第四章第一讲材料科学与工程基础(顾宜

第四章 材料的性能 materials property性能决定用途。 本章对材料的力学性能、热性能、 电学、磁学、光学性能以及耐腐蚀 性，复合材料及纳米材料的性能进 行阐述。

4-1 固体材料的力学性能 Mechanical Properties of Solid Materials结构件：力学性能为主 非结构件：力学性能为 辅，但必不可少

mechanical property of materials stress and strain Elastic deformation Modulus Viscoelasticity permanent deformation Strength Fracture

4-1-1 材料的力学状态mechanical states of matrials 1.金属的力学状态A 晶态结构， B 较高的弹性模量 和强度， C 受力开始为弹性 形变，接着一段 塑性形变，然后 断裂， 总变形能很大， D 具有较高的熔点。

某些金属合金 A 呈非晶态合金， B 具有很高的硬度和强度， C 延伸率很低而并不脆。 D 温度升高到玻璃化转变温度以上，粘度明显降低， 发生晶化而失去非晶态结构。

2. 无机非金属的力学状态A 玻璃相熔点低，热稳定性差，强度低。B 气相(气孔)的存在导致陶瓷的弹性模量和机械强度降低。 C 陶瓷材料也存在玻璃化转变温度Tg。 D 绝大多数无机材料在弹性变形后立即发生脆性断 裂，总弹性应变能很小。

陶瓷材料的力学特征高模量 高强度 高硬度 低延伸率

3. 聚合物的力学状态 (1) 非晶态聚合物的三种力学状态

①玻璃态 ②高弹态 ③粘流态

(2) 结晶聚合物的力学状态A 结晶聚合物常存 在一定 的非晶部分，也有玻璃化转变 。 B 在T g 以上模量下降不大

Tm、 Tf

C 在T m 以上模量迅速下降D 聚合物分子量很大，T m <

T f ,则在T m 与T f 之间将出现 高弹态。E 分子量较低，T m > T f , 则熔融之后即转变成粘流态，

玻璃化温度(Tg)是非晶态塑料使用的上限温度 是橡胶使用的下限温度 熔点(Tm)是结晶聚合物使用的上限温度

4-1-2 应力和应变 stress-strain If a load is static or changes relatively slowly with a time and is applied uniformly over a cross section or surface of a member, the mechanical behavior may be ascertained by a simple stress-strain test. These are mostly commonly conducted for materials at room temperature.

4-1-2 应力和应变 (stress and strain)应力：单位面积上的内力，其值与外加的力相等。 名义应力：面积为材料受力前的初始面积的应力。 真实应力：面积为受力后的真实面积的应力。 应变：受到外力不惯性移动时，几何形状和尺寸的变化。

1. 材料的应变方式各向同性材料，三种基本类型： 简单拉伸

简单剪切均匀压缩 还有扭转和弯曲形变。

tension shear compression

(1)简单拉伸(tensile)

= ( l – l 0) / l 0 = l/ l 0 =F / S 0

F垂直于截面、大小相等、方向相反并作用于同一直线上

Tension is one of

the most common mechanical stress-strain test. the tension test can be used to ascertain several mechanical properties of materials that is very important in design.

A standard tensile specimen

(2)简单剪切(shear)切应变 = l / l 剪切力 s= F / S 0

F与截面平行、大小相等，方向相反且不在同一直线上的两个力

(3)均匀压缩(compress)Compression stress-stain tests may be conducted when in-service forces are of this type. A com-pression test is conducted in a manner similar to the tension test, except that the force is compressive and the specimen contrasts along the direction of the stress.

压缩应变 V

F:周围压力p V = ( V0 - V ) / V0 = V/ V0

(4)扭转 Torsional deformation切应力 切应变 =M / W

实心 W= .d 0 3/16 空心 W= .d 0 3(1- d 1 4 /d 0 4)/16

=tg = d 0 / (2l 0 ) 100%

(5)弯曲 Flexural deformation

弯矩 M 最大扰度 max

2. 应力—应变曲线类型常用的试验方法： A .以匀速拉伸试样，用测力装置测量F 伸长计同时测量 l。 B .采用适当的坐标转换因子

曲线(F— l)转换为 应力—应变曲线 ( — ) = F / S 0和 = l / l 0

拉伸应力—应变曲线( — )五种类型纯弹性型 弹性-均匀塑性型

弹性-不均匀塑性型

弹性-不均匀塑性-均匀塑性型 弹性-不均匀塑性(屈服平台)-均匀塑性型