1、,高聚物的力學(xué)性能,概述 高彈性 粘彈性（高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象） 蠕變 應(yīng)力松弛 滯后 力學(xué)損耗 測定高聚物粘彈性的實驗方法 極限力學(xué)行為（屈服、破壞與強度） 塑料常規(guī)力學(xué)性能的測試,概述,力學(xué)性能分類 表征力學(xué)性能的基本物理量 高聚物力學(xué)性能的特點,常 見 材 料 的 泊 松 比,厚度d,寬度b,P,試樣斷裂前所受的最大負(fù)荷P與試樣橫截面積之比為抗張強度t t = P / b d,1、拉伸強度 衡量材料抵抗拉伸破壞的能力，也稱拉伸強度。,3、沖擊強度（i） 沖擊強度也稱抗沖強度, 定義為試樣受沖擊負(fù)荷時單位截面積所吸收的能量。是衡量材料韌性的一種指標(biāo)。,沖擊頭，以一定速度對試樣實施沖擊,1.

2、兩種組成基本相同的乙烯-丙稀共聚物，一種適于rubber，而另一種適于plastics。推測其原因，如何驗證你的推測?,思考題,2、不受外力作用，橡皮筋受熱伸長；在恒定外力作用下，受熱收縮，試用高彈性熱力學(xué)理論解釋 。,3、在橡膠下懸一砝碼，保持外界不變，升溫時會發(fā)生什么現(xiàn)象？,粘 彈 性,松弛現(xiàn)象 蠕變 應(yīng)力松弛 滯后 力學(xué)損耗 測定粘彈性的方法 粘彈性模型 粘彈性與時間、溫度的關(guān)系（時溫等效）,因此高分子的形變行為是與時間有關(guān)的粘性和彈性的組合,粘彈性外力作用下，高聚物材料的形變性質(zhì)兼具 固體的彈性和液體粘性的特征，其現(xiàn)象表 現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)隨時間而變化的力學(xué)松弛現(xiàn)象。,所以高聚物常稱為粘彈性

3、材料，這是聚合物材料的 又一重要特征。,高聚物的力學(xué)松弛現(xiàn)象與模型,力學(xué)松弛高聚物的力學(xué)性能隨時間的變化統(tǒng)稱力學(xué)松弛 最基本的有：,應(yīng)力松弛 蠕變 滯后 力學(xué)損耗,靜態(tài)粘彈性,動態(tài)粘彈性,蠕 變,蠕變：在一定的溫度和恒定的外力作用下（拉力，壓力，扭力等），材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。 蠕變過程包括下面三種形變： 普彈形變、高彈形變、粘性流動,蠕變現(xiàn)象一般采用Voigt(Kelvin)模型來模擬： 由虎克彈簧和牛頓粘壺并聯(lián)而成： 應(yīng)力由兩個元件共同承擔(dān)，,Voigt運動方程,形變量相同,Voigt(Kelvin)模型,始終滿足 =1+2,Voigt(Kelvin)模型,1=E1,3,

4、3,1,2,t,多元件模型,四單元模型,蠕變時：,t1 t2,例1：硬PVC抗蝕性好，可作化工管道，但易蠕變，所以使用時必須增加支架。 例2：聚四氟乙烯(PTFE)是塑料中摩擦系數(shù)最小的，所以有很好的自潤滑性能，但蠕變嚴(yán)重，所以不能作機械零件，卻是很好的密封材料。 例3：橡膠采用硫化交聯(lián)的辦法來防止由蠕變產(chǎn)生分子間滑移造成不可逆的形變。,力 學(xué) 松 弛 現(xiàn) 象,應(yīng) 力 松 弛 （Stress Relax）,定義：對于一個線性粘彈體來說，在應(yīng)變保持不變的情況下，應(yīng)力隨時間的增加而逐漸衰減，這一現(xiàn)象叫應(yīng)力松弛。,拉伸一塊未交聯(lián)的橡膠到一定長度，并保持長度不變，隨著時間的增加，這塊橡膠的回彈力會逐漸

5、減小，這是因為里面的應(yīng)力在慢慢減小，最后變?yōu)?。因此用未交聯(lián)的橡膠來做傳動帶是不行的。,起始應(yīng)力 松弛時間 應(yīng)力松弛和蠕變是一個問題的兩個方面，都反映了高聚物內(nèi)部分子的三種運動情況：當(dāng)高聚物一開始被拉長時，其中分子處于不平衡的構(gòu)象，要逐漸過渡到平衡的構(gòu)象，也就是鏈段要順著外力的方向來運動以減少或消除內(nèi)部應(yīng)力。,（1）如果 ，如常溫下的橡膠，鏈段易運動，受到的內(nèi)摩擦力很小，分子很快順著外力方向調(diào)整，內(nèi)應(yīng)力很快消失（松弛了），甚至可以快到覺察不到的程度 。 （2）如果 ，如常溫下的塑料，雖然鏈段受到很大的應(yīng)力，但由于內(nèi)摩擦力很大，鏈段運動能力很小，所以應(yīng)力松弛極慢，也就不易覺察到。,溫度與應(yīng)力松弛

6、,（3）如果溫度接近 （附近幾十度），應(yīng)力松弛可以較明顯地被觀察到，如軟PVC絲，用它來縛物，開始扎得很緊，后來就會慢慢變松，就是應(yīng)力松弛比較明顯的例子。 （4）只有交聯(lián)高聚物應(yīng)力松弛不會減到零（因為不會產(chǎn)生分子間滑移），而線形高聚物的應(yīng)力松弛可減到零。,應(yīng)力松弛的Maxwell模型,一個虎克彈簧（彈性） 一個牛頓粘壺（粘性）,串連說明粘彈性,虎克彈簧,牛頓粘壺,1=E1,松弛過程（兩種現(xiàn)象） 是高聚物從一種平衡狀態(tài)過渡到另外一種平衡狀態(tài)的過程。在松弛過程中，高聚物處于不平衡的過渡。 常見的高聚物松弛過程,總結(jié),高聚物的松弛過程直接影響高聚物材料尺寸穩(wěn)定性；但高聚物材料成型加工過程中需要通過松

7、弛過程將各種應(yīng)力松弛掉，防止應(yīng)力集中而影響使用。 松弛過程的本質(zhì)：是鏈段和分子鏈運動的結(jié)果。 應(yīng)力松弛曲線與應(yīng)力松弛示意圖 蠕變曲線示意圖,t,停止型,減小型,應(yīng)力松弛示意圖,應(yīng)力松弛曲線示意圖,增長型,停止型,穩(wěn)變型,t,蠕變曲線示意圖,滯后現(xiàn)象,試樣在交變應(yīng)力作用下，應(yīng)變的變化落后于應(yīng)力的變化的現(xiàn)象,滯 后 現(xiàn) 象（Delay ）,高聚物作為結(jié)構(gòu)材料，在實際應(yīng)用時，往往受到交變力的作用。例如傳動皮帶，齒輪，輪胎，消振器等，它們都是在交變力作用的場合使用的。,例如，自行車行駛時橡膠輪胎的某一部分一會兒著地，一會兒離地，因而受到的是一個交變力。在這個交變力作用下，輪胎的形變也是一會兒大一會兒小

8、的變化。形變總是落后于應(yīng)力的變化，這種滯后現(xiàn)象的發(fā)生是由于鏈段在運動時要受到內(nèi)摩擦力的作用。當(dāng)外力變化時，鏈段的運動跟不上外力的變化，所以落后于應(yīng)力，有一個相位差。相位差越大，說明鏈段運動越困難。,汽車速度60公里/小時 輪胎某處受300次/分的周期應(yīng)力作用。,再以輪胎為例，車在行進中，它上面某一部分一會兒著地，一會離地，受到的是一定頻率的外力，它的形變也是一會大，一會小，交替地變化。,粘彈材料的力學(xué)響應(yīng)介于彈性與粘性之間，應(yīng)變落后于應(yīng) 力一個相位角。,形變落后于應(yīng)變變化的相位角。 越大，說明滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重。,解釋： 產(chǎn)生滯后的原因：外力作用時，鏈段運動要受到內(nèi)摩擦阻力的作用，外力變化時鏈段運

9、動跟不上外力的變化，落后于。鏈段在運動時要受到內(nèi)摩擦力的作用，當(dāng)外力變化時鏈段的運動還跟不上外力的變化，形變落后于應(yīng)力，有一個相位差，其越大，說明鏈段運動愈困難，愈是跟不上外力的變化。,高聚物的滯后現(xiàn)象與其本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)：通常剛性分子滯后現(xiàn)象?。ㄈ缢芰希?；柔性分子滯后現(xiàn)象嚴(yán)重（如橡膠） 滯后現(xiàn)象還受到外界條件的影響,外力作用的頻率 如果外力作用的頻率低，鏈段能夠來得及運動，形變能跟上應(yīng)力的變化，則滯后現(xiàn)象很小。 只有外力的作用頻率處于某一種水平，使鏈段可以運動，但又跟不上應(yīng)力的變化，才會出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象,溫度的影響 溫度很高時，鏈段運動很快，形變幾乎不落后應(yīng)力的變化，滯后現(xiàn)象幾乎不存在

10、溫度很低時，鏈段運動速度很慢，在應(yīng)力增長的時間內(nèi)形變來不及發(fā)展，也無滯后 只有在某一溫度下（ 上下幾十度范圍內(nèi)），鏈段能充分運動，但又跟不上應(yīng)力變化，滯后現(xiàn)象就比較嚴(yán)重,增加頻率與降低溫度對滯后有相同的影響 降低頻率與升高溫度對滯后有相同的影響,力 學(xué) 損 耗,輪胎在高速行使相當(dāng)長時間后，立即檢查內(nèi)層溫度，為什么達到燙手的程度？,解：高聚物受到交變力作用時會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，上一次受到外力后發(fā)生形變在外力去除后還來不及恢復(fù)，下一次應(yīng)力又施加了，以致總有部分彈性儲能沒有釋放出來。這樣不斷循環(huán)，那些未釋放的彈性儲能都被消耗在體系的自摩擦上，并轉(zhuǎn)化成熱量放出。,定義,這種由于力學(xué)滯后而使機械功轉(zhuǎn)換成熱的

11、現(xiàn)象，稱為力學(xué)損耗或內(nèi)耗。,以應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系作圖時，所得的曲線在施加幾次交變應(yīng)力后就封閉成環(huán)，稱為滯后環(huán)或滯后圈，此圈越大，力學(xué)損耗越大。,例1： 對于作輪胎的橡膠，則希望它有最小的力學(xué)損耗才好。 順丁膠：內(nèi)耗小，結(jié)構(gòu)簡單，沒有側(cè)基，鏈段運動的內(nèi)摩擦較小。 丁苯膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有較大剛性的苯基，鏈段運動的內(nèi)摩擦較大。 丁腈膠：內(nèi)耗大，結(jié)構(gòu)含有極性較強的氰基，鏈段運動的內(nèi)摩擦較大。 丁基膠：內(nèi)耗比上面幾種都大，側(cè)基數(shù)目多，鏈段運動的內(nèi)摩擦更大。,例2： 對于作為防震材料，要求在常溫附近有較大的力學(xué)損耗（吸收振動能并轉(zhuǎn)化為熱能）。 對于隔音材料和吸音材料，要求在音頻范圍內(nèi)有較大的力學(xué)損耗（當(dāng)然也不

12、能內(nèi)耗太大，否則發(fā)熱過多，材料易于熱態(tài)化）。,動態(tài)力學(xué)性能的影響因素,滯后現(xiàn)象主要存在于交變場中的橡膠制品中，塑料處Tg、Tm以下，損耗小。,結(jié)構(gòu)的影響： BR順丁橡膠 : 結(jié)構(gòu)簡單，分子間力小，鏈段運動容易內(nèi)摩 擦阻力小，松弛時間短，小，tg小 NR: 結(jié)構(gòu)上比BR多一側(cè)甲基，tg較BR小 SBR丁苯橡膠: 側(cè)基有芳環(huán)，體積效應(yīng)大，tg 大升熱大,溶 聚丁苯膠的升熱較低,NBR丁腈橡膠: 側(cè)基-CN，極性大，分子間力大，內(nèi)摩擦大，運動 阻力大，大，NBR的tg與 -CN含量有關(guān) IIR丁基橡膠: 側(cè)基-CH3，數(shù)目多，動態(tài)下內(nèi)摩擦阻力大， tg大,BR NR SBR NBR IIR,tg由小

13、到大的順序：,溫度的影響： （固定頻率下）,Tg以下，形變主要 由鍵長、鍵角的變化引起，形變速率快，幾乎完全跟得上應(yīng)力的變化，tg小 Tg附近時，鏈段開始運動，而體系粘度很大，鏈段運動很難，內(nèi)摩擦阻力大，形變顯著落后于應(yīng)力的變化， tg大（轉(zhuǎn)變區(qū)） 鏈段運動較自由、容易，受力時形變大，tg小，內(nèi)摩擦阻力大于玻璃態(tài)。 向粘流態(tài)過度，分子間的相互滑移，內(nèi)摩擦大，內(nèi)耗急劇增加， tg大,TTg：,TTg：,TTf：,TTg：,頻率的影響：（溫度恒定）,（1）交變應(yīng)力的頻率小時： （相當(dāng)于高彈態(tài)） 鏈段完全跟得上交變應(yīng)力的變化，內(nèi)耗小，E小，E” 和tg都比較低. （2）交變應(yīng)力的頻率大時： （相當(dāng)于

14、玻璃態(tài)） 鏈段完全跟不上外力的變化，不損耗能量，E大， E”和tg0 （3）頻率在一定范圍內(nèi)時： 鏈段可運動，但又跟不上外力的變化，表現(xiàn)出明顯的 能量損耗，因此E”和tg在某一頻率下有一極大值,玻璃化轉(zhuǎn)變頻率此區(qū)域表現(xiàn)出明顯的粘彈行為故稱粘彈區(qū),測定高聚物粘彈性的實驗方法,蠕變儀 高聚物的蠕變試驗可在拉伸，壓縮，剪切，彎曲下進行。,（）拉伸蠕變試驗機 （塑料） 原理：對試樣施加恒定的外力（加力可以是上夾具固定，自試樣下面直接掛荷重），測定應(yīng)變隨時間的變化,夾具,試樣,荷重,注： 對于硬塑料，長度變化較小，通常在試樣表面貼應(yīng)變片（類似電子秤的裝置，可以將力學(xué)信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚?，而得出?yīng)變值），測定

15、拉伸過程中電阻值的變化而得出應(yīng)變值。,（）剪切蠕變（交聯(lián)橡膠） 材料受的剪切應(yīng)力在這種恒切應(yīng)力下測定應(yīng)變隨時間的變化。,應(yīng)力松弛 拉伸應(yīng)力松弛 （橡膠和低模量高聚物的應(yīng)力松弛實驗）,動態(tài)扭擺儀 扭擺測量原理：由于試樣內(nèi)部高分子的內(nèi)摩擦作用，使得慣性體的振動受到阻尼后逐漸衰減，振幅隨時間增加而減小。,極 限 力 學(xué) 行 為,概述 應(yīng)力應(yīng)變曲線 屈服 冷拉與成頸 銀紋與應(yīng)力發(fā)白 強度與破壞,概 述,非極限范圍內(nèi)的小形變：可用模量來表示形變特性 極限范圍內(nèi)的大形變：要用應(yīng)力應(yīng)變曲線來反映這一過程,The stress-strain curves 應(yīng)力-應(yīng)變曲線,A 彈性極限應(yīng)變 A彈性極限應(yīng)力 B

16、斷裂伸長率 B斷裂強度 Y 屈服應(yīng)力,Y point: Yielding point 屈服點,A point: Point of elastic limit 彈性極限點,B point: Breaking point 斷裂點,形變過程,彈性形變 -屈服-應(yīng)變軟化-冷拉-應(yīng)變硬化-斷裂,由應(yīng)力應(yīng)變曲線上可獲得的反映破壞過程的力學(xué)量: 楊氏模量 屈服應(yīng)力 屈服伸長 斷裂強度（抗拉強度） 斷裂伸長,高聚物的力學(xué)性能與溫度和力的作用速率有關(guān)，因此在試驗和應(yīng)用中務(wù)必牢牢記?。罕仨殬?biāo)明溫度和施力速率（或形變速率），切勿將正常形變速率下測試數(shù)據(jù)用于持久力作用或沖擊力作用下的場合下；切勿將正常溫度下得到的數(shù)據(jù)

17、用于低溫或高溫下。只有在寬廣的溫度范圍和形變速率范圍內(nèi)測得的數(shù)據(jù)才可以幫助我們判斷高聚物材料的強度、硬軟、韌脆，再根據(jù)環(huán)境的要求，才能選出合適的材料來進行設(shè)計和應(yīng)用。,材料破壞有二種方式，可從拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀和破壞時斷面形狀來區(qū)分： 脆性破壞:試樣在出現(xiàn)屈服點之前斷裂 斷裂表面光滑 韌性破壞:試樣在拉伸過程中有明顯屈服 點和頸縮現(xiàn)象 短裂表面粗糙,拉伸應(yīng)力曲線反映的材料的力學(xué)性質(zhì) 力 學(xué) 參 量 力 學(xué) 性 質(zhì) 彈性模量 剛性 屈服點 彈性 斷裂伸長 延性 屈服應(yīng)力 強度 （或斷裂強度、抗拉強度） 應(yīng)力應(yīng)變曲線下部的面積 韌性 彈性線下部的面積 回彈性,應(yīng) 力-應(yīng) 變 曲 線,1.高聚物

18、的應(yīng)力應(yīng)變綜合曲線,整個曲線有兩個轉(zhuǎn)折點，劃分為三段：曲線的初始段（OY），應(yīng)力隨應(yīng)變直線增加，試樣均勻伸長；達到屈服點（Y）后，試樣突然在某處或幾處變細(xì)，出現(xiàn)“細(xì)頸”，由此開始拉伸的第二階段細(xì)頸發(fā)展階段（ND），這一階段的特點是伸長不斷增加而應(yīng)力幾乎不變或增大不多，直至整個試樣全部變細(xì)（D點）；第三階段（DB）是已被細(xì)頸的試樣重新被均勻拉伸應(yīng)力隨應(yīng)變增加，直至斷裂點B為止。,未取向的晶態(tài)高聚物的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,實際聚合物材料，通常是綜合曲線的一部分或是其變異 。 處于玻璃態(tài)的塑料只在一段范圍內(nèi)才具有這種形狀。 處于高彈態(tài)的橡膠，只有在溫度較低和分子量很大時具有這種形狀。,分析： 以B點為界分

19、為二部分： B點以前（彈性區(qū)域）：除去應(yīng)力，材料能恢復(fù)原樣，不留任何永久變形。斜率 即為楊氏模量。 B點以后（塑性區(qū)域）：除去外力后，材料不再恢復(fù)原樣，而留有永久變形，我們稱材料“屈服”了，B點以后總的趨勢是載荷幾乎不增加但形變卻增加很多,B點：屈服點 B點時對應(yīng)的應(yīng)力屈服應(yīng)力 B點時對應(yīng)的應(yīng)變屈服應(yīng)變 C點：斷裂點 C點對應(yīng)的應(yīng)力斷裂應(yīng)力（斷裂強度）抗拉強度 C點對應(yīng)的應(yīng)變斷裂伸長率,由于高分子材料種類繁多，實際得到的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線具有多種形狀。歸納起來，可分為五類 。,圖. 高分子材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線的類型,曲線的類型,（1）硬而脆型 （2）硬而強型 （3）硬而韌型 （4）軟而韌型 （5）

20、軟而弱型,（3）硬而韌型 此類材料彈性模量、屈服應(yīng)力及斷裂強度都很高，斷裂伸長率也很大，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積很大，說明材料韌性好，是優(yōu)良的工程材料。,（1）硬而脆型 此類材料彈性模量高（OA段斜率大）而斷裂伸長率很小。在很小應(yīng)變下，材料尚未出現(xiàn)屈服已經(jīng)斷裂，斷裂強度較高。在室溫或室溫之下，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、酚醛樹脂等表現(xiàn)出硬而脆的拉伸行為。,（2）硬而強型 此類材料彈性模量高，裂強度高，斷裂伸長率小。通常材料拉伸到屈服點附近就發(fā)生破壞（大約為5%）。硬質(zhì)聚氯乙烯制品屬于這種類型。,說明,（5）軟而弱型 此類材料彈性模量低，斷裂強度低，斷裂伸長率也不大。一些聚合物軟凝膠和干酪狀材料具有

21、這種特性。,（4）軟而韌型 此類材料彈性模量和屈服應(yīng)力較低，斷裂伸長率大20%1000%），斷裂強度可能較高，應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積大。各種橡膠制品和增塑聚氯乙烯具有這種應(yīng)力應(yīng)變特征。,硬而韌的材料，在拉伸過程中顯示出明顯的屈服、冷拉或 細(xì)頸現(xiàn)象，細(xì)頸部分可產(chǎn)生非常大的形變。隨著形變的增 大，細(xì)頸部分向試樣兩端擴展，直至全部試樣測試區(qū)都變 成細(xì)頸。很多工程塑料如聚酰胺、聚碳酸酯及醋酸纖維素、 硝酸纖維素等屬于這種材料。,注意,材料拉伸過程還明顯地受環(huán)境條件（如溫度）和測試條件（如拉伸速率）的影響，硬而強型的硬質(zhì)聚氯乙烯制品在很慢速率下拉伸也會發(fā)生大于100%的斷裂伸長率，顯現(xiàn)出硬而韌型特點。,實

22、際高分子材料的拉伸行為非常復(fù)雜，可能不具備上述典型性，或是幾種類型的組合。例如有的材料拉伸時存在明顯的屈服和“頸縮”，有的則沒有；有的材料斷裂強度高于屈服強度，有的則屈服強度高于斷裂強度等。,因此規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的實驗環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)拉伸速率是很重要的。,高聚物的屈服,1、高聚物屈服點的特征 大多數(shù)高聚物有屈服現(xiàn)象，最明顯的屈服現(xiàn) 象是拉伸中出現(xiàn)的細(xì)頸現(xiàn)象。它是獨特的力 學(xué)行為。并不是所有的高聚物材料都表現(xiàn)出 屈服過程，這是由于溫度和時間對高聚物的 性能的影響往往掩蓋了屈服行為的普遍性， 有的高聚物出現(xiàn)細(xì)頸和冷拉，而有的高聚物 脆性易斷。,(1)屈服應(yīng)變大：高聚物的屈服應(yīng)變比 金屬大得多，金屬0.01左

23、右，高聚物 0.2左右（例如PMMA的切變屈服為 0.25，壓縮屈服為0.13） (2)屈服過程有應(yīng)變軟化現(xiàn)象：許多高 聚物在過屈服點后均有一個應(yīng)力不太 大的下降，叫應(yīng)變軟化，這時應(yīng)變增 大，應(yīng)力反而下降。,(3)屈服應(yīng)力依賴于溫度：溫度升高，屈服應(yīng)力下降。,應(yīng)力,應(yīng)變,80,65,50,25,0,25,圖 斷裂強度和屈服強度隨溫度的變化趨勢 虛線高拉伸速率 實線低拉伸速率,材料的拉伸斷裂強度 和屈服強度 隨環(huán)境溫度而發(fā)生變化，屈服強度受溫度變化的影響更大些。,在溫度升高過程中，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。兩曲線交點對應(yīng)的溫度稱脆-韌轉(zhuǎn)變溫度 。,當(dāng)環(huán)境溫度小于 時，材料的 ，受外力作用時，材料未屈服

24、前先已斷裂，呈脆性斷裂特征。,環(huán)境溫度高于 時， ，受外力作 用時，材料先屈服，出現(xiàn)細(xì)頸和很大變形后才斷裂，呈韌性斷裂特征。,(4)屈服應(yīng)力依賴應(yīng)變速率：應(yīng)變速率增大，屈服應(yīng)力增大。,應(yīng)變速率對PMMA真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響,應(yīng)變速率增大,1,2,3,4,10.2吋分,真應(yīng)變,41.28吋/分,31.13吋/分,20.8吋/分,真應(yīng)力,減慢拉伸速率與升高環(huán)境溫度對材料拉伸行為有相似的影響，這是時-溫等效原理在高分子力學(xué)行為中的體現(xiàn)。,圖 斷裂強度和屈服強度隨拉伸速率的變化趨勢 實線低環(huán)境溫度 虛線高環(huán)境溫度,與脆-韌轉(zhuǎn)變溫度相似，根據(jù)圖中兩曲線交點，可以定義脆-韌轉(zhuǎn)變（拉伸）速率 。拉伸速率高于

25、 時，材料呈脆性斷裂特征；低于 時，呈韌性斷裂特征。,應(yīng)變速率對材料的斷裂強度 和屈服強度 也有明顯影響 。,(5)屈服應(yīng)力受流體靜壓力的影響：壓力增大，屈服應(yīng)力增大。 研究發(fā)現(xiàn)，對許多非晶聚合物，如PS、PMMA等，其脆-韌轉(zhuǎn)變行為與環(huán)境壓力有關(guān)。,1.7千pa,1pa,0.69千pa,3.2千pa,切應(yīng)力,切應(yīng)變,環(huán)境壓力的影響,圖 聚苯乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 隨環(huán)境壓力的變化（T=31）,右圖可見，PS在低環(huán)境壓力 （常壓）下呈脆性斷裂特點， 強度與斷裂伸長率都很低。隨 著環(huán)境壓力升高，材料強度增 高，伸長率變大，出現(xiàn)典型屈 服現(xiàn)象，材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。,這兩種不同的脆-韌轉(zhuǎn)變方式給我們以

26、啟發(fā)，告訴我們材料增韌改性并非一定要以犧牲強度為代價。設(shè)計恰當(dāng)?shù)姆椒?，就有可能在增韌的同時，保持或提高材料的強度，實現(xiàn)既增韌又增強。塑料的非彈性體增韌改性技術(shù)就是由此發(fā)展起來的。,兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式,升高溫度使材料變韌，但其拉伸強度明顯下降。 升高環(huán)境壓力則在使材料變韌的同時，強度也得到提高，材料變得強而韌。,升高環(huán)境溫度和升高環(huán)境壓力都能使高分子材料發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變。但兩種脆-韌轉(zhuǎn)變方式有很大差別。,(6)高聚物屈服應(yīng)力不等于壓縮屈服應(yīng) 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應(yīng)力差別很 大。 (7)高聚物在屈服時體積略有縮小。,(1)剪切屈服 現(xiàn)象：韌性高聚物在拉伸至屈服點時

27、，?？?見試樣上出現(xiàn)與拉伸方向成45（135 ）角的剪切滑移變形帶。 對韌性材料來說，拉伸時在一定角度上斜截面上的切應(yīng)力首先達到材料的剪切強度。形成局部剪切形變，可能出現(xiàn)細(xì)頸。 因為變形帶中分子鏈的取向度高，故變形逐步向整個試樣擴展。,2、屈服機理,通常，韌性材料最大切應(yīng)力首先達到抗剪強度，所以材料先屈服。 脆性材料最大切應(yīng)力達到抗剪強度之前，真應(yīng)力已超過材料強度，所以材料來不及屈服就已斷裂。 因此，韌性材料-斷面粗糙-明顯變形 脆性材料-斷面光滑-斷面與拉 伸方向垂直,(2)銀紋屈服-銀紋現(xiàn)象與應(yīng)力發(fā)白 1)銀紋,很多高聚物，尤其是玻璃態(tài)透明高聚物（PS、PMMA、PC）在儲存過程及使用過程

28、中，往往會在表面出現(xiàn)像陶瓷的那樣，肉眼可見的微細(xì)的裂紋，這些裂紋，由于可以強烈地反射可見光看上去是閃亮的，所以又稱為銀紋。如某些高聚物在玻璃態(tài)下拉伸時，會產(chǎn)生垂直于拉應(yīng)力方向的銀紋（craze） 。受力或環(huán)境介質(zhì)的作用都可能引發(fā)銀紋。,銀紋的出現(xiàn)標(biāo)志著材料已受損傷，對材料強度有不良的影響 ；根據(jù)銀紋的形成過程，可認(rèn)為它又是高分子材料的一種變形機理。,高分子材料是脆性裂斷還是延性裂斷，取決于裂尖出現(xiàn)銀紋區(qū)還是塑性區(qū)這兩種過程的競爭。銀紋也會發(fā)展成為裂紋，但銀紋并不是裂紋，其差別主要體現(xiàn)在 :,銀紋可以發(fā)展到與試件尺度相當(dāng)?shù)拈L度，但不會導(dǎo)致試件斷裂，裂紋遠(yuǎn)未達到這樣大的尺寸時試樣已斷裂； 在恒定載

29、荷作用下銀紋恒速發(fā)展，而裂紋的生長是加速的； 試件剛度不隨銀紋化的程度而改變，但裂紋會導(dǎo)致剛度下降； 銀紋的擴展取決于試樣的平均應(yīng)力，裂紋則取決于尖端的應(yīng)力強度因子。,高聚物的斷裂與強度,1.脆性斷裂與韌性斷裂 從實用觀點來看，高聚物材料的最大優(yōu)點是 它們內(nèi)在的韌性，也就是說它在斷裂前能吸 收大量的能量，但是這種內(nèi)在的韌性不是總 是能表現(xiàn)出來的，由于加載方式、溫度、應(yīng) 變速率、試樣形狀、大小等的改變卻會使韌 性變壞，甚至?xí)嘈詳嗔眩牧系拇嘈詳?裂是工程上必須盡量避免的。,脆性： 的關(guān)系是線性（或微曲） 斷裂應(yīng)變低于，斷裂能不大， 斷裂面光滑 韌性： 關(guān)系非線性 斷裂前形變大得多，斷裂能很大

30、， 斷裂面粗糙,對高聚物材料，脆性還是韌性極大地取決于實驗條件：主要看溫度和測試速率。 在恒定的應(yīng)變速率下：低溫脆性形式向高溫韌性形式轉(zhuǎn)變 在恒定溫度下：應(yīng)變速率上伸，表現(xiàn)為脆性形式；應(yīng)變速率下降，表現(xiàn)為韌性形式,.高聚物的強度 （1）高聚物材料的破壞實質(zhì)上大分子主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是高分子鏈之間相互作用力的破壞。所以從構(gòu)成高分子鏈化學(xué)鍵的強度和高分子鏈間相互作用力的強度可以估稱高聚物材料的理論強度。,理論強度的構(gòu)成： 高分子中主要是共價鍵。共價鍵的鍵能約為3.353.78105 J/mole，鍵長約1.5，故共價鍵形成的鍵力約為3410-9 N/鍵。,高分子中分子間作用力，又稱次價力，主要來

31、自所謂的范德瓦力。 高分子中還有另一種次價力，即氫鍵力。,材料的斷裂方式分析,聚合物材料的破壞可能是高分子主鏈的化學(xué)鍵斷裂或是高分子分子間滑脫或分子鏈間相互作用力的破壞。,化學(xué)鍵拉斷,15000MPa,分子間滑脫,5000MPa,分子間扯離,氫鍵 500MPa,范德華力 100MPa,理論值,在斷裂時三種方式兼而有之，通常聚合物理論斷裂強度在幾千MPa，而實際只有幾十Mpa 。WHY？,e.g.,PA, 60 MPa,PPO, 70 MPa,可設(shè)想斷裂是先開始于氫鍵或范德瓦鍵的破斷，然后由于應(yīng)力集中導(dǎo)致某些化學(xué)鍵的破斷，最后促成材料的斷裂。若將高分子的實際強度與分子間的鍵力比較，兩者的數(shù)量級相

32、同。但盡管共價鍵的強度比分子間作用力大1020倍，由于直接承受外力的取向主鏈數(shù)目少，最終的斷裂強度還是較低的。這由材料內(nèi)部應(yīng)力集中引起（有的有缺陷，有的是雜質(zhì)）。受外力作用時，缺陷根部的應(yīng)力比材料平均受到的應(yīng)力大得多，形成塑性屈服區(qū)，所以當(dāng)材料的平均應(yīng)力還沒有達到它的理論強度以前，缺陷根部的應(yīng)力首先達到了理論強度的臨界值，材料就先從這里開始破壞。 因此，理論強度與實際強度之間的巨大差距說明，提高高聚物實際強度的潛力是很大的。,理論值與實驗結(jié)果相差原因,樣條存在缺陷,應(yīng)力集中,Griffith crack theory斷裂理論,為什么材料的實際強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論強度？,存在缺陷,為什么在缺陷處斷裂

33、？,缺陷處應(yīng)力集中,缺陷處應(yīng)力多大？,Griffith theory,討論什么時候裂紋開始擴展,E-材料的楊氏模量； -材料單位表面的表面能； a-裂縫長度的一半。,裂縫擴展的臨界應(yīng)力,Griffith從能量平衡的觀點分析斷裂過程，結(jié)果：,（2）影響強度的因素（規(guī)定試樣尺寸） a填料：與填料高聚物的性質(zhì)有關(guān)（纖維填料能改進高聚物的力學(xué)強度）。粉料填料也可以作增強劑 （如碳黑增強橡膠，模量和強度均增加。） b受力的條件：與環(huán)境條件即溫度和速度有關(guān)。按作用力作用方式不同力學(xué)強度分為：抗拉強度，抗壓強度，抗彎強度，沖擊強度。 為了得到重復(fù)性好的結(jié)果，為了消除受力條 件的影響，規(guī)定了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)條件-標(biāo)

34、準(zhǔn)測試,補充內(nèi)容： 強迫高彈形變與“冷拉伸”,已知環(huán)境對高分子材料拉伸行為有顯著影響，這兒再重點介紹在特殊環(huán)境條件下，高分子材料的兩種特殊拉伸行為。,1、非晶聚合物的強迫高彈形變,圖 聚甲基丙烯酸甲酯的應(yīng)力-應(yīng)變 曲線隨環(huán)境溫度的變化（常壓下）,研究高聚物拉伸破壞行為時，特別要注意在較低溫度下的拉伸、屈服、斷裂的情形。對于非晶聚合物，當(dāng)環(huán)境溫度處于 時，雖然材料處于玻璃態(tài)，鏈段凍結(jié)，但在恰當(dāng)速率下拉伸，材料仍能發(fā)生百分之幾百的大變形（參見圖中T = 80，60的情形），這種變形稱強迫高彈形變。Tb 為脆化溫度。,（2）現(xiàn)象的本質(zhì)是在高應(yīng)力下，原來卷曲的分子鏈段被強迫發(fā)生運動、伸展，發(fā)生大變形，如同處于高彈態(tài)的情形。這種強迫高彈形變在外力撤消后，通過適當(dāng)升溫（ ）仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)。,（1）這種現(xiàn)象既不同于高彈態(tài)下的高彈形變，也不同于粘流態(tài)下