《材料性能學(xué)》PPT電子課件

《材料性能學(xué)》PPT電子課件,材料性能學(xué),材料,性能,PPT,電子,課件 材料性能學(xué)材料性能學(xué)1 課程的目的要求課程的目的要求 掌握材料各種性能的基本概念、物理本質(zhì)、變化規(guī)律以及性能指標(biāo)的工程意義，了解影響材料性能的主要因素及材料性能與化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，基本掌握改善或提高材料性能指標(biāo)、充分發(fā)揮材料性能潛力的主要途徑，以及材料或機(jī)件失效的基本方法，同時(shí)對(duì)材料性能測(cè)試原理、方法及相關(guān)儀器設(shè)備有所了解。2教材：教材：王從曾.材料性能學(xué).北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社.2004.3 主要參考書(shū)：主要參考書(shū)：張帆等，材料性能學(xué)(第2版)，上海：上海交通大學(xué)出版社，2014.4 成績(jī)?cè)u(píng)定方法成績(jī)?cè)u(píng)定方法 平時(shí)10,其中作業(yè)20，期末考試70（無(wú)故缺勤（無(wú)故缺勤三次三次，本門(mén)課程不及格），本門(mén)課程不及格）材料性能學(xué)的重點(diǎn)力學(xué)性能結(jié)構(gòu)材料物理性能功能材料宏觀-材料變形、斷裂，微觀-點(diǎn)缺陷-微孔-聚集，線缺陷-滑移松下充氣式 外骨骼我們對(duì)材料提出高強(qiáng)，高硬，耐溫，耐腐，絕緣和各種電，磁，光及生物相容性等等性能，使之可以廣泛應(yīng)用于機(jī)械，電子，宇航，醫(yī)學(xué)工程等各個(gè)方面；如此高要求下仍出現(xiàn)意外。例如：挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)?；鸺七M(jìn)器上面的一個(gè) O 形環(huán)失效，航天服頭盔的盔殼由聚碳酸酯制成，它不僅能隔音（聲學(xué)）、隔熱（熱學(xué)）和防碰撞（力學(xué)），而且還具有減震好、重量輕的性能，頭盔面窗可以為航天員提供良好的視野（光學(xué)），不結(jié)霧、不結(jié)霜，以便隨時(shí)可以清晰看到飛船內(nèi)外的景象。材料的熱傳導(dǎo)化學(xué)性能第一章第一章 材料單向靜拉伸的力學(xué)性能材料單向靜拉伸的力學(xué)性能 Longyan UniversityLongyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線一 力伸長(zhǎng)曲線拉伸試件的形狀及尺寸 標(biāo)準(zhǔn)圓柱形拉伸試件L05d0rd0L0Lcr 圓圓形形試樣試樣的主要尺寸及允的主要尺寸及允許許偏差偏差 （單單位位mm）試樣試樣直徑直徑d0標(biāo)標(biāo)距部距部分內(nèi)分內(nèi)d0的允的允許許偏差偏差標(biāo)標(biāo)距部分內(nèi)距部分內(nèi)最大與最小最大與最小直徑的允直徑的允許許差差值值標(biāo)標(biāo)距距長(zhǎng)長(zhǎng)度度L0平行部分平行部分長(zhǎng)長(zhǎng)度度Lc圓圓弧半徑弧半徑r短短試試樣樣長(zhǎng)試長(zhǎng)試樣樣單單，雙肩，雙肩30.050.015 d010 d0L0+d025680.10.02333101520250.20.054455Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 矩形拉伸試件L05.65a0L011.3a0ra0L0Lcrb0Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線圖圖1-1 低碳鋼的力伸長(zhǎng)曲線低碳鋼的力伸長(zhǎng)曲線 彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形及不均勻集中塑性變形 4個(gè)階段。Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線圖圖1-2 幾幾種種典典型型材材料料的力伸長(zhǎng)曲線的力伸長(zhǎng)曲線曲線曲線5為橡膠類(lèi)材料的力為橡膠類(lèi)材料的力伸長(zhǎng)曲線，其特伸長(zhǎng)曲線，其特點(diǎn)是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)點(diǎn)是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形生或產(chǎn)生很微小的塑性變形 曲線曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼（為低合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）曲線曲線1 淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均勻塑性變形勻塑性變形 曲線曲線3為黃銅，有彈性變形、均勻塑性變?yōu)辄S銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形形和不均勻塑性變形 曲線曲線4為陶瓷、玻璃類(lèi)材料。只有彈性變形而為陶瓷、玻璃類(lèi)材料。只有彈性變形而沒(méi)有明顯的塑性變形沒(méi)有明顯的塑性變形 曲線曲線6為工程塑料，彈性變形，均勻塑為工程塑料，彈性變形，均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形性變形和不均勻集中塑性變形 曲線曲線5為橡膠類(lèi)材料的力為橡膠類(lèi)材料的力伸長(zhǎng)曲線，其特伸長(zhǎng)曲線，其特點(diǎn)是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)點(diǎn)是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形生或產(chǎn)生很微小的塑性變形 曲線曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼（為低合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）曲線曲線1 淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均勻塑性變形勻塑性變形 曲線曲線3為黃銅，有彈性變形、均勻塑性變?yōu)辄S銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形形和不均勻塑性變形 曲線曲線4為陶瓷、玻璃類(lèi)材料。只有彈性變形而為陶瓷、玻璃類(lèi)材料。只有彈性變形而沒(méi)有明顯的塑性變形沒(méi)有明顯的塑性變形 曲線曲線6為工程塑料，彈性變形，均勻塑為工程塑料，彈性變形，均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形性變形和不均勻集中塑性變形 曲線曲線5為橡膠類(lèi)材料的力為橡膠類(lèi)材料的力伸長(zhǎng)曲線，其特伸長(zhǎng)曲線，其特點(diǎn)是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)點(diǎn)是彈性變形量很大，只有彈性變形而不產(chǎn)生或產(chǎn)生很微小的塑性變形生或產(chǎn)生很微小的塑性變形 曲線曲線2為低合金結(jié)構(gòu)鋼（為低合金結(jié)構(gòu)鋼（16Mn）曲線曲線1 淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均淬火、高溫回火后的高碳鋼。只有彈性變形、少量的均勻塑性變形勻塑性變形 曲線曲線3為黃銅，有彈性變形、均勻塑性變?yōu)辄S銅，有彈性變形、均勻塑性變形和不均勻塑性變形形和不均勻塑性變形 曲線曲線4為陶瓷、玻璃類(lèi)材料。只有彈性變形而為陶瓷、玻璃類(lèi)材料。只有彈性變形而沒(méi)有明顯的塑性變形沒(méi)有明顯的塑性變形 曲線曲線6為工程塑料，彈性變形，均勻塑為工程塑料，彈性變形，均勻塑性變形和不均勻集中塑性變形性變形和不均勻集中塑性變形 Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線圖圖1-3 低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線比例極限比例極限p、彈性、彈性極限極限e、屈服點(diǎn)、屈服點(diǎn)s、抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b FA0 LL0 Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線如果以瞬時(shí)截面積如果以瞬時(shí)截面積A除其相應(yīng)的拉伸力除其相應(yīng)的拉伸力F，則可得到瞬時(shí)的真應(yīng)力，則可得到瞬時(shí)的真應(yīng)力S（S=FA）。同樣，當(dāng)拉伸力）。同樣，當(dāng)拉伸力F有一增量有一增量dF時(shí)，試樣在瞬時(shí)長(zhǎng)度時(shí)，試樣在瞬時(shí)長(zhǎng)度L的的基礎(chǔ)上變?yōu)榛A(chǔ)上變?yōu)長(zhǎng)+dL，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是，于是應(yīng)變的微分增量應(yīng)是de=dLL，則試棒自，則試棒自L0伸伸長(zhǎng)至長(zhǎng)至L后，總的應(yīng)變量為后，總的應(yīng)變量為式中的式中的e即為真應(yīng)變。于是，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系為即為真應(yīng)變。于是，工程應(yīng)變和真應(yīng)變之間的關(guān)系為假定材料的拉伸變形是等體積變化過(guò)程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就假定材料的拉伸變形是等體積變化過(guò)程，則真應(yīng)力和工程應(yīng)力之間就有如下關(guān)系：有如下關(guān)系：AiliA 0l0i=F/Ai=F/(A0l0/li)Longyan University第一節(jié)第一節(jié) 力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力力一伸長(zhǎng)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 圖圖1-4 真應(yīng)力真應(yīng)變曲線真應(yīng)力真應(yīng)變曲線 Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 一、彈性變形的本質(zhì)一、彈性變形的本質(zhì) 構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的構(gòu)成材料的原子（離子）或分子自平衡位置產(chǎn)生可逆位移的反映反映 圖1-5 離子間的相互作用力 Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 二、彈性模數(shù)二、彈性模數(shù)拉伸拉伸時(shí)時(shí)=E，剪切，剪切時(shí)時(shí)=G，E和和G分分別為別為拉伸拉伸時(shí)時(shí)的的楊楊氏模氏模數(shù)和切數(shù)和切變變模數(shù)模數(shù)。在在應(yīng)應(yīng)力力應(yīng)變應(yīng)變關(guān)系的意關(guān)系的意義義上，當(dāng)上，當(dāng)應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，彈性模應(yīng)變?yōu)橐粋€(gè)單位時(shí)，彈性模數(shù)在數(shù)值上等于彈性應(yīng)力，即彈性模數(shù)是產(chǎn)生數(shù)在數(shù)值上等于彈性應(yīng)力，即彈性模數(shù)是產(chǎn)生100彈性彈性變形所需的應(yīng)力。在工程中彈性模數(shù)是表征材料對(duì)彈性變變形所需的應(yīng)力。在工程中彈性模數(shù)是表征材料對(duì)彈性變形的抗力，即材料的剛度，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)形的抗力，即材料的剛度，其值越大，則在相同應(yīng)力下產(chǎn)生的彈性變形就越小。生的彈性變形就越小。比彈性模數(shù)（比模數(shù)、比剛度）比彈性模數(shù)（比模數(shù)、比剛度）（一般適用于（一般適用于航空業(yè)航空業(yè)）材料的彈性模數(shù)與其單位體積質(zhì)量的比值材料的彈性模數(shù)與其單位體積質(zhì)量的比值 Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 三、影響彈性模數(shù)的因素三、影響彈性模數(shù)的因素1、鍵合方式和原子結(jié)構(gòu)、鍵合方式和原子結(jié)構(gòu) 一般來(lái)說(shuō)，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的一般來(lái)說(shuō)，在構(gòu)成材料聚集狀態(tài)的4種鍵合方式中，共價(jià)鍵、種鍵合方式中，共價(jià)鍵、離子鍵都有較高的彈性模數(shù)。無(wú)機(jī)非金屬材枓大多由共價(jià)鍵離子鍵都有較高的彈性模數(shù)。無(wú)機(jī)非金屬材枓大多由共價(jià)鍵或離子鍵以及兩種鍵合方式共同作用而成，因而有較高的彈或離子鍵以及兩種鍵合方式共同作用而成，因而有較高的彈性模數(shù)。金屬及其合金為金屬鍵結(jié)合，也有較高的彈性模數(shù)。性模數(shù)。金屬及其合金為金屬鍵結(jié)合，也有較高的彈性模數(shù)。而高分子聚合物的分子之間為分子鍵結(jié)合，分子鍵結(jié)合力較而高分子聚合物的分子之間為分子鍵結(jié)合，分子鍵結(jié)合力較弱，高分子聚合物的彈性模數(shù)亦較低。弱，高分子聚合物的彈性模數(shù)亦較低。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 圖圖1-6 金屬?gòu)椥阅?shù)的周期變化金屬?gòu)椥阅?shù)的周期變化 Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 2 2晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 單晶體材料的彈性模數(shù)在不同晶體學(xué)方向上呈各向異性，單晶體材料的彈性模數(shù)在不同晶體學(xué)方向上呈各向異性，即沿原子排列最密的晶向上彈性模數(shù)較大，反之則小。如即沿原子排列最密的晶向上彈性模數(shù)較大，反之則小。如-Fe-Fe晶體沿晶體沿111111晶向，晶向，E=2.7E=2.710105 5MPaMPa，而沿，而沿100100方向，方向，E=1.25E=1.2510105 5MPaMPa。MgOMgO晶體在室溫下沿晶體在室溫下沿111111晶晶向，向，E=3.48E=3.4810105 5MPaMPa，而，而100100晶向，晶向，E=2.48E=2.4810105 5MPaMPa。多晶體材料的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)多晶體材料的彈性模數(shù)為各晶粒的統(tǒng)計(jì)平均值，表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱(chēng)為偽各向計(jì)平均值，表現(xiàn)為各向同性，但這種各向同性稱(chēng)為偽各向同性。非晶體材料，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性模量是同性。非晶體材料，如非晶態(tài)金屬、玻璃等，彈性模量是各向同性的。各向同性的。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 3 3化學(xué)成分化學(xué)成分 與純金屬相比，合金的彈性模數(shù)將隨組成元素的質(zhì)量與純金屬相比，合金的彈性模數(shù)將隨組成元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)(w)(w)、晶體結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的變化而變化。、晶體結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)的變化而變化。對(duì)于固溶體合金，彈性模數(shù)主要取決于溶劑元素的性對(duì)于固溶體合金，彈性模數(shù)主要取決于溶劑元素的性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。隨著溶質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，雖然固溶質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)。隨著溶質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，雖然固溶體的彈性模數(shù)發(fā)生改變，但在溶解度較小的情況下一般變體的彈性模數(shù)發(fā)生改變，但在溶解度較小的情況下一般變化不大，例如碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差不超過(guò)化不大，例如碳鋼與合金鋼的彈性模數(shù)相差不超過(guò)5 5。在兩相合金中，彈性模數(shù)的變化比較復(fù)雜。它與合金成在兩相合金中，彈性模數(shù)的變化比較復(fù)雜。它與合金成分，第二相的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸及分布狀態(tài)有關(guān)。例如在分，第二相的性質(zhì)、數(shù)量、尺寸及分布狀態(tài)有關(guān)。例如在鋁中加入鋁中加入Ni(w=15Ni(w=15)、Si(w=13Si(w=13)，形成具有較高彈性模，形成具有較高彈性模數(shù)的金屬間化合物，使彈性模數(shù)由純鋁的約數(shù)的金屬間化合物，使彈性模數(shù)由純鋁的約6.56.510104 4MPaMPa增增高到高到9.389.3810104 4MPaMPa。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 4微觀組織微觀組織 對(duì)于金屬材料，在合金成分不變的情況下，顯微組織對(duì)對(duì)于金屬材料，在合金成分不變的情況下，顯微組織對(duì)彈性模數(shù)的影響較小，晶粒大小對(duì)彈性模數(shù)的影響較小，晶粒大小對(duì)E E值無(wú)影響。鋼經(jīng)過(guò)淬火值無(wú)影響。鋼經(jīng)過(guò)淬火后后E E值雖有所下降，但回火后值雖有所下降，但回火后E E值又恢復(fù)到退火狀態(tài)的數(shù)值。值又恢復(fù)到退火狀態(tài)的數(shù)值。第二相對(duì)第二相對(duì)E E值的影響視其體積比例和分布狀態(tài)而定，大致可值的影響視其體積比例和分布狀態(tài)而定，大致可按兩相混合物體積比例的平均值計(jì)算，對(duì)鋁合金的研究表明，按兩相混合物體積比例的平均值計(jì)算，對(duì)鋁合金的研究表明，具有高具有高E E值的第二相粒子可以提高合金的彈性模數(shù)，鈹青銅值的第二相粒子可以提高合金的彈性模數(shù)，鈹青銅時(shí)效后時(shí)效后E E值可提高值可提高2020以上，但對(duì)于作為結(jié)構(gòu)材料使用的大以上，但對(duì)于作為結(jié)構(gòu)材料使用的大多數(shù)金屬材料，其中第二相所占比例較小的情況下，可以忽多數(shù)金屬材料，其中第二相所占比例較小的情況下，可以忽略其對(duì)略其對(duì)E E值的影響。冷加工可降低金屬及合金的彈性模數(shù)，值的影響。冷加工可降低金屬及合金的彈性模數(shù)，但一般改變量在但一般改變量在5 5以下，只有在形成強(qiáng)的織構(gòu)時(shí)才有明顯以下，只有在形成強(qiáng)的織構(gòu)時(shí)才有明顯的影響，并出現(xiàn)彈性各向異性。的影響，并出現(xiàn)彈性各向異性。因此，作為金屬材料剛度代因此，作為金屬材料剛度代表的彈性模數(shù)，是一個(gè)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)表的彈性模數(shù)，是一個(gè)組織不敏感的力學(xué)性能指標(biāo)。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 工程陶瓷彈性模數(shù)的大小與構(gòu)成陶瓷的相的種類(lèi)、粒度、工程陶瓷彈性模數(shù)的大小與構(gòu)成陶瓷的相的種類(lèi)、粒度、分布、比例及氣孔率有關(guān)。因此作為復(fù)雜多相體的陶瓷材料分布、比例及氣孔率有關(guān)。因此作為復(fù)雜多相體的陶瓷材料其彈性模數(shù)的理論計(jì)算非常困難，一般是通過(guò)實(shí)際測(cè)量而獲其彈性模數(shù)的理論計(jì)算非常困難，一般是通過(guò)實(shí)際測(cè)量而獲得。氣孔率對(duì)陶瓷的彈性模數(shù)的影響大致可用下式表示：得。氣孔率對(duì)陶瓷的彈性模數(shù)的影響大致可用下式表示：E=EE=E0 0(1-1.9(1-1.9p p+0.9+0.9p p2 2)式中：式中：E E0 0為無(wú)氣孔時(shí)的彈性模數(shù)；為無(wú)氣孔時(shí)的彈性模數(shù)；p p為氣孔率?？梢?jiàn)隨為氣孔率?？梢?jiàn)隨著氣孔率的增加，陶瓷的著氣孔率的增加，陶瓷的E E值下降。值下降。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 高分子聚合物高分子聚合物 圖圖1-7炭黑填料對(duì)天然橡膠彈性模數(shù)的影響炭黑填料對(duì)天然橡膠彈性模數(shù)的影響Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 復(fù)合材料是特殊的多相材料。對(duì)于增強(qiáng)相為粒狀的復(fù)合材料，復(fù)合材料是特殊的多相材料。對(duì)于增強(qiáng)相為粒狀的復(fù)合材料，其彈性模數(shù)隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增高而增大。對(duì)于單向纖維增強(qiáng)其彈性模數(shù)隨增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)的增高而增大。對(duì)于單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其彈性模數(shù)一般用宏觀模量表示，分別為縱向彈性模復(fù)合材料，其彈性模數(shù)一般用宏觀模量表示，分別為縱向彈性模量量E E1 1、橫向彈性模量、橫向彈性模量E E2 2，E El l和和E E2 2分別用下式表示：分別用下式表示：式中：式中：E Ef f、E Emm分別為纖維和基體的彈性模數(shù)，分別為纖維和基體的彈性模數(shù)，V Vf f、V Vmm分別為纖維和分別為纖維和基體的體積分?jǐn)?shù)。很顯然無(wú)論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，基體的體積分?jǐn)?shù)。很顯然無(wú)論是縱向彈性模數(shù)還是橫向彈性模數(shù)，均與構(gòu)成復(fù)合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。均與構(gòu)成復(fù)合材料的纖維和基體的彈性模數(shù)及體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 5 5 溫度溫度 一般說(shuō)來(lái)，隨著溫度的升高，原子振動(dòng)加劇，體積膨脹，原子間距增大，結(jié)合力減弱，使材料彈性模數(shù)降低。例如，碳鋼加熱時(shí)，溫度每升高l00，E值下降35。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 高分子聚合物的物理性質(zhì)與溫度和時(shí)間有密切的關(guān)系。隨著溫度的變化，在一些特定的溫度區(qū)間，某些力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生突然的改變，這種變化稱(chēng)為高聚物的力學(xué)狀態(tài)轉(zhuǎn)變。例如，由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變、由橡膠態(tài)向粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變等。隨著高聚物力學(xué)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，其彈性模數(shù)也相應(yīng)產(chǎn)生很大的變化 Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 圖1-9 聚合物的E-T曲線 此外，橡膠的彈性模數(shù)隨溫度的升高略有增加，這一點(diǎn)與其他材料不同。其原因是溫度升高時(shí)，高分子鏈的分子運(yùn)動(dòng)加劇，力圖恢復(fù)到卷曲的平衡狀態(tài)的能力增強(qiáng)所致。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 6 6加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間加載條件和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間 加載方式（多向應(yīng)力），加載速率和負(fù)荷持續(xù)時(shí)間對(duì)金屬、陶瓷類(lèi)材料的彈性模數(shù)幾乎沒(méi)有影響。因?yàn)檫@類(lèi)材料的彈性變形速度與聲速相同，遠(yuǎn)超過(guò)常見(jiàn)的加載速率，負(fù)荷持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短也不會(huì)影響到原子之間的結(jié)合力。只有陶瓷材料的壓縮彈性模數(shù)高于拉伸彈性模數(shù)，這一點(diǎn)與金屬材料不同。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 高分子聚合物材料的彈性模數(shù)與時(shí)間的關(guān)系與其對(duì)溫高分子聚合物材料的彈性模數(shù)與時(shí)間的關(guān)系與其對(duì)溫度的關(guān)系相似，一般說(shuō)來(lái)，隨著負(fù)荷時(shí)間的延長(zhǎng)，度的關(guān)系相似，一般說(shuō)來(lái)，隨著負(fù)荷時(shí)間的延長(zhǎng)，E E值逐值逐漸下降。在此情況下把高聚物的彈性模數(shù)稱(chēng)為松弛模數(shù)。漸下降。在此情況下把高聚物的彈性模數(shù)稱(chēng)為松弛模數(shù)。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) t=0 t=0時(shí)，材料受到應(yīng)力作用產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，時(shí)，材料受到應(yīng)力作用產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，高分子鍵內(nèi)的鍵角和鍵長(zhǎng)立即發(fā)生變化，這時(shí)的高分子鍵內(nèi)的鍵角和鍵長(zhǎng)立即發(fā)生變化，這時(shí)的E E值為玻璃態(tài)的值為玻璃態(tài)的E E值。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，卷曲的值。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間以后，卷曲的高分子鏈通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)逐步舒展，高彈性變形逐高分子鏈通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)逐步舒展，高彈性變形逐步增加，應(yīng)力不斷下降，此時(shí)步增加，應(yīng)力不斷下降，此時(shí)E E值相當(dāng)于由玻璃值相當(dāng)于由玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變的態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)變的E E值。時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，高值。時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)，高分子鏈間發(fā)生相互滑移，整鏈發(fā)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生粘分子鏈間發(fā)生相互滑移，整鏈發(fā)生運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生粘性流動(dòng)，材料的彈性模數(shù)降得很低。因此高分子性流動(dòng)，材料的彈性模數(shù)降得很低。因此高分子聚合物的彈性模數(shù)常用加載一段時(shí)間后的數(shù)值聚合物的彈性模數(shù)常用加載一段時(shí)間后的數(shù)值E E（t t）表示，稱(chēng)為）表示，稱(chēng)為t t秒松弛模數(shù)，如秒松弛模數(shù)，如10s10s模數(shù)等。模數(shù)等。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 四、比例極限與彈性極限 比例極限p是保證材料的彈性變形按正比關(guān)系變化時(shí)最大應(yīng)力，即在拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線上開(kāi)始偏離直線時(shí)的應(yīng)力值 式中：Fp為比例極限對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，A0為試棒的原始截面積。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 彈性極限e是材料由彈性變形過(guò)渡到彈-塑性變形時(shí)的應(yīng)力，此時(shí)材料開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形。式中：Fe為彈性極限時(shí)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)力，A0為試棒的原始截面面積。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 實(shí)際上，p、e只是一個(gè)理論上的物理定義，因?yàn)閷?duì)于實(shí)際使用的工程材料，用普通的測(cè)試方法很難測(cè)出準(zhǔn)確而唯一的比例極限和彈性極限數(shù)值。因此，為了便于實(shí)際測(cè)量和應(yīng)用，應(yīng)以發(fā)生非比例伸長(zhǎng)值作定義，故p的新定義在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中稱(chēng)為“規(guī)定非比例伸長(zhǎng)應(yīng)力”，即試驗(yàn)時(shí)非比例伸長(zhǎng)達(dá)到原始標(biāo)距長(zhǎng)度規(guī)定的百分比時(shí)的應(yīng)力，表示此應(yīng)力的符號(hào)附以角注說(shuō)明，例如p0.01、p0.05分別表示規(guī)定非比例伸長(zhǎng)率0.01、0.05時(shí)的應(yīng)力。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，比例極限和彈性極限已沒(méi)有質(zhì)的區(qū)別，只是非比例伸長(zhǎng)率大小不同而己。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) p、e的工程意義是：對(duì)于要求服役時(shí)其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系嚴(yán)格遵守線性關(guān)系的機(jī)件，如測(cè)力計(jì)彈簧，是依靠彈性變形的應(yīng)力正比于應(yīng)變的關(guān)系顯示載荷大小的，則應(yīng)以比例極限作為選擇材料的依據(jù)；對(duì)于服役條件不允許產(chǎn)生微量塑性變形的機(jī)件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按彈性極限來(lái)選擇材料。Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 五、彈性比功五、彈性比功 彈性比功又稱(chēng)為彈性比能或應(yīng)變比能，用彈性比功又稱(chēng)為彈性比能或應(yīng)變比能，用ae表示，是材表示，是材料在彈性變形過(guò)程中吸收變形功的能力。一般可用材料彈性料在彈性變形過(guò)程中吸收變形功的能力。一般可用材料彈性變形達(dá)到彈性極限時(shí)單位體積吸收的彈性變形功表示。變形達(dá)到彈性極限時(shí)單位體積吸收的彈性變形功表示。圖1-10 彈性比功 2 2Longyan University第二節(jié)第二節(jié) 彈性變形及其性能指標(biāo)彈性變形及其性能指標(biāo) 欲提高材料的彈性比功，途徑有二，即或者提欲提高材料的彈性比功，途徑有二，即或者提高高e，或者降低，或者降低E。對(duì)于一般的工程材料，彈性模數(shù)。對(duì)于一般的工程材料，彈性模數(shù)不易改變，尤其是金屬材料，因此常用提高材料彈不易改變，尤其是金屬材料，因此常用提高材料彈性極限的方法來(lái)提高彈性比功。性極限的方法來(lái)提高彈性比功。作為減振或儲(chǔ)能元件，彈簧得到廣泛應(yīng)用，所以作為減振或儲(chǔ)能元件，彈簧得到廣泛應(yīng)用，所以彈簧材料應(yīng)具有較高的彈性比功。由于彈簧鋼經(jīng)合理彈簧材料應(yīng)具有較高的彈性比功。由于彈簧鋼經(jīng)合理的冷加工或熱處理后具有較高的彈性極限，使彈性比的冷加工或熱處理后具有較高的彈性極限，使彈性比功提高，所以常用來(lái)制作各種彈簧。磷青銅或鈹青銅功提高，所以常用來(lái)制作各種彈簧。磷青銅或鈹青銅常用來(lái)制作儀表彈簧，這除了因?yàn)樗鼈儫o(wú)鐵磁性外，常用來(lái)制作儀表彈簧，這除了因?yàn)樗鼈儫o(wú)鐵磁性外，主要是因?yàn)樗麄冇懈叩膹椥员裙ΑＡ硗?，橡膠有低彈主要是因?yàn)樗麄冇懈叩膹椥员裙?。另外，橡膠有低彈性模數(shù)和高的彈性應(yīng)變，因而也有較大的彈性比功，性模數(shù)和高的彈性應(yīng)變，因而也有較大的彈性比功，因而常用來(lái)作為減振和儲(chǔ)能元件，例如電子器件中按因而常用來(lái)作為減振和儲(chǔ)能元件，例如電子器件中按鈕彈簧等。鈕彈簧等。