材料科学与工程基础课件：Chapter-09.ppt

1、力学性能力学性能 James P. SchafferJames P. SchafferThe Science and Design of Engineering Materials(Second Edition)材料科学与工程导论讲义9.1 9.1 引言引言 力学性能描述的是材料承受力作用时表现出来的行为。力学性能描述的是材料承受力作用时表现出来的行为。材料科学与工程导论讲义9.2 9.2 工程材料的变形与断裂工程材料的变形与断裂9.2.1 9.2.1 弹性变形弹性变形材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义9.2.2 9.2.2 聚合物的变形聚合物的变形聚合物的变形与聚合物的变形与T T

2、g g有关有关当温度低于当温度低于 T Tg g 应力应力- -应变关系曲线与金属和陶瓷的类似应变关系曲线与金属和陶瓷的类似当温度高于当温度高于T Tg g 滞弹性滞弹性材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义弹性模量（更普遍，复数）弹性模量（更普遍，复数）实部实部虚部：弹性模量损失虚部：弹性模量损失 用于描述由于机械阻尼和黏滞过程导致能量损失的程度。用于描述由于机械阻尼和黏滞过程导致能量损失的程度。*EEiEtan/EE材料科学与工程导论讲义9.2.3 9.2.3 塑性变形塑性变形材料科学与工程导论讲义应变硬化应变硬化 （1 1）金属）金属 位错与位错交互作用降低了位错的可移动性或者完全

3、阻止了位错与位错交互作用降低了位错的可移动性或者完全阻止了位错的运动。位错的运动。 （2 2）聚合物）聚合物 分子链沿应力的作用方向排列起来的结果。分子链沿应力的作用方向排列起来的结果。 （3 3）陶瓷）陶瓷 不存在塑性变形机制不存在塑性变形机制材料科学与工程导论讲义9.2.4 9.2.4 拉伸实验拉伸实验材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义真应力与真应变真应力与真应变材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义9.2.5 9.2.5 强化的机理强化的机理材料科学与工程导论讲义金属强化金属强化固溶强

4、化固溶强化 增加点缺陷增加点缺陷应变硬化或者冷作硬化应变硬化或者冷作硬化 线缺陷（位错）线缺陷（位错）晶粒细化晶粒细化 面缺陷面缺陷第二相强化第二相强化 体缺陷体缺陷材料科学与工程导论讲义陶瓷陶瓷 重点是提高韧性而不是提高其强度重点是提高韧性而不是提高其强度聚合物聚合物 抑制分子链的相对运动：抑制分子链的相对运动： 增长分子链（包括形成交联）增长分子链（包括形成交联） 提高结晶度提高结晶度 材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义9.2.6 9.2.6 韧性断裂和脆性断裂韧性断裂和脆性断裂 断裂之前发生大量塑性变形的材料是韧性材料断裂之前发生大量塑性变形的材料是韧性材料 断裂之前发生少量塑

5、性变形的材料是脆性材料断裂之前发生少量塑性变形的材料是脆性材料 为什么金属通常比陶瓷有更好的延展性？为什么金属通常比陶瓷有更好的延展性？材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义9.2.7 9.2.7 硬度试验硬度试验硬度是衡量材料抵抗塑性变形能力的尺度。硬度是衡量材料抵抗塑性变形能力的尺度。 维氏硬度维氏硬度 布氏硬度布氏硬度 洛氏硬度洛氏硬度材料科学与工程导论讲义不同的硬度比较材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义纳米压痕技术 纳米压痕纳米压痕(Nanoindentation)(Nanoindentation)（又称深度敏感压痕（又称深度敏感压痕: Depth

6、 : Depth Sensing IndentationSensing Indentation）技术，是近几年发展起来的一种新技术。）技术，是近几年发展起来的一种新技术。它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下直它可以在不用分离薄膜与基底材料的情况下直 接得到薄膜材料接得到薄膜材料的许多力学性质。例如：弹性模量、硬度、屈服强度、加工硬的许多力学性质。例如：弹性模量、硬度、屈服强度、加工硬化指数等等。化指数等等。 在微电子科学，表面喷涂，磁记录以及薄膜等相在微电子科学，表面喷涂，磁记录以及薄膜等相关的材料科学领域得到越来越广泛的应用。关的材料科学领域得到越来越广泛的应用。 材料科学与工程导论讲义

7、传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力传统的压痕测量是将一特定形状和尺寸的压头在一垂直压力下将其压入试样，当压力撤除后通过测量压痕的断截面面积，下将其压入试样，当压力撤除后通过测量压痕的断截面面积，人们可以得到被测材料的硬度。人们可以得到被测材料的硬度。这种测量方法的缺点之一是仅这种测量方法的缺点之一是仅仅能够得到材料的塑性性质。另外一个缺点就是这种测量方法仅能够得到材料的塑性性质。另外一个缺点就是这种测量方法只能适用于较大尺寸的试样。只能适用于较大尺寸的试样。 随着现代微电子材料科学的发展，试样尺寸越来越小型化。随着现代微电子材料科学的发展，试样尺寸越来越小型化。传统的硬度测量

8、技术无法满足新材料研究的需要。此外，材料传统的硬度测量技术无法满足新材料研究的需要。此外，材料科学家们不仅要了解材料的塑性性质，而且需要掌握材料的弹科学家们不仅要了解材料的塑性性质，而且需要掌握材料的弹性性质。近几年发展起来的纳米压痕技术有效地满足了科学家性性质。近几年发展起来的纳米压痕技术有效地满足了科学家们的这一需要。们的这一需要。材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义9.2.8 摆锤冲击试验 一些材料在一个有限的温度范围内，发生断裂时吸收的能量一些材料在一个有限的温度范围内，发生断裂时吸收的能量会发生很大的变化，这个现象称为韧脆转变。会发生很大的变化，这个现象称为韧脆转变。 并不是

9、所有的材料都存在韧脆转变并不是所有的材料都存在韧脆转变 如晶态陶瓷、聚合物、复合材料、或者如晶态陶瓷、聚合物、复合材料、或者FCCFCC结构的金属通常观结构的金属通常观察不到这种转变。察不到这种转变。 某些晶态陶瓷也显现出韧脆转化现象，但是某些晶态陶瓷也显现出韧脆转化现象，但是转化温度比较高转化温度比较高 表现出明显的玻璃转化温度的材料，在表现出明显的玻璃转化温度的材料，在TTgT0.3T T0.3Tm m 关注蠕变关注蠕变 T0.5T T0.5Tm m 设计时主要考虑因素设计时主要考虑因素（1 1）Nabarro-HerringNabarro-Herring蠕变机制蠕变机制（2 2）Coble Coble 蠕变机制蠕变机制（3 3）位错攀移机制）位错攀移机制（4 4）晶粒边界滑移）晶粒边界滑移材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义蠕变是一种扩散控制的过程。蠕变是一种扩散控制的过程。Larsen-MillerLarsen-Miller参数参数P P，广泛用来建立某一个温度范围内的断，广泛用来建立某一个温度范围内的断裂时间数据与应力之间的函数关系。裂时间数据与应力之间的函数关系。材料科学与工程导论讲义材料科学与工程导论讲义