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纳米结构的力学性能测试方法探析

【摘要】:纳米材料力学性能的测试和分析机理可以借鉴以往的实验手段和理论资料,但由于纳米材料晶粒度和尺寸远远小于传统的块体材料,必然导致传统的测试方法无法完全表述纳米材料的力学性能。因此为了更清晰地了解纳米材料作为结构材料使用的效果及内在机理,有必要发展新的纳米材料力学测试方法和手段。

任何一种材料受力后都有变形产生,变形到一定程度材料就会降低或失去承载能力,即发生破坏,各种材料的受力—变形—破坏都是有一定规律的。材料的力学性能(也称机械性能),是指材料在外力作用下表现出的变形和破坏等方面的性能,如强度、塑性、弹性和韧性等。为保证工程构件在各种负荷条件下正常工作,必须通过试验测定材料在不同负荷下的力学性能,并规定具体的力学性能指标,以便为构件的强度设计提供可靠的依据。材料的主要力学性能指标有屈服强度、抗拉强度、材料刚度、延伸率、截面收缩率、冲击韧性疲劳极限断裂韧性和裂纹扩展特性等。

力学性能是材料能否作为结构应用的最重要依据。对于传统的块体材料,已经建立起比较成熟的研究方法和实验仪器来研究材料的力学特性,如拉伸、扭转和冲击就是传统的三类常规力学性能实验方法。可以获得诸如拉伸强度、弯曲强度、硬度、弹性模量等各种力学性能参数以及在各种服役条件下材料的力学行为与结构演变的关系。然而,当材料特征尺寸减小到纳米尺度时,由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等影响,纳米材料在力学性能方面也表现出不同于其块体材料的力学性能。如晶粒尺寸减小可降低钢材的延展性—脆性的转变温度;当晶粒尺寸小于100 nm时,材料的硬度随粒径的减小而增大等。

纳米材料力学性能的测试和分析机理可以借鉴以往的实验手段和理论资料,但由于纳米材料晶粒度和尺寸远远小于传统的块体材料,必然导致传统的测试方法无法完全表述纳米材料的力学性能。因此为了更清晰地了解纳米材料作为结构材料使用的效果及内在机理,有必要发展新的纳米材料力学测试方法和手段。