第七章高弹性-听课.ppt
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1、第七章 高聚物的力学性质,主讲: 赵健教授 学时: 8-10 青岛科技大学,主要内容,第一节 高弹态高聚物的力学性质 第二节 高聚物的力学松弛粘弾态 第三节 玻璃态和结晶态高聚物的力学性质,前言,正如高楼大厦的基石一般,高聚物材料的力学性质是材料具有使用价值的基础。无论对于普通高聚物材料还是对于功能和特种高分子材料,力学性质都是不可或缺的前提。 本章内容上将围绕玻璃态和结晶态高聚物的极限力学性质屈服、破坏和强度,高聚物所特有的高弹性,以及高聚物的力学松弛粘弾态展开讨论。从而使同学们了解和掌握高聚物力学性能的一般规律和特点及其与高聚物结构的相互关系。,第一节 高弹态高聚物的力学性质,一、描述力学
2、性质的基本物理量 应变当材料受到外力作用,而所处的条件使它不能发生惯性移动时,它的几何形状和尺寸将发生变化,这种变化就称为应变。应变无单位。 应力材料发生形变时,其内部分子间以及分子内各原子间相对位移,产生了原子间及分子间的附加内力,抵抗外力并试图恢复原状,达到平衡时,附加内力与外力相等,方向相反。定义单位面积上的附加内力为应力。其单位为牛顿/米2,又称帕斯卡(简称帕)。 材料受力的方式不同,发生变形的方式也不同。对于各向同性材料来说,有三种基本的类型: 简单拉伸、简单剪切、均匀压缩。,设以一定的力 F 拉伸试样,使两标距间的长度增至 。 在小伸长时,拉伸应变通常以单位长度的伸长来定义:,注意
3、此处定义的应力等于 拉力除以试样原始截面积A0,拉伸应力,拉伸应变,7-1,7-2,A0,m0,m0-m,A,简单拉伸 -,图7-1 简单拉伸示意图,习用应力应变,当材料发生较大变形时,材料的截面积将发生较大的 变化,这时计算应力可以真实截面积A代替A0。,图7-2 简单剪切示意图,简单剪切-,A0,偏斜角的正切定义为切应变。,图7-3 均匀流体静压缩示意图,P,材料的均匀压缩应变定义为单位体积的体积减小。,均匀压缩-,弹性模量是材料单位应变时的应力,它表征材料抵抗变形能力的大小,模量越大,越不容易变形,表示材料刚度越大。,弹性模量对于理想弹性固体,引力应变服从胡克定律,即应力与应变成正比,比
4、例常数称为弹性模量。其单位与应力单位相同。,上述三种基本类型的弹性模量分别为杨氏模量、剪切模量、体积模量,分别记为E、G和B。单位为Pa,杨氏模量,剪切模量,体积模量,有时,用模量的倒数比用模量方便。 杨氏模量的倒数称为拉伸柔量,用D表示: D = 1/E 剪切模量的倒数称为剪切柔量,用J表示: J = 1/G 体积模量的倒数成为可压缩度,用Y表示: Y = 1/D,对各向同性材料,上述三种模量之间存在如下关系,泊松比,定义为在拉伸试验中,材料横向单位 宽度的减小与纵向单位长度的增加之比值。,A0,m0,m0-m,A,泊松比v 当理想不可压缩体变形时,体积不变, v=0.5, E=3G; 2.
5、 大多数材料在变形时,有体积变化, v=0.20.5; 3. 橡胶和小分子液体的泊松比接近0.5。,二、高弹性(熵弹性)特点 1、弹性模量很小,形变量很大。称做高弹形变 钢、铁等的形变量约为1%,弹性模量约为200,000MPa 而橡胶的高弹形变可达1000%,弹性模量约为0.2-8MPa 为什么橡胶的形变是一中“高弹形变”呢? 橡胶的线性分子链在常温下处于卷曲状态,其均方末端 距比完全伸直的分子的均方末端距小100-1000倍。 橡胶的形变具有可逆性。 拉直的分子由于各链段的热运动试图回到原状态,产生 回缩力,促使自发回复。 2、弹性模量随温度上升而增加。 温度 链段运动 回缩力 抵抗形变的
6、能力,3、形变需要时间力学松弛特性 蠕变和应力松弛统称为力学松弛。 为什么会有力学松弛现象呢? 高弹形变是靠分子链段的运动来实现的,需克服分子间 作用力和内摩擦力, 整个分 子链从 一种平衡状态过渡到与外力相适应的平衡状态需要时间。 4、形变时有热效应。 拉伸放热,回复吸热。 形变时链段从无序 有序,熵减小; 分子内摩擦生热; 拉伸时可伴有结晶放热热弹效应。 上述三种原因,使橡胶拉伸时放热。,三、橡胶弹性的热力学分析 定量,1、高弹形变的热力学方程,体积变化 形状变化,体积几乎不变,或张力是变形时内能变化和熵变引起的,变换如下: 根据吉布斯自由能,对微小变化:,热力学方程之一,由图可得三个结果
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