第四章 材料的性能 materials property 性能决定用途。 本章对材料的力学性能、热性能、电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀性，复合材料及纳米材料的性能进行阐述。

4－1 固体材料的力学性能 Mechanical Properties of Solid Materials 结构件：力学性能为主 非结构件：力学性能为辅，但必不可少

mechanical property of materials stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity permanent deformation Strength Fracture

4-1-1 材料的力学状态 mechanical states of matrials 1.金属的力学状态 B 较高的弹性模量 和强度， C 受力开始为弹性 形变，接着一段 塑性形变，然后 断裂， 总变形能很大， D 具有较高的熔点。

某些金属合金 A 呈非晶态合金， B 具有很高的硬度和强度， C 延伸率很低而并不脆。 D 温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低， 发生晶化而失去非晶态结构。

2. 无机非金属的力学状态 A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。 陶瓷材料的力学特征 高模量 高硬度 B 气相（气孔）的存在导致陶瓷的弹性模量和机械 强度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。 D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断 裂，总弹性应变能很小。 陶瓷材料的力学特征 高模量 高硬度 高强度 低延伸率

（1） 非晶态聚合物 的三种力学状态 ①玻璃态 ②高弹态 ③粘流态 3. 聚合物的力学状态 （1） 非晶态聚合物 的三种力学状态 ①玻璃态 ②高弹态 ③粘流态

T m 、 T f （2） 结晶聚合物的力学状态 B 在T g 以上模量下降不大 C 在T m 以上模量迅速下降 A 结晶聚合物常存 在一定的非晶部分，也有玻璃化转变。 B 在T g 以上模量下降不大 C 在T m 以上模量迅速下降 D 聚合物分子量很大，T m < T f ，则在T m 与T f 之间将出现高弹态。 E 分子量较低，T m > T f ，则熔融之后即转变成粘流态，

玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度 是橡胶使用的下限温度 熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度

4-1-2 应力和应变 stress-strain If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.

4-1-2 应力和应变 (stress and strain) 应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。 名义应力：面积为材料受力前的初始面积的应力。 真实应力：面积为受力后的真实面积的应力。 应变：受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。 1. 材料的应变方式 各向同性材料，三种基本类型： 简单拉伸 tension 简单剪切 shear 均匀压缩 compression 还有扭转和弯曲形变。

 = ( l – l 0 ) / l 0 =  l / l 0  =F / S 0 （1）简单拉伸(tensile)

A standard tensile specimen Tension is one of the most common mechanical stress-strain test. the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of materials that is very important in design. A standard tensile specimen

（2）简单剪切(shear) 切应变  = l / l 剪切力  s= F / S 0

F：周围压力p  V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0 （3）均匀压缩(compress) Compression stress-stain tests may be conducted when in-service forces are of this type. A com- -pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction of the stress. F：周围压力p  V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0 压缩应变  V

（4）扭转 Torsional deformation 实心 W=.d 0 3/16 空心 W=.d 0 3（1- d 1 4 /d 0 4）/16 切应力  =M / W 切应变  =tg=  d 0 / (2l 0 ) 100%

（5）弯曲 Flexural deformation 最大扰度  max

常用的试验方法： A .以匀速拉伸试样，用测力装置测量F 伸长计同时测量l。 B .采用适当的坐标转换因子 2. 应力—应变曲线类型 常用的试验方法： A .以匀速拉伸试样，用测力装置测量F 伸长计同时测量l。 B .采用适当的坐标转换因子 曲线（F—l）转换为 应力—应变曲线 （ — ）  = F / S 0和=l / l 0

纯弹性型 弹性-均匀塑性型 弹性-不均匀塑性型 弹性-不均匀塑性-均匀塑性型 弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型 拉伸应力—应变曲线（ — ）五种类型 纯弹性型 弹性-均匀塑性型 弹性-不均匀塑性型 弹性-不均匀塑性-均匀塑性型 弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型

(1)   纯弹性型 A 陶瓷、岩石、大多数玻璃 B 高度交联的聚合物 C 以及一些低温下的金属材料。 (2)    弹性-均匀塑性型 A 许多金属及合金、 B 部分陶瓷 C 非晶态高聚物。 (3)   弹性-不均匀塑性型 A 低温和高应变速率下的面心立方金属， B 某些含碳原子的体心立方铁合金 C 以及铝合金低溶质固溶体。

(4)    弹性-不均匀塑性-均匀塑性型 A 一些结晶态高聚物 B 未经拉伸的线型非晶态高聚物 (5)    弹性-不均匀塑性（屈服平台）-均匀塑性型 A 一些体心立方铁合金 B 许多有色金属合金。

3、应力 —应变 实例

4-1-3和4-1-4 材料的形变 Deformation of Materials Elastic deformation Modulus of elasticity (Hook) (metal and ceramics) Rubberlike elasticity (elastomer) Viscoelasticity (polymer) permanent deformation Plastic (metal slip system and dislocation) viscous flow(glass and polymer) strengthening

4－1－3 弹性形变 Elastic deformation 弹性形变有普遍性 A 任何材料起始总是有弹性形变， B 有一定的弹性形变范围，它取决于应力的大小和形态。 1、Hooke定律和弹性模量 Hook’s raw and Modulus of elasticity Hooke定律 ＝E· E -----弹性模量 量纲 GN/m2 GPa 力学特点 小形变、可回复

弹性模量 正弹性模量 E＝／ 正应力在状态下 切弹性模量 G＝／ 纯剪切力作用下 体积弹性模量 K＝0／（V／V0） 泊松比为缩短应变与伸长应变的比值， γ=- ey/ex 转化关系 E=3G/[1+G/3K] K=E/[3(1-2γ)] E=2G(1+γ) E=3K(1-2γ)

各种材料的弹性模量 材 料 E（GPa） G（GPa） 泊松比 铸铁 110.3 51.0 0.17 软钢 206.8 81.4 0.26 材 料 E（GPa） G（GPa） 泊松比 铸铁 110.3 51.0 0.17 软钢 206.8 81.4 0.26 铝 68.9 24.8 0.33 铜 44.1 0.36 黄铜70/30 100.0 36.5   镍（冷拨） 213.7 79.4 0.30 钛 106.9 锆 93.8 35.8 铅 17.9 6.2 0.40 花岗岩 46.2 19.3 0.20 碳酸钠石灰玻璃 22.1 0.23 混凝土 10.3~37.9 0.11~0.21 橡木（纵向） 12.5 0.6 橡木（横向） 0.7 尼龙 2.8 0.4 酚醛树脂 5.2~6.9 硬橡胶 0.43

材料的弹性模量表示材料对于弹性变形的抵抗力 主要取决于原子间的结合能力, 构件刚度 金属的模量值主要取决于 10-102 A 晶体中原子的本性、电子结构 B 原子的结合力、 C 晶格类型以及晶格常数等。 D 合金元素降低弹性模量。 陶瓷材料具有较高模量、原因 10-102 A 原子键合的特点 特种陶瓷 B 构成材料相的种类，分布、比例及气孔率有关。 高分子材料低模量

FIGURE 7.19.

E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa ν=0.5(1-E/3K)=0.48 4-4. 一硫化的橡胶球受到6.89MPa的静水压力，直径减少了 1.2%，而相同材质的试棒在受到516.8KPa的拉应力时伸长 2.1%，则此橡胶棒的泊松比为多少？ K=σ/(ΔV/V)=6.89Mpa/[1-0.9883]=193.7Mpa E=σ/ε=516.8Kpa/2.1%=24.6Mpa ν=0.5(1-E/3K)=0.48

金属晶体、离子晶体、共价晶体等的变形通常表现为普弹性，主要的特点是： A 应变在应力作用下瞬时产生， B 应力去除后瞬时消失， C 服从虎克定律。 高分子材料通常表现为高弹性和粘弹性

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2. 有机聚合物的弹性、粘弹性 Elasticity and Visco-elasticity of Polymers ⑴高弹性，即橡胶弹性 (rubberlike elasticity) ① 弹性模量小、形变大。 A 一般材料，如铜、钢等，形 变量最大为 1  左右， B 而橡胶的高弹性形变很大， 可拉伸至 5 ~ 10 倍。 C 橡胶的弹性模量则只有一般 固体物质的万分之一左右， 即10—100 10 4 Pa。 ② 弹性模量随温度升高而上升，而一般固体的模量则随 温度 的提高而下降。

(a) 软而弱；(b) 硬而脆； (c) 硬而强； (d) 软而粘弹性； (e) 硬而粘弹性

（2）粘弹性 viscoelasticity ①静态粘弹性 固定应力 A 蠕变(creep) 开尔文模型（Kelvin model) 并联 ①静态粘弹性 固定应力 A 蠕变(creep) 开尔文模型（Kelvin model) 并联 粘壶 在蠕变过程中形变  是时间的函数。即柔量D是时间的函数 D (t) = (t) / 

B. 应力松弛(stress relaxation) 马克斯维尔模型 (Maxwell model) 串联 在应力松弛过程中，模量随时间而减小，称为松弛模量， E (t) =  (t) /  0

tan  = E ’’ / E ’ ②动态粘弹性 Dynamic viscoelasticity 周期性、交变应力 E* = E ’ + i E ’’ tan  = E ’’ / E ’

3、滞弹性——无机固体和金属的与时间有关的弹性。 取决于温度和荷载的频率

弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力 4、 弹性极限与弹性比功（金属） 比例极限 弹性变形时应力与应变严格成正比关系的上限应力  p = F p / S 0 条件比例极限 tan’ /tan=150%  p50 代表材料对极微量塑性变形的抗力 切线

（条件）弹性极限 最大弹性变形时的应力值。 弹性比功 弹性应变能密度。材料吸收变形功而又不发生 永久变形的能力 W=/2=2/2E 残留变形时的应力

4-1-4永久变形(permanent deformation) 大形变、不可逆 两种基体类型 晶质材料 塑性流动－金属为主 晶体一部分相对于另一部分 滑动 非晶质材料 粘性流动－高聚物为主 原子集团自由调换位置

It is a measure of the degree of plastic deformation that has been sustained at fracture. A material that experience very little or no plastic deformation upon fracture is termed brittle Ducitility

FIGURE 7.11 Typical engineeringstress–strain behavior tofracture, point F. The tensile strength TS is indicated at point M. The circular insets represent the geometry of the deformed specimen at various points along the curve.

FIGURE 7.25 Schematic tensile stress–strain curve for a semicrystalline polymer. Specimencontours at several stages ofdeformation are included.

1、塑性流动 Plastic deformation 滑移：材料在切应力作用下，沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）进行切变过程。

滑移体系(slip system)——滑移方向、滑移面 FIGURE 8.6

FIGURE 8.14

孪生：发生在金属晶体内局部区域的一 个均匀切变过程。 密排六方 镜像反映

FIGURE 8.12

位错 dislocation FIGURE 8.1

FIGURE 8.2

位错的特征——应变场 FIGURE 8.4

FIGURE 8.5

在高于玻璃化温度并受到相当大的应力时， 无机玻璃和热塑性聚合物会发生原子基团发生 持续的高粘度状态下的热运动 2、粘性流动 Viscous flow 在高于玻璃化温度并受到相当大的应力时， 无机玻璃和热塑性聚合物会发生原子基团发生 持续的高粘度状态下的热运动 =0eQ/RT 粘性流动的材料对于各种形变方式具有应变速率敏感性

3、材料的强化(strengthing of materials)： 抵抗永久形变 晶粒尺寸减小强化 FIGURE 8.15

固溶体强化

固溶体强化 , FIGURE 8.16

应变强化 冷加工

应变强化 cold work FIGURE 8.19

再结晶

FIGURE 8.22

高分子强化——取向

交联 FIGURE 8.29

天然橡胶