第一章高分子材料性能学.ppt

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1、高分子材料性能学,材料科学与工程学院A323,彭 志 平,2,一、材料分类,金属材料 无机非金属材料 高分子材料 复合材料,绪 论,3,1.塑料,热固性塑料 (酚醛、脲醛等),热塑性塑料 (PE,PP,PVC,PS,PMMA等),塑料的弹性模量介于橡胶和纤维之间，约107108Pa；受力形变可达百分之几至几百。,4,2.橡胶：,天然橡胶 (聚异戊二烯),合成橡胶 ( 顺丁,丁苯,丁腈, 氯丁橡胶),室温弹性高；形变大（可达1000%），外力去除后，能迅速恢复原状；弹性模量小，约105104Pa。,5,3.纤维,聚酯纤维(涤纶，如PET) 聚酰胺纤维（如尼龙，锦纶） 腈纶(PAN) 丙纶(PP)

2、 维纶（PVA）,弹性模量较大，约1091010Pa。 形变小，机械性能随温度变化不大,6,二、 材料的四要素,成分/结构、制备/工艺、性质和使用性能,成分/结构、制备/工艺决定固有性质 性质决定使用性能 使用性能决定材料 的用途,7,高分子科学各课程间的联系,成分/结构、制备,高分子化学 聚合反应工程,加工工艺、成型,高分子成型与加工,结构与性能关系,高分子物理,材料的使用性能,高分子材料性能学,材料的分类与应用,高分子材料,理论 和物质 基础,实用 价值,实际 应用,8,三、材料性能的概念,1.材料在给定外界物理刺激下产生的响应行为或 表现 2.表征材料响应行为发生程度的参数，即性能 指标

3、（如模量、强度等）,9,力学性能：弹性、塑性、硬度、韧度、强度,耐环境性能：耐腐蚀性、老化、抗辐照性,性能划分,物理性能：热学、磁学、电学、光学,四、材料性能的划分,10,力学性能：材料在外加载荷作用下或载荷与环境联合作用下所表现的行为变形和断裂。即材料抵抗外载引起变形和断裂的能力。,力学性能,力学性能表征,材料软硬程度,变形能力,弹性、塑性,材料脆性,硬度,韧性,材料抵抗外力能力,强度,11,12,五、材料性能的四个方面,宏观表征：表征材料性能的参数，如强度、硬度,微观本质：材料的性能是材料内部结构因素在一定 外界作用下的综合反映,影响因素：内因（材料结构），外因（温度等）,性能测试：测试原

4、理、设备、方法,13,六、高分子材料性能学的主要内容,高分子材料的常规力学性能 （6课时） 高分子材料的高弹性与粘弹性 （5课时） 高分子材料的断裂 （5课时） 高分子材料的力学强度 （5课时） 高分子材料的疲劳性能 （3课时） 高分子材料的磨损性能 （3课时） 高分子材料的热、电、磁、光学性能 （15课时） 高分子材料的老化性能 （4课时）,14,七、本课程的主要学习任务,1.掌握高分子材料各种主要性能的宏观规律、物理本质和工程意义 2.了解影响高分子材料性能的主要因素 3.掌握改善或提高高分子材料性能指标主要途径 4.了解高分子材料性能测试的原理、方法及相关仪器设备 5.初步具备选用高分子

5、材料、开发新型高分子材料的必备基础知识与基本技能,15,八、本课程的学习方法,预备知识：材料力学、高分子材料科学基础、 高分子物理,学习方法：性能的基本概念物理本质 影响因素性能指标的工程意义 指标的测试与评价,理论联系实际、重视实验,16,八、参考书目,材料性能学王从曾主编，北京工业大学出版社，2001年 材料性能学张帆等主编，上海交通大学出版社，2009年 高分子物理何曼君等主编，复旦大学出版社，2001年 高分子物理金日光等主编，化学工业出版社，2007年 高聚物的力学性能何平笙编著，中国科学技术大学出版社，2008年 高分子材料强度及破坏行为傅政编，化学工业出版社，2005年 高分子材

6、料强度学朱锡熊等编，浙江大学出版社，1992 年 高分子概论代丽君等主编，化学工业出版社，2006年 高分子材料概论吴奇晔等编，机械工业出版社，2004年 近代高分子科学张邦华等编，化学工业出版社，2006年,17,第1章 高分子材料的常规力学性能,18,力学性能：高分子材料抵抗变形和断裂的能力,弹性:材料在外力作用下保持和恢复固有形状和尺寸的能力,塑性:是材料在外力作用下发生不可逆的永久变形的能力 强度:是材料对变形和断裂的抗力,寿命:是指材料在外力的长期或重复作用下抵抗损伤和失效 的能力,失效：材料在载荷与环境作用下服役，无法抵抗变形和断裂，失去其预定的效能而损坏。 常见的三大失效形式：磨

7、损、腐蚀、断裂,19,1.1 力学性能的基本指标,1.1.1 应力与应变,当材料受到外力作用，它所处的条件又不能产生惯性移动时，其几何形状和尺寸会发生变化，这种变化就称为应变，亦可称为形变。,定义单位面积上的附加内力为应力。,20,（1）简单拉伸,外力F是垂直于截面积的大小相等、方向相反并作用于同一直线上的两个力.,拉伸应变：,拉伸应力：,A0,l0,l,D l,A,F,F,21,真应力-真应变,真应力：,真应变:,证明？,22,（2）简单切变,材料受到的力F是与截面相平行、大小相等、方向相反的两个力。这时材料将发生偏斜，偏斜角的正切值定义为切应变,A0,F,F,23,（3）均匀压缩,材料受到

8、的是围压力（流体静压力）P。发生体积形变，体积由V0缩小至V。,压缩应变：,A0,24,1.1.2 弹性模量,单位应变所需应力的大小，是材料刚性的表征。模量的倒数称为柔量，是材料容易形变程度的一种表征。,拉伸模量（杨氏模量）E：,剪切模量（刚性模量）G：,压缩模量（本体模量）K：,25,泊松比,材料在拉伸时，不仅有轴向伸长，同时有横向收缩。横向应变对轴向应变之比称为泊松比，以 表示,可以证明没有体积变化时，0.5，橡胶拉伸时就是这种情况。其他材料拉伸时，0.5.,26,与E和G之间有如下关系式：E = 2G(1+ ) 因为0G，即拉伸比剪切困难. 这是因为在拉伸时高分子链要断键，需要较大的力；

9、剪切时是层间错动，较容易实现。,27,单轴取向高分子材料,2个杨氏模量： El为纵向杨氏模量 Et为横向杨氏模量 2个切变模量： Gtt为横向切变模量 Glt为纵向切变模量 1个本体模量K 2个泊松比： 对纵向力为Vtt 对横向力为Vtl,28,双轴取向高分子材料,5个独立的弹性模量： Ep为面向杨氏模量 Et为侧向杨氏模量 Gp为面向切变模量 Gt为侧向切变模量。 2个泊松比： 对面向力为Vpt 对侧向力为Vtp,29,1.2 高分子材料的分子运动和力学状态转变,1.2.1 高分子材料的分子运动特点,（1）运动单元和模式的多重性,（2）分子运动的时间依赖性,（3）分子运动的温度依赖性,30,

10、1.2.2 高分子材料的力学状态及转变,线型非晶态高聚物的形变-温度曲线,A,B,C,D,E,Tb,Tg,Tf,T/,形变%,A-玻璃态 B-过渡区 C-高弹态 D-过渡区 E-黏流态,Tb-脆化温度；Tg-玻璃化温度；Tf-黏流温度,31,线型非晶态高聚物的三种物理状态的对比,32,结晶态高聚物的形变-温度曲线,1,2,形变%,Tg,Tm,Tf,T/,1-相对分子质量较小 2-相对分子质量很大,Tg T Tm,高弹态,T Tf,粘流态,33,交联高聚物的温度-形变曲线,T,交联度增加,交联度较小时：有Tg ，根据环境温度高或低于Tg，可判断材料处于高弹态或玻璃态。,交联度大时：链段运动困难，

11、玻璃化转变难以发生，材料始终处于玻璃态,34,1.3 高分子材料的拉伸行为,哑铃状试件,L0=5.65A01/2 或11.3A0 1/2,35,y -屈服点,e-弹性极限点,冷拉,应变软化,应变硬化,e,b,y,e,b,y,p-比例极限,p,p,b -断裂点,p-比例极限,1.3.1 线型非晶态高聚物的应力-应变曲线,36,拉伸过程高分子链的三种运动情况： 弹性形变（开始e点） 强迫高弹形变 塑性变形,e,y（屈服点）,37,动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt,弹性变形与塑性变形,38,弹性变形,材料产生弹性变形的本质是构成材料的原子（离子）或分子自平衡位置产生可逆位移的反映。橡胶类材料

12、则是呈卷曲状的分子链在力的作用下通过链段运动沿受力方向产生的伸展。,材料在等温、等容条件下发生弹性回复的驱动力由内能变化和熵变两部分组成。,39,弹性变形的特点,1)可逆性：去掉外力后变形消失 弹性变形都是可逆变形 2).金属、陶瓷或结晶态高聚物：应力-应变线性 关系，弹性变形量都较小 3).橡胶态的高聚物：应力-应变不呈线性关系， 且变形量较大,40,弹性变形的力学性能指标,（1）弹性模量：是单位应变所需应力的大小，物理意义是产生100 %弹性变形所需的应力。,（2）比例极限p：是保持应力与应变成正比关系的最大应力，即在应力-应变曲线上刚开始偏离直线时的应力,（3）弹性极限e： 是材料发生可

13、逆的弹性变形的上限应力值，应力超过此值，则材料发生塑性变形 。,41,（4）弹性比功： 是材料开始塑性变形前单位体积所能吸收的弹性变形功，又称弹性比能或应变比能，用e表示，它在数值上等于应力-应变曲线弹性段以下所包围的面积,e,o,提高弹性比功的方法： 提高e 降低E（提高弹性极限应变e）,橡胶低E和高弹性应变高弹性 比功,42,非理想弹性,理想弹性行为：,（1）.应变-应力线性 （2）.应力和应变同相位 （3）.应变是应力的单值函数,高分子材料的非理想弹性行为：,滞弹性、粘弹性、内耗,43,（1）滞弹性 材料在快速加载或卸载后，随时间的延长 而产生的附加弹性应变的性能，又称弹性后效。,弹簧

14、薄膜传感器,动画引自九江学院杜大明材料科学基础ppt,非理想弹性变形,44,滞弹性示意图,A,B,a,b,c,e,d,O,H,正弹性后效 加载时应变落后于应力,反弹性后效 卸载时应变落后于应力,45,定义：材料在外力作用下弹性和粘性两种变形机理同时存在的一种力学行为,粘性：液体或溶体内质点间或流层间因相对运动而产生的内摩擦力以反抗相对运动的性质。,（2） 粘弹性,特征：应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过 一个驰豫过程，卸载不留残余变形；应力和应变的关系与 时间有关。,46,（3） 内耗,理想弹性行为,47,0,A,C,D,B,E,橡胶拉伸和回缩的应力-应变曲线,内耗也称为材料循环韧性，表

15、示材料在交变载荷下吸收不可逆变形供的能力，又称消振性,48,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。,49,高分子材料的塑性变形,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 的微纤维束的过程,50,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,银纹的产生,51,（1）屈服极限：材料的屈服极限定义为应力-应变曲线上屈服平台的应力,（

16、2）抗拉强度b ：是试样拉断前所承受的最大应力，即试样所能承受的最大载荷Fb与其原始截面积的比值,塑性变形的力学性能指标,52,（3）伸长率和断面收缩率,53,硬而脆 酚醛塑料,硬而强 硬PVC,强而韧 PC,软而韧 HPPE,软而弱 天然橡胶,1.3.2 几种典型的高聚物应力-应变曲线,弱而脆 低聚物,54,1.3.3 晶态高聚物的应力-应变曲线,第一阶段OY段：出现“细颈”。 第二阶段，细颈的发展阶段。 第三阶段（DB）：成颈变细的试样重新被均匀拉伸，直到断裂点B。,55,1.3.4 特殊的应力应变曲线,图1-16 SBS的应力-应变曲线 图1-17 硬弹性聚丙烯的应力-应变曲线,56,1

17、.3.5 影响拉伸行为的外部因素,1、温度的影响,1,2,3,4,5,6,7,8,9,非晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线,1，2-温度低于脆性温度，材料处于硬玻璃态，无强迫高弹性,3，4，5-温度处于脆性温度与玻璃化温度之间，为软玻璃态,6，7，8-温度处于玻璃化温度与黏流温度之间，为高弹态,9-温度处于黏流温度以上，为黏流态,57,1,2,3,4,5,6,7,晶态高聚物不同温度下的应力-应变曲线,1，2-温度低于脆性温度，拉伸行为类似弹性固体,3，4，5-温度介于脆性温度与玻璃温度之间，为软玻璃态,7-温度介于Tb与Tg之间，为软玻璃态，行为类似强迫高弹性,6-温度较高，低于熔点，拉伸行

18、为类似非晶态橡胶,58,图1-19 断裂强度和屈服强度随温度的变化趋势 虚线高拉伸速率 实线低拉伸速率,材料的拉伸断裂强度 和屈服强度 随环境温度而发生变化，屈服强度受温度变化的影响更大些。,在温度升高过程中，材料发生脆-韧转变。两曲线交点对应的温度称脆-韧转变温度 。,T Tb， ，受外力作用时，材料未屈服前先已断裂，呈脆性断裂特征。,T Tb， ，受外力作用时，材料先屈服，出现细颈和很大变形后才断裂，呈韧性断裂特征。,59,2、拉伸速率的影响,减慢拉伸速率与升高环境温度对材料拉伸行为有相似的影响，这是时-温等效原理在高分子力学行为中的体现。,与脆-韧转变温度相似，根据图中两曲线交点，可以定

19、义脆-韧转变（拉伸）速率 。拉伸速率高于 时，材料呈脆性断裂特征；低于 时，呈韧性断裂特征。,60,3、环境压力的影响,图1-21 聚苯乙烯的应力-应变曲线 随环境压力的变化（T=31）,右图可见，PS在低环境压力 （常压）下呈脆性断裂特点， 强度与断裂伸长率都很低。随 着环境压力升高，材料强度增 高，伸长率变大，出现典型屈 服现象，材料发生脆-韧转变。,对许多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韧转变行为还与环境压力有关。,61,材料增韧改性并非一定要以牺牲强度为代价。设计恰当的方法，就有可能在增韧的同时，保持或提高材料的强度，实现既增韧又增强。,两种脆-韧转变方式,升高温度使材料变韧，但

20、其拉伸强度明显下降。 升高环境压力则在使材料变韧的同时，强度也得到提高，材料变得强而韧。,62,1.4 高分子材料的屈服与银纹化,1.4.1 高聚物的屈服行为,脆性断裂时，试样没有明显的变化，断裂面一般与拉伸方向垂直（图a），断裂面很光洁； 韧性破坏过程中，当拉伸至屈服点时，试样常出现与拉伸方向呈约45角倾斜的剪切滑移变形带,63,Considere法确定屈服点,（1）拉伸形变中的屈服,64,（2）压缩形变中的屈服点,非晶高聚物压缩变形中的屈服点的确定： 真应力应变曲线的极大点或应力开始变平坦的点可做为屈服点。 在真应力应变曲线中直线段部分发生偏折的点可做为屈服点。 结晶高聚物压缩变形中的屈服

21、点的确定： 由真应力应变曲线的斜率发生急剧变化的点确定，或者沿应力应变曲线的起始部分和最终部分作二条切线的交点确定。,65,1.4.2 高聚物屈服点的特征,（1）屈服应变大,（2）屈服后出现应变软化,（3）屈服应力随应变速率的增大而增大,图1-26 PMMA的压缩屈服应力与应变速率的关系 图1-27 PMMA拉伸屈服应力与应变速率的关系,66,（4）屈服应力的温度依赖性强,图1-28 PMMA屈服应力与温度的关系,67,（5）屈服应力随流体静压力的增加而迅速提高,图1-29 压力下PE的应力-应变曲线,68,（6）屈服应力对高聚物材料的淬火处理很敏感,（7）高聚物屈服时体积略有缩小，试验表明非

22、晶态高聚物的屈服无论在拉伸或压缩试验时，都使材料的密度增加约0.25%。,（8）压缩屈服应力比拉伸屈服应力大，高分子材料的压缩屈服应力大于拉伸屈服应力的现象叫做鲍辛格（Bauschinger）效应,69,1.4.3 屈服行为的理论解析,（1）Tresca屈服判据,对于单轴拉伸，,屈服判据是,70,（2）Von Mises屈服判据,对简单拉伸试验，发生屈服时的屈服应力为,拉伸中发生屈服时各正应力的均方根为,其正应力为,屈服判据式为,71,（3）Coulomb屈服判据,发生屈服的平面上的临界剪切应力（）与该平面上的正应力（n）呈一定的线性关系,72,1.4.4 应变软化现象,应变软化现象是指在高分

23、子材料屈服以后，为使材料继续形变的真应力就有一个不大的下跌 ，相应于应力-应变曲线中的YC段 。,a.聚甲基丙烯酸甲酯；b.聚碳酸酯； c.聚苯乙烯；d.聚氯乙烯 图1-34 四种高聚物的压缩应力-应变曲线,73,1.4.5 冷拉和成颈,图1-35 高聚物冷拉过程中的应力-应变曲线及试样形状变化,玻璃态高聚物在TbTg之间 部分结晶高聚物在TbTm之间,74,1、玻璃态高聚物的强迫高弹形变,聚甲基丙烯酸甲酯的应力-应变 曲线随环境温度的变化（常压下）,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

24、 = 80，60的情形），这种变形称强迫高弹形变。,75,（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。,（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。,（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。,玻璃态高聚物强迫高弹形变的特点,76,越大， 越小，应力降低了链段运动活化能。当应力增加致使链段运动松弛时间减小到与外力作用时间同一数量级时，就可能

25、产生强迫高弹变形。,（4）链段松弛时间 与外应力 之间有如下关系：,77,强迫高弹形变是产生在Tg与Tb之间的，而Tb则是塑料使用的最低温度 刚性高分子，Tb远离Tg 柔性很大的橡胶，Tb值非常接近Tg值 高聚物分子量的影响 拉伸速度的影响,强迫高弹形变和Tb的影响因素,78,2、结晶态高聚物的“冷拉伸”,结晶聚合物也能产生强迫高弹变形，这种在较低的温度下出现细颈的不均匀拉伸形变称“冷拉伸”。,影响冷拉伸的因素: 当温度过低、拉伸速率过快，产生断裂； 当温度过高、分子量过低，拉伸时产生流动断裂,冷拉伸的应用:塑料薄膜;纤维丝;中空制品,实现强迫高弹形变和冷拉伸需要的条件: （1）材料有由屈服点

26、表现出来的软化作用 （2）有应力硬化过程,79,（a）冷拉前；（b）晶片滑移与分子链伸展；（c）晶片倾斜与转动；（d）晶片分段与滑移；（e）晶片和分子链高度取向形成颈缩 图1-36 部分结晶高聚物冷拉中球晶内部晶区与非晶区取向过程示意,80,成颈的Considere作图判据,0 1 2 3,0 1 2 3,由 = 0 无法作切线，不能成颈,由 = 0 可作两条切线，有两个点满足屈服条件，A点时屈服点，B点开始冷拉,由 = 0 可作一条切线，曲线上有一个点满足 ，此点为屈服点，在此点高聚物成颈,81,结晶聚合物与非晶聚合物拉伸行为的比较 （1）拉伸产生的高弹性变机理 非晶聚合物：分子链及链段的缠

27、结解开，沿外力方向取向。 结晶聚合物：非晶区的链段取向，晶区晶体的滑移和破碎， 新晶体的产生并沿拉什方向取向，裂纹的形成。 （2）拉伸产生的高弹性变对材料的力学性能和热性能的差异 非晶聚合物：受迫高弹态产生在Tg以下温度， 拉伸取向后强度较低， 取向后热稳定性差，解取向容易。 结晶聚合物：受迫高弹态产生在Tg以上温度。 拉伸取向后强度较高， 取向后热稳定性好，解取向难。,82,1.4.6 高聚物大变形的热效应,83,1.4.7 取向硬化,表1-4 不同高聚物的细颈应变,0 1 2 3,A,B,84,1.4.8 剪切带和银纹化,在单向拉伸到屈服点时出现与 拉伸方向成450的剪切带,85,银纹,银

28、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,（a）有序银纹 （b）无序银纹,86,图1-44 银纹的结构示意,图1-45 银纹内自尖至底几个部位的结构示意图,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的,银纹的内部结构,87,银纹产生的原因： 高聚物受到张应力作用时，在材料某些薄弱环节上应力集中，而产生局部塑性形变，而在材料表面或内部出现垂直于应力方向的微细凹槽或“裂纹”的现象 环境因素也会促进银纹产生，化学物质扩散到高聚物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分子链段的活动性，玻璃化温度下降促进银纹产生，另外，试样表面的缺陷和擦伤处也易产生银纹，或起始于试

29、样内部空穴或夹杂物的边界处，这些缺陷造成应力集中，有利于银纹产生,88,银纹的扩展,中间分子链断裂,扩展,形成裂纹,89,银纹对断裂的影响,裂缝从某个银纹中发展，该银纹称主银纹 裂缝增长前锋发生大量银纹，称次级银纹 分子量越高，引发的银纹越多,裂缝,银纹,90,银纹和剪切带均有分子链取向，吸收能量，呈现屈服现象,一般情况下，材料既有银纹屈服又有剪切屈服,91,塑性形变性质(剪切屈服与银纹化)的区分,聚丙烯：曲线几乎为零，纯粹剪切屈服 ASA：斜率为1，100%银纹化,同步测量样品的伸长与体积，以体积变化分数对伸长率作图,0.04 0.03 0.02 0.01 0.00,V/V,0.00 0.0

30、1 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06,PP,ASA,92,应力发白 现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受到破坏时，其应力面变成乳白色，这就是所谓应力发白现象。 应力发白和银纹化之间的差别 在于银纹带的大小和多少， 应力发白是由大量尺寸非 常小的银纹聚集而成。,ABS的应力发白,93,1.5 其他静载荷下的力学试验及性能,1.5.1 应力状态软性系数,正应力导致脆性断裂； max 切应力导致塑性变形和韧性断裂； max,94,表示材料塑性变形的难易程度 大， max大，易塑性变形 小， 应力状态硬，易脆性断裂,单向拉伸，2=3=0，=0.5,应力状态软性系数,95,不同加载

31、条件下的应力状态软性系数,96,三、压缩及其性能指标,试样通常为圆柱形,长径比一般为1.0 2.0之间,塑性材料,脆性材料,97,98,规定非比例压缩应力,抗压强度,相对压缩率,相对断面扩展率,1-塑性材料；2-脆性材料,99,压缩试验的特点及应用,（1）单向压缩用于脆性材料，显示其在静拉伸所 不能反映的韧性状态下的性能 （2）塑性材料一般不采用压缩 （3）多向不等压缩适用于脆性更大的材料，反映 材料的微小塑性差异。,100,二、弯曲及其性能指标,加载方式：三点弯曲加载和四点弯曲加载。,(1)弯曲试验： 圆柱试样或方形试祥； 万能试验机；,101,三点弯曲,四点弯曲,102,(2)载荷P与试样

32、最大挠度fmax弯曲图,受拉一侧表面的 最大正应力： max=Mmax /W,抗弯强度： bb= Mb /W,（a）高塑性；（b）中等塑性；（c）脆性,103,(1)常用于测定那些由于太硬难于加工成拉伸试样 的脆性材料的断裂强度，并能显示出它们的塑性 差别。 (2)用来比较和评定材料表面处理层的质量 (3)弯曲不能使塑性材料断裂,弯曲试验的特点及应用,104,1、扭转试验测定的力学性能指标 (1)试验过程： 圆柱形试样；,三、扭转及其性能指标,105,试样扭转变形示意图,106,107,试样表面的应力状态,与轴线呈45 方向上承受max 与轴线平行或垂直方向上承受max 弹性变形：切应力和切应

33、变沿半径方向线性分布 弹塑性变形：切应变线性关系； 切应力非线性变化,108,(2)扭转图：,M,规定非比例扭转应力P， P=MP/W,扭转屈服强度s为： s= Ms/W,扭转强度极限b为： b = Mb/W,N,109,真实扭转强度极限f,完全理想塑性条件下,110,剪切弹性模量G,扭转相对残余切应变,111,3.扭转试验特点及应用,(1) 测定在拉伸时呈现脆性的材料的强度和塑性。 (2) 对各种表面强化工艺进行研究和对机件的热处理 表面质量进行检验。 (3) 精确评定拉伸时出现颈缩的高塑性材料 的形变能力和形变抗力。 (4)测定材料的切断强度的最可靠方法。,112,(5)根据断口特征区分断

34、裂方式是正断还是切断。,（a）切断断口；（b）正断断口；（c）木纹状断口,113,2.4 硬 度,一、硬度试验的意义,硬度是衡量材料软硬程度的一种力学性能,特点：,(1)2，maxmax。 几乎所有材料都会产生塑性变形。 (2)设备简单，操作方便快捷，故被广泛应用。 (3)可视为无损检测。,114,115,二、 硬度试验方法,1布氏硬度,淬火钢球或硬质合金球D(mm)压入试样表面,测量圆形压痕d, 圆形压痕表面积S,Brinell,1900年,116,(1)布氏硬度HB：,淬火钢球： HBS450 硬质合金球：HBW=450650。,117,(2)HB表示方法： 数字 + 硬度符号 + 数字

35、/ 数字 / 数字 硬度值 (HBW或HBS) 钢球直径 载荷 定时 280 HBS10/3000/30； 50 HBW5/750。,118,(3)压痕几何相似原理,两个条件： 1.为常数；2.F/D2为常数,=2874o d=（0.240.6）D,119,优点： 压痕面积大 反映较大区域内各组成相的平均 性能； 适合灰铸铁、轴承合金等测量。 压痕面积较大 试验数据稳定，重复性高。 缺点： 压痕直径大 不宜在成品件上直接进行检验； 硬度不同 更换压头直径D和载荷F ； 压痕直径的测量也比较麻烦。,(4)布氏硬度的优缺点：,120,2洛氏硬度,（1）测量原理 测量压痕深度值的大小,金刚石压头k=

36、0.2 淬火钢球k=0.26,Rockwell, 1919年,121,洛氏硬度计,HRA HRB HRC,122,适用于： 测定极薄工件； 经各种表面处理后工件的表面层硬度。,(2)表面洛氏硬度：,与洛氏硬度区别：,预加载荷为30N，总载荷比较小 取残余压痕深度为0.1mm时的洛氏硬度为零， 深度每增加0.001mm，表面洛氏硬度减小一单位,123,（3）洛氏硬度的优缺点,优点 简便迅速，效率高 对试样表面造成损伤小，可用于成品零件检测 有预加载荷，可消除表面轻微的不平度对试验 结果的影响,缺点 不同标尺的硬度值无法相互比较 压痕小，对材料组织不均匀性很敏感，重复性差,124,3维氏硬度与显微

37、硬度,（1）测量原理： 单位压痕表面积上所承受的压力,1925年由R.Smith和G.Sandland提出的，在Vickers厂最早使用而得名,125,(2)表示方法： 数字 + 硬度符号 + 数字 / 数字 硬度值 (HV) 载荷 定时 640HV30/20； 50 HV5。,126,（3）显微硬度,维氏显微硬度和努氏显微硬度,测定各种组成相的硬度以及研究金属化学成分、 组织状态与性能的关系,127,(4)优缺点：,优点： 采用对角线长度计量，精确可靠 可以任意选择载荷 比洛氏硬度所测试件更薄，测表面硬化层和仪表零件的硬度,缺点： 测定方法较麻烦，工作效率低，压痕面积小， 代表性差，不宜用于

38、成批生产的常规检验。,128,5. 努氏硬度试验：,一种显微硬度试验方法,与维氏显微硬度区别： 1.压头形状不同 2.硬度值为试验力除以压痕投影面积,Knoop,129,压痕细长，且只测量长对角线长度，精确度较高。 适于测定表面渗层、镀层及淬硬层的硬度，可以 测定渗层截面上的硬度分布等。,130,一定质量的带有金刚石或合金钢球的重锤从一定高度落向试样表面，根据重锤回跳的高度来表征材料硬度值大小。（KS）,6.肖氏硬度试验,优缺点： 一般为手提式，使用方便，便于携带可测现场大型工件的硬度 其缺点是试验结果的准确性受人为因素影响较大，测量精度较低,Shore,131,7.莫氏硬度,132,1.6.6 常用高分子材料的硬度,