Transcript 曲線A: 脆性高分子ｏ

Mat. Sc #10
Chapter 7 Mechanical Properties (2)
第七章 機械性質 (2)
Material Sciences and Engineering
William D. Callister, Jr.
Shdai-071130
Mat. Sc #10
陶瓷的機械行為 (Mechanical Behavior of
Ceramics): 7.10 抗彎強度( Flexural Strength)
 陶瓷材料的機械性質皆低於金屬, 其主要的缺點是其僅能吸收極少的能量 (脆性高)ｏ
 陶瓷三個不宜作拉伸試驗的理由:
- 裝備試片困難
- 扣緊脆性材料而不破損困難
- 陶瓷僅有0.1% 之應變即損壞
 抗彎強度 (Flexural Strength):應用三點或四點負載枝巧, 將一圓形或短形橫截面的棒
狀試片, 彎曲直至損壞, 是較適用的橫向彎曲試驗ｏ
 試片的上表面負荷作用點是壓縮狀態, 下表面是拉伸ｏ
 應力的計算是應用試片厚度, 彎曲力短和橫截面的慣性短來求得ｏ
 最大的拉伸應力存在於作用點的試片底表面, 若陶瓷的拉伸強度是其壓縮強度之十分
之一,且破坯發生在試片之拉伸面, 則抗彎試驗可以敢代拉伸試驗ｏ
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7.10 抗彎強度( Flexural Strength)
 使用抗彎試驗在破斷時的應力稱為抗彎強度 (flexural strength)
 又可稱之謂斷裂模數, 破裂模數, 或彎曲模式, 是陶瓷材料之一重要机械參數ｏ
2
 矩形截面 σ = 3F x L / 2bd ;
圓形截面 σ = F x L / πR
3
 抗彎強度的大小比拉伸破坯强度來的大ｏ
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7.11 彈性行為 ( Elastic Behavior)
 陶瓷材料應用抗彎試驗的彈性應力-應
變行為與金属的拉伸試驗結果相似ｏ
 應力-應變間存在一線性關係, 彈性區
域的斜率是彈性模數ｏ
 陶瓷材科的彈性模數略高於金属ｏ
 由右圖可看出材料在實際塑性變形前
已破裂ｏ
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7.12 孔隙對陶瓷機械性質之影嚮
 陶瓷的某些粉末-熱壓製程, 常形成孔洞或空孔於粉末顆粒之間, 在而後熱處理, 雖
孔隙會減少或消除, 但時常孔隙仍会存在ｏ
 經測試發現, 陶瓷中彈性模數 E 的大小会因孔隙的体積分率 (p) 之增加而降低ｏ
2
 E = Eo ( 1 - 1.9 P + 0.9 P )
(Eo = 是無孔隙材料之彈性模式)
 孔隙之負面影响有二 : (1) 孔洞會降低負荷施加所能通過的橫截面面積 (2) 它們扮
演着應力集中者角色—對於孤立的圓孔洞, 其施加的拉伸力放大了兩倍ｏ
 實驗結果顯示, 抗彎強度隨孔隙體積分率 (P)成指數地降低ｏ
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高分子的機械性質
7.13 應力- 應變行為 ( Stress-Strain Behavior)
 高分子的机械性質使用與金属一樣的参數: 彈性模式, 降伏與拉伸強度ｏ
 大部的高分子具有對变形速率 (應變率), 温度, 化學環境相當敏感的機械性質ｏ
 修改部份用於金属測試枝巧與試市形狀是有必要的, 尤其是像高彈性的橡膠材料ｏ
 圖示三種高分子不同典型材料之應力-應變行為:
- 曲線A: 脆性高分子ｏ
- 曲線B: 塑性材料特性, 類似金属, 以彈性變形開始,
經降伏,塑性材料的特性ｏ
- 曲線C: 是完全的彈性變形, 類似橡膠之彈性體ｏ
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7.13 應力- 應變行為 ( Stress-Strain Behavior)
 高分子的彈性模數 (拉伸模數, 模數) 及延性伸長率: 以類金屬之測試法得之ｏ
 高分子的降伏強度: 可由應力-應變曲線的最大值, 此值剛好發生在超過線彈性結束
的區域. (σy) ｏ
 拉伸強度與破裂發生時的應力一致ｏ拉伸強度可能大於或小於降伏應力ｏ
 高分子在許多方面與金屬或陶瓷不相似: 如高彈性高分子之模數可能低於 7 MPa
(1000psi), 而一高堅硬之高子可能有高到4 GPa, 比金属還高ｏ
 金属的塑性伸長率很少高於100%, 但高彈性的高分子之伸長率能超越1000%.
 高分子的机械性對温度敏威度極大 (如右圖所示)ｏ
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7.14 巨觀變形 ( Macroscopic Deformation )
 半結晶高分子在巨觀變形中, 如圖所示在不同階段時的試片輪廓, 接近水平區域的
區域可看到上降伏及下降伏點ｏ
 在上降伏點, 試片在標距區形成小的頸縮, 在這頸縮之同時, 鏈變成有方向性, 可導
致局部強化, 隨後, 在此點存在繼續变形之阻力, 試片伸長的過程正比於標距長度的
頸縮區域, 鏈之方向性現象, 伴隨著頸縮伸長同時存在, 此現象與延性金属相反ｏ
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7.15 黏彈變形 ( Viscoelastic Deformation) (1):
 非晶貭高分子在低温時其行為像玻璃, 在中度温度時( Tg之上)為橡膠狀固体, 而於溫
度更高時, 呈黏性液体ｏ
 有低温時, 其機械性質是彈性的, 即遵循虎克定律, 而在高溫時黏性或類似液態行為
較佔优勢ｏ
 在中間温度時發現橡膠固体題示具有結合這兩種極端的情况之机械特性, 稱之謂黏
彈性 (viscoelasticity).
 彈性變形是瞬間的, 意卽應力的施加或釋放會瞬間造成總变形, 外在應力的釋放会使
變形完全回復- 試片回復其原始尺寸ｏ
(a) 負載對時間圖
(b) 完全彈性
(c) 黏彈性
(d) 黏滯性行為
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7.15 黏彈變形 ( Viscoelastic Deformation) (2):
 如前圖 (d) 所示, 材料為完全黏性行為, 變形或應变並非瞬間產生, 亦卽, 外加應力
之反應, 其變形会延遲或與時間有相依性ｏ
 同時, 應力釋放後, 變形並非可逆或完全回復的ｏ
 而對於具黏彈性之中間材料, 應力之作用會造成產生瞬間彈性應變, 隨後產生與時
間相依之應變黏性行為, 即滯彈性行為, 如上圖之(c)ｏ
 “ Silly putty” (矽膠高分子材科): 此材料若滾成球狀物並擲到平面時, 它具有彈
性彈回現象, 在彈回期間它的变形速率非常快速ｏ 但另一方面, 若以逐步漸加作用應
力的方式去拉它時, 材料会拉長或像高黏性之液体一樣流動, 因此對此材料, 應變速率
会决定其變形是彈性或黏性ｏ
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黏彈性鬆弛模數 ( Viscoelastic Relaxation
Modulus) (1)
 高分子材料的黏彈性行為取决於時間和温度二因素, 數種測試枝巧可用來量化此行為ｏ
 應力鬆馳測量: 試樣於拉伸剛開始時會迅速達到一個預定且相對較低的應變程度, 在怛温
之下, 維持此應變量所需之應力為時間之函數ｏ
 有高分子中發現由於分子鬆弛過程會使應力隨時間而降低ｏ
 鬆弛楷數 [relaxation modulus; Er (t)]: Er (t) = σ(t) / εo
- σ(t) 是隨時間改變所量測得到之應力值
- εo 為維持固定之應變值
 鬆弛模數的大小是溫虔的函數ｏ
 由右圖可示, (1) Er (t) 隨時間而降低 (2) 隨溫度之增高,
Er (t) 曲線往低層級移动ｏ
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黏彈性鬆弛模數 ( Viscoelastic Relaxation
Modulus) (2)
 如圖為一非晶態 (雜排) 聚苯乙烯所畫的圖ｏ
 圖中數個區隔區域可標示於曲線上, 首先, 在最低溫玻
璃質區域材料是硬且脆ｏEr –彈性模數ｏ以分子等級來
看, 在此溫度領域長分子鏈是被凍結的ｏ
 當溫度升高20C範圍內, Er大降1000倍, 稱之謂皮革化,
變形與時間相依, 且施加自荷後變形不會完全回復ｏ
 進入橡膠溫度區域, 材料以橡膠方式變形, 這時彈性及
黏度分量二者同時出現, 且因鬆弛模數低, 易變形ｏ
 最後兩個高溫區為橡膠流動及黏性液体之生成ｏ此時,
材料漸由軟橡膠態轉成黏性液体。此時其模數劇降ｏ從
分子觀點來看, 鏈移動幅度非常之大。
 通常黏性高分子變形行為是以黏度耒表示,黏度是一測
量材料抵抗因剪刀而造成之流動能力ｏ應力施加之速率
也會影響到黏彈性特性ｏ
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黏彈性鬆弛模數 ( Viscoelastic Relaxation
Modulus) (3)
 右圖, 為聚苯乙烯材料之數種分子組態其logEr 對溫
度行為作圖ｏ其中曲線C和前之非結晶苯乙烯相同ｏ
 輕度交聯之聚苯乙烯為曲線B, 在上升線經Tg前後之
表現和曲線C類同, 橡膠區域所形成一個平台延伸到高
分子分解之溫度, 是其特點, 此材料並不經歷熔融ｏ
 增加交聯, 平台區Er值的大小也將會增加, 橡膠或彈性
体材料也會顯示此類型之行為, 且通常使用於此平台區
範圍的溫度ｏ
 曲線A是結晶型同排聚苯乙烯之溫度相依性, 在Tg時
之Er降低幅度顯然少於非晶聚苯乙烯,這是因材料只有
很小体積分率之非結晶經歷玻璃轉移ｏ
 鬆弛模數隨溫度之漸高仍維持相當高的值, 直至高分
子之熔點 (約在240 C)ｏ
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7.15b 黏彈性潛變 ( Viscoelastic Creep)
 黏彈性潛變 : 多數的高分子材料當應力維持在常數時, 其變形易受時間影嚮ｏ
 這類之變形即時在室溫或低於材料降伏強度的適度應力下也會變得重要ｏ
 汔車停放不動時間過久時, 汽車輪胎會於其接觸表面形成平板點就是一實例ｏ
 潛變模數Ec,
Ec = σo / ε(t)
E c = 瞬間應力(拉力) 施加於試片且維持在一定值
而應變隨時間而變並加以量測ｏ
 潛變模數對溫度也相當敏感且隨溫度之上升而降低ｏ
 另一通則是, 高分子之結晶度增加時, ε(t) 潛變敏感度會降低, 即 Ec會增加ｏ
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硬度及其他機械性質: 7.16 硬度 (1)
Hardness and Other Mechanical Properties

硬度 ( Hardness): 它是材料對局部塑性變形 ( 如小凹痕或刮痕) 抵抗能力的一種
量測ｏ

莫氏尺度 ( Mohs scale): 早期的硬度測試是以自然礦物為依據, 建立以一材料去
刮另一較軟材料的一種尺度, 一定性且任意硬度的指標方法己被設計出來ｏ它的
範圍由最軟的滑石(1)到鑽石 (10)ｏ

定量的硬度測試 : 在控制應用負荷和速率條件下, 將一小壓痕器壓入材料的表面
來作測試, 經由量測壓痕的深度和尺寸之大小, 可轉換成相對硬度值, 較軟的材料
有較大和較深之壓痕, 較低之硬度指數值ｏ

不同測試技巧來比較時, 其解讀值必須小心使用, 硬度測試法之基本原則:
(1) 操作簡單價格不貴, 試片不需作太大的準備ｏ
(2) 試驗最好是非破壞性, 僅在小壓痕處產生局促變形ｏ
(3) 可由硬度數據演推其他机械性質, 如拉伸強度ｏ
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7.16 洛氏硬度試驗 ( Rockwell Hardness Tests)
 洛氏硬度試驗操作簡單又不需特利枝巧, 因此是最常用之方法ｏ
 洛氏試驗利用不同壓痕器和不同負荷的組合, 壓痕器包括直徑為 1/16, 1/8, 1/4, ½
inches (1.588, 3.157, 6.350, 12.70 mm)的球形硬化鋼球, 和一圓錐形的鑽石 (Brale)
的壓痕器, 後者用於最硬的材料ｏ施加開始的次負荷,接着加一較大的主負荷, 其穿透
深度之差異來决定硬度ｏ
 兩種不同的測試形式:
- 洛式法: 次負荷是10 kg,而主負荷是60, 100, 150 kg. 每一尺度等級由一字
母表示,數種等級與其相應的壓痕器和負荷表於表中ｏ
- 表面洛式: 次負荷是 3kg,而主負荷是15, 30, 45 kg., 這些尺度由15, 30, 45
來標示, 接著以與壓痕器有關之N, T, W, X或Y 來標示, 此法常用於薄試片ｏ
 標示洛氏硬度時, 必須標出硬度值和等級符號: 它的等級以符號HR緊接著適當的尺
度來標示ｏ
 80 HRB = B尺度之洛氏硬度值為80; 60HR30w = 30W 尺度的表面硬度60.
 硬度的範圍可高達130, 但高以100或低於20時精準度較差ｏ
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7.16 洛氏硬度試驗 ( Rockwell Hardness Tests)
 假如試片太薄, 壓痕太靠近試片邊緣或兩個壓痕太靠近, 都會使結果不正確ｏ
 試片的厚度必須至少是壓痕的10倍ｏ而壓痕中心與第二壓痕中心, 或壓痕中心與試
片邊緣之間的距離, 必須至少是壓痕直徑的3倍ｏ
 現代洛氏硬度量測儀是一自動且使用上非常簡單的, 硬度值可直接讀取, 一次測試
只需數秒ｏ
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7.16 洛氏硬度試驗 ( Rockwell Hardness Tests)
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7.16 勃氏硬度試驗 ( Brinell Hardness Tests)
 勃氏試驗: (1) 將一硬圓球的壓痕噐壓入待測之金属表面ｏ
(2) 硬化鋼球 (或 碳化鎢) 的直徑是10 mm (0.394 inch)ｏ
(3) 標準荷重為 500到 3000 kg 之間ｏ
(4) 測試時荷重在一段特定時間內維持定值 (10s 和30 s 之間)ｏ
(5) 勃氏硬度值HB是荷重大小和壓痕直徑的函數ｏ
(6) 厭痕直徑可用特別的顯微鏡來測量ｏ
(7) 量測出直徑後, 使用圖表換算成 HB值ｏ
 試片之準備及痕間之要求與洛氏測試之要累同ｏ
 明確定義壓痕噐是必要的, 並且壓痕必須作用於平滑的平面上ｏ
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諾普和維氏微小硬度試驗
( Knoop and Vickers Microhardness Tests)
 諾普 ( Knoop) 和維氏微小硬度試驗: (亦稱鑽石錐体測試)
- 兩法都用很小的錐形鑽石壓痕噐壓入試片表面ｏ
- 施加的荷重甚小, 範圍從 1 到 1000 克之間ｏ
- 用顯微鏡觀察並量測壓痕結果ｏ
- 量測後轉換成硬度值ｏ
- 試片表面必須小心的研磨和拋光, 以確保有一請楚之壓痕供波準確量測ｏ
- 硬度值各分別以 HK 及 HV表示, 两者之尺度幾相同, 稱之為微硬度測試法ｏ
- 此些方法最適合測量選擇性的小區域之硬度ｏ
- 諾普試驗亦用於陶瓷材料之測室ｏ
 其他法: 超音波微硬度, 動態硬度計, 刮痕硬度試驗ｏ
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7.16 硬度轉換 : 硬度間的関係
 能將量測的硬度從一尺度轉換成
, 但因測試
有不同枝巧, 所以很難設計一方便
之轉換表ｏ
 硬度轉換數據己由實驗定出, 且
發現與材料的形式和特性有関ｏ
 鋼的硬度最具可靠性可供為換算
數據之共同標準, 如圖所示ｏ
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硬度和拉伸强度間的關係
 拉伸強度和硬度是金属抵抗塑性的
指標, 因此具有粗略的比例關係ｏ
 右圖中, 鋳鐵, 鋼, 和黄銅的拉伸強度
是HB的函數ｏ
 如右圖所示, 相同之比例關係並不存
在於所有金属ｏ
 對大部份的鋼, 支配HB與拉伸強度
的原則其相對關係如下:
TS (MPa) = 3.45 x HB
TS (psi) = 500 x HB
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7.17 陶瓷材料的硬度(Hardness of Ceramic
Materials)
 已知最硬而耐磨的材料首推陶瓷, 因此常應用於研磨或磨碎的噐具ｏ
 硬度是陶瓷一種有利之机械性質, 僅有陶瓷材料具有超過 1,000或更高的諾普硬度ｏ
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7.18 高分子材料的撕裂強度與硬度
 抵抗撕裂和硬度两机械性貭常會决定某高分子材料的適用性ｏ
 例如用於包裝的薄膜塑膠, 某抗撕裂強是一項重要性質考慮ｏ
 撕裂強度 (Tear Strength): 是量測撕開一具有標準形狀的裁切試片所需要的能
量的一種機域參數ｏ 拉伸與撕裂強度是相関的ｏ
 高分子材料比金属和陶瓷軟, 可利用類似用於金属所述之壓痕枝術來測量其硬
度ｏ
 洛氏試驗常被用於高分子硬度之測量ｏ
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SUMMARY
• Stress and strain: These are size-independent
measures of load and displacement, respectively.
• Elastic behavior: This reversible behavior often
shows a linear relation between stress and strain.
To minimize deformation, select a material with a
large elastic modulus (E or G).
• Plastic behavior: This permanent deformation
behavior occurs when the tensile (or compressive)
uniaxial stress reaches sy.
• Toughness: The energy needed to break a unit
volume of material.
• Ductility: The plastic strain at failure.
Note: For materials selection cases related to mechanical behavior,
see slides 20-4 to 20-10.
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