蠕变、应力松弛、滞后和内耗讲解课件.ppt

粘 同黏：象糨糊或胶水等所具有的、能使一个物质附着在另一个物体上的性质。,弹 由于物体的弹性作用使之射出去。弹簧 利用材料的弹性作用制得的零件，在外力作用下能发生形变（伸长、缩短、弯曲、扭转等），除去外力后又恢复原状。,蠕变、应力松弛、滞后和内耗,受到外力作用形变很小，符合胡克定律 E 特点：受外力作用后，应力和应变之间呈线性关系 E，应力与应变随时保持同相位；应变与t无关。受力时，应变瞬时发生达到平衡值，除去外力，应变瞬时恢复（可逆弹性形变）。,理想弹性固体,符合牛顿流体的流动定律的流体特点：受力作用后，应力与应变速率呈线性关系；受力时，应变随时间线性发展，外力去除后，应变不能回复（不可逆）。,理想粘性液体,粘弹性,材料在较小的外力作用下，弹性和粘性同时存在的力学行为称为粘弹性。其特征是应变落后于应力，即应变对应力的响应不是瞬时完成的，需要通过一个弛豫过程。应力与应变的关系与时间有关。粘弹性材料力学性质与时间有关，具有力学松弛的特征。实际上任何材料均同时显示弹性和粘性两种性质，只是由于结构不同，粘弹性的显化程度不同，其中最典型的是高分子材料。一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应力时表现粘弹性现象。,高聚物粘弹性 The viscoelasticity of polymers,s=const.,线性粘弹性：如果高聚物的粘弹性是由服从虎克定律的理想固体的线性弹性行为和理服从牛顿流动定律的理想液体的线性粘性行为组合起来的。否则，则称为非线性粘弹性。一般认为，在小变形下，或低变形速率下，高分子材料主要表现线性粘弹性,力学松弛或粘弹现象,聚合物的力学性质随时间变化的现象，叫力学松弛或粘弹现象。,2.蠕变曲线和蠕变方程,注：不可逆形变,加力瞬间，键长、键角立即产生形变，形变直线上升通过链段运动，构象变化，使形变增大分子链之间发生质心位移,t2,t1,当聚合物受力时，以上三种形变同时发生聚合物的总形变方程:,Creep recovery 蠕变回复,撤力一瞬间，键长、键角等次级运动立即回复，形变直线下降通过构象变化，使熵变造成的形变回复分子链间质心位移是永久的，留了下来,3.不同聚合物的蠕变曲线:,二、应力松弛,1.定义:在恒定的温度和形变不变的情况下,聚合物内部应力随着时间的增长而逐渐衰减的现象。如钟表的发条、松紧带、捆扎物体的软PVC丝。,2.应力松弛的内因：其实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运动的三种情况。在外力作用下，高分子链段不得不顺着外力方向被迫舒展，因而产生内部应力，与外力相抗衡。但是，通过链段热运动使有些缠结点散开以致分子链产生相对滑移，调整分子构象，逐渐回复其蜷曲状态，内应力逐渐消除，与之相平衡的外力当然也逐渐衰减，以维持恒定的形变。,图8 应力松弛曲线,三、动态粘弹性（滞后、内耗）,在正弦或其它周期性变化的外力作用下,聚合物粘弹性的表现。,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。如轮胎、传送皮带、吸收震动的消音器等，研究这种交变应力下的力学行为称为动态力学行为。,1.滞后现象,定义:聚合物在交变应力的作用下,形变落后于应力变化的现象。,产生原因:链段运动时受内摩擦阻力作用,当外力变化时，链段的运动还跟不上外力的变化，而形变是由链段运动产生的,所以形变落后于应力，产生一个位相差，越大说明链段运动越困难，形变越跟不上力的变化。,越大，说明滞后现象越严重,滞后现象与哪些因素有关?,a.化学结构:刚性链滞后现象小,柔性链滞后现象大.b.温度：当不变的情况下,T很高滞后几乎不出现,温度很低,也无滞后.在Tg附近的温度下，链段既可运动又不太容易，此刻滞后现象严重。,c.:外力作用频率低时,链段的运动跟的上外力 的 变化,滞后现象很小.外力作用频率不太高时,链段可以运动,但是跟不上外力的变化,表现出明显的滞后现象.,外力作用频率很高时,链段根本来不及运动,聚合物好像一块刚性的材料,滞后很小,定义:,定义1：如果形变的变化跟不上应力的变化,发生滞后现象,则每一次循环变化就会有功的消耗(热能),作为热损耗掉的能量与最大储存能量之比称为力学损耗,也叫内耗。,2.力学损耗（内耗）,定义2：在交变应力作用下，由于力学滞后或者力学阻尼而使机械功转变成热的现象。,滞后圈,内耗的情况可以从橡胶拉伸回缩的应力应变曲线上看出,拉伸曲线下面积为外力对橡胶所作的拉伸功回缩曲线下面积为橡胶对外力所作的回缩功,面积之差,损耗的功,滞后圈面积越大，损耗越大。,滞后圈,损耗模量,损耗因子,储能模量,非晶态聚合物E、E和tan对的关系,内耗主要存在于交变场中的橡胶制品中，塑料处Tg、Tm以下，损耗小,蠕变:固定和T,随t增加而逐渐增大,应力松弛:固定和T,随t增加而逐渐衰减,滞后现象:在一定温度和和交变应力下,应变滞后于应力变化.,力学损耗(内耗):的变化落后于的变化,发生滞后现象,则每一个循环都要消耗功,称为.,静态的粘弹性,动态粘弹性,力学松弛,具体表现：,一个纸杯装满水置于一张桌面上，用一发子弹桌面下部射入杯子，并从杯子的水中穿出，杯子仍位于桌面不动如果纸杯里装的是一杯高聚物的稀溶液，这次，子弹把杯子打出了8米远。用松弛原理解释之。,解：低分子液体如水的松弛时间是非常短的，它比子弹穿过杯子的时间还要短，因而虽然子弹穿过水那一瞬间有黏性摩擦，但它不足以带走杯子。高分子溶液的松弛时间比水大几个数量级，即聚合物分子链来不及响应，所以子弹将它的动量转换给这个“子弹液体杯子”体系，从而子弹把杯子带走了。,