[教育]張弢-高分子材料學課件17properties高聚物的力學性能

1、高聚物的力學性能I,玻璃態(tài)高聚物的力學性質,高聚物力學性能的多樣性,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性質：聚苯乙烯：脆；尼龍：堅韌，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：力學性能的溫度、時間依賴性，同時具有液體和固體的性質。高聚物的力學性能是由其結構決定的：化學結構、分子量及其分布、支化和交聯(lián)、結晶度和結晶形態(tài)、共聚方式、分子取向、增塑及填料等。玻

2、璃態(tài)和結晶態(tài)的力學性質高彈態(tài)的力學性質高聚物的力學松弛：粘彈性,應力和應變,材料在外力作用下不能產生慣性移動時其幾何形狀和尺寸的變化，稱應變（Strain），e；%。材料發(fā)生宏觀形變時，內部分子間及分子內各原子間的相對位置和距離也會發(fā)生變化，產生了原子間及分子間的附加內力，以抵抗外力并試圖恢復到變形前的狀態(tài)，達到平衡時，附加內力與外力大小相等，方向相反。單位面積上的附加內力為應力（Stress），s；N/m2(Pa)。,簡單拉伸

3、情況下,習用應變（相對伸長或伸長率）,拉伸應力（習用應力）,真應力,真應變,一對外力 F 垂直于截面積 A0，大小相等、方向相反且在同一條直線上。,簡單剪切和均勻壓縮情況,簡單剪切：一對外力 F 平行于截面積 A0，大小相等、方向相反；切應變g和剪切應力ss,均勻（靜態(tài)流體）壓縮：圍壓力P，產生均勻壓縮形變D,彈性模量,理想的彈性固體符合虎克定律，彈性模量為應力與應變之比。模量是材料發(fā)生單位形變時的應力，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。對應拉伸、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，對應地有拉伸柔量D，剪切柔量J，和體積模量的倒數(shù)可壓縮度。,各種模量的關系,其中u稱泊松比（Poisson's ratio），定義為拉伸實驗中，材料橫向單位寬度的減小與縱向單位長度的增加值之比。對于理想不可壓縮體，形變時沒有體積變化：u=0.5，E=3G；對于一般材料，形變時有體積變化，0.

5、2<u<0.5；橡膠和小分子液體u≈0.5。E、G、B、u四個參數(shù)，只要知道兩個就足以描述各相同性材料的彈性力學行為。對各向異性材料具有更加復雜的關系。,對于各向同性材料：,機械強度,機械強度是指材料抵抗外力破壞的能力。是材料力學性能的指標。對不同的破壞力有不同的強度指標。標準化的強度試驗使各種材料之間具有可比性。拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度、硬度等。,拉伸強度,在規(guī)定的溫度濕度和試驗速度下，標準試樣沿

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）由拉伸初始階段應力應變之比來計算。,△P是變形較小時的載荷,彎曲強度,也稱撓曲強度，在規(guī)定試驗條件下，對試樣施加靜彎曲力矩直至折斷，取最大載荷P計算彎曲強度：,彎曲模量,d稱撓度，是試樣著力處的位移,彎曲強度也可以將試樣一端固定，另一端來施加載荷。也可以采用圓形試樣。,沖擊強度,試樣受到沖擊載荷而折斷時單位截面積所吸收的能量。測試沖擊強度的方法：擺錘式

7、沖擊、落重式沖擊和快速拉伸。擺錘式沖擊：簡支梁式（Charpy試驗）和懸臂梁式（Izod）。,落重式沖擊：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算沖擊強度?？焖倮斓玫降膽兦€下的面積為沖擊強度。,硬度,衡量材料表面抵抗壓力的能力，與材料的抗張強度和彈性模量有關。動載法（彈性回跳）和靜載法（壓入法）測量。按壓頭形狀和計算方法有布氏、洛氏、邵氏硬度等。布氏硬度試驗：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，測量壓入深度h，計算凹痕表面積，單位面積上的載荷（Kg/mm2）為布氏硬度HB。,材料拉伸行為：應力應變曲線,高聚物的拉伸行為,玻璃態(tài)高聚物的拉伸；玻璃態(tài)聚合物的強迫高彈形變；結晶高聚物的拉伸；硬彈性材料的拉伸應變誘發(fā)的塑料-橡膠轉變,玻璃態(tài)非晶高聚物的拉伸,T << Tg, e < 10%, 脆性斷裂；應變可回復；1；T 略升高但仍低于Tg，出現(xiàn)屈服點 B，e < 20%；屈服形變

9、；屈服應力；韌性斷裂；需升溫到Tg以上才回復；2；T低于Tg幾十度，e增大；C點斷裂，斷裂應力，斷裂伸長率；韌性斷裂；需升溫到Tg以上才回復；3；,T > Tg，進入高彈態(tài)，高彈形變，沒有屈服點，應力變化小而應變很大；4；,PMMA的應力應變曲線,無規(guī)PMMA Tg = 105?C(221?F),玻璃態(tài)高聚物的強迫高彈形變,玻璃態(tài)高聚物在大外力作用下發(fā)生的高彈形變稱強迫高彈形變，本質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動的松弛時間。,ΔE：活化能a：與材料有關的常數(shù),強迫高彈形變產生的條件,夠大的力：sy < s < sb適當?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)展強迫高彈形變）適當?shù)淖饔盟俣龋禾靵聿患爱a生，太慢形成部分粘流結構：太柔（分子堆砌太緊密）、太剛（鏈段不能運動）都導致脆性分子量：太?。ǚ肿佣哑鎏o密，Tb 、Tg

11、接近 ）使材料呈脆性，沒有強迫高彈態(tài),結晶高聚物的拉伸,出現(xiàn)明顯的轉折，分作三段屈服點Y之前，材料截面不變；Y點：屈服，突然出現(xiàn)細頸，進入第二階段應力幾乎不變，細頸擴展，應變增大（～500%-1000%）；完全成頸，應力增大直至X點斷裂,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、形成微纖的過程。通常不易回復（形變被新的結晶凍結），加熱到Tm附近，則重新回復，本質上仍是高彈形變。,A→D：微晶偏轉，滑移，破

12、裂，形成微纖；形變可達百分之幾百,非晶與晶態(tài)高聚物高彈形變的異同,相似之處：都經歷彈性變形、屈服（成頸）、發(fā)展大形變、“應變硬化”等階段；拉伸的后階段材料呈強烈的各相異性；斷裂前的大形變室溫不能回復，加熱后（接近Tg， Tm）可回復；本質上都是高彈形變（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，無相變；晶態(tài)聚合物中還包括結晶的破壞、取向、重新結晶等聚集態(tài)結構的復雜變

13、化。,晶態(tài)高聚物應力應變曲線的影響,溫度、應變速率、結晶度、結晶形態(tài)等的影響,溫度,應變速率,結晶度,結晶形態(tài)，球晶大小,硬彈性材料的拉伸,易結晶的高聚物熔體在高拉伸應力場中結晶，得到具有很高彈性的纖維或薄膜，彈性模量遠高于普通橡膠，稱硬彈性材料（Hard Elastic Materials）。高起始模量，屈服不明顯，無成頸現(xiàn)象，拉伸中應力持續(xù)緩慢上升，形變可自發(fā)回復（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理：晶態(tài)和非晶態(tài)硬彈性材料都具有板塊-微纖復合結構，微纖的表面能改變引起硬彈性行為：克服表面能使應力緩慢增大，微纖孔隙率的增加提供了大形變,硬彈性PP的板塊-微纖復合結構,應變誘發(fā)的塑料-橡膠轉變,某些嵌段共聚物及其與相應均聚物的共混物表現(xiàn)出的特有的應變軟化現(xiàn)象。第一次拉伸是典型的塑料，釋放外力后迅速恢復且無需加熱

15、；第二次拉伸表現(xiàn)為橡膠，室溫下較長時間后可恢復成塑料。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程。,拉伸前,e = 80%,e = 500%,e = 600%并室溫回復數(shù)天,e = 600%并100?C回復2hr,聚合物應力應變曲線類型,硬而脆：PS，PMMA，酚醛等。高模量、較高拉強、無屈服、低伸長（2%）；硬而強：硬質PVC。高模量、高拉強、低伸長（5%）

16、；,強而韌：PA66，PC，POM等。高強度、高伸長，有細頸； 軟而韌：橡膠，增塑PVC。低模量，高伸長（～1000%），無明顯屈服，高斷裂強度； 軟而弱：凝膠,高聚物的屈服,高聚物的屈服,脆性材料：沒有屈服，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？,切應力雙生互等定律,,對傾角為a的斜截面Aa：,對傾角為b

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

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

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