[教育]張弢-高分子材料學(xué)課件17properties高聚物的力學(xué)性能

1、高聚物的力學(xué)性能I,玻璃態(tài)高聚物的力學(xué)性質(zhì),高聚物力學(xué)性能的多樣性,高聚物具有通常溫度下所有已知材料中可變范圍最寬的力學(xué)性質(zhì)：聚苯乙烯：脆；尼龍：堅(jiān)韌，不易變形、不易破碎；輕度交聯(lián)的橡膠：高彈形；膠泥：變形后可保持新的形狀。高聚物的粘彈性：力學(xué)性能的溫度、時(shí)間依賴性，同時(shí)具有液體和固體的性質(zhì)。高聚物的力學(xué)性能是由其結(jié)構(gòu)決定的：化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量及其分布、支化和交聯(lián)、結(jié)晶度和結(jié)晶形態(tài)、共聚方式、分子取向、增塑及填料等。玻

2、璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)的力學(xué)性質(zhì)高彈態(tài)的力學(xué)性質(zhì)高聚物的力學(xué)松弛：粘彈性,應(yīng)力和應(yīng)變,材料在外力作用下不能產(chǎn)生慣性移動(dòng)時(shí)其幾何形狀和尺寸的變化，稱應(yīng)變（Strain），e；%。材料發(fā)生宏觀形變時(shí)，內(nèi)部分子間及分子內(nèi)各原子間的相對(duì)位置和距離也會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生了原子間及分子間的附加內(nèi)力，以抵抗外力并試圖恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，達(dá)到平衡時(shí)，附加內(nèi)力與外力大小相等，方向相反。單位面積上的附加內(nèi)力為應(yīng)力（Stress），s；N/m2(Pa)。,簡(jiǎn)單拉伸

3、情況下,習(xí)用應(yīng)變（相對(duì)伸長(zhǎng)或伸長(zhǎng)率）,拉伸應(yīng)力（習(xí)用應(yīng)力）,真應(yīng)力,真應(yīng)變,一對(duì)外力 F 垂直于截面積 A0，大小相等、方向相反且在同一條直線上。,簡(jiǎn)單剪切和均勻壓縮情況,簡(jiǎn)單剪切：一對(duì)外力 F 平行于截面積 A0，大小相等、方向相反；切應(yīng)變g和剪切應(yīng)力ss,均勻（靜態(tài)流體）壓縮：圍壓力P，產(chǎn)生均勻壓縮形變D,彈性模量,理想的彈性固體符合虎克定律，彈性模量為應(yīng)力與應(yīng)變之比。模量是材料發(fā)生單位形變時(shí)的應(yīng)力，表征材料抵抗變形能力的大小

4、，模量越大，越不容易變形，材料剛性越大。對(duì)應(yīng)拉伸、剪切、均勻壓縮的模量分別稱楊氏模量E、剪切模量G和體積模量B。,模量的倒數(shù)稱柔量，對(duì)應(yīng)地有拉伸柔量D，剪切柔量J，和體積模量的倒數(shù)可壓縮度。,各種模量的關(guān)系,其中u稱泊松比（Poisson's ratio），定義為拉伸實(shí)驗(yàn)中，材料橫向單位寬度的減小與縱向單位長(zhǎng)度的增加值之比。對(duì)于理想不可壓縮體，形變時(shí)沒(méi)有體積變化：u=0.5，E=3G；對(duì)于一般材料，形變時(shí)有體積變化，0.

5、2<u<0.5；橡膠和小分子液體u≈0.5。E、G、B、u四個(gè)參數(shù)，只要知道兩個(gè)就足以描述各相同性材料的彈性力學(xué)行為。對(duì)各向異性材料具有更加復(fù)雜的關(guān)系。,對(duì)于各向同性材料：,機(jī)械強(qiáng)度,機(jī)械強(qiáng)度是指材料抵抗外力破壞的能力。是材料力學(xué)性能的指標(biāo)。對(duì)不同的破壞力有不同的強(qiáng)度指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)化的強(qiáng)度試驗(yàn)使各種材料之間具有可比性。拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、硬度等。,拉伸強(qiáng)度,在規(guī)定的溫度濕度和試驗(yàn)速度下，標(biāo)準(zhǔn)試樣沿

6、軸向拉伸至斷裂，斷裂前試樣承受的最大載荷P與試樣橫截面積之比。,拉伸模量（楊氏模量）由拉伸初始階段應(yīng)力應(yīng)變之比來(lái)計(jì)算。,△P是變形較小時(shí)的載荷,彎曲強(qiáng)度,也稱撓曲強(qiáng)度，在規(guī)定試驗(yàn)條件下，對(duì)試樣施加靜彎曲力矩直至折斷，取最大載荷P計(jì)算彎曲強(qiáng)度：,彎曲模量,d稱撓度，是試樣著力處的位移,彎曲強(qiáng)度也可以將試樣一端固定，另一端來(lái)施加載荷。也可以采用圓形試樣。,沖擊強(qiáng)度,試樣受到?jīng)_擊載荷而折斷時(shí)單位截面積所吸收的能量。測(cè)試沖擊強(qiáng)度的方法：擺錘式

7、沖擊、落重式?jīng)_擊和快速拉伸。擺錘式?jīng)_擊：簡(jiǎn)支梁式（Charpy試驗(yàn)）和懸臂梁式（Izod）。,落重式?jīng)_擊：逐漸升高重物的下落高度直至材料破壞，從重物的高度和重量計(jì)算沖擊強(qiáng)度?？焖倮斓玫降膽?yīng)力應(yīng)變曲線下的面積為沖擊強(qiáng)度。,硬度,衡量材料表面抵抗壓力的能力，與材料的抗張強(qiáng)度和彈性模量有關(guān)。動(dòng)載法（彈性回跳）和靜載法（壓入法）測(cè)量。按壓頭形狀和計(jì)算方法有布氏、洛氏、邵氏硬度等。布氏硬度試驗(yàn)：將直徑D的鋼球壓入試樣表面，保持壓

8、力使材料充分變形，測(cè)量壓入深度h，計(jì)算凹痕表面積，單位面積上的載荷（Kg/mm2）為布氏硬度HB。,材料拉伸行為：應(yīng)力應(yīng)變曲線,高聚物的拉伸行為,玻璃態(tài)高聚物的拉伸；玻璃態(tài)聚合物的強(qiáng)迫高彈形變；結(jié)晶高聚物的拉伸；硬彈性材料的拉伸應(yīng)變誘發(fā)的塑料-橡膠轉(zhuǎn)變,玻璃態(tài)非晶高聚物的拉伸,T << Tg, e < 10%, 脆性斷裂；應(yīng)變可回復(fù)；1；T 略升高但仍低于Tg，出現(xiàn)屈服點(diǎn) B，e < 20%；屈服形變

9、；屈服應(yīng)力；韌性斷裂；需升溫到Tg以上才回復(fù)；2；T低于Tg幾十度，e增大；C點(diǎn)斷裂，斷裂應(yīng)力，斷裂伸長(zhǎng)率；韌性斷裂；需升溫到Tg以上才回復(fù)；3；,T > Tg，進(jìn)入高彈態(tài)，高彈形變，沒(méi)有屈服點(diǎn)，應(yīng)力變化小而應(yīng)變很大；4；,PMMA的應(yīng)力應(yīng)變曲線,無(wú)規(guī)PMMA Tg = 105?C(221?F),玻璃態(tài)高聚物的強(qiáng)迫高彈形變,玻璃態(tài)高聚物在大外力作用下發(fā)生的高彈形變稱強(qiáng)迫高彈形變，本質(zhì)上與橡膠的高彈形變一樣，表現(xiàn)形式不同。原

10、因：外力作用縮短了鏈段沿外力方向運(yùn)動(dòng)的松弛時(shí)間。,ΔE：活化能a：與材料有關(guān)的常數(shù),強(qiáng)迫高彈形變產(chǎn)生的條件,夠大的力：sy < s < sb適當(dāng)?shù)臏囟龋篢b<T<Tg，（塑料的使用溫度范圍），Tb：脆化溫度（T<Tb，不能發(fā)展強(qiáng)迫高彈形變）適當(dāng)?shù)淖饔盟俣龋禾靵?lái)不及產(chǎn)生，太慢形成部分粘流結(jié)構(gòu)：太柔（分子堆砌太緊密）、太剛（鏈段不能運(yùn)動(dòng)）都導(dǎo)致脆性分子量：太小（分子堆砌太緊密，Tb 、Tg

11、接近 ）使材料呈脆性，沒(méi)有強(qiáng)迫高彈態(tài),結(jié)晶高聚物的拉伸,出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，分作三段屈服點(diǎn)Y之前，材料截面不變；Y點(diǎn)：屈服，突然出現(xiàn)細(xì)頸，進(jìn)入第二階段應(yīng)力幾乎不變，細(xì)頸擴(kuò)展，應(yīng)變?cè)龃螅ā?00%-1000%）；完全成頸，應(yīng)力增大直至X點(diǎn)斷裂,晶態(tài)高聚物的彈性形變,第II階段的大形變是微晶重排、破壞、形成微纖的過(guò)程。通常不易回復(fù)（形變被新的結(jié)晶凍結(jié)），加熱到Tm附近，則重新回復(fù)，本質(zhì)上仍是高彈形變。,A→D：微晶偏轉(zhuǎn)，滑移，破

12、裂，形成微纖；形變可達(dá)百分之幾百,非晶與晶態(tài)高聚物高彈形變的異同,相似之處：都經(jīng)歷彈性變形、屈服（成頸）、發(fā)展大形變、“應(yīng)變硬化”等階段；拉伸的后階段材料呈強(qiáng)烈的各相異性；斷裂前的大形變室溫不能回復(fù)，加熱后（接近Tg， Tm）可回復(fù)；本質(zhì)上都是高彈形變（冷拉）不同之處：冷拉的溫度范圍不同，Tb-Tg， Tg-Tm；非晶態(tài)聚合物中只發(fā)生分子的取向，無(wú)相變；晶態(tài)聚合物中還包括結(jié)晶的破壞、取向、重新結(jié)晶等聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜變

13、化。,晶態(tài)高聚物應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響,溫度、應(yīng)變速率、結(jié)晶度、結(jié)晶形態(tài)等的影響,溫度,應(yīng)變速率,結(jié)晶度,結(jié)晶形態(tài)，球晶大小,硬彈性材料的拉伸,易結(jié)晶的高聚物熔體在高拉伸應(yīng)力場(chǎng)中結(jié)晶，得到具有很高彈性的纖維或薄膜，彈性模量遠(yuǎn)高于普通橡膠，稱硬彈性材料（Hard Elastic Materials）。高起始模量，屈服不明顯，無(wú)成頸現(xiàn)象，拉伸中應(yīng)力持續(xù)緩慢上升，形變可自發(fā)回復(fù)（98%）。,晶態(tài)高聚物：PP, POM, PE, PA;非晶高

14、聚物：HIPS,快速牽伸下熔紡的PP纖維,硬彈性行為的解釋,Clark能彈性模型（晶態(tài)高聚物）：片晶的彈性彎曲表面能機(jī)理：晶態(tài)和非晶態(tài)硬彈性材料都具有板塊-微纖復(fù)合結(jié)構(gòu)，微纖的表面能改變引起硬彈性行為：克服表面能使應(yīng)力緩慢增大，微纖孔隙率的增加提供了大形變,硬彈性PP的板塊-微纖復(fù)合結(jié)構(gòu),應(yīng)變誘發(fā)的塑料-橡膠轉(zhuǎn)變,某些嵌段共聚物及其與相應(yīng)均聚物的共混物表現(xiàn)出的特有的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。第一次拉伸是典型的塑料，釋放外力后迅速恢復(fù)且無(wú)需加熱

15、；第二次拉伸表現(xiàn)為橡膠，室溫下較長(zhǎng)時(shí)間后可恢復(fù)成塑料。SBS，S:B≈1:1塑料相與橡膠相呈層狀分布，拉伸中塑料相傾斜、曲折直至撕裂，室溫放置或加熱后塑料相重建的過(guò)程。,拉伸前,e = 80%,e = 500%,e = 600%并室溫回復(fù)數(shù)天,e = 600%并100?C回復(fù)2hr,聚合物應(yīng)力應(yīng)變曲線類型,硬而脆：PS，PMMA，酚醛等。高模量、較高拉強(qiáng)、無(wú)屈服、低伸長(zhǎng)（2%）；硬而強(qiáng)：硬質(zhì)PVC。高模量、高拉強(qiáng)、低伸長(zhǎng)（5%）

16、；,強(qiáng)而韌：PA66，PC，POM等。高強(qiáng)度、高伸長(zhǎng)，有細(xì)頸； 軟而韌：橡膠，增塑PVC。低模量，高伸長(zhǎng)（～1000%），無(wú)明顯屈服，高斷裂強(qiáng)度； 軟而弱：凝膠,高聚物的屈服,高聚物的屈服,脆性材料：沒(méi)有屈服，斷裂面與拉伸方向垂直，斷裂面光潔；韌性材料：屈服，斷裂面與拉伸方向呈45?角；材料內(nèi)部出現(xiàn)“剪切帶”。,脆性材料,韌性材料,PET的剪切帶,為什么？,切應(yīng)力雙生互等定律,,對(duì)傾角為a的斜截面Aa：,對(duì)傾角為b

17、 =90?+a的另一斜截面：,,,試樣受力時(shí)，任意截面上的法應(yīng)力和切應(yīng)力與正應(yīng)力和傾角有關(guān)并隨傾角改變；法向應(yīng)力之和為正應(yīng)力；互相垂直的面上的剪切應(yīng)力數(shù)值相等，方向相反，同時(shí)出現(xiàn)，不能單獨(dú)存在——切應(yīng)力雙生互等定律,剪切帶的解釋,截面傾角為45?時(shí)，剪切應(yīng)力具有最大值；韌性材料斜截面上的剪切應(yīng)力首先達(dá)到材料的剪切強(qiáng)度，出現(xiàn)45?的滑移帶，表現(xiàn)為屈服；繼續(xù)拉伸，鏈段取向，強(qiáng)度提高，不再變形而在變形帶邊緣繼續(xù)滑移，形成細(xì)頸，直至細(xì)頸擴(kuò)

18、展到整個(gè)試樣后正應(yīng)力達(dá)到拉伸強(qiáng)度，出現(xiàn)斷裂；脆性材料在剪切應(yīng)力達(dá)到剪切強(qiáng)度之前正應(yīng)力首先達(dá)到拉伸強(qiáng)度，發(fā)生斷裂。實(shí)際滑移帶大于45?甚至接近60?，原因有二：假定體積不變，實(shí)際泊松比<0.5，體積變化導(dǎo)致角度變大；剪切帶角度在外力撤除后回縮，剪切角度增大。,,,真應(yīng)力應(yīng)變曲線,習(xí)用應(yīng)力應(yīng)變曲線是荷重-伸長(zhǎng)曲線；試樣變形時(shí)截面積有變化，真應(yīng)力s’與習(xí)用應(yīng)力s有差別；設(shè)試樣變形時(shí)體積不變，即 A0l0 = Al，定義伸長(zhǎng)

19、比l = l/l0 = 1+e，則：,可以從習(xí)用應(yīng)力應(yīng)變曲線通過(guò)上式換算得到真應(yīng)力應(yīng)變曲線，A0>A，s’>s習(xí)用應(yīng)力應(yīng)變曲線上可以用曲線拐點(diǎn)判斷屈服，真應(yīng)力應(yīng)變曲線上如何判斷？,真應(yīng)力應(yīng)變曲線的屈服判據(jù),習(xí)用應(yīng)力應(yīng)變曲線上屈服點(diǎn)是曲線的拐點(diǎn)，即ds/de = 0，根據(jù)前式s = s’/(1+e)，有：,在真應(yīng)力應(yīng)變曲線上從橫坐標(biāo)上e = -1或 l = 0處向曲線作切線，切點(diǎn)即屈服點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的真應(yīng)力為真屈服應(yīng)力sy’。