高聚物的力学性能.ppt

第七章 高聚物的力学性能,第一节 概述 第二节 高弹性 第三节 粘弹性 第四节 极限力学行为（屈服、破坏与 强度）,第一节 概述,1-1 力学性能分类 1-2 表征力学性能的基本物理量 1-3 高聚物力学性能的特点,1-1 力学性能分类,力学性能是高聚物优异物理性能的基础 如：某高聚物磨擦，磨耗性能优良，但力学性能不好，很脆。不能用它作减摩材料 如：作电线绝缘材料的高聚物，也要求它们有一定的力学性能：强度和韧性。如果折叠几次就破裂，那么这种材料的电绝缘性虽好，也不能用作电线。,常用术语： 力学行为：指施加一个外力在材料上，它产生怎样的形变（响应） 形变性能：非极限情况下的力学行为 断裂性能：极限情况下的力学行为 弹性：对于理想弹性体来讲，其弹性形变可用虎克定律来表示，即：应力与应变成正比关系，应变与时间无关,粘性：在外力作用下，分子与分子之间发生位移，理想的粘性流体其流动形变可用牛顿定律来描述：应力与应变速率成正比 普弹性：大应力作用下，只产生小的、线性可逆形变，它是由化学键的键长，键角变化引起的。与材料的内能变化有关：形变时内能增加，形变恢复时，放出能量，对外做功（玻璃态，晶态，高聚物，金属，陶瓷均有这种性能），普弹性又称能弹性,高弹性：小的应力作用下可发生很大的可逆形变，是由内部构象熵变引起的，所以也称熵弹性（橡胶具有高弹性） 静态力学性能：在恒应力或恒应变情况下的力学行为 动态力学性能：物体在交变应力下的粘弹性行为 应力松弛：在恒应变情况下，应力随时间的变化,蠕变：在恒应力下，物体的形变随时间的变化 强度：材料所能承受的应力 韧性：材料断裂时所吸收的能量,1-2 表征材料力学性能的基本物理量,1-3 高聚物力学性能的特点,1高聚物材料具有所有已知材料可变性范围最宽的力学性质，包括从液体、软橡皮到很硬的固体，各种高聚物对于机械应力的反应相差很大，例如：,PS制品很脆，一敲就碎（脆性） 尼龙制品很坚韧，不易变形，也不易破碎（韧性） 轻度交联的橡胶拉伸时，可伸长好几倍，力解除后基本恢复原状（弹性） 胶泥变形后，却完全保持新的形状（粘性） 高聚物力学性质的这种多样性，为不同的应用提供了广阔的选择余地,2.高聚物力学性能的最大特点是 高弹性和粘弹性,（1）高聚物的高弹性：是由于高聚物极大的分子量使得高分子链有许多不同的构象，而构象的改变导致高分子链有其特有的柔顺性。链柔性在性能上的表现就是高聚物的高弹性。它与一般材料的普弹性的差别就是因为构象的改变；形变时构象熵减小，恢复时增加。内能在高弹性形变中不起主要作用（它却是普弹形变的主要起因）,（2）高聚物的粘弹性：指高聚物材料不但具有弹性材料的一般特性，同时还具有粘性流体的一些特性。弹性和粘性在高聚物材料身上同时呈现得特别明显。 高聚物的粘弹性表现在它有突出的力学松弛现象，在研究它的力学性能时必须考虑应力、应变与时间的关系。温度对力学性能也是非常重要的因素,描述粘弹性高聚物材料的力学行为必须同时考虑应力、应变、时间和温度四个参数。高聚物材料的力学性能对时间和温度的强烈依赖性是研究其力学性能中要着重弄清的问题，也是进行高聚物材料的测试及使用时必须十分注意的问题。,第二节 高弹性,2-1 高弹性的特点 2-2 平衡态高弹性热力学分析 2-3 橡胶的使用温度,2-1 高弹性的特点,高弹态是高聚物所特有的，是基于链段运动的一种力学状态，可以通过高聚物在一定条件下，通过玻璃化转变而达到 处于高弹态的高聚物表现出独特的力学性能高弹性 这是高聚物中一项十分难能可贵的性能,橡胶就是具有高弹性的材料，高弹性的特征表现在： 弹性形变大，可高达1000%，而金属材料的普弹形变不超过1% 弹性模量小， ，而且随绝对温度升高而升高；而金属材料的弹性模量达 ，而且随绝对温度升高而降低,在快速拉伸时（绝热过程），高聚物温度上升；而金属材料温度下降。如果把橡胶薄片拉长，把它贴在嘴唇或面颊上，就会感到橡皮在伸长时发热，回缩时吸热。 形变与时间有关，橡胶受到外力（应力恒定）压缩或拉伸时，形变总是随时间而发展，最后达到最大形变，这种现象叫蠕变。,原因：由于橡胶是长链分子，整个分子的运动都要克服分子间的作用力和内摩擦力，高弹形变就是靠分子链段运动来实现的。整个分子链从一种平衡状态过度到与外力相适应的平衡状态，可能需要几分钟，几小时甚至几年。也就是说在一般情况下形变总是落后与外力，所以橡胶形变需要时间,2-2 平衡态高弹形变的热力学分析,高弹形变可分为平衡态形变（可逆）和非平衡态形变（不可逆）两种 假设橡胶被拉伸时发生高弹形变，除去外力后可完全回复原状，即变形是可逆的，所以可用热力学第一定律和第二定律来进行分析,物理意义：外力作用在橡胶上，一方面使橡胶的内能随伸长而变化，一方面使橡胶的熵随伸长而变化。 或者说：橡胶的张力是由于变形时内能发生变化和熵发生变化引起的。,这就是橡胶热力学方程式 实验时用 当纵坐标，T为横坐标，作 图：,截距为 ；斜率为 。 发现各直线外推到 时均通过原点，即截距为0,77%,33%,11%,4%,固定拉伸时的张力温度曲线,得： 所以橡胶拉伸时，内能几乎不变，而主要引起熵的变化。就是说，在外力作用下，橡胶分子链由原来蜷曲无序的状态变为伸直有序状态。熵由大变小，由无序变有序；终态是不稳定体系，当外力除去以后，就会自发地恢复到初态，也就是说，橡皮由拉伸态恢复到原来状态是熵增过程（自发过程），也就解释了高弹形变为什么是可回复的。,既然拉伸时熵减小， 为负值，所以 也应该是负值，说明了拉伸过程中为什么放出热量。 由于理想高弹体拉伸时只引起熵变，或者说只有熵的变化对理想高弹体的弹性有贡献，也称这种弹性为熵弹性,2-3 橡胶的使用温度,在高于一定温度时，橡胶由于老化而失去弹性；在低于一定温度时，橡胶由于玻璃化而失去弹性。 如何改善橡胶的耐热性和耐寒性，即扩大其使用温度的范围是十分重要的。,一.改善高温耐老化性能，提高耐热性 硫化的橡胶具有交联的网状结构，除非 分子链断裂或交联链破坏，否则不会流 动的，硫化橡胶耐热性似乎是好的。但 实际硫化橡胶在120已难以保持其物理 机械性能，170180时已失去使用价 值，为什么呢？橡胶主链中含有大量双 键，易被臭氧破坏而裂解，双键旁的 次甲基上的氢容易被氧化而降解或交联,为了改善其耐老化性能我们采取 1.改变橡胶主链结构 (1)主链不含双键 (2)主链上含双键较少的丁基橡胶（异丁烯与异戊二烯）,(3)主链上含S原子的聚硫橡胶 (4)主链上含有O原子的聚醚橡胶 (5)主链上均为非碳原子的二甲基硅橡胶,2.改变取代基结构 带有供电子取代基的橡胶易氧化： 天然橡胶、丁苯橡胶 带有吸电子取代基的橡胶不易氧化：氯丁橡胶、氟橡胶,3.改变交联链的结构 原则：含硫少的交联链键能较大，耐热性好，如果交联键是C-C或C-O，键能更大，耐热性更好。 （氯丁橡胶用ZnO硫化交联键为-C-O-C-，天然橡胶用过氧化物或辐射交联，交联键为-C-C-）,二. 降低 ，避免结晶，改善耐寒性 耐寒性不足的原因是由于在低温下橡胶 会发生玻璃化转变或发生结晶，而导致 橡胶变硬变脆，丧失弹性。 而导致聚合物玻璃化的原因是分子互相 接近，分子间互相作用力加强，以致链 段的运动被冻结，因此:,任何增加分子链的活动性，削弱分子间相互作用的措施都会使 下降， 任何降低聚合物结晶能力和结晶速度的措施均会增加聚合物的弹性，提高耐寒性（因为结晶就是高分子链或链段规整排列，它会大大增加分子间相互作用力，使聚合物强度增加，弹性下降）,1.加增塑剂：削弱分子间作用力 如氯丁胶 -45，加葵二酸二丁酯 （-80）可使其的 -62； 如用磷酸三甲酚酯（-64）可使其 -57。 可见增塑效果不仅与增塑剂结构有关，还与它本身 有关，增塑剂 的 越低，则增塑聚合物的 也越低。,注意增塑剂的副作用 它使分子链活动性增加，也为形成结晶结构创造了条件，所以用增塑剂降低 的同时，也要考虑结晶形成的可能性。,2.用共聚法 聚苯乙烯有大的侧基，所以主链内旋转难，较刚性， 高于室温，但共聚后的丁苯橡胶为-53 聚丙烯晴有极性，所以主链内旋转难，较刚性， 高于室温，用丁二烯与丙烯晴共聚后的丁睛橡胶为-42,3.降低聚合物结晶能力 线型聚乙烯分子链很柔， 很低，但由 于规整度高，所以结晶，聚乙烯难以当 橡胶用，引入体积较小的非极性取代基 甲基来破坏其聚乙烯分子链的规整性， 从而破坏其结晶性，这就是乙烯与丙烯 共聚橡胶 =-60。,通过破坏链的规整性来降低聚合物结晶能力，改善了弹性但副作用是有损于强度。,第三节 粘弹性,3-1 松弛现象 3-2 蠕变 3-3 应力松弛 3-4 滞后 3-5 力学损耗 3-6 测定粘弹性的方法 3-7 粘弹性模型 3-8 粘弹性与时间、温度的关系（时温等效） 3-9 波尔兹曼迭加原理,3-1 高聚物的力学松弛现象,力学松弛高聚物的力学性能随时间的变化统称力学松弛 最基本的有：蠕变 应力松弛 滞后 力学损耗,理想弹性体受外力后，平衡形变瞬时达到，应变正比于应力，形变与时间无关 理想粘性体受外力后，形变是随时间线性发展的，应变速率正比于应力 高聚物的形变与时间有关，这种关系介于理想弹性体和理想粘性体之间，也就是说，应变和应变速率同时与应力有关，因此高分子材料常称为粘弹性材料。,3-2 蠕变,蠕变：在一定的温度和恒定的外力作用下（拉力，压力，扭力等），材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。 蠕变过程包括下面三种形变： 普弹形变、高弹形变、粘性流动,普弹形变 高分子材料受到外力作用时，分子链内部键长和键角立刻发生变化，形变量很小，外力除去后，普弹形变立刻完全恢复，与时间无关。 应力 普弹形变 普弹形变模量,示意图,高弹形变 是分子链通过链段运动逐渐伸展的过程，形变量比普弹形变大得多，形变与时间成指数关系，外力除去高弹形变逐渐恢复。 应力 高弹形变 高弹形变模量 松弛时间,示意图,粘性流动 分子间无交联的线形高聚物，则会产生分子间的相对滑移，它与时间成线性关系，外力除去后，粘性形变不能恢复，是不可逆形变 应力 本体粘度,示意图,高聚物受到外力作用时，三种形变是一起发生的，材料总形变为 由于 是不可逆形变，所以对于线形高聚物来讲，外力除去后，总会留下一部分不可恢复的形变。,三种形变的相对比例依具体条件不同而不同 时，主要是 时，主要是 和 时， ， ， 都较显著,蠕变与温度高低及外力大小有关 温度过低（在 以下）或外力太小，蠕变很小，而且很慢，在短时间内不易观察到 温度过高（在 以上很多）或外力过大，形变发展很快，也不易观察到蠕变 温度在 以上不多，链段在外力下可以运动，但运动时受的内摩擦又较大，则可观察到蠕变,不同种类高聚物蠕变行为不同 线形非晶态高聚物 如果 时作试验只能看到蠕变的起始部分，要观察到全部曲线要几个月甚至几年 如果 时作实验，只能看到蠕变的最后部分 在 附近作试验可在较短的时间内观察到全部曲线,交联高聚物的蠕变 无粘性流动部分 晶态高聚物的蠕变 不仅与温度有关，而且由于再结晶等情况，使蠕变比预期的要大,应用 各种高聚物在室温时的蠕变现象很不相同，了解这种差别对于系列实际应用十分重要,1PSF 2聚苯醚 3PC 4改性聚苯醚 5ABS（耐热） 6POM 7尼龙 8ABS,2.0 1.5 1.0 0.5,1,2,3,4,5,6,（ ）,7,8,小时,1000 2000,23时几种高聚物蠕变性能,可以看出： 主链含芳杂环的刚性链高聚物，具有较好的抗蠕变性能，所以成为广泛应用的工程塑料，可用来代替金属材料加工成机械零件。 蠕变较严重的材料，使用时需采取必要的补救措施。,例1：硬PVC抗蚀性好，可作化工管道，但易蠕变，所以使用时必须增加支架。 例2：PTFE是塑料中摩擦系数最小的，所以有很好的自润滑性能，但蠕变严重，所以不能作机械零件，却是很好的密封材料。 例3：橡胶采用硫化交联的办法来防止由蠕变产生分子间滑移造成不可逆的形变。,3-3 应力松弛,定义：对于一个线性粘弹体来说，在应变保持不变的情况下，应力随时间的增加而逐渐衰减，这一现象叫应力松弛。（Stress Relax）,例如：拉伸一块未交联的橡胶到一定长度，并保持长度不变，随着时间的增加，这块橡胶的回弹力会逐渐减小，这是因为里面的应力在慢慢减小，最后变为0。因此用未交联的橡胶来做传动带是不行的。,起始应力 松弛时间 应力松弛和蠕变是一个问题的两个方面，都反映了高聚物内部分子的三种运动情况：当高聚物一开始被拉长时，其中分子处于不平衡的构象，要逐渐过渡到平衡的构象，也就是链段要顺着外力的方向来运动以减少或消除内部应力。,（1）如果 ，如常温下的橡胶，链段易运动，受到的内摩擦力很小，分子很快顺着外力方向调整，内应力很快消失（松弛了），甚至可以快到觉察不到的程度 （2）如果 ，如常温下的塑料，虽然链段受到很大的应力，但由于内摩擦力很大，链段运动能力很小，所以应力松弛极慢，也就不易觉察到,（3）如果温度接近 （附近几十度），应力松弛可以较明显地被观察到，如软PVC丝，用它来缚物，开始扎得很紧，后来就会慢慢变松，就是应力松弛比较明显的例子 （4）只有交联高聚物应力松弛不会减到零（因为不会产生分子间滑移），而线形高聚物的应力松弛可减到零,3-4 滞后现象（Delay ）,高聚物作为结构材料，在实际应用时，往往受到交变力的作用。例如轮胎，传动皮带，齿轮，消振器等，它们都是在交变力作用的场合使用的。 以轮胎为例，车在行进中，它上面某一部分一会儿着地，一会离地，受到的是一定频率的外力，它的形变也是一会大，一会小，交替地变化。,例如：汽车每小时走60km，相当于在轮胎某处受到每分钟300次周期性外力的作用（假设汽车轮胎直径为1m，周长则为3.14×1，速度为1000m/1min1000/3.14300r/1min），把轮胎的应力和形变随时间的变化记录下来，可以得到下面两条波形曲线：,滞后现象：高聚物在交变力作用下，形变落后于应力变化的现象 解释：链段在运动时要受到内摩擦力的作用，当外力变化时链段的运动还跟不上外力的变化，形变落后于应力，有一个相位差，越大，说明链段运动愈困难，愈是跟不上外力的变化。,高聚物的滞后现象与其本身的化学结构有关：通常刚性分子滞后现象小（如塑料）；柔性分子滞后现象严重（如橡胶） 滞后现象还受到外界条件的影响,外力作用的频率 如果外力作用的频率低，链段能够来得及运动，形变能跟上应力的变化，则滞后现象很小。 只有外力的作用频率处于某一种水平，使链段可以运动，但又跟不上应力的变化，才会出现明显的滞后现象,温度的影响 温度很高时，链段运动很快，形变几乎不落后应力的变化，滞后现象几乎不存在 温度很低时，链段运动速度很慢，在应力增长的时间内形变来不及发展，也无滞后 只有在某一温度下（ 上下几十度范围内），链段能充分运动，但又跟不上应力变化，滞后现象就比较严重,增加频率与降低温度对滞后有相同的影响 降低频率与升高温度对滞后有相同的影响,3-5 力学损耗,轮胎在高速行使相当长时间后，立即检查内层温度，为什么达到烫手的程度？ 高聚物受到交变力作用时会产生滞后现象，上一次受到外力后发生形变在外力去除后还来不及恢复，下一次应力又施加了，以致总有部分弹性储能没有释放出来。这样不断循环，那些未释放的弹性储能都被消耗在体系的自摩擦上，并转化成热量放出。,这种由于力学滞后而使机械功转换成热的现象，称为力学损耗或内耗。 以应力应变关系作图时，所得的曲线在施加几次交变应力后就封闭成环，称为滞后环或滞后圈，此圈越大，力学损耗越大,例1：对于作轮胎的橡胶，则希望它有最小的力学损耗才好 顺丁胶：内耗小，结构简单，没有侧基，链段运动的内摩擦较小 丁苯胶：内耗大，结构含有较大刚性的苯基，链段运动的内摩擦较大 丁晴胶：内耗大，结构含有极性较强的氰基，链段运动的内摩擦较大 丁基胶：内耗比上面几种都大，侧基数目多，链段运动的内摩擦更大,例2： 对于作为防震材料，要求在常温附近有较大的力学损耗（吸收振动能并转化为热能） 对于隔音材料和吸音材料，要求在音频范围内有较大的力学损耗（当然也不能内耗太大，否则发热过多，材料易于热态化）,在正弦应力作用下，高聚物的应变是相同 角频率的正弦函数，与应力间有相位差 交变应力 应变 展开得： 应力同相位 比应力落后 普弹性 粘性,应力与应变的关系 可用模量表达： 由于相位差的存在， 模量将是一个复数， 叫复变模量：,复变模量的实数部分表示物体在形变过程中由于弹性形变而储存的能量，叫储能模量，它反映材料形变时的回弹能力（弹性） 复变模量的虚数部分表示形变过程中以热的形式损耗的能量，叫损耗模量，它反映材料形变时内耗的程度（粘性） 滞后角 力学损耗因子,损耗模量,损耗因子,储能模量, ， 这两根曲线在 很小或很大时几乎为0； 在曲线两侧几乎也与 无关，这说明：交变应力频率太小时，内耗很小，当交变应力频率太大时，内耗也很小。 只有当为某一特定范围 时，链段又跟上又跟不上外力时，才发生滞后，产生内耗，弹性储能转化为热能而损耗掉，曲线则表现出很大的能量吸收,3-6 测定高聚物粘弹性的实验方法,蠕变仪 高聚物的蠕变试验可在拉伸，压缩，剪切，弯曲下进行。,（）拉伸蠕变试验机 （塑料） 原理：对试样施加恒定的外力（加力可以是上夹具固定，自试样下面直接挂荷重），测定应变随时间的变化,夹具,试样,荷重,注： 对于硬塑料，长度变化较小，通常在试样表面贴应变片（类似电子秤的装置，可以将力学信号转变为电阻值，而得出应变值），测定拉伸过程中电阻值的变化而得出应变值。,（）剪切蠕变（交联橡胶） 材料受的剪切应力在这种恒切应力下测定应变随时间的变化。,应力松弛 拉伸应力松弛 （橡胶和低模量高聚物的应力松弛实验）,动态扭摆仪 扭摆测量原理：由于试样内部高分子的内摩擦作用，使得惯性体的振动受到阻尼后逐渐衰减，振幅随时间增加而减小。,3-7 粘弹性模型,弹簧能很好地描述理想弹性体力学行为（虎克定律） 粘壶能很好地描述理想粘性流体力学行为（牛顿流动定律） 高聚物的粘弹性可以通过弹簧和粘壶的各种组合得到描述，两者串联为麦克斯韦模型，两者并联为开尔文模型。,Maxwell模型 由一个弹簧和一个粘壶串联而成 当一个外力作用在模型上时 弹簧和粘壶所受的应力相同 所以有：,代入上式得： 这就是麦克斯韦模型的运动方程式,应用： Maxwell模型来模拟应力松弛过程特别有用（但不能用来模拟交联高聚物的应力松弛） Maxwell模型来模拟高聚物的动态力学行为（ 不行） Maxwell模型用于模拟蠕变过程是不成功的,（）开尔文模型是由弹簧与粘壶并联而成的 作用在模型上的应力 两个元件的应变总是相同：,所以模型运动方程为： 应用： Kelvin模型可用来模拟高聚物的蠕变过程 Kelvin模型可用来模拟高聚物的动态力学行为 Kelvin模型不能用来模拟应力松弛过程,两个模型的不足： Maxwell模型在恒应力情况下不能反映出松弛行为 Kelvin模型在恒应变情况下不能反映出应力松弛,（）四元件模型是根据高分子的运动机理设计的（因为高聚物的形变是由三部分组成的）,由分子内部键长，键角改变引起的普弹形变，它是瞬间完成的，与时间无关，所以可用一个硬弹簧来模拟。 由链段的伸展，蜷曲引起的高弹形变随时间而变化，可用弹簧与粘壶并联来模拟。 高分子本身相互滑移引起的粘性流动，这种形变随时间线性变化，可用粘壶来模拟。,我们可以把四元件模型看成是Maxwell和Kelvin模型的串联 实验表明：四元件模型是较成功的，在任何情况下均可反映弹性与粘性同时存在力学行为。 不足：只有一个松弛时间，不能完全反映高聚物粘弹性的真实变化情况，因为链段有大小，对应的松弛时间不同。,3-8 时温等效原理,1要使高分子链段产生足够大的活动性才能表现出高弹态形变，需要一定的松弛时间；要使整个高分子链能够移动而表现出粘性流动，也需要一定的松弛时间。 2当温度升高时，所以同一个力学行为在较高温度下，在较短时间内看到；同一力学行为也可以在较低温度，较长时间内看到。所以升高温度等效于延长观察时间。对于交变力的情况下，降低频率等效于延长观察时间。,3.借助于转换因子可以将在某一温度下测定的力学数据，变成另一温度下的力学数据，这就是时温等效原理。 4.实用意义 通过不同 温度下可以试验测得的力学性质进行比较或换算，得到有些高聚物实际上无法实测的结果(PE),由实验曲线 迭合曲线,1 2 3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,将平移量温度作图,25,-80,0,0,实验证明，很多非晶态线形高分子基本符合这条曲线。所以W，F，L三人提出如下经验公式： 表明移动因子与温度与参考温度之差有关,当选 为参考温度时， 则WLF方程变为： 而当 时，所有高聚物都可找到一个参考温度，温度通常落在 这时，WLF方程为：,3-9 Boltzmann迭加原理,是高聚物粘弹性的一个简单但又非常重要的原理，这个原理指出 :高聚物的蠕变是其整个负荷历史的函数。 (1)每个负荷对高聚物蠕变的贡献是独立的，因而各负荷的总的效应等于各个负荷效应的加和。最终的形变是各个负荷所贡献的形变的简单加和。,可以根据有限的实验数据，来预测高聚物在很宽的负荷范围内的力学性质 这部分内容自己看一下书,第四节 极限力学行为,4-1 概述 4-2 应力应变曲线 4-3 屈服 4-4 冷拉与成颈 4-5 银纹与应力发白 4-6 强度与破坏,4-1 概述,非极限范围内的小形变：可用模量来表示形变特性 极限范围内的大形变：要用应力应变曲线来反映这一过程,由应力应变曲线上可获得的反映破坏过程的力学量: 扬氏模量 屈服应力 屈服伸长 断裂强度（抗拉强度） 断裂伸长,高聚物的力学性能与温度和力的作用速率有关，因此在试验和应用中务必牢牢记住：必须标明温度和施力速率（或形变速率），切勿将正常形变速率下测试数据用于持久力作用或冲击力作用下的场合下；切勿将正常温度下得到的数据用于低温或高温下。只有在宽广的温度范围和形变速率范围内测得的数据才可以帮助我们判断高聚物材料的强度、硬软、韧脆，再根据环境的要求，才能选出合适的材料来进行设计和应用。,材料破坏有二种方式，可从拉伸应力应变曲线的形状和破坏是断面形状来区分： 脆性破坏:试样在出现屈服点之前断裂 断裂表面光滑 韧性破坏:试样在拉伸过程中有明显屈服 点和颈缩现象 短裂表面粗糙,拉伸应力曲线反映的材料的力学性质 力 学 参 量 力 学 性 质 弹性模量 刚性 屈服点 弹性 断裂伸长 延性 屈服应力 强度 （或断裂强度、抗拉强度） 应力应变曲线下部的面积 韧性 弹性线下部的面积 回弹性,4-2 应力-应变曲线,1.高聚物的应力应变综合曲线,上面是典型的应力应变曲线 实际聚合物材料，通常是综合曲线的一部分或是其变异 。 处于玻璃态的塑料只在一段范围内才具有这种形状。 处于高弹态的橡胶，只有在温度较低和分子量很大时具有这种形状。,分析： 以B点为界分为二部分： B点以前（弹性区域）：除去应力，材料能恢复原样，不留任何永久变形。斜率 即为扬氏模量。 B点以后（塑性区域）：除去外力后，材料不再恢复原样，而留有永久变形，我们称材料“屈服”了，B点以后总的趋势是载荷几乎不增加但形变却增加很多,B点：屈服点 B点时对应的应力屈服应力 B点时对应的应变屈服应变 C点：断裂点 C点对应的应力断裂应力（断裂强度）抗拉强度 C点对应的应变断裂伸长率,4-3 高聚物的屈服,1.高聚物屈服点的特征 大多数高聚物有屈服现象，最明显的屈服现 象是拉伸中出现的细颈现象。它是独特的力 学行为。并不是所有的高聚物材料都表现出 屈服过程，这是由于温度和时间对高聚物的 性能的影响往往掩盖了屈服行为的普遍性， 有的高聚物出现细颈和冷拉，而有的高聚物 脆性易断。,(1)屈服应变大：高聚物的屈服应变比 金属大得多，金属0.01左右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切变屈服为 0.25，压缩屈服为0.13） (2)屈服过程有应变软化现象：许多高 聚物在过屈服点后均有一个应力不太 大的下降，叫应变软化，这时应变增 大，应力反而下降。,(3)屈服应力依赖应变速率：应变速率增大，屈服应力增大。,应变速率对PMMA真应力应变曲线的影响,应变速率增大,1,2,3,4,10.2吋分,真应变,41.28吋/分,31.13吋/分,20.8吋/分,真应力,(4)屈服应力依赖于温度：温度升高，屈服应力下降。在温度达到 时，屈服应力等于0,应力,应变,80,65,50,25,0,25,(5)屈服应力受流体静压力的影响：压力增大，屈服应力增大。,1.7千巴,1巴,0.69千巴,3.2千巴,切应力,切应变,(6)高聚物屈服应力不等于压缩屈服应 力，一般后者大一些。所以高聚物取 向薄膜不同方向上的屈服应力差别很 大。 (7)高聚物在屈服时体积略有缩小。,2.真应力-应变曲线及屈服判据三种类型,3.屈服机理 (1)银纹屈服-银纹现象与应力发白 1)银纹 现象：很多高聚物，尤其是玻璃态透明 高聚物（PS、PMMA、PC）在储存过程 及使用过程中，往往会在表面出现像陶 瓷的那样，肉眼可见的微细的裂纹，这 些裂纹，由于可以强烈地反射可见光看 上去是闪亮的，所以又称为银纹crage,原因： a是高聚物受到张应力作用时，在材料某些薄 弱环节上应力集中，而产生局部塑性形变，而 在材料表面或内部出现垂直于应力方向的微细 凹槽或“裂纹”的现象 b环境因素也会促进银纹产生，化学物质扩散 到高聚物中，使微观表面溶胀或增塑，增加分 子链段的活动性，玻璃化温度下降促进银纹产 生，另外，试样表面的缺陷和擦伤处也易产生 银纹，或起始于试样内部空穴或夹杂物的边界 处，这些缺陷造成应力集中，有利于银纹产生,2)应力发白 现象：橡胶改性的PS：HIPS或ABS在受 到破坏时，其应力面变成乳白色，这就 是所谓应力发白现象。 应力发白和银纹化之间的差别在于银纹 带的大小和多少，应力发白是由大量尺 寸非常小的银纹聚集而成。,(2)剪切屈服 现象：韧性高聚物在拉伸至屈服点时，常可 见试样上出现与拉伸方向成45°角的剪切滑 移变形带。 对韧性材料来说，拉伸时45 °斜截面上的最大切应力首先达到材料的剪切强度，所以首先出现与拉伸方向成45 °的剪切滑移变形带-细颈。 因为变形带中分子链的取向度高，故变形逐步向整个试样扩展。,通常，韧性材料最大切应力首先达到抗剪强度，所以材料先屈服。 脆性材料最大切应力达到抗剪强度之前，真应力已超过材料强度，所以材料来不及屈服就已断裂。 因此韧性材料-断面粗糙-明显变形 脆性材料-断面光滑-断面与拉 伸方向垂直,4-4 高聚物的断裂与强度,1.脆性断裂与韧性断裂 从实用观点来看，高聚物材料的最大优点是 它们内在的韧性，也就是说它在断裂前能吸 收大量的能量，但是这种内在的韧性不是总 是能表现出来的，由于加载方式、温度、应 变速率、试样形状、大小等的改变却会使韧 性变坏，甚至会脆性断裂，而材料的脆性断 裂是工程上必须尽量避免的。,脆性： 的关系是线性（或微曲） 断裂应变低于，断裂能不大 断裂面光滑 韧性： 关系非线性 断裂前形变大得多，断裂能很大 断裂面粗糙,对高聚物材料，脆性还是韧性极大地取决于实验条件：主要看温度和测试速率。 在恒定的应变速率下：低温脆性形式向高温韧性形式转变 在恒定温度下：应变速率上伸，表现为脆性形式；应变速率下降，表现为韧性形式,.高聚物的强度 （1）高聚物材料的破坏实质上大分子主链上化学键的断裂或是高分子链之间相互作用力的破坏。所以从构成高分子链化学键的强度和高分子链间相互作用力的强度可以估称高聚物材料的理论强度。 （2）半经验公式： 杨氏模量,（3）一般讲，实际强度仅是理论强度的1/100到1/1000，为什么？ 材料内部应力集中引起（有的有缺陷，有的是杂质）。受外力作用时，缺陷根部的应力比材料平均受到的应力大得多，形成塑性屈服区，所以当材料的平均应力还没有达到它的理论强度以前，而缺陷根部的应力首先达到了理论强度的临界值，材料就先从这里开始破坏。,（4）影响强度的因素（规定试样尺寸） 填料：与填料高聚物的性质有关（纤维填料能改进高聚物的力学强度）。粉料填料也可以作增强剂 （如碳黑增强橡胶，模量和强度增加） 受力的条件（温度、速度）：按作用力作用方式不同力学强度分为：抗拉强度，抗压强度，抗弯强度，冲击强度 为了得到重复性好的结果，为了消除受力条 件的影响，规定了统一的标准条件-标准测试,4-5 塑料常规力学性能的测试,1测试标准方法 内部标准方法（内标） 企业标准方法（企标） 部标准方法（部标） 国家标准方法（国标） 国际标准方法：ISO，ASTM,2影响测试结果的因素 （1）试样：试样的制备 试样尺寸 试样的预处理 （2）测试环境条件,3 常见的力学性能的测试仪器 拉力试验机（根据负荷测定的方 法不同，可以分为两类）： 摆锤式和电子拉力试验机 无论哪种试验机，更换夹具后，均可进行拉伸，压缩，弯曲，剪切，撕裂，剥离等力学测试。,