张弢高分子材料学课件 17 properties 高聚物的力学性能i.ppt

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1、高聚物的力学性能I,玻璃态高聚物的力学性质,高聚物力学性能的多样性,高聚物具有通常温度下所有已知材料中可变范围最宽的力学性质：聚苯乙烯：脆；尼龙：坚韧，不易变形、不易破碎；轻度交联的橡胶：高弹形；胶泥：变形后可保持新的形状。高聚物的粘弹性：力学性能的温度、时间依赖性，同时具有液体和固体的性质。高聚物的力学性能是由其结构决定的：化学结构、分子量及其分布、支化和交联、结晶度和结晶形态、共聚方式、分子取向、增塑及填料等。玻璃态和结晶态的力学性质高弹态的力学性质高聚物的力学松弛：粘弹性,应力和应变,材料在外力作用下不能产生惯性移动时其几何形状和尺寸的变化，称应变（Strain），e；%。材料发生宏观形

2、变时，内部分子间及分子内各原子间的相对位置和距离也会发生变化，产生了原子间及分子间的附加内力，以抵抗外力并试图恢复到变形前的状态，达到平衡时，附加内力与外力大小相等，方向相反。单位面积上的附加内力为应力（Stress），s；N/m2(Pa)。,简单拉伸情况下,习用应变（相对伸长或伸长率）,拉伸应力（习用应力）,真应力,真应变,一对外力 F 垂直于截面积 A0，大小相等、方向相反且在同一条直线上。,简单剪切和均匀压缩情况,简单剪切：一对外力 F 平行于截面积 A0，大小相等、方向相反；切应变g和剪切应力ss,均匀（静态流体）压缩：围压力P，产生均匀压缩形变D,弹性模量,理想的弹性固体符合虎克定律

3、，弹性模量为应力与应变之比。模量是材料发生单位形变时的应力，表征材料抵抗变形能力的大小，模量越大，越不容易变形，材料刚性越大。对应拉伸、剪切、均匀压缩的模量分别称杨氏模量E、剪切模量G和体积模量B。,模量的倒数称柔量，对应地有拉伸柔量D，剪切柔量J，和体积模量的倒数可压缩度。,各种模量的关系,其中u称泊松比（Poissons ratio），定义为拉伸实验中，材料横向单位宽度的减小与纵向单位长度的增加值之比。对于理想不可压缩体，形变时没有体积变化：u=0.5，E=3G；对于一般材料，形变时有体积变化，0.2u0.5；橡胶和小分子液体u0.5。E、G、B、u四个参数，只要知道两个就足以描述各相同性

4、材料的弹性力学行为。对各向异性材料具有更加复杂的关系。,对于各向同性材料：,机械强度,机械强度是指材料抵抗外力破坏的能力。是材料力学性能的指标。对不同的破坏力有不同的强度指标。标准化的强度试验使各种材料之间具有可比性。拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、硬度等。,拉伸强度,在规定的温度湿度和试验速度下，标准试样沿轴向拉伸至断裂，断裂前试样承受的最大载荷P与试样横截面积之比。,拉伸模量（杨氏模量）由拉伸初始阶段应力应变之比来计算。,P是变形较小时的载荷,弯曲强度,也称挠曲强度，在规定试验条件下，对试样施加静弯曲力矩直至折断，取最大载荷P计算弯曲强度：,弯曲模量,d称挠度，是试样着力处的位移,弯曲强度也

5、可以将试样一端固定，另一端来施加载荷。也可以采用圆形试样。,冲击强度,试样受到冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量。测试冲击强度的方法：摆锤式冲击、落重式冲击和快速拉伸。摆锤式冲击：简支梁式（Charpy试验）和悬臂梁式（Izod）。,落重式冲击：逐渐升高重物的下落高度直至材料破坏，从重物的高度和重量计算冲击强度。快速拉伸得到的应力应变曲线下的面积为冲击强度。,硬度,衡量材料表面抵抗压力的能力，与材料的抗张强度和弹性模量有关。动载法（弹性回跳）和静载法（压入法）测量。按压头形状和计算方法有布氏、洛氏、邵氏硬度等。布氏硬度试验：将直径D的钢球压入试样表面，保持压力使材料充分变形，测量压入深度h

6、，计算凹痕表面积，单位面积上的载荷（Kg/mm2）为布氏硬度HB。,材料拉伸行为：应力应变曲线,高聚物的拉伸行为,玻璃态高聚物的拉伸；玻璃态聚合物的强迫高弹形变；结晶高聚物的拉伸；硬弹性材料的拉伸应变诱发的塑料-橡胶转变,玻璃态非晶高聚物的拉伸,T Tg,e 10%,脆性断裂；应变可回复；1；T 略升高但仍低于Tg，出现屈服点 B，e 20%；屈服形变；屈服应力；韧性断裂；需升温到Tg以上才回复；2；T低于Tg几十度，e增大；C点断裂，断裂应力，断裂伸长率；韧性断裂；需升温到Tg以上才回复；3；,T Tg，进入高弹态，高弹形变，没有屈服点，应力变化小而应变很大；4；,PMMA的应力应变曲线,无

7、规PMMA Tg=105C(221F),玻璃态高聚物的强迫高弹形变,玻璃态高聚物在大外力作用下发生的高弹形变称强迫高弹形变，本质上与橡胶的高弹形变一样，表现形式不同。原因：外力作用缩短了链段沿外力方向运动的松弛时间。,E：活化能a：与材料有关的常数,强迫高弹形变产生的条件,够大的力：sy s sb适当的温度：TbTTg，（塑料的使用温度范围），Tb：脆化温度（TTb，不能发展强迫高弹形变）适当的作用速度：太快来不及产生，太慢形成部分粘流结构：太柔（分子堆砌太紧密）、太刚（链段不能运动）都导致脆性分子量：太小（分子堆砌太紧密，Tb、Tg接近）使材料呈脆性，没有强迫高弹态,结晶高聚物的拉伸,出现明

8、显的转折，分作三段屈服点Y之前，材料截面不变；Y点：屈服，突然出现细颈，进入第二阶段应力几乎不变，细颈扩展，应变增大（500%-1000%）；完全成颈，应力增大直至X点断裂,晶态高聚物的弹性形变,第II阶段的大形变是微晶重排、破坏、形成微纤的过程。通常不易回复（形变被新的结晶冻结），加热到Tm附近，则重新回复，本质上仍是高弹形变。,AD：微晶偏转，滑移，破裂，形成微纤；形变可达百分之几百,非晶与晶态高聚物高弹形变的异同,相似之处：都经历弹性变形、屈服（成颈）、发展大形变、“应变硬化”等阶段；拉伸的后阶段材料呈强烈的各相异性；断裂前的大形变室温不能回复，加热后（接近Tg，Tm）可回复；本质上都是

9、高弹形变（冷拉）不同之处：冷拉的温度范围不同，Tb-Tg，Tg-Tm；非晶态聚合物中只发生分子的取向，无相变；晶态聚合物中还包括结晶的破坏、取向、重新结晶等聚集态结构的复杂变化。,晶态高聚物应力应变曲线的影响,温度、应变速率、结晶度、结晶形态等的影响,温度,应变速率,结晶度,结晶形态，球晶大小,硬弹性材料的拉伸,易结晶的高聚物熔体在高拉伸应力场中结晶，得到具有很高弹性的纤维或薄膜，弹性模量远高于普通橡胶，称硬弹性材料（Hard Elastic Materials）。高起始模量，屈服不明显，无成颈现象，拉伸中应力持续缓慢上升，形变可自发回复（98%）。,晶态高聚物：PP,POM,PE,PA;非晶

10、高聚物：HIPS,快速牵伸下熔纺的PP纤维,硬弹性行为的解释,Clark能弹性模型（晶态高聚物）：片晶的弹性弯曲表面能机理：晶态和非晶态硬弹性材料都具有板块-微纤复合结构，微纤的表面能改变引起硬弹性行为：克服表面能使应力缓慢增大，微纤孔隙率的增加提供了大形变,硬弹性PP的板块-微纤复合结构,应变诱发的塑料-橡胶转变,某些嵌段共聚物及其与相应均聚物的共混物表现出的特有的应变软化现象。第一次拉伸是典型的塑料，释放外力后迅速恢复且无需加热；第二次拉伸表现为橡胶，室温下较长时间后可恢复成塑料。SBS，S:B1:1塑料相与橡胶相呈层状分布，拉伸中塑料相倾斜、曲折直至撕裂，室温放置或加热后塑料相重建的过程

11、。,拉伸前,e=80%,e=500%,e=600%并室温回复数天,e=600%并100C回复2hr,聚合物应力应变曲线类型,硬而脆：PS，PMMA，酚醛等。高模量、较高拉强、无屈服、低伸长（2%）；硬而强：硬质PVC。高模量、高拉强、低伸长（5%）；,强而韧：PA66，PC，POM等。高强度、高伸长，有细颈；软而韧：橡胶，增塑PVC。低模量，高伸长（1000%），无明显屈服，高断裂强度；软而弱：凝胶,高聚物的屈服,高聚物的屈服,脆性材料：没有屈服，断裂面与拉伸方向垂直，断裂面光洁；韧性材料：屈服，断裂面与拉伸方向呈45角；材料内部出现“剪切带”。,脆性材料,韧性材料,PET的剪切带,为什么？,

12、切应力双生互等定律,对倾角为a的斜截面Aa：,对倾角为b=90+a的另一斜截面：,试样受力时，任意截面上的法应力和切应力与正应力和倾角有关并随倾角改变；法向应力之和为正应力；互相垂直的面上的剪切应力数值相等，方向相反，同时出现，不能单独存在切应力双生互等定律,剪切带的解释,截面倾角为45时，剪切应力具有最大值；韧性材料斜截面上的剪切应力首先达到材料的剪切强度，出现45的滑移带，表现为屈服；继续拉伸，链段取向，强度提高，不再变形而在变形带边缘继续滑移，形成细颈，直至细颈扩展到整个试样后正应力达到拉伸强度，出现断裂；脆性材料在剪切应力达到剪切强度之前正应力首先达到拉伸强度，发生断裂。实际滑移带大于

13、45甚至接近60，原因有二：假定体积不变，实际泊松比0.5，体积变化导致角度变大；剪切带角度在外力撤除后回缩，剪切角度增大。,真应力应变曲线,习用应力应变曲线是荷重-伸长曲线；试样变形时截面积有变化，真应力s与习用应力s有差别；设试样变形时体积不变，即 A0l0=Al，定义伸长比l=l/l0=1+e，则：,可以从习用应力应变曲线通过上式换算得到真应力应变曲线，A0A，ss习用应力应变曲线上可以用曲线拐点判断屈服，真应力应变曲线上如何判断？,真应力应变曲线的屈服判据,习用应力应变曲线上屈服点是曲线的拐点，即ds/de=0，根据前式s=s/(1+e)，有：,在真应力应变曲线上从横坐标上e=-1或 l=0处向曲线作切线，切点即屈服点，对应的真应力为真屈服应力sy。Considre作图法,真应力应变曲线的类型,从l=0处不能向曲线作切线，随负荷增大而均匀伸长但不能成颈。,从l=0处可以向曲线作一条切线，切点为屈服点，在屈服点成颈但不稳定，细颈很快细化到断裂。,从l=0处可以向曲线作两条切线。D为屈服点，出现细颈；到E点细颈稳定直至发展到整个试样。,