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。24硬而韌的材料，在拉伸過(guò)程中顯示出明顯的屈服、細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部（4）軟而韌型此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長(zhǎng)率大（20%～1000%），斷裂強(qiáng)度可能較高，應(yīng)力－應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑PVC具有這種應(yīng)力－應(yīng)變特征。（5）軟而弱型此類材料彈性模量低，斷裂強(qiáng)度低，斷裂伸長(zhǎng)率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有這種特性。25（4）軟而韌型此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長(zhǎng)注意實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時(shí)存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒(méi)有；有的材料斷裂強(qiáng)度高于屈服強(qiáng)度，有的則屈服強(qiáng)度高于斷裂強(qiáng)度等。26注意實(shí)際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性材料拉伸過(guò)程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測(cè)試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強(qiáng)型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會(huì)發(fā)生大于100%的斷裂伸長(zhǎng)率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點(diǎn)。因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。27材料拉伸過(guò)程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測(cè)試條件（如拉伸（1）拉伸強(qiáng)度：

4.拉伸性能指標(biāo)σb

—拉伸強(qiáng)度，MPa

P—最大載荷，N

b

—試樣寬度，cm

h

—試樣厚度，cm28（1）拉伸強(qiáng)度：4.拉伸性能指標(biāo)σb—拉（2）斷裂伸長(zhǎng)率：

δ

—斷裂伸長(zhǎng)率，%

ΔLb

—試樣破壞時(shí)標(biāo)距內(nèi)的伸長(zhǎng)量，cm

L0

—測(cè)量的標(biāo)距，cm29（2）斷裂伸長(zhǎng)率：δ—斷裂伸長(zhǎng)（3）拉伸彈性模量：

ΔP—載荷-形變曲線上，初始直線段的載荷增量，N

ΔL—與載荷增量對(duì)應(yīng)的標(biāo)距L0內(nèi)的變形增量，cm30（3）拉伸彈性模量：ΔP—載荷-形變曲（4）泊松比：

ε1、ε2

—分別為載荷增量ΔP對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變

ΔL1、ΔL2

—分別與載荷增量ΔP對(duì)應(yīng)的標(biāo)距L1和L2的變形增量，cm31（4）泊松比：ε1、ε2—分別為載荷1.2.4材料的斷裂固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象稱為斷裂材料的斷裂是力對(duì)材料作用的最終結(jié)果，它意味著材料的徹底失效。與其他失效方式相比（磨損、腐蝕），危害性最大，并可能出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。按照斷裂前與斷裂過(guò)程中材料的宏觀塑性變形的程度分為韌性斷裂和脆性斷裂321.2.4材料的斷裂固體材料在力的作用下分成若干部分的現(xiàn)象脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂斷裂前及過(guò)程中產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形。裂紋擴(kuò)展較慢，消耗大量的塑性變形能。斷口呈暗灰色、纖維狀。一些金屬材料和高分子材料的靜拉伸斷裂。韌性斷裂斷裂前基本不產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形，沒(méi)有明顯預(yù)兆，表現(xiàn)為突然發(fā)生的快速斷裂過(guò)程，具有很大的危險(xiǎn)性。斷口齊平光亮，呈放射狀或結(jié)晶狀。淬火鋼、灰鑄鐵、陶瓷、玻璃。33脆性斷裂與韌性斷裂脆性斷裂斷裂前及過(guò)程中產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無(wú)明顯的界限規(guī)定：Ψ<5%，脆斷；Ψ>5%，韌斷金屬的脆性和韌性是根據(jù)一定條件下的塑性變形量來(lái)決定的34金屬的脆性斷裂與韌性斷裂并無(wú)明顯的界限34如何區(qū)分?jǐn)嗔研问?？關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂脆性斷裂屈服前斷裂無(wú)塑性流動(dòng)表面光滑韌性斷裂屈服后斷裂有塑性流動(dòng)表面粗糙聚合物材料35如何區(qū)分關(guān)鍵看屈服屈服前斷脆性斷裂屈服后斷韌性斷裂脆性斷裂屈試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料是發(fā)生脆性或韌性斷裂還與溫度T

和拉伸速度

有關(guān)相比于脆性斷裂，韌性斷裂的斷裂面較為粗糙，斷裂伸長(zhǎng)率較大注意36試樣發(fā)生脆性或者韌性斷裂與材料組成有關(guān)，除此之外，同一材料PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片增韌改性PVC韌性斷裂表面的SEM照片

脆性斷裂和韌性斷裂斷口形貌

37PS試樣脆性斷裂表面的電鏡照片增韌改性PVC韌性斷裂表面的S

1.3.1基本概念及性能參數(shù)壓縮試驗(yàn)是基于在常溫下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣的兩端施加均勻的、連續(xù)的軸向靜壓縮載荷，直至破壞或達(dá)到最大載荷時(shí)，得到壓縮性能參數(shù)的一種試驗(yàn)方法。

1.3材料壓縮的力學(xué)性能（Compression）381.3.1基本概念及性能參數(shù)壓縮試驗(yàn)是基于在常溫下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試定義：在壓縮試驗(yàn)中，試樣直至破壞或達(dá)到最大載荷時(shí)所受的最大壓縮應(yīng)力。（1）壓縮強(qiáng)度

σc

—壓縮強(qiáng)度，MPa

P

—最大載荷，N

S

—試樣橫截面積，b*h，cm239定義：在壓縮試驗(yàn)中，試樣直至破壞或達(dá)到最大載荷時(shí)所受的最大壓定義：在比例極限范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之比

（2）壓縮彈性模量

EC

—壓縮彈性模量，MPaΔP—載荷-形變曲線上，初始直線段的載荷增量，N

ΔL—與載荷增量ΔP對(duì)應(yīng)的標(biāo)距L0內(nèi)的變形增量，cm

L0

—儀表的標(biāo)距，cmb、h—試樣寬度、厚度，cm40定義：在比例極限范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之比（2）壓縮1.3.2材料壓縮時(shí)的力學(xué)性能試件和實(shí)驗(yàn)條件常溫、靜載§2-5411.3.2材料壓縮