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2018年9月复旦大学材料科学系2第八章固体材料的性能8.1材料的性能8.2金属材料的性能8.3高分子材料的性能8.4陶瓷材料的性能2018年9月复旦大学材料科学系●当材料被加工成制品时，必须考虑二大性能：使用性能和工艺性能。同时还要考虑性价比。（1）使用性能(serviceperformance)力学、物理、化学等性能。（2）工艺性能(processproperty)加工工艺、连接工艺等性能。例如，1）金属的变形加工、热处理、焊接等；2）陶瓷的制粉、烧结、煅烧、粘接等；3）高分子的流变、注射、挤出、热熔合等。这些性能不仅影响结构件的制造成本，而且影响使用的安全性。8.1材料性能(propertyofmaterial)2018年9月复旦大学材料科学系4力学性能有时也称机械性能，是材料在载荷和环境因素（温度、介质）作用下抵抗变形和断裂的能力，主要包括强度、刚度、硬度、韧度（韧性），以及塑性、疲劳、断裂等性能。实验室里通过模拟构件的使用条件，确定其承载能力和失效形式。通过试验,测定材料的力学性能，确定性能指标。力学性能指标(mechancialperformanceindex)是材料在设计、选用、质量和安全评价时的重要依据。8.2金属材料的性能8.2.1力学性能(mechanicalproperty)材料的变形（deformation）和断裂（fracture）通常与五种外力(F)的作用方式有关，见图8-1。图8-1外力的作用方式2018年9月复旦大学材料科学系图8-2力学性能指标2018年9月复旦大学材料科学系材料的力学性能指标如图8-2所示。力学性能指标弹性变形静态强度塑性硬度高温强度动态强度断裂韧性弹性模量E,G刚度强度σs，σb延伸率δ断面收缩率ψ布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV显微硬度HV0.05蠕变应力σc疲劳极限σr，σ-1疲劳裂纹扩展速率da/dN冲击韧性αk含裂纹断裂韧性KⅠ，KⅡ，KⅢδi,θi,φi在拉伸试验图中，横坐标、纵坐标分别表示材料的应力σ(stress）与应变ε(strain)。拉伸曲线称为材料的应力应变曲线，见图8-3。（a）应力应变曲线（b）拉伸试验装置图8-3碳钢的拉伸应力应变曲线8.2.1.1材料的拉伸变形2018年9月●材料在外力(F)作用下发生形状尺寸的变化叫变形。外力去处后能恢复的变形叫弹性变形。外力去处后不能恢复的变形叫塑性变形。。●如图8-4所示，拉伸曲线的特征线和特征点主要有：OeA线:弹性变形阶段AC线:屈服变形阶段CB线:塑性变形阶段Bk线：失稳断裂阶段e点：弹性应力点A点：屈服应力最大点C点：屈服变形结束点B点：最大应力点k点:断裂点图8-4拉伸曲线的特点2018年9月通过拉伸试验，可以测得材料的五种基本性能：弹性模量:E=σ/ε（Young’smodulus/MPa）ε=σ/E（Hooke’slaw/%）屈服强度:σs=σ0.2=F/A0（MPa）抗拉强度：σb=F/A0（MPa）(8-1)延伸率：δ=∆L/L0（%）（∆L=L-L0）断面收缩率：ψ=∆A/A0（%）（∆A=A0-A）其中,L0、A0分别表示试样变形前的标距长度和横截面积；L、A分别表示试样变形后的标距长度和横截面积。2018年9月当受到剪力(S)作用时，材料的剪应力τ(shearstress)与剪应变γ(shearstrain）有如下关系：τ=S/A（MPa）γ=τ/G（%）=tanθ＝a/h(8-2)G＝E/2(1+ν)（MPa）其中,G为剪切模量，θ为剪切角，h为剪切高度，ν为材料泊松系数ν=∆d/∆L。图8-5材料的剪切变形8.2.1.2材料的剪切变形2018年9月不同的材料有不同的应力应变曲线，见图8-6。图8-6不同材料的拉伸曲线8.2.1.3典型材料的应力应变曲线2018年9月1.强度准则（strengthcriterion）●强度是材料在外力作用下抵抗塑性变形及断裂的能力。当作用在构件上的应力小于或等于许用应力[σ]时,材料的使用状态是安全的，否则是不安全的。●强度设计准则:σ≤[σ](8-3)σs/ns[σ]≤σb/nb其中，[σ]是取二者中的最小者；ns、nb分别是设计时材料的屈服强度σs和抗拉强度σb的安全系数；当材料是碳钢时，它们一般取1.6和3。2018年9月8.2.1.4材料的安全设计准则刚度准则的表达式是：δi≤[δi]θi≤[θi]（8-4）φi≤[φi]式中，i=x,y,z；δi,θi,φi分别是构件的挠度、转角和扭角；[δi]、[θi]、[φi]分别是相应变量下除以各自的安全系数下所允许的挠度、转角和扭角。2018年9月2.刚度准则（stiffnesscriterion）●刚度是材料在外力作用下抵抗弹性变形的能力。刚度准则要求构件在外力作用下的弹性变形不超过允许的最大变形，否则构件是不稳定的。材料发生断裂时，其断口形貌与其表面变形有关，通常分为二类：脆性断裂和韧性断裂。1.脆性断裂（brittlefracture）脆性断口是断裂前几乎没有塑性变形，宏观形貌上是齐平式形貌，微观上是解理形态。（a）宏观形态（b）解理形态图8-7脆性断口8.2.1.5断口（fractography）2018年9月2.韧性断裂（ductilefracture）韧性断口有明显的塑性变形，断裂前有预兆，宏观上呈现杯锥形形貌，微观上是韧窝形态。（a）宏观形态（b）微观韧窝形态图8-8韧性断口2018年9月●硬度是材料在外力作用下抵抗表面局部变形的能力。硬度与材料的抗拉强度、弹性模量及抗压强度有一定的关联性，对材料加工和抗磨损性都有重要影响。常用的硬度测试法有：压痕法、回跳法和刻痕法。1.布氏硬度HB（Brinellhardness）布氏硬度是用一定载荷（P）将淬火钢球压头压入被测的材料表面，保持一定时间后卸载，根据压入直径d的压痕表面积A（图8-9）计算而得到。其公式为:HB=P/A=2P/πD(D-(D2-d2)1/2)（MPa）(8-5)8.2.1.6硬度（hardness）2018年9月HB主要用于退火状态下的钢铁、铸铁、有色金属及一些特殊非金属材料，适用于HB450MPa的金属材料。(a)压头压痕（b）布氏硬度仪图8-9布氏硬度测定2018年9月●布氏硬度HB与不同材料的抗拉强度b之间存在以下经验估算式：低碳钢:b≈3.6HB高碳钢：b≈3.4HB)(8-6)灰铸铁：b≈1.0HB或b≈0.6(HB-40)比如，布氏硬度一般记为200HB10/1000/30。它表示一个直径为10mm的钢球、在1000kgf作用下压入表面后保持30s后测得的硬度为200MPa。2018年9月2.洛氏硬度HR（Rockwellhardness）洛氏硬度是用规定的压力将圆锥体金刚石压头压入材料表面，通过测量压痕深度h并查表而换算求得(图8-10)，一般规定每0.002mm为一个单位洛氏硬度。HR=h/0.002(8-7)(a)压头压痕（b）洛氏硬度仪图8-10洛氏硬度测定2018年9月根据压头和载荷的大小，洛氏硬度分别有HRC、HRB、HRA三种类型(表8-1)。洛氏硬度可以直读，操作方便，适用广泛，可测量低硬度和高硬度的金属材料。但洛氏硬度载荷大，标尺不统一，不适用于测定硬而脆的薄层。薄层材料一般采用维氏硬度来测定。K0.20.260.2表8-1三种类型的洛氏硬度及应用2018年9月3.维氏硬度HV（Vickershardness）维氏硬度是用两个对面体夹角均为136°的四面体菱形金刚石压头测定。它是通过测量压头压入部分的对角线长度d(图8-11)来计算：HV＝1.8544P/d2（MPa）(8-8)（a）压头压痕（b）压痕形状（c）维氏硬度仪图8-11维氏硬度的测定2018年9月布氏、洛氏、维氏三种硬度的测定法，压头载荷大、面积大，适用于各种金属材料的硬度的测定。由于压头载荷大、面积大，一般只能测定金属材料的表面硬度，不适合测定局部区域的材料显微硬度，比如薄模、偏析、微相、扩散深度等。因此，需要一种可以精细测定小范围区域内材料硬度的测定方法。2018年9月4.小载荷显微硬度（smallloadingmicro-hardness）（1）显微硬度显微硬度是一种特殊的维氏硬度。它是通过施加小载荷测定微区的表面硬度，主要测量陶瓷、合金钢中某相的微区硬度，如图8-12所示。显微硬度的压头形状与维氏硬度一样，只是面积小、载荷小，载荷小到几十克到几百克。例如，50g、100g、200g等。其压痕长度以微米表示，计算公式为：HVP＝1854.4P/d2（MPa）(8-9)式中，P是克(g)、d是微米(μm)。2018年9月（a）显微硬度压痕（b）显微硬度仪图8-12合金相的显微硬度测定例如，HV50＝900表示外加力为50g的显微硬度值为900MPa或表示为900HV0.05。2018年9月由于显微硬度压痕小，故被测材料要做成金相试样。它适用于金属、陶瓷的表面硬度测定。常用陶瓷材料的显微硬度值如表8-2所示。表8-2常见陶瓷材料的显微硬度与熔点2018年9月（2）努氏硬度（Knoop’shardness）*努氏硬度是从显微硬度发展而来。它的压头形状是由金刚石材料制成的长棱形体，两个长棱夹角为172.5°、两个短棱夹角为130°及长短对角线长度之比为L/W为7.11倍。其计算为:HK＝1.451P/L2（MPa）(8-10)式中，K为Knoop的缩写,L为压痕的对角线长度(μm)，P为载荷（N），其值在0.4903-19.61N之间。努氏硬度精度高，适用于无机材料，尤其是先进陶瓷材料，硬度测量比维氏硬度更为精确，样品的表面光清洁度要求更高。2018年9月（3）邵氏硬度（Shorehardness）使用硬度计，在规定的试验条件下用标准弹簧压力将硬度计上的压针压入试样，用压入的深度转换为硬度，通过硬度计直接读出邵氏硬度HS。HS分为邵氏A和邵氏D。邵氏A适用于软塑料。例如，对于橡胶、泡沫塑料等；邵氏D则适合于硬塑料。2018年9月（4）肖氏硬度（Shorescleroscopehardness）*肖氏硬度又叫回跳硬度，是动载试验法。其原理是将一定重量的具有金刚石圆头或钢球的标准冲头从一定高度h。自由落体到试件表面，然后由于试件的弹性变形使冲头回跳到某一高度h，用这两个高度的比值来计算肖氏硬度值KS。肖氏硬度无量纲，冲头回跳高度越高，则试样的硬度越高。2018年9月（5）莫氏硬度（Mohshardness）●陶瓷及矿物材料常用划痕硬度来比较，即莫氏硬度。莫氏硬度是从小到大排序，如1、2、3…，表示材料之间的相对坚硬程度，数值大的可以划破数值小的。莫氏硬度以前分为10级、1级最小，10级最硬。相应的排序为：1.滑石，2.石膏，3.方解石，4.萤石，5.磷灰石，6.正长石，7.石英，8.黄玉，9.刚玉，10.金刚石。后来出现了一些人工合成的高硬度陶瓷材料，莫氏硬度等级范围被扩大，现分为15级。2018年9月有些金属构件是在动态载荷下工作，比如锻锤、冲头等，故需要用冲击韧性评定材料抵抗冲击的能力。而高分子材料在使用中会出现老化、性能变脆等现象，也需要用冲击韧性来评定。●冲击韧性是指材料在冲击力作用下吸收一定的能量和形变而不被破坏的能力(J/m2)。冲击韧性αk是含缺口材料在冲击力作用下单位横截面上吸收功的大小(J/m2)。它是通过摆锤冲击试验而获得，如图8-13所示。金属材料的冲击韧性一般高于100kJ/m2。8.2.1.7冲击韧性(impacttoughness）2018年9月图8-13Charpy冲击试验示意图2018年9月图8-14冲击断口形貌(a)脆性断口（b）韧性断口材料是脆性还是韧性，从冲击断口形貌上可辨别，如图8-14所示。2018年9月标准冲击试样的缺口形式有两种：夏氏试样（V形，见图8-13）和梅氏试样（U形）。夏氏试样适用于脆性材料，梅氏试样适用于韧性材料。高分子材料是用伊佐德(Izod)冲击试样进行测试，冲击试样是悬臂梁结构。材料的αk值随温度下降而下降，在某一温度下会发生急剧降低，