力学性能指标

2024年1月10日发(作者：常宝华)

力学性能指标：拉伸强度、断裂伸长率、硬度、弹性模量、冲击强度。

影响力学性能的因素：温度、拉伸速度、环境介质、压力等。

弹性变形特点: 可逆变形 虎克定律 弹性变形量很小，一般不超过0.5%-1% 材料的弹性模量主要取决于结合键的本性和原子间的结合力，而材料的成分和组织对它的影响不大 共价键的弹性模量最高.

弹性比功：又称弹性比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。

滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。

循环韧性的意义: 循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以高循环韧性对于降机器的噪声，抑制高速机械的振动，防止共振导致疲劳断裂意义重大

金属材料常见的塑性变形方式 滑移和孪生

金属应变硬化机理与高分子应变硬化机理的区别:金属机理：位错的增殖与交互作用导致的阻碍 高分子机理：发生应变诱导结晶、分子链接近最大伸长

韧性断裂：金属断裂前产生明显的宏观塑性变形的断裂，有一个缓慢的撕裂过程，在裂纹扩展过程中不断消耗能量。脆性断裂：突然发生断裂，基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因此危害性很大。

α值越大，表示应力状态越“软”，金属越易于产生塑性变形和韧性断裂。

α值越小，表示应力状态越“硬”，金属越不易于产生塑性变形而易于产生脆性断裂。拉伸时塑性很好的材料，在压缩时只发生压缩变形而不断裂。硬度：布氏、洛氏、维氏

缺口效应：缺口根部产生应力集中，同时缺口截面上的应力分布发生改变。

断裂韧性：由于裂纹破坏了材料的均匀连续性，改变了材料内部应力状态和应力分布，所以机件的结构性能就不再相似于无裂纹的试样性能，传统的力学强度理论就不再适用。

断裂力学就是在这种背景下发展起来的一门新型断裂强度科学，是在承认机件存在宏观裂纹的前提下，建立了裂纹扩展的各种新的力学参量，并提出了含裂纹体的断裂判据和材料断裂韧度。

分析裂纹体断裂问题的方法：应力应变分析方法：考虑裂纹尖端附近的应力场强度，得到相应的断裂K判据。(2) 能量分析方法：考虑裂纹扩展时系统能量的变化，建立能量转化平衡方程，得到相应的断裂G判

KI和KIC的区别：应力场强度因子KI增大到临界值KIC时，材料发生断裂，这个临界值KIC称为断裂韧度。KI是力学参量，与载荷、试样尺寸有关，而和材料本身无关。KIC是力学性能指标，只与材料组织结构、成分有关，与试样尺寸和载荷无关。根据KI和KIC的相对大小，可以建立裂纹失稳扩展脆断的断裂K判据，由于平面应变断裂最危险，通常以KIC为标准建立：

应力腐蚀现象：在应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆性断裂现象。

应力腐蚀产生的条件：(1)必须有应力，特别是拉应力的作用, 远低于材料的屈服强度，是脆性断裂；(2)对一定成分的合金，只有在特定介质中才发生应力 腐蚀断裂；(3)应力腐蚀断裂速度约为10-8-10-6 m／s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。

机理：当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即所谓“钝化”。由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部地区的保护膜破裂，破裂处金属直接暴露在介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加

深，最后形成孔洞。孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介质共同作用形成应力腐蚀裂纹。

磨损的特点：材料表面发生微观变形与断裂， 变形与断裂反复发生的动态过程，受诸多因素影响

陶瓷、金属、高分子材料三大固体材料。主要区别在于化学键不同。金属：金属键。高分子：共价键+范德华键，陶瓷：离子键和共价键，离子键和共价键是强固的结合键，故陶瓷材料具有高熔点、高硬度、耐腐蚀和无塑性等特性。 天然粘土、氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆、氮化硼、氧化锆增韧陶瓷（ZTC）等。

陶瓷材料的弹性变1、弹性（1）弹性模量大，是金属材料的2倍以上。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。（2）弹性模量呈方向性；压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性；（3）气孔率↑，弹性模量↓（4）温度↑，弹性模量↓

陶瓷材料的塑性变形：（1）室温下，大多数陶瓷塑性变形极小。（2）1000℃以上，大多数陶瓷可发生塑性变形（主滑移系运动）。

陶瓷的抗热震性（热冲击）：材料承受温度骤变而不破坏的能力。在各种热环境下引起的热应力，以及与之相应的应力强度因子是热震破坏的原因。由热震引起的瞬时断裂，即热振断裂。

塑性变形 ：是微观结构的相邻部分产生永久性位移，而不引起材料断裂的现象。塑性变形是一种不可逆变形，塑性变形主要是由于切应力引起的。材料塑性变形过程中仍然保留着弹性变形，所以整个变形过程是弹性加塑性变形过程，可称为弹塑性变形。

结晶态高分子材料: 塑变机制：塑性变形是由薄晶转变为沿应力方向排列的微纤维束的过

非晶态高分子材料：塑变机制：在正应力作用下形成银纹和切应力作用下无取向分子链局部转变为排列的纤维束

强迫高弹形变 ：对于玻璃态高聚物，当环境温度处于 Tb ＜T ＜Tg时，虽然材料处于玻璃态，链段冻结，但在恰当速率下拉伸，材料仍能发生百分之几百的大变形（参见图中T = 80℃，60℃的情形），这种变形称强迫高弹形变。

玻璃态高聚物强迫高弹形变的特点：（1）既不同于高弹态下的高弹形变，也不同于粘流态下的粘性流动，是一种独特的力学行为。（2）强迫高弹形变的本质是在高应力下，原来卷曲的分子链段被强迫发生运动、伸展，发生大变形，如同处于高弹态的情形。这种强迫高弹形变在外力撤消后，通过适当升温（T ＞Tg）仍可恢复或部分恢复。（3）强迫高弹形变能够产生，说明提高应力可以促进分子链段在作用力方向上的运动，如同升高温度一样，起到某种“活化”作用。

熔融--重结晶：第二阶段是由于应力增加到C点时足已克服其晶格能，结晶发生熔融，链段开始运动，并沿外力方向取向。如果在此温度下，聚合物结晶速率足够大，则沿外力方向取向后链段能重新排入晶格而重新结晶；如果结晶速度太低，则会成为 非晶态的取向高聚物。由于取向后分子链间排列紧密，分子间作用力增大，故强度增大。取向后强度增大，致使试样不会迅速变细拉断，而是在细颈两端发展，也就是粗细交接处的分子链继续取向，直至细颈发展完全。此后，必须进一步增加应力，才能破坏晶格能或克服链间作用力，使分子发生位移，甚至断裂，从而导致材料破坏。

结晶-非晶应力-应变异同：1、 两种拉伸过程都要经历弹性形变。屈服(“成颈”)、发展大形变及“应变硬化”等阶段，拉伸后阶段都呈现强烈的各向异性，断裂前的大形变在室温下都不能自发回复，而加热后却能回复到原状，两种拉伸过程中发生的大形变都是高弹形变。2、 另一方面，又有差别的。可被冷拉的温度范围不同，非晶 的冷拉温度区间是Tb～Tg之间，结晶却在Tg～Tm之间。更本质的差别在于结晶高聚物的拉伸过程伴随着比非晶的拉

伸过程复杂得多的分子聚集态结构的变化。非晶态高聚物拉伸时只发生分子链取向，不发生相变，而结晶的拉伸还包含有结晶的破坏、取向、再结晶等过程。

银纹：是高聚物所特有的一种现象，脆性材料拉伸中的微观屈服现象主要是银纹，内部：银纹面之间是由维系两银纹面的银纹质——高度取向的微纤束和空穴组成。

强度的影响因素:

分子链结构的影响:

极性基团和氢键:低压聚乙烯，聚氯乙烯，尼龙---- 拉伸强度

但不能密度过大， 妨碍链段运动，不能实现强迫高弹， 表现为脆性断裂

芳杂环 ;其强度和模量都比脂肪族高，因此，新颖的工程塑料大都主链含芳杂环的。

分子链的支化程度（分子间距离） :作用力减少，拉伸强度低， 冲击强度高

交联的影响: 交联可以提高材料的抗蠕变能力，也能提高断裂强度。对于玻璃态聚合物，交联对脆性强度的影响不大；但对高弹态材料的强度影响很大。交联度提高，橡胶材料的拉伸模量和强度都大大提高，达到极值强度后，又趋于下降（结晶取向下降）；断裂伸长率则连续下降。

分子量的影响: 分子量是对高分子材料力学性能（包括强度、弹性、韧性）起决定性作用的结构参数。低分子有机化合物一般没有力学强度（多为液体），高分子材料要获得强度，必须具有一定聚合度，使分子间作用力足够大才行.2, 超过最小聚合度，随分子量增大，材料强度（拉伸强度）逐步增大。到一定的值，拉伸强度变化不大，冲击强度继续增大（超高分子量PE）。但当分子量相当大，致使分子间作用力的总和超过了化学键能时，材料强度主要取决于化学键能的大小，这时材料强度不再依赖分子量而变化。

结晶的影响: 一般影响规律是： 1）随着结晶度上升，材料的屈服强度、断裂强度、硬度、弹性模量均提高，但断裂伸长率和韧性下降。这是由于结晶使分子链排列紧密有序，孔隙率低，分子间作用增强所致。然而如果结晶度太高，材料将发脆。2）晶粒尺寸和晶体结构

均匀小球晶能使材料的强度、伸长率、模量和韧性得到提高，而大球晶将使断裂伸长和韧性下降，冲击强度下降。原因：大量的均匀小球晶分布在材料内，起到类似交联点作用，使材料应力-应变曲线由软而弱型转为软而韧型，甚至转为有屈服的硬而韧型。方法：因此改变结晶历史，如采用添加成核剂，如在聚丙烯中添加草酸酞作为晶种，都有利于均匀小球晶生成，从而可以提高材料强度和韧性。3）晶体形态对聚合物拉伸强度的影响规律是，同一聚合物，伸直链晶体的拉伸强度最大，串晶次之，球晶最小。

取向的影响: 加工过程中分子链沿一定方向取向，使材料力学性能产生各向异性，在取向方向得到增强。2)延性、易结晶材料，在平行于取向方向的强度、模量提对高，在垂直于取向方向的强度下降，伸长率增大。3)

双轴取向时，在该双轴构成的平面内，性能不像单轴取向那样有薄弱的方向。为此，利用双轴取向，可以改进材料的性能。

填料的增强机理: 活性填料的增强主要来自表面活性。炭黑粒子表面带有好几种活性基团（羧基、酚基、醌基等），这些活性基团与橡胶大分子链接触，会发生物理的或化学的吸附。

劳破坏疲机理的研究 : 断裂力学 裂纹生长2) 疲劳寿命(S-N)曲线法 需要大量的实验3) 损伤力学方法-定义破坏内变量

热疲劳：热可能引起化学键的断裂或者形成新的基团或者发生交联

界面影响复合材料的力学性能：界面粘接弱，则力学强度低。界面存在缺陷，则力学强度低